Воздушные потоки

Современные высококачественные дельтапланы в состоянии совершать достаточно большие перелеты, достигать значительных высот и держаться в воздухе продолжительное время. Так, мировой рекорд дальности полета на дельтаплане, установленный в 1977 г., составляет 153,61 км; наибольшая высота, достигнутая в полете, превышает 5000 м. Таких результатов нельзя добиться, если надеяться только на аэродинамическое совершенство аппарата, потому что даже современный планер, качество которого приближается к 50, едва ли сможет преодолеть такую дистанцию без промежуточного набора высоты в найденном по пути восходящем потоке воздуха. Тем более это относится к дельтаплану, качество которого обычно не превышает 10. Поэтому дельтапланеристу необходимо иметь ясное представление о том, как образуются воздушные потоки, где их скорее всего можно встретить, наконец, как их наиболее эффективно использовать.

Атмосферные движения (возмущения) носят неупорядоченный характер и захватывают ограниченные области. Обычно протяженность возмущенных слоев воздуха 60-80 км, а толщина 300-600 м. Время их существования исчисляется часами, но иногда может доходить и до суток. Наиболее часто подобные зоны появляются в нижнем слое тропосферы до высот порядка 2-3 км, т. е. там, где совершаются полеты на дельтапланах [32]. При перемещении возмущенной зоны над холмистой или горной местностью образуются динамические восходящие потоки, или потоки обтекания, как их обычно именуют дельтапланеристы.

Процесс образования термических восходящих потоков (термиков) иной. Излучение Солнца нагревает земную поверхность, откуда тепло поступает в атмосферу. Земная поверхность очень контрастна: на ней есть океаны и пустыни, горы и низменности, и всегда какие-то районы поглощают тепла больше, какие-то меньше. Неоднородность нагрева приводит к конвенциональным движениями воздуха в атмосфере, к числу которых относятся термики.

Строго говоря, первопричиной динамических восходящих потоков тоже является излучение Солнца. Без него движение воздушных масс невозможно, так как температура и давление в атмосфере постепенно выравниваются. Следует еще добавить, что над равниной действуют термики, а в горах - термики и потоки обтекания.

Потоки обтекания. Подавляющее большинство полетов на дельтапланах производится в потоках обтекания. Рассмотрим процесс образования этих потоков.

Воздух при своем движении всегда выбирает путь наименьшего сопротивления, в силу чего стремится обогнуть препятствие, а не перепрыгнуть через него. Кстати, это явление лежит и в основе создания крылом подъемной силы. Поток воздуха, движущийся со скоростью V₁, набегает на склон, поджимается этим склоном и обтекает его, имея теперь в соответствии с законом Бернулли более высокую скорость. Поскольку изменяется также направление потока, появляется вертикальная составляющая скорости ветра, которая и используется дельтапланеристами для полетов.

Обычно поток обтекания широк и стабилен, что облегчает обучение дельтапланеристов. Поток обтекания может значительно усилиться, если склон хорошо нагрет солнцем. Естественно, дельтапланериста прежде всего интересует вопрос, как далеко от склона он может отойти, не рискуя потерять поток обтекания, т. е. каков размер зоны действия потока обтекания.

Заметное влияние холма ощущается на высоте, превышающей его высоту на 30% [6], а расстояние по горизонтали, на которое распространяется влияние холма, многократно превышает высоту холма. Зона влияния холма может увеличиться как по высоте, так и по горизонтали при определенном сочетании скорости ветра, его направлении и стабильности, а также формы склона.

В этой же работе приводится формула, позволяющая оценить зону действия потока обтекания по высоте:

где H_вл - высота, па которую распространяется влияние холма, в метрах; h - высота холма в метрах; γ - вертикальный градиент температуры в градусах на 100 м высоты.

Там же дана формула расстояния по горизонтали, на которое распространяется влияние холма:

где i - угол склона в градусах.

Очевидно, что поток обтекания в разных местах зоны своего действия неодинаков. На него влияют форма склона и параметры ветра. Для достижения наибольшей продолжительности полета предпочтительнее держаться на дельтаплане несколько выше вершины склона и недалеко от нее в горизонтальной плоскости. Там должна быть наибольшая скорость подъема. В поисках этого места хорошую услугу окажет вариометр, даже самый простейший. Если ветер не меняется, поток обтекания действует многие часы и можно выяснить перед полетами воздушную картину над склоном.

Термики. Многим, вероятно, приходилось сталкиваться с таким явлением. В знойный безветренный полдень в чистом поле вдруг слышится шум ветра, колеблется трава. Затем все стихает. Если подождать на этом же месте несколько минут, то все повторится. Можно уверенно говорить, что здесь действует термик.

