Väljavõte purilennuõpikust

Torkan edaspidi vahest oma blogisse mõned jupid valmivast purilennuõpikust, mis tahavad ehk veidi diskussiooni saada (kindlasti mitte kõik - ärge lootkegi). Siit tuleb esimene tooriktekst. Valdavalt tõlge Reichmanni õpikust minu enda muganduste ja kohendustega.

1.1.1. Instrumendid
1.1.1.1 Libisemist näitav niit
Libisemist näitav niit (edaspidi lihtsalt „niit”) on üks enimkasutatavaid instrumente purilennukis. Reeglina kasutatakse küll „niidina” hoopis villast lõnga, kuid materjalil pole muud tähtsust kui, et see peab olema piisavalt tundlik. Niit kleebitakse tavaliselt kupli sellisele osale, mis oleks piisavalt lame ja kus see jääks enamuste lennuelementide käigus purilenduri vaatevälja. Mõnedele õppelennukitele on isegi kleebitud kaks või enam niiti.
Algajate kasutatavatel purilennukitel on mõistlik niidi otseasend märkida peenikese teibi või peene markerijoonega (ettevaatust – ära kasuta Permanent markerit. Selle eemaldamiseks vajalikud vedelikud kahjustavad kupliklaasi).

Niit näitab ilma praktilise viivituseta lennu koordineerituse vigu. Niidi keskkohast kõrvale kaldumise korral on tegemist libisemisega. S.t. lennuk ei lenda otse ning sellest tulenevalt on tema väärtus väike ning eksisteerib pöörisesse kukkumise oht madalatel kiirustel. Nurk, mille võrra niit on kõrvale puhutud on reeglina suurem kui tegelik libisemisnurk. Lennul vajalikud korrektsioonid on järgmised: anna niidile vastasjalga (näiteks kui niit näitab paremale, anna vasakut jalga) või juhist niidi poole (kui niit näitab paremale vii juhis paremale). Pöörises näitab niit alati pöörise keskosa poole.
Ettevaatust vihma järel lendama mineku korral. Lennuki saab küll ära kuivatada, kuid niit jääb reeglina kauemaks märjaks ja kleepub kuplile (näitab libisemist vaid väga suurte libisemisnurkade korral), mistõttu märja niidiga lendamist tuleks vältida. Igal purilennukil peaks olema libisemist näitav niit.
1.1.1.2 Kuul (reeglina osa pöörangu- ja libisemisnäitajast)
Väliselt loodile sarnanev kõver klaastoru, mis on mõeldud kogujõu (mass + tsentrifugaaljõud) suuna näitamiseks (mõnes mõttes töötab sarnaselt niidile). Kuulile tuleb reageerida vastupidiselt sellele, kuidas reageeritakse niidile. Kuul on uimane instrument ja seetõttu purilennukis praktiliselt kasutuskõlbmatu.
Kuuliga sarnane instrument on ka õhumulliga vedeliklood, mida Eestis purilennukites praktiliselt ei kasutata, kuid mis on kiirem kui kuul ja millele tuleb reageerida samas suunas kui niidile.
1.1.1.3 Kõrgusmõõtja (altimeeter)
Kõrgusmõõtja on praktiliselt baromeeter e. õhurõhu mõõtja, mis on gradueeritud mitte rõhuühikutes vaid kõrgusühikutes. Kõrgusmõõtja põhineb elastsel vaakumkambril (aneroid). Kõrgusskaala on kalibreeritud standardatmosfäärist lähtuvalt. Pööratav nupp on vajalik kohaliku õhurõhu muutuste alusel kõrgusmõõtja seadistmiseks. Nuppu pöörates pööratakse instrumendi sees mõõtmismehhanismi.
1.1.1.4 Barograaf
Salvestab õhurõhu muutust ajas, mille alusel saab jälgida purilennuki liikumist kõrguses. Tänapäeval praktiliselt kasutusel üliharvadel juhtudel. Varem kasutati võistlustel ja rekordite püstitamisel selleks, et kindlaks teha kõrguspiirangutes püsimist.
1.1.1.5 Kiirusmõõtja
Mõõdab rõhuerinevust kogurõhu (lähtub Pitot torust) staatilise rõhu vahel.
Pkogu-Pstaatiline=Pdünaamiline
Skaala on kalibeeritud km/h, mph või sõlmedes (knots) ja kalibreeritud standardatmosfäärist lähtuvalt merepinna kõrgusel. Viimasest tulenevalt erinevad reeglina kiirusmõõtjate näidud suurtel kõrgustel tegelikust kiirusest tublisti.
1.1.1.6 Variomeetrid
Kuna variomeeter on purilenduri jaoks vaata, et olulisim instrument, siis peatume nendel seadmetel pikemalt. Sõna „variomeeter” tähendab sõnasõnalt võttes muudatuse mõõtja ja nii tuleb seda instrumenti ka mõista. Samas jääb ilma lisatäpsustusteta selgusetuks, milliseid muudatusi mõõdetakse. Seetõttu tuleb eristada järgmisi variomeetreid:

