Gleitflug -Gliding flight

Gleitflug ist schwerer als Luftflug ohne Schubkraft ; der begriff volplaning bezieht sich auch auf diese flugart bei tieren. Es wird von gleitenden Tieren und von Flugzeugen wie Segelflugzeugen eingesetzt . Bei dieser Flugart wird im Vergleich zum Sinkflug eine erhebliche horizontale Strecke geflogen und kann daher von einem meist geraden Sinkflug nach unten wie bei einem runden Fallschirm unterschieden werden.

Obwohl sich die menschliche Anwendung des Gleitflugs normalerweise auf Flugzeuge bezieht, die für diesen Zweck ausgelegt sind, sind die meisten Motorflugzeuge in der Lage, ohne Motorleistung zu gleiten. Wie beim anhaltenden Flug erfordert das Gleiten im Allgemeinen die Anwendung eines Tragflügels , wie z. B. der Flügel von Flugzeugen oder Vögeln, oder der Gleitmembran eines Gleitopossums . Das Gleiten kann jedoch mit einem flachen ( ungewölbten ) Flügel erreicht werden, wie mit einem einfachen Papierflieger , oder sogar mit dem Kartenwerfen . Einige Flugzeuge haben jedoch Auftriebskörper und Tiere wie die fliegende Schlangekann einen Gleitflug ohne Flügel erreichen, indem eine darunter liegende abgeflachte Oberfläche geschaffen wird.

Flugzeuge ("Segelflugzeuge")

Die meisten geflügelten Flugzeuge können bis zu einem gewissen Grad gleiten, aber es gibt mehrere Arten von Flugzeugen, die zum Gleiten ausgelegt sind:

• Segelflugzeug , auch bekannt als Segelflugzeug
• Hängegleiter
• Gleitschirm
• Geschwindigkeitsgleiter
• Ram-Air-Fallschirm
• Rotordrachen , wenn er nicht angebunden ist, bekannt als Rotationsgleiter oder Gyroglider.
• Militärisches Segelflugzeug
• Papierflieger
• Ferngesteuertes Segelflugzeug
• Raketengleiter
• Wingsuit

Die Hauptanwendung für den Menschen ist derzeit die Freizeit, obwohl während des Zweiten Weltkriegs militärische Segelflugzeuge zum Transport von Truppen und Ausrüstung in die Schlacht eingesetzt wurden. Die Flugzeugtypen, die für Sport und Freizeit eingesetzt werden, werden in Segelflugzeuge (Segelflugzeuge) , Hängegleiter und Gleitschirme eingeteilt . Diese beiden letzteren Typen werden oft zu Fuß gestartet. Das Design aller drei Typen ermöglicht es ihnen, wiederholt mit aufsteigender Luft zu steigen und dann zu gleiten, bevor sie die nächste Auftriebsquelle finden. In Segelflugzeugen wird der Sport als Segelfliegen und manchmal als Segelfliegen bezeichnet. Für zu Fuß gestartete Flugzeuge ist es als Drachenfliegen und Gleitschirmfliegen bekannt . Auch ferngesteuerte Segelflugzeuge mit festen Flügeln werden von Enthusiasten in die Höhe getrieben.

Zusätzlich zu den Motorseglern sind einige Motorflugzeuge während eines Teils ihres Fluges für routinemäßige Gleitfahrten ausgelegt; normalerweise bei der Landung nach einem Motorflug. Diese beinhalten:

• Versuchsflugzeuge wie die North American X-15 , die zurück glitten, nachdem sie ihren Treibstoff verbraucht hatten
• Raumfahrzeuge wie die Space Shuttles , SpaceShipOne und die russische Buran

Einige Flugzeuge sind nicht für den Gleitflug ausgelegt, außer in einem Notfall, wie z. B. bei Triebwerksausfall oder Kraftstoffmangel. Siehe Liste der Airline-Flüge, die einen Segelflug erfordern . Das Gleiten in einem Hubschrauber wird als Autorotation bezeichnet .

Gleitende Tiere

Vögel

Eine Reihe von Tieren hat sich viele Male separat zum Gleiten entwickelt, ohne einen einzigen Vorfahren. Vor allem Vögel nutzen den Gleitflug, um ihren Energieverbrauch zu minimieren. Große Vögel sind besonders geschickt im Gleiten, darunter:

• Albatros
• Kondor
• Geier
• Adler
• Storch
• Fregattvogel

Wie Freizeitflugzeuge können Vögel Gleitphasen mit Phasen des Schwebens in aufsteigender Luft abwechseln und so mit minimalem Energieaufwand eine beträchtliche Zeit in der Luft verbringen. Insbesondere der große Fregattvogel ist zu mehrwöchigen Dauerflügen fähig.