Как протекает процесс рождения термина? Известно, что температура земной поверхности очень контрастна даже на протяжении нескольких сот метров. Над более теплым участком образуется воздушный "пузырь". По мере поступления тепла он расширяется и, как более теплый по сравнению с окружающим воздухом, стремится "всплыть". Вследствие этого его подножье непрестанно суживается. Наконец, "пузырь" диаметром иногда более 100 м отрывается от поверхности и устремляется вверх с характерным шумом. На его месте тут же начинает образовываться другой "пузырь" и т. д. Скорость образования "пузырей" зависит от температуры поверхности. Чем она выше, тем чаще "пузыри" следуют друг за другом. При достижении определенной температуры возникает устойчивый термик, который представляет собой более или менее круглую в сечении "трубу". Если влажность поднимающегося воздуха достигает уровня конденсации, появляется кучевое облако, напоминающее кочан капусты - кумулюс. Его легко узнать: малое подножие, оно больше распространяется вверх, чем вширь. Летом можно видеть иногда "дороги" из этих облаков. Планеристы используют их для дальних полетов.

Следует сказать о термических потоках, действующим летом в вечернее время. Если днем какой-то участок земной поверхности быстрее и сильнее нагревался, то вечером он также интенсивно охлаждается. Соседние участки становятся более теплыми. Поэтому днем следует избежать полетов над затененными местами, лесами, водными поверхностями, хлебными полями и каменистой местностью. Вечером же, наоборот, они благоприятнее для полетов, отдавая накопленное тепло и создавая тем самым мягкий и стабильный восходящий поток.

Планеристам известно, что скорость подъема в термике непрерывно падает по мере удаления от его центра, ?что говорит об определенной закономерности изменения поля скоростей в восходящем потоке.

Первую модель распределения скоростей в термине [предложил К. Кармихаэль [9]. По этой модели различают три вида термика: сильный, широкий и слабый, причем сильный термик имеет максимальный градиент скорости подъема c = 6,5 ^см/_(с*м). Это означает, что при удалении от центра термика на 1 м скорость подъема воздуха уменьшается на 6,5 ^см/_с. Указанное значение находится в резком противоречии со среднеевропейской действительностью, поэтому появилась необходимость в более точной модели.

Рис. 46. Основные типы распределения скоростей подъема воздуха в терминах. Термин: А₁ - узкий слабый, А₂ - узкий сильный, В₁ - широкий слабый, В₂ - широкий сильный

В начале 70-х годов Д. А. Коновалов [17] и В. Мартин [20] выявили по два основных типа распределения скоростей в термиках, известные сейчас как распределения скоростей в термиках вида А₁, А₂, В₁, В₂. Установлено, что изменения скоростей подъема воздуха в термиках всех видов имеют линейный характер. На рис. 46 показано изменение скорости подъема воздуха во всех видах термика в зависимости от расстояния до центра термика. Скорость подъема воздуха в термине может быть описана аналитически формулой V_yT = a + cr, где по данным [12, 28]:

Приведенные значения верны при удалении от центра термика на расстояние от 25 до 150 м.

Практика доказала, что на дельтаплане можно набирать высоту в термических потоках и благодаря этому преодолевать значительное расстояние. Определим условия, необходимые для набора высоты в термине. Из аэродинамики известно, что скорость полета по спирали (а именно так движется в термике безмоторный летательный аппарат при наборе высоты) связана со скоростью планирования в прямолинейном полете соотношением

а скорость снижения аппарата в спирали связана со скоростью его снижения в прямолинейном планирующем полете соотношением

где γ - угол крена. Из равенства сил, действующих на дельтаплан в спирали, следует:

где r_c - радиус спирали. Подставив в уравнение tg γ значение V_c, получим

Ранее нами были определены скорости прямолинейного планирования и вертикального снижения дельтаплана в условиях спокойной атмосферы (см. гл. 1). Подставляя! их значения в формулы для полета по спирали, мы сможем определить, как движется аппарат относительно земной поверхности по высоте. Уже говорилось, что относительно воздуха он всегда снижается. Но если скорость подъема воздуха в термине равна скорости снижения дельтаплана, то высота аппарата относительно земной поверхности не будет меняться. А когда скорость подъема воздуха в термине превысит скорость снижения дельтаплана, то он начнет набирать высоту. Аналитически это можно описать простым выражением!

Подставляя сюда выражения для V_yT и V_yc, имеем

Последнее уравнение позволяет для конкретной модели термина и при известной поляре дельтаплана вычислять вертикальные перемещения аппарата в зависимости от радиуса спирали, угла крена, аэродинамического качества и типа термина.