Vertikaalkiiruse mõõtja (kompenseerimata variomeeter) Mõõdab lennuki kõrguse muutumist kindlas ajavahemikus (m/s, ft/min)
Koguenergia variomeeter (kompenseeritud variomeeter) Mõõdab lennuki koguenergia (kineetiline + potentsiaalne) muutumist kindlas ajavahemikus (m/s, ft/min)
Neto variomeeter (kompenseeritud variomeeter) Mõõdab õhumassi vertikaalkiirust (m/s, ft/min)
Ülelennu variomeeter Mõõdab, millise eeldatava tõusukiiruse jaoks on praegune kiirus optimaalne

Kõik need instrumendid näitavad täiesti erinevat informatsiooni ehkki nende näidikud on samasugused. See, kuidas need on ühendatud ja/või kuidas neid kasutatakse, on see mis muudab seadmete otstarvet.
Variomeetri tööpõhimõte seisneb reservuaaris oleva õhu ja välise õhu rõhuerinevuste muutumise mõõtmises. Sellel otstarbel on välise õhu ja reservuaari vahel kapillaarava, mille kaudu õhurõhud saavad piiratud kiirusega ühtlustuda. Rõhu erinevust kambri ja välisõhu vahel saab mõõta kas otse (diafragma abil) või mõõdetakse õhu voolamise kiirust reservuaari ja välisõhu vahel (kas siibri liikumise kaudu või termistori jahtumise kaudu). Järgnevalt räägime erinevatest variomeetritest lähemalt.

Vertikaalkiiruse mõõtja
Lihtsaim variomeeter, mis mõõdab lennuki kõrguse muutumist kasutades selleks staatilise rõhu pordist (sama ava, mida kasutab altimeeter) saadavat õhku. Kuna purilennuki vertikaalkiirus on sõltuv kolmest komponendist (purilennuki polaari põhine vertikaalne kiirus, ümbritseva õhumassi vertikaalne kiirus ja purilennuki kohtumisnurga muutus ehk potentsiaalse ja kineetilise energia vahekorra muutus), on sellise kompenseerimata variomeetri poolt antava info kasutamine moodsas purilennukis praktiliselt mõeldamatu. , Seda seetõttu, et moodne purilennuk on võimeline kõrgust kiiruseks ja vastupidi muundama suurtes ulatustes, mistõttu variomeeter näitab peamiselt kõrguse muutumist juhise liigutamisest tingitult ning nendest liigutustest õhumassi vertikaalkiiruse välja lugemine on praktiliselt väga keeruline.
Kompenseerimata vertikaalkiiruse mõõtjad on mineviku pärand ning tänapäevastele purilennukitele neid ei paigaldata. Põhjus, miks me neid siin käsitleme on see, et selliseid variomeetreid võib veel leida mõnedes klubides olevatel õppelennukitel ja mõned purilennukid omavad võimalust kompenseerimistoru ummistuse korral kasutada variomeetrit ka ilma kompensatsioonita. Peamiselt aga seetõttu, et nende abil on kõige lihtsam kirjeldada instrumendi ehitust. Variomeetreid ehitatakse järgmistest põhimõtetest lähtuvalt:

Diafragmavariomeetrid
Sarnane altimeeriga, kuid diafragmakamber on ühendatud suurema reservuaariga ning diafragmakambri ja välisrõhu kambri vahel on kapillaarühendus. Diafragmavariomeetrid on reeglina aeglase reaktsiooniga ja ebatäpsed, kuna diafragmale rakenduvad jõud on väikesed ning nendest ei piisa osuti liigutamise mehhanismi inertsi ja hõõrdumise ületamiseks vajalikus tempos. Praktilist kasutust leiavad purilennus harva. Kui, siis ehk vaid tõusu keskmise kiiruse mõõtjatena kui selline variomeeter on kalibreeritud eriti aeglaseks.