Säugetiere

Patagia auf einem fliegenden Eichhörnchen

Um das Gleiten zu unterstützen, haben einige Säugetiere eine Struktur namens Patagium entwickelt . Dies ist eine membranartige Struktur, die sich zwischen einer Reihe von Körperteilen erstreckt. Am stärksten entwickelt ist es bei Fledermäusen. Aus ähnlichen Gründen wie Vögel können Fledermäuse effizient gleiten. Bei Fledermäusen ist die Haut , die die Oberfläche des Flügels bildet, eine Verlängerung der Bauchhaut, die bis zur Spitze jeder Ziffer verläuft und die Vorderbeine mit dem Körper verbindet. Das Patagium einer Fledermaus besteht aus vier verschiedenen Teilen:

1. Propatagium: das Patagium, das vom Hals bis zum ersten Finger vorhanden ist
2. Dactylopatagium: der Teil, der sich innerhalb der Ziffern befindet
3. Plagiopatagium: der Teil zwischen dem letzten Finger und den Hinterbeinen
4. Uropatagium : der hintere Teil des Körpers zwischen den beiden Hinterbeinen

Andere Säugetiere wie gleitende Opossums und fliegende Eichhörnchen gleiten ebenfalls mit einem Patagium, jedoch mit viel schlechterer Effizienz als Fledermäuse. Sie können nicht an Höhe gewinnen. Das Tier startet von einem Baum und spreizt seine Gliedmaßen, um die Gleitmembranen freizulegen, normalerweise um in Regenwäldern von Baum zu Baum zu gelangen, um sowohl Nahrung zu finden als auch Raubtieren auszuweichen. Diese Form der baumartigen Fortbewegung ist in tropischen Regionen wie Borneo und Australien verbreitet, wo die Bäume hoch und weit auseinander stehen.

Bei fliegenden Eichhörnchen erstreckt sich das Patagium von den Vorder- zu den Hinterbeinen entlang der Länge jeder Seite des Rumpfes. Beim Zuckersegelflugzeug erstrecken sich die Patagien zwischen dem fünften Finger jeder Hand bis zum ersten Zeh jedes Fußes. Dadurch entsteht ein Flügel , der es ihnen ermöglicht, 50 Meter oder mehr zu gleiten. Dieser Gleitflug wird reguliert, indem die Krümmung der Membran verändert oder die Beine und der Schwanz bewegt werden.

Fische, Reptilien, Amphibien und andere Gleittiere

Neben Säugetieren und Vögeln gleiten auch andere Tiere, insbesondere fliegende Fische , fliegende Schlangen , fliegende Frösche und fliegende Tintenfische .

Fliegender Fisch hebt ab

Die Flüge fliegender Fische sind normalerweise etwa 50 Meter (160 Fuß) lang, obwohl sie Aufwinde an der Vorderkante von Wellen nutzen können, um Entfernungen von bis zu 400 m (1.300 Fuß) zurückzulegen. Um aus dem Wasser nach oben zu gleiten, bewegt ein fliegender Fisch seinen Schwanz bis zu 70 Mal pro Sekunde. Dann spreizt es seine Brustflossen und neigt sie leicht nach oben, um Auftrieb zu geben. Am Ende eines Gleitflugs faltet er seine Brustflossen, um wieder ins Meer zu gelangen, oder lässt seinen Schwanz ins Wasser fallen, um gegen das Wasser zu drücken und sich für einen weiteren Gleitflug anzuheben, möglicherweise mit einer Richtungsänderung. Das gebogene Profil des „Flügels“ ist vergleichbar mit der aerodynamischen Form eines Vogelflügels. Der Fisch ist in der Lage, seine Zeit in der Luft zu verlängern, indem er direkt in oder in einem Winkel zu der Richtung von Aufwinden fliegt , die durch eine Kombination von Luft- und Meeresströmungen erzeugt werden .

Schlangen der Gattung Chrysopelea sind auch unter dem gebräuchlichen Namen „fliegende Schlange“ bekannt. Vor dem Start von einem Ast macht die Schlange eine J-förmige Biegung. Nachdem es seinen Körper nach oben und weg vom Baum gestoßen hat, saugt es seinen Bauch ein und breitet seine Rippen aus, um seinen Körper in einen "pseudo-konkaven Flügel" zu verwandeln, während es zur Stabilisierung eine kontinuierliche Serpentinenbewegung seitlicher Wellen parallel zum Boden ausführt seine Richtung in der Luft, um sicher zu landen. Fliegende Schlangen können besser gleiten als fliegende Eichhörnchen und andere gleitende Tiere , trotz des Fehlens von Gliedmaßen, Flügeln oder anderen flügelähnlichen Vorsprüngen, und gleiten durch den Wald und Dschungel, in dem sie leben, mit einer Entfernung von bis zu 100 m. Ihr Ziel wird hauptsächlich von der Ballistik vorhergesagt ; Sie können jedoch während des Fluges eine gewisse Lagekontrolle ausüben , indem sie in der Luft "gleiten".

Fliegende Eidechsen der Gattung Draco können über Membranen gleiten, die verlängert werden können, um Flügel (Patagia) zu bilden, die durch einen vergrößerten Satz Rippen gebildet werden.

Der Gleitflug hat sich unabhängig voneinander unter 3.400 Froscharten aus den Familien der Neuen Welt ( Hylidae ) und der Alten Welt ( Rhacophoridae ) entwickelt. Diese parallele Evolution wird als Anpassung an ihr Leben in Bäumen hoch über dem Boden angesehen. Zu den Merkmalen der Arten der Alten Welt gehören „vergrößerte Hände und Füße, vollständige Schwimmhäute zwischen allen Fingern und Zehen, seitliche Hautlappen an Armen und Beinen

Kräfte

Kräfte auf ein gleitendes Tier oder Flugzeug im Flug

Beim Gleitflug wirken drei Hauptkräfte auf Flugzeuge und Tiere:

• Gewicht – die Schwerkraft wirkt nach unten
• Auftrieb – wirkt senkrecht zum Vektor , der die Fluggeschwindigkeit darstellt
• Widerstand – wirkt parallel zum Vektor, der die Fluggeschwindigkeit darstellt

Wenn das Flugzeug oder Tier absteigt, erzeugt die Luft, die sich über die Flügel bewegt, Auftrieb . Die Auftriebskraft wirkt etwas vor der Senkrechten, weil sie rechtwinklig zum Luftstrom entsteht, der beim Sinken des Gleitschirms leicht von unten kommt, siehe Anstellwinkel . Diese horizontale Auftriebskomponente reicht aus, um den Luftwiderstand zu überwinden, und ermöglicht es dem Segelflugzeug, vorwärts zu beschleunigen. Obwohl das Flugzeug durch das Gewicht sinkt, wird es einen Höhengewinn geben, wenn die Luft schneller steigt als die Sinkrate.

Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand

Ziehen vs. Geschwindigkeit. L/DMAX tritt bei minimalem Gesamtwiderstand auf (z. B. Parasit plus Induziert)

Widerstands- und Auftriebskoeffizienten vs. Angriffswinkel. Die Überziehgeschwindigkeit entspricht dem Anstellwinkel beim maximalen Auftriebskoeffizienten

Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand oder L/D-Verhältnis ist die Menge an Auftrieb , die von einem Flügel oder Fahrzeug erzeugt wird, dividiert durch den Luftwiderstand , den es erzeugt, wenn es sich durch die Luft bewegt. Ein höheres oder günstigeres L/D-Verhältnis ist typischerweise eines der Hauptziele bei der Flugzeugkonstruktion; Da der benötigte Auftrieb eines bestimmten Flugzeugs durch sein Gewicht bestimmt wird, führt die Bereitstellung dieses Auftriebs mit geringerem Luftwiderstand direkt zu einer besseren Kraftstoffeinsparung und Steigleistung.

Der Einfluss der Fluggeschwindigkeit auf die Sinkrate kann durch eine Polarkurve dargestellt werden . Diese Kurven zeigen die Fluggeschwindigkeit, bei der ein minimales Sinken erreicht werden kann, und die Fluggeschwindigkeit mit dem besten L/D-Verhältnis. Die Kurve ist eine umgekehrte U-Form. Wenn sich die Geschwindigkeit verringert, fällt die Auftriebsmenge schnell um die Abwürgegeschwindigkeit herum ab. Die Spitze des „U“ ist bei minimalem Luftwiderstand.

Da sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand proportional zum Auftriebs- bzw. Luftwiderstandsbeiwert multipliziert mit demselben Faktor (1/2 ρ _Luft v ² S) sind, kann das L/D-Verhältnis vereinfacht werden als Auftriebskoeffizient dividiert durch den Widerstandsbeiwert oder Cl/Cd, und da beide proportional zur Fluggeschwindigkeit sind, wird das Verhältnis von L/D oder Cl/Cd dann typischerweise gegen den Anstellwinkel aufgetragen.

