Jak latają szybowce i czym się różnią od samolotów napędzanych silnikiem

Pomimo, że samoloty i szybowce mają wiele wspólnych cech konstrukcyjnych, aerodynamicznych i pilotażowych, brak silnika zasadniczo zmienia sposób latania szybowców.

Kadłub o opływowych kształtach

Ponieważ nie ma silnika zajmującego miejsce, szybowiec jest dopasowany do ładunku, który przewozi; kadłub jest zaprojektowany tak, aby był jak najmniejszy i najlżejszy. Większość szybowców posiada miejsca dla dwóch osób w małej kabinie pilotów, którzy siedzą w pozycji leżącej, w przeciwieństwie do samolotów z napędem, w których piloci zazwyczaj siedzą w pozycji pionowej. Skąd ta różnica? Siedząc w pozycji leżącej, kokpit i czasza mogą być bardziej opływowe, tworząc mniejszy opór podczas lotu.

Powierzchnia kadłuba szybowca jest zaprojektowana tak, aby była jak najbardziej gładka, co pozwala samolotowi latać w powietrzu z niewielkim oporem pasożytniczym. Najwcześniejsze szybowce były budowane z drewna pokrytego płótnem, późniejsze wersje były wykonywane z nitowanych aluminiowych poszyć konstrukcyjnych. Niestety, typowe dla aluminium szwy i nity znacznie obniżały osiągi z powodu oporu pasożytniczego, więc szybowce wciąż dostosowywano. Obecnie wiele zaawansowanych szybowców zbudowanych jest z bezszwowych materiałów, takich jak włókno szklane i węglowe.

Wysoki współczynnik kształtu skrzydeł

Skrzydła szybowców mają wysoki współczynnik kształtu, co oznacza, że są dłuższe i węższe niż skrzydła normalnych samolotów z napędem.

Współczynnik kształtu oblicza się dzieląc kwadrat rozpiętości skrzydła przez jego powierzchnię. Jak widać na powyższym wykresie, szybowiec Schleicher ASH 31 ma aspect 33,5, podczas gdy Piper Cherokee ma aspect 5,6.

Skrzydła o wysokim aspect ratio wytwarzają mniejszy opór indukowany, co czyni je tak efektywnymi w szybowcach. Dlaczego więc nie wszystkie samoloty mają skrzydła o dużym współczynniku kształtu? Istnieje kilka różnych czynników.

Po pierwsze, skrzydła o dużym współczynniku kształtu zginają się bardziej niż skrzydła krótsze, co oznacza, że muszą być zaprojektowane z mocniejszymi parametrami. Ponieważ szybowce są lekkie, zginanie nie stanowi większego problemu. Jednak w przypadku cięższych samolotów, takich jak samoloty pasażerskie, skrzydło o dużym współczynniku kształtu byłoby niepraktyczne. Ponadto, skrzydła o dużym współczynniku kształtu są bardziej podatne na wypaczanie się w przypadku użycia lotek. Ponieważ szybowce latają z relatywnie małymi prędkościami, wypaczanie skrzydeł nie jest tak wyraźne, ale w szybkich samolotach byłoby prawdziwym problemem.

Manewrowość jest kolejnym ważnym czynnikiem. Skrzydła o dużym współczynniku kształtu zmniejszają manewrowość, ponieważ mają większy moment bezwładności. Pomyśl o tym jak o chodziarzu na linie: nosi długi drążek, aby się zrównoważyć, co zapobiega szybkiemu spadaniu w lewo lub w prawo. To świetnie, jeśli chcesz pozostać w jednym miejscu, ale nie tak dobrze, jeśli chcesz szybko poruszać się (lub toczyć) w lewo lub w prawo.

Wreszcie, rozmiar lotniska ogranicza współczynnik kształtu, jaki może mieć samolot. Weźmy na przykład Boeinga 777. 777 ma współczynnik kształtu około 9. Jeśli miałby współczynnik kształtu 30+, nie mógłby zaparkować w pobliżu innych samolotów na rampie, a jego skrzydła byłyby tak długie, że zwisałyby nad drogami kołowania podczas startu i lądowania. Oczywiście, nie byłoby to praktyczne.

Powierzchnie sterowe

Jak większość samolotów, szybowce używają lotek, steru kierunku i steru wysokości do latania. Klapy są montowane w szybowcach, aby kontrolować prędkość opadania poprzez wytwarzanie oporu i zwiększanie siły nośnej. W wielu nowoczesnych szybowcach stosuje się również hamulce aerodynamiczne lub spoilery, których użycie drastycznie zakłóca przepływ powietrza nad skrzydłem, zwiększając opór powietrza i zmniejszając siłę nośną.

Inną istotną różnicą między samolotami z napędem a szybowcami jest to, że szybowce mają zwykle tylko jedno podwozie, umieszczone bezpośrednio pod pilotem. Posiadanie tylko jednego podwozia pozwala zaoszczędzić sporo masy, ale co dzieje się ze skrzydłami podczas startu i lądowania, gdy mamy tylko jedno podwozie? Końcówki skrzydeł są chronione przez płozy lub małe kółka, a kiedy szybowiec ląduje, opiera się na podwoziu głównym i jednej z końcówek skrzydła.

Start szybowca

Ponieważ szybowce nie mają silników, do startu z ziemi używają jednej z dwóch metod:

1) Aero-Tow: Samolot z napędem wyciąga szybowiec w powietrze za pomocą długiej liny. Wewnątrz kokpitu pilot szybowca używa mechanizmu szybkozwalniającego, aby zwolnić linę holowniczą. Gdy szybowiec znajdzie się na żądanej wysokości, lina zostaje zwolniona, a szybowiec i samolot holowniczy obracają się w przeciwnych kierunkach.

2) Wodowanie za pomocą wyciągarki: Silnik na ziemi napędza wyciągarkę, połączoną z linowym systemem startowym. Lina jest następnie przymocowana do dolnej części szybowca. Po uruchomieniu wyciągarki, szybowiec jest ciągnięty po ziemi z dużą prędkością w kierunku wyciągarki i startuje. W krótkim czasie szybowiec zdobywa znaczną wysokość podczas tego procesu i uwalnia linę wyciągarki przed kontynuowaniem lotu.

W locie

Współczynnik ślizgu mierzy wydajność szybowania samolotu; wiele nowoczesnych szybowców ma współczynnik ślizgu lepszy niż 60:1. Oznacza to, że jeśli startujesz na wysokości 1 mili, możesz szybować przez 60 mil. Dla porównania, Boeing 747 ma współczynnik ślizgu 15:1.

Ale gdyby współczynnik ślizgu był jedyną rzeczą, która utrzymuje szybowce w powietrzu, nie latałyby one zbyt długo. Jak więc utrzymują się one w powietrzu? Istnieją 3 główne rodzaje wznoszącego się powietrza, z których korzystają piloci szybowców:

1) Termika to słupy wznoszącego się powietrza powstające w wyniku ogrzewania się powierzchni Ziemi. Powietrze w pobliżu ziemi rozszerza się i wznosi, gdy powierzchnia Ziemi jest ogrzewana. Niektóre rodzaje terenu pochłaniają promienie słoneczne szybciej niż inne, takie jak: asfaltowe parkingi, ciemne pola, tereny skaliste itp. Miejsca te absorbują ciepło i ogrzewają powietrze nad nimi, wytwarzając termiczne prądy powietrzne.

Nowo tworzące się chmury cumulus lub ptaki szybujące bez trzepotania skrzydłami, są typowymi oznakami aktywności termicznej. Kiedy pilot szybowca „termuje”, znajduje i wykorzystuje te słupy termiczne. A ponieważ termika może często obejmować tylko niewielki obszar, termowanie często wymaga ciasnego zakrętu, aby pozostać wewnątrz kieszeni wznoszącego się powietrza.

2) Podnoszenie grzbietowe jest tworzone przez wiatry wiejące o góry, wzgórza lub inne grzbiety. Wzdłuż nawietrznej strony góry tworzy się pasmo wznoszenia, gdzie powietrze jest przekierowywane do góry przez ukształtowanie terenu. Zazwyczaj wznoszenie grzbietowe rozciąga się tylko na kilkaset stóp wyżej niż teren, który je wytwarza. Piloci są znani z tego, że mogą „wzbić się w powietrze” na tysiące mil wzdłuż łańcuchów górskich.

3) Winda falowa jest podobna do windy grzbietowej w tym, że jest tworzona, gdy wiatr spotyka się z górą. Jednakże unoszenie falowe jest tworzone po zawietrznej (pod wiatr) stronie szczytów przez wiatry przechodzące nad szczytem góry. Wzniesienie falowe można rozpoznać po soczewkowatych formacjach chmur – wyglądają one jak latające spodki. Wznoszenie falowe może sięgać tysięcy stóp wysokości, a szybowce latające na nim mogą osiągać wysokości 35 000+ stóp.

Wykrywanie wznoszenia i odchylenia

Wskaźnik prędkości pionowej w kokpicie powie ci, czy się wznosisz, czy zniżasz. Jeśli lecisz szybowcem i nagle widzisz, że wskaźnik prędkości pionowej skacze w górę, prawdopodobnie trafiłeś na słup termiczny i powinieneś starać się pozostać wewnątrz wznoszącego się powietrza tak długo, jak to możliwe.

Szybowiec ślizga się lub wpada w poślizg w powietrzu, gdy nie jest skierowany bezpośrednio w kierunku, w którym leci, w stosunku do otaczającej go masy powietrza. Sznurek na przedniej szybie wskazuje pilotowi szybowca, czy szybowiec leci prosto (sznurek jest prosty), czy się odchyla (sznurek jest w prawo lub w lewo). Ogólnie rzecz biorąc, piloci szybowców starają się utrzymywać ciąg prosto, ponieważ najmniejszy opór jest wytwarzany podczas lotu prosto przez powietrze.

Balast

Niektóre szybowce noszą zbiorniki balastowe wypełnione wodą. Cięższe szybowce toną szybciej niż lżejsze. Waga nie ma wpływu na współczynnik ślizgu, ponieważ cięższy szybowiec może wprawdzie szybciej opadać, ale za to z większą prędkością. Przy większej masie szybowiec szybciej opada, pokonując tę samą odległość; jest to idealne rozwiązanie dla lotów nawigacyjnych. Cięższy szybowiec, wypełniony balastem, ma mniejszą prędkość wznoszenia i mniejszą wytrzymałość w locie w warunkach wynurzenia. Balast wodny może być usunięty w dowolnym momencie przez zawory zrzutowe, aby zminimalizować te cechy lotu i zwolnić przed lądowaniem.

Lądowanie

W porównaniu z lądowaniem w samolocie z napędem, istnieje kilka kluczowych różnic podczas latania szybowcem. Po pierwsze, szybowce nie mogą dodać mocy, jeśli nie dotrą do strefy przyziemienia. Może się to wydawać prostą koncepcją, ale piloci szybowców są szkoleni, jak oceniać podejście do lądowania, aby nie wylądować za krótko, i zawsze czekają, aż będą pewni, że mają pole do lądowania, zanim wprowadzą opór za pomocą klap lub spoilerów.

Lądowanie nie różni się zbytnio od lądowania w każdym samolocie. Ponieważ szybowce mają jedno koło, jest to trochę balansowania, aby utrzymać skrzydła jak najdłużej nad ziemią.

Szybowce to niesamowite samoloty, które przy odpowiednich warunkach atmosferycznych mogą pozostać w powietrzu przez wiele godzin lub dni. Staranny projekt aerodynamiczny, który towarzyszy budowie szybowca, czyni te ptaki szybkimi i wyjątkowymi.

Jeśli nigdy nie miałeś okazji latać szybowcem, radzimy spróbować.