Keeratud lindiga variomeetrid
Töötavad sarnasel põhimõttel kui diafragmavariomeetrid, kuid diafragma liikumise ülekanne osutile toimub läbi hõõrdevaba keeratud lindi liigutamise, mis tagab tänu hõõrdumise puudumisele ja osuti kergusele väga kiire reaktsiooni. Tuntuim selliste variomeetrite valmistaja on firma Sage.

Siibriga variomeeter
Vabalt liikuv metallist siiber on ühendatud nõrga tagastusvedruga ning seda kallutab kõrvale õhuvool reservuaari ja väliskeskkonna vahel. Selline variomeeter on enim kasutatav purilennus. Tuntuimad valmistajad on Winter ja PZL.

Elektriline variomeeter
Elektrilisi variomeetreid ehitatakse erinevatel põhimõtetel. Pikka aega olid levinuimad takistuse mõõtmisel põhinevad analoogvariomeetrid. Nende tööpõhimõte seisneb selles, et reservuaari ja välisõhu vahelisse õhukanalisse oli paigutatud teineteise järele kaks takistit (kuumutatud traadid või termistorid). Ühele või teisele poole liikuv õhumass jahutas vastavalt ühte või teist takistit enam ja sellest muutus selle takistus. Takistust mõõdeti ning vastavalt sellele muutus osuti asend voltmeetri tüüpi näidikus. Muutuva elektrivoolu kasutamine andis võimaluse ehitada väga kiiresti reageerivaid variomeetreid. Samuti sai lisada variomeetrile toonigeneraatori (piiksutaja), ülelennuvariomeetri ja lõpulennu arvestaja.
Teised elektrilised variomeetrid töötavad diafragmakambri mehhaanilise deformatsiooni mõõtmisel või kasutavad elektroonilisi baromeetreid, millise näidu muudu põhjal arvutavad vertikaalkiiruse.
Tänapäeval toodetavad elektrilised variomeetrid kasutavad reeglina digitaalseid baromeetrilisi andureid. Nende abil mõõdetakse mitmeid rõhuandmeid (staatiline rõhk, Pitot rõhk jne.) ja saadud infot kombineeritakse erineva info andmiseks purilendurile muude andmetega (GPS, piloodi sisendid, asendiandurid, kiirendusandurid, temperatuuri- ja niiskuse andurid jne. jne.).
Elektriliste variomeetrite peamine puudus on nende sõltuvus elektriallika olemasolust. Seetõttu on vajalik elektrilise variomeetri kasutamisel lisada armatuurlauda varuna ka tavaline pneumaatiline variomeeter, mis tagab võimaluse elektrisüsteemi rikke korral lennuväljale tagasi pöörduda.

Koguenergia variomeetrid e. kompenseeritud variomeetrid
Vertikaalkiiruse mõõtjad näitavad küll lennuki kõrguse ehk potentsiaalse energia muutumist, kuid ei anna informatsiooni selle kohta, mille arvelt see potentsiaalse energia muut saavutati (kas kineetilise energia, tuulepuhangu või tõusva/laskuva õhuvoolu arvelt). Selle jaoks, et kineetilise energia komponenti arvestada, on vajalik koguenergia variomeeter, mis arvestab nii kõrguse kui kiiruse muutumist.
Ekogu = Ekin + Epot

Kusjuures:
Epot = potentsiaalne energia
Ekin = kineetiline energia
Ekogu = koguenergia

Sellise variomeetri vajalikkus seisneb selles, et pilooti ei segata enam infoga kineetilise (Ekin) ja potentsiaalse (Epot) energia omavahelise muundamise kohta. Variomeeter annab infot hoopis selle kohta, kas energiat tuleb juurde või jääb seda vähemaks. Lennukiiruse muudatustele mittereageerimise tõttu on koguenergia variomeeter sobilik lendamiseks MacCready kiiruste rõngaga.
Koguenergia variomeetri ainus puudus seisneb selles, et selline variomeeter näitab purilendurile ka kiirendusest tingitud polaari nihkumisest tulenevat energia muutu (ülekoormuse korral tõusu sisenedes on variomeetri näit madalam kui samal kiirusel ilma ülekoormuseta ja tõusust alakoormusega lahkudes vastupidi), mis on küll objektiivne info, kuid segab purilenduril olukorra analüüsi. Selle infomüra kõrvaldamiseks on mõned elektrooniliste variomeetrite tootjad hakanud lisama oma seadmetesse kiirendusandureid, mille abil korrigeeritakse variomeetri näitu alati raskuskoormusele 1g vastavaks.
On olemas erinevaid kompensaatorite tüüpe, mida kasutatakse koguenergia variomeetrite ehitamiseks. Kirjeldame neid lähemalt.