Ziehen

Der induzierte Widerstand wird durch die Erzeugung von Auftrieb durch den Flügel verursacht. Der von einem Flügel erzeugte Auftrieb ist senkrecht zum relativen Wind, aber da Flügel normalerweise in einem kleinen Anstellwinkel fliegen , bedeutet dies, dass eine Komponente der Kraft nach hinten gerichtet ist. Die rückwärtige Komponente dieser Kraft (parallel zum relativen Wind) wird als Luftwiderstand angesehen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten muss ein Flugzeug mit einem höheren Anstellwinkel Auftrieb erzeugen, was zu einem größeren induzierten Widerstand führt. Dieser Begriff dominiert die langsame Seite des Schleppdiagramms, die linke Seite des U.

Der Profilwiderstand wird durch Luft verursacht, die auf den Flügel und andere Teile des Flugzeugs trifft. Diese Form des Widerstands, auch bekannt als Windwiderstand , variiert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit (siehe Widerstandsgleichung ). Aus diesem Grund ist der Profilwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten stärker ausgeprägt und bildet die rechte Seite der U-Form des Widerstandsdiagramms. Der Profilwiderstand wird hauptsächlich durch Verringerung des Querschnitts und Straffung verringert.

Da der Auftrieb bis zum kritischen Winkel stetig zunimmt, ist es normalerweise der Punkt, an dem der kombinierte Luftwiderstand am niedrigsten ist, an dem der Flügel oder das Flugzeug seine beste L / D-Leistung erbringt.

Konstrukteure werden typischerweise ein Flügeldesign auswählen, das bei der gewählten Reisegeschwindigkeit für ein angetriebenes Starrflügelflugzeug eine L/D-Spitze erzeugt, wodurch die Wirtschaftlichkeit maximiert wird. Wie bei allen Dingen in der Luftfahrttechnik ist das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand nicht die einzige Überlegung für das Flügeldesign. Leistung bei hohem Anstellwinkel und ein sanfter Strömungsabriss sind ebenfalls wichtig.

Die Minimierung des Luftwiderstands ist von besonderem Interesse bei der Konstruktion und dem Betrieb von Hochleistungsgleitern (Segelflugzeugen) , von denen die größten Gleitverhältnisse von annähernd 60 zu 1 haben können, obwohl viele andere eine geringere Leistung haben; 25:1 wird als ausreichend für Trainingszwecke angesehen.

Gleitverhältnis

Beim Fliegen mit konstanter Geschwindigkeit in ruhender Luft bewegt sich ein Segelflugzeug eine bestimmte Strecke vorwärts um eine bestimmte Strecke nach unten. Das Verhältnis der Entfernung nach vorne zu der nach unten wird als Gleitzahl bezeichnet . Das Gleitverhältnis (E) ist unter diesen Bedingungen numerisch gleich dem Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand ; ist aber bei anderen Manövern nicht unbedingt gleich, insbesondere wenn die Geschwindigkeit nicht konstant ist. Die Gleitzahl eines Segelflugzeugs variiert mit der Fluggeschwindigkeit, aber es gibt einen Höchstwert, der häufig angegeben wird. Das Gleitverhältnis variiert normalerweise wenig mit der Fahrzeugbeladung; ein schwereres Fahrzeug gleitet schneller, behält aber nahezu seine Gleitzahl bei.

Das Gleitverhältnis (oder "Finesse") ist der Kotangens des Abwärtswinkels, des Gleitwinkels (γ). Alternativ ist es auch die Vorwärtsgeschwindigkeit dividiert durch die Sinkgeschwindigkeit (Motorloses Flugzeug):

${\displaystyle {L \over D}={{\Delta s} \over {\Delta h}}={v_{\text{forward}} \over v_{\text{down}}}}$

Die Gleitzahl (ε) ist der Kehrwert der Gleitzahl, wird aber manchmal verwechselt.

Beispiele

Bedeutung der Gleitzahl im Gleitflug

Polarkurve, die den Gleitwinkel für die beste Gleitgeschwindigkeit (bestes L/D) zeigt. Es ist der flachste mögliche Gleitwinkel durch ruhige Luft, der die geflogene Distanz maximiert. Diese Fluggeschwindigkeit (vertikale Linie) entspricht dem Tangentenpunkt einer Linie, die vom Ursprung des Diagramms ausgeht. Ein Segelflugzeug, das schneller oder langsamer als diese Fluggeschwindigkeit fliegt, legt vor der Landung eine geringere Strecke zurück.

Obwohl die beste Gleitzahl wichtig ist, um die Leistung eines Segelflugzeugs zu messen, bestimmt seine Gleitzahl bei verschiedenen Geschwindigkeiten auch seinen Erfolg (siehe Artikel über Segelfliegen ).

Piloten fliegen manchmal mit dem besten L/D des Flugzeugs, indem sie die Fluggeschwindigkeit präzise steuern und die Steuerungen reibungslos bedienen, um den Luftwiderstand zu verringern. Die Stärke des wahrscheinlich nächsten Auftriebs, die Minimierung der Zeit in stark sinkender Luft und die Stärke des Windes beeinflussen jedoch auch die optimale Fluggeschwindigkeit . Piloten fliegen schneller, um schnell durch sinkende Luft zu kommen, und wenn sie gegen den Wind steuern, um den Gleitwinkel relativ zum Boden zu optimieren. Um über Land eine höhere Geschwindigkeit zu erreichen, werden Segelflugzeuge oft mit Wasserballast beladen , um die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen und so den nächsten Auftriebsbereich früher zu erreichen. Dies wirkt sich kaum auf den Gleitwinkel aus, da die Zunahmen der Sinkrate und der Fluggeschwindigkeit proportional bleiben und somit das schwerere Flugzeug bei einer höheren Fluggeschwindigkeit ein optimales L/D erreicht. Wenn die Auftriebsbereiche am Tag stark sind, überwiegen die Vorteile des Ballasts die langsamere Steiggeschwindigkeit.

Steigt die Luft schneller als die Sinkrate, steigt das Flugzeug. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten kann ein Flugzeug eine schlechtere Gleitzahl haben, aber es wird auch eine geringere Sinkrate haben. Eine niedrige Fluggeschwindigkeit verbessert auch seine Fähigkeit, in der Mitte der aufsteigenden Luft, wo die Steiggeschwindigkeit am größten ist, eng zu drehen. Eine Sinkrate von etwa 1,0 m/s ist das Höchste, was ein praktischer Drachen oder Gleitschirm haben könnte, bevor er die Gelegenheiten, in denen ein Steigen möglich ist, auf nur stark aufsteigende Luft beschränken würde. Segelflugzeuge haben je nach Klasse Mindestsinkwerte zwischen 0,4 und 0,6 m/s . Flugzeuge wie Verkehrsflugzeuge haben möglicherweise eine bessere Gleitzahl als ein Drachenflieger, könnten jedoch aufgrund ihrer viel höheren Vorwärtsgeschwindigkeit und ihrer viel höheren Sinkrate selten thermisch aufsteigen. (Beachten Sie, dass die Boeing 767 beim Vorfall mit dem Gimli Glider eine Gleitzahl von nur 12:1 erreichte).

Der Höhenverlust kann bei mehreren Geschwindigkeiten gemessen und auf einer " Polarkurve " aufgetragen werden, um die beste Geschwindigkeit zum Fliegen unter verschiedenen Bedingungen zu berechnen, z. B. beim Fliegen gegen den Wind oder in sinkender Luft. Andere Polarkurven können nach Beladen des Segelflugzeugs mit Wasserballast gemessen werden. Mit zunehmender Masse wird die beste Gleitzahl bei höheren Geschwindigkeiten erreicht (die Gleitzahl wird nicht erhöht).

Aufsteigend

Hochfliegende Tiere und Flugzeuge können Gleitflüge mit Perioden des Hochfliegens in aufsteigender Luft abwechseln . Fünf Haupttypen von Auftrieb werden verwendet: Thermik , Gratauftrieb , Leewellen , Konvergenzen und dynamisches Segeln . Dynamisches Segeln wird hauptsächlich von Vögeln und einigen Modellflugzeugen verwendet, obwohl es in seltenen Fällen auch von pilotierten Flugzeugen erreicht wurde.

Beispiele für den Höhenflug von Vögeln sind die Verwendung von:

• Thermik und Konvergenzen durch Greifvögel wie Geier
• Ridge Lift durch Möwen in der Nähe von Klippen
• Wellenauftrieb durch Zugvögel
• Dynamische Effekte nahe der Meeresoberfläche durch Albatrosse

Für den Menschen ist das Segelfliegen die Grundlage für drei Luftsportarten : Segelfliegen , Drachenfliegen und Gleitschirmfliegen .

Siehe auch

• Motordrachen  - Motordrachen mit Fußstart
• Segelflugwettbewerb
• Liste der Flüge von Fluggesellschaften, die Segelfliegen erforderten
• Unterwassergleiter  – Typ eines autonomen Unterwasserfahrzeugs

Verweise