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滑翔机热气流飞行

 梦泽赤子 2014-04-08

 如何搜寻热气流

      这是玩手掷机最引人入胜的地方,令无数人玩得如痴如醉就是这琢磨不定的上升气流。玩手掷机每次出手都希望能抓住一股强劲的上升气流,把飞机送上高空,虽然不可能每次出手都能抓到气流,但随着操作水平的提高,抓到气流的次数会越来越多,每次出手都有期待,每次飞行都不一样,有时飞到手软,有时候几十秒就回到地上,变化多端,一切都缘于那神出鬼没的上升气流,下面就我的浅薄经验谈一下对他的认识。
1.形成热气流的条件
1)阳光
  这是最关键的因素,太阳越强热气流出现的频率就越高,在清晨和傍晚是不可能有把飞机带上高空的上升气流的。因此想爽飞热气流应该在上午10点到下午4点之间飞行。这可能也是飞热气流最大的缺点,就是要晒太阳,所以我几乎每次飞手掷机都会戴上帽子。
2)空气的湿度
  当空气的湿度高,空气的比热就会上升,吸收同样的热量,温度变化就少,由于不容易产生温差,空气就会趋向不流动,最典型的例子就是在大雾天,空气就像凝固了一样,这时候飞手掷机,会发现飞机很听话,操纵的感觉很舒服,有飞大飞机的感觉,那是因为没有风,这时候想飞高是很难的。另外,有雾气的天气通常阳光都不强烈,进一步减少了热气流产生的机会。因此雾天较少出现热气流,相反,当空气干燥,一片蓝天的时候,经常会出现喷射式上升的热气流,在不到2分钟时间把飞机吸上高空,让你担心飞丢。
3)风力的大小
  对于飞热气流,风越小越好,因为风会把上升气流吹散,但风的影响没有空气的湿度大,如果空气干燥,天空蔚蓝,即使有风,也有强烈的上升气流,如果气流在身边产生,甚至会使周围的风静止或改变方向。
2.如何捕捉上升气流
  首先要把飞机调整到飞行稳定,操纵要比较熟练。因为在上升气流中滑翔就好像在波涛汹涌的海洋中撑小船,机手要在颠簸的飞机中感受到上升气流的位置并冲进去,如果飞机本身不稳定就很难感受实际的气流情况。
  捕捉上升气流主要靠飞机的飞行状态来判断,当飞机进入上升气流的一刹那,飞机会有抬头减速的趋势,这时候如果拉杆速度会进一步减少,但失速出现的时间会比不在上升气流飞行的时候晚,如果有了这种感觉就证明飞机处在上升气流中,就应该开始盘旋。
  上升气流有两种,一种是斜坡风,另一种是热气流,斜坡风是因为风吹过障碍物后变成向上吹的风,这种风不能使飞机飞高,但能维持高度。热气流是空气吸收了太阳的热量后密度变小而向上流动的空气,热气流可以使飞机飞得很高。驾驭这两种风的方法是不一样的,在斜坡风中,飞机通常是要顶风前进才能停留在上升的空气中,但在热气流中飞机就应边盘旋边顺风移动,在热上升气流强的位置通常没有什么侧风,DLG可以用较少的操作就能稳定地盘旋上升。
  热气流通常出现在风的下游,因为上升气流的流动要吸收周围的风补充进去,如果当天是吹北风,突然风静下来或改吹南风,很有可能在你的北面有一股强劲上升气流,在飞机已经骑上了一股上升气流,飞到一定高度候后,气流消失,应首先看风标的指向,优先考虑把飞机飞到风标指向的方向。但如果吹的是当天主导的风向,这招就不灵了,例如,当天主导吹北风,北风突然加强,并不代表向南飞就可以找到气流。
  飞热气流主要还是靠飞机的飞行姿态来判断,这是最可靠的。理论只是推测可能性,按照理论,水面是很难产生热气流的,但我曾经试过在一条江面飞了一个下午,总共出手次数不超过六次,每次都有接近10分钟的飞行时间,后来又打筋斗,又玩特技都掉不下来。所以飞热气流主要是靠不断地搜索和对飞机熟练的操纵,没有绝对的规律,基本上只要有蓝天就肯定有上升气流,其频率和强度视天气情况不同而不一样。

 揭开热气流的神祕面纱

(蔡进编译)

     在晴朗到疏云及微到中度风时,大气中能被地面加热的部份称為边界层,也就是从地面起至500到2000公尺的高度,这高度视日照量,地表溼度,大气的稳定度而定。例如在早晨八点约500公尺,十点约1000公尺,下午五点约2000公尺。


      边界层又可以再分為表层,混合层,输送层。表层在最低有100到200公尺高,在此层风速则随著高度而增加,我们飞行大部分就是在此,手掷滑翔机就在此层飞行。而混合层则是从表层顶到接近边界层顶,而风速、温度、水蒸汽等在此层混合均匀,这是越野模型或是全比例滑翔机的高度,或者要飞热气流滞空比赛的高度。输送层则是边界层与自由大气的界面,是云开始形成的高度,因此热气流顶常有积云。表层是不稳定的,混合层是中性的,输送层以上则是稳定的。

 

      由於某些地面较易吸热,因此附近產生空气包,在表层裡许多空气包互相推挤而形成许多羽状气流,而部份空气包相遇而合成较大的空气包,而暖的空气包上升时会匯集,在表层顶时它们形成相当大的上升空气柱,也就是热气流。在混合层裡空气柱的大小与边界层高度成正比,所以空气柱直径从数百公尺到数公里。我们可以想像成整个热气流是大树,树根在表层裡,树干在混合层裡。

 

      热气流比周围温度高1至2 度,上升速度每秒1至3公尺。表层的羽状气流在融入热气流前有较短的生命期,而热气流的生命期则為从混合层底移动到顶的时间,因此大约从数百秒到二十分鐘。热气流及羽状气流也会随风倾斜及控制。

 

在热气流间為范围较大的冷下沉空气,幸好并不像热气流一般强。
 

(蔡进摘自Spirit100说明书)
      从所有的观点来看热气流翱翔(Thermal Soaring)是飞行中最有魅力的一种,要了解一架飞机没有动力而能飞数小时且获得高度,这对一般人来说是困难的。
有关热气流的事实
      热气流是发生在户外的一种自然现象,全年的每一天有无数次,热气流与许多事有关,例如,產生许多形态的云,產生风,传播植物的种子与花粉。大部分的热气流的上昇速度约每分鐘200-700呎,但也有发现每分鐘超过5000呎(每小时80公里),这种强热气流在飞行员离开上升区前,将扯住飞机离开视线。
      热气流形成於地表或建筑物被太阳加热的不均匀,较深色的表面比较淡色的吸热来的快,因為淡色物体反射较多的热到空中,这些较深色的区域(包含耕作农地,柏油停车场,焦油屋顶)比淡色区域(湖泊,草地,森林)较快变热。这样会使得在深色区域上的空气比淡色区域的空气较快变热,当较冷较高密度的空气强迫钻入热空气底下时,热空气则往上抬昇。当热空气被迫上升而接触到高空更冷空气时,更大的温度差异使得热气流上升更快。这热气流渐渐被冷空气冷却而降低上升强度。事实上,热气流上升停止后,包含在其中的水蒸汽凝结成胀大形状的积云。这种云就是热气流顶端的记号,通常高度在2000至5000呎。
热气流翱翔(Thermal Soaring)
      要热气流翱翔的有效率需要花费很大的注意力,滑翔机可能沿著热气流的边缘飞过,除非飞行员仔细观察机身,他可能不知道得到高度的机会。因為大部分的热气流相当小(在400呎高度时直径约数百呎),相对於其他的空间,滑翔机很少能够直接飞入热气流中而上升。通常滑翔机飞入热气流的边缘或附近,热气流对滑翔机的作用几乎看不出来。当滑翔机靠近一个热气流时,先进入上升空气的翼端会比另一翼端先被抬起,使得机身產生倾斜(Bank)而转离原来的航向。
       当你在热气流翱翔时,要尽量试著平滑(Smooth)且直线飞行。修整(Trim)滑翔机使他能直线飞行,直到需要控制才做操控,仔细注意滑翔机,它可以告诉你它碰到的情况。当滑翔机直接飞入热气流中,它将会开始上升或停止下沉。任一种情况发生后,就可以準备开始盘旋(Circling)(1)。继续往前直飞直到感觉到你在最强的昇力区域(2),然后再继续飞数秒鐘远的距离(3),以相当急(Tight)但平滑的迴转(Turn)开始盘旋(4)。当滑翔机高度降低(5),需使迴转更急而保持在最强的昇力中。当滑翔机获得昇力时,可以迴转较缓且水平(flat)(6)。因為越水平的迴转,飞行的越有效率,但也不必担心当下沉时,需要翻成大倾斜。假如你的滑翔机在迴圈中的一边会下沉(7),则需移动盘旋位置往另一边而至昇力最强的位置(8)。热气流会随著风移动,所以盘旋需随著风移动。需小心的是不能飞到下风处太远,否则不能回到降落处。
      假如滑翔机直线飞行,突然变成迴转(9),则继续让机身倾斜(你可能需要操控一些方向舵来保持住它的倾斜),直到迴转了270度(迴圈的3/4)(10),修平倾斜后飞入原先使它迴转的区域。如果你遇到昇力区,但不是每一次都会,则开始如上述直接飞入热气流的方法开始盘旋。
      热气流整天都会產生,但最强的时候是在太阳在头顶时。十点到下午两点似乎是得到“杀手“热气流最佳时机。这些热气流可能非常大到离开它都不容易。假如你发现自己高度太高,不要用俯冲的方式离开昇力区,因為滑翔机是非常有效率的飞行器,俯冲会累积相当大的速度,而在不平整的热气流中被吹毁。降低高度最容易的方法是用全方向舵及全上升降舵,如此產生很急的自转而很快失去高度,但不会给结构太大的应力,这方法特别有用於滑翔机被云吸上去太高而看不见时,这样旋转的运动能使太阳光有机会从翼面反射而引起注意。当你高度足够时且希望离开热气流时,则可以修整一些下舵而获得一些速度,然后与风向90度方向飞行。假如高度不够且希望寻找另一个热气流,你可能要到最后一次的热气流的上风处找,同一个產生热气流的来源可能產生下一个热气流,而观察下沉现象也可能发现是在另一热气流之后或两个之间。
      相对於空气的上升,也可以想见有下沉气流现象,这种气流是滑翔机飞行员的恶梦,也使得翱翔是一种挑战。下沉气流通常在相同区域内没有热气流强,但也有很强的。在好的翱翔天气裡,下沉气流速度通常每分鐘数百呎。这样的下沉气流使得滑翔机好像从空气中掉落,因此之故,不要让你的滑翔机在下风处太远。遇到下沉气流则立刻迴转往风向的90度方向飞行(尽量往自己方向),使用一些下升降舵来获得速度而尽快离开此区域,因為停留的每一秒将失去许多高度。
 
      一般的翱翔就是飞机停留(静态)在上升气流中就可以穫得升力,相对於静态翱翔,变动翱翔(DS)则是需要飞机在不同的气流中运动,才能穫得升力(因此我翻译為变动翱翔),因此变动翱翔不可能像静态翱翔有停滞空中的飞行状态。其原理是飞机的升力来自速度(动能),而速度来自当飞机顺风飞行时从强风区进入(运动)弱风区,相对空气速度就增加。因此只要有风速梯度(Wind Gradient)的地方,就可以做变动翱翔,例如风接近地面或海面因摩擦效应造成的梯度,或是山的阻挡造成背风面有风速梯度。虽然理论已经知道一个世纪,但只有信天翁等鸟类的越洋飞行现象较為熟悉,而其飞行技巧為先顺风飞行,然后下降穿过梯度到弱风区获得速度(动能),接著做180度迴转逆风,此时利用速度爬升至强风区,当还有一些速度时,再做180度迴转顺风,然后再下降进弱风区,如此週而復始,就可以维持高度而不落地,当然一部份动能还要提供逆风中往前的速度,以免飞机往下风处飞走。1998年美国遥控滑翔机国手Joe Wurts在山背后成功的变动翱翔,在遥控滑翔机界就掀起热潮,因為靠飞行可以控制所经过风的梯度变化,因此升力可以远远大於一般自然界直接的升力,所以时速330公里的变动翱翔已可达到。在未来可能在平地上,无热气流的时后,也有人能让飞机无动力翱翔,只要有风。
 

滑翔机飞行手册

 OPERATIONAL GUIDE - SILENT FLIGHT寧静飞行(无动力及电动模型飞机)操作指导
(a)遥控无动力/电动模型飞机通常具有低翼面负荷及低风阻之特性.因而导至於进场降落时
必须低空飞行相当长的距离, 及由於没有声音, 旁人无法察觉,降落前更须反覆注意察看降落航道. 
(b)当飞行时遇到强劲热气流或斜坡上升气流时,须注意不要被带的太高. 在比较高的高度时, 升力会更强及不稳定.
如果飞机没有配备spoiler(阻风板),不要尝试於强劲上升气流中做俯冲脱离之动作.请以飞离强劲上升气流及寻找下降气流為上策.
在紧急状况下,可以全幅升舵配合全幅尾舵(左右皆可),以求安全下降脱离.
(c)因设计上之考量,无动力机通常做得比较轻量,请务必事先确定其结构与材质能经得起以上之紧急动作.
(d)无动力机通常可以飞行相当长之距离,因此使用觉明显可辨试之顏色涂装亦是增加安全之重要因素.
飞得远及高时,必须特别注意,同时不要飞越太阳底下,而造成失去飞机之视线.
THERMAL SOARING 热气流飞行
(a)当使用拖曳线,橡皮筋或电动绞盘起飞时,要注意远离汽车停放区域,并确定起飞之拖曳线不会掉在房屋,人,道路及防碍打扰野生动物,家禽,家畜与农场之牲口.
(b)起飞时之力道相当大,必须注意飞机之机翼接合棒及相关附件之强度能经得起起飞时之强大力道.使用已知断裂强度之"弱连结"於拖曳线,不失為考虑保护机翼结构之好方法.
(c) 使用橡皮筋起飞时, 橡皮筋之固定必须非常牢固.最好使用可以螺丝上紧之装置做橡皮筋之固定头,
不要使用类似螺丝起子之替代物来将橡皮筋固定於地上.应该使用够强之营钉等.
(d)电动绞盘必须有一个明显之主开关,於紧急状况下,容易為任何人看到并使用.必须使用螺丝上紧之电池接头,
马达的开关也必需是以继电器做為间接式开关.
折返滑轮必须非常固定.请注意折返滑轮承受双倍於拖曳线之拖曳力道,滑轮固定钉更可能受到更大之负荷.
(e)不管使用何种方式拖曳,都必须确定旁观者不会被拉偏之飞机伤害到.
(f)飞行时飞行员常会聚在一起飞行,如有此情形请避免飞机直接飞越其他飞行员之发射机天线上方以避免自己的飞机受到干扰而造成损失.SLOPE
SOARING 斜坡飞行
(a)斜坡飞行地点通常除了模型机飞行员外还会有许多其他的人.请确认该斜坡是被允许斜坡飞行的.
有愈来愈多的斜坡是专属於其他飞行俱乐部的付费斜坡.斜坡飞行请避开登山或健行之步道并且不要惊吓或打扰到野生动物.
(b)如果斜坡是属於全尺寸滑降机或滑翔翼之飞行场,则必须先行洽商安排可使用之空域与降落场地.大家都是航空运动同好,协商讨论总比起冲突好.
(c)如果飞行场地有频率管制系统,则大家必须遵守使用该系统,如果没有,则开机前必须确认安全后才能开机.
(d)為避免可能发生之干扰,所有飞行员应儘量在同一活动范围内.如果无法做到,则每位飞行员都必须提高警觉.(如有人做越也飞行时)
(e)请注意斜坡顶端后面之乱流区.特别是强风及陡峭之斜坡,其乱流更為厉害.如果必要,则可於斜坡稍下方或较远之背风侧降落.

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