Membraankompensaator
Ehituse eripära on see, et lennukiiruse info antakse variomeetri rõhusüsteemi läbi elastse membraani. Selleks seatakse Pitot rõhuliinile kolmik eespool altimeetrit ning viiakse membraanini, mis siis paisub või kahaneb vastavalt lennukiirusele. Teine membraani pool on ühendatud variomeetri reservuaariga, mistõttu kiiruse tõustes voolab õhk membraanikambrist reservuaari ja vastupidi. Kui õhk voolab reservuaari, suureneb süsteemi sisene rõhk rohkem kui rõhk välises süsteemis, õhk voolab reservuaarist läbi variomeetri välja ning variomeeter näitab tõusu. Laskumise ja/või kiiruse vähenemise puhul toimub vastupidine protsess.
On selge, et selline süsteem töötab korrektselt vaid siis kui membraan on kalibreeritud täpselt vastavaks variomeetri ja reservuaari süsteemile, eeldades nii membraani suuruse, membraanikambri mõõtude kui ka membraani elastsuse täpseid suurusi. Pealegi töötab selline kompensatsioon täpselt vaid sel kõrgusel, millele see sai algselt kalibreeritud. Selliste süsteemide olemuslik ehitusvigu võimendav iseloom ja fakt, et membraanide jäikus muutub temperatuuri ja vanusega suuresti, on membraankompensatsiooni praktiliselt välja tõrjunud. Kui lugejal õnnestub enda käsutusse saada purilennuk, mille ükskõik millise variomeetri kompensatsioon toimub läbi membraani (osa Jantar Standard tüüpi purilennukeid on varustatud membraankompensaatoriga), oleks mõistlik membraanisüsteem kiiresti välja vahetada muu kompenseerimislahenduse vastu (eelistatult venturi düüsiga kompensaatori vastu). Rääkimata muidugi sellest, et vanad variomeetrid tuleks nii- ehk naa välja vahetada, kuna ajapikku nende töö aeglustub ja nende näidud ei ole enam ligilähedased tegelikule.

Venturi toruga kompenseeritud variomeeter
Selliselt kompenseeritud variomeetrid on enim levinud. Variomeetri staatiline port on ühendatud venturi toru külge. Kiirusest sõltuv negatiivse rõhu muut venturi toru juures on alati samasugune kui vastav staatilise rõhu muut (millise nähtuse hüdrodünaamilisel sisul me siin pikemalt ei peatu). See tähendab, et venturi toru peab andma rõhku vastavalt järgmisele valemile:
Pvent = Pstat - Ppitot
Mistõttu peab venturi olema ehitatud selliselt, et Pvent väärtuseks oleks -1.
Venturi tööpõhimõtete on lihtne mõista kui see on kirjeldatud järgnevalt:
1. Epot + Ekin = Ekogu, mistõttu juhisetermika eemaldamiseks vajalik kompensatsioon on järgmine:
2. Lisandunud Epot = kaotatud Ekin (juhisetermika) ehk:
3. Δ (Epot) = -Δ (Ekin) s.t.:
4. Δ (Epot) - Δ (Ekin) = 0
Kui:
5. Epot α (proportsioon on sama kui) kõrgus ja
6. Epot α ½V2,
Siis realt 4.:
7. Δh - ½(ΔV)2 = 0, kus
8. ΔV = kompenseerimata variomeetri näit ja
9. - ½(ΔV)2 = koguenergia kompensatsioon

Kusjuures:
Epot = potentsiaalne energia
Ekin = kineetiline energia
Ekogu = koguenergia
Pvent = rõhk venturi torus
Pstat = staatiline rõhk
Ppitot = Pitot rõhk
V = kiirus
h = kõrgus

Ehk siis maakeeli:
Horisontaalsel lennul muutumatul kõrgusel (mis purilennuki puhul saab toimuda vaid tõusus või puksiiris) on kogu variomeetrisüsteem rõhu Pstat – Ppitot all, mis tuleb venturi düüsist. Variomeetri näit on 0, kuna mõlemal pool instrumenti on sama rõhk (atmosfäärirõhust madalam).
Kui purilennuk kaotab ühtlasel kiirusel kõrgust, siis suureneb Pstat. Kuna mõõdetav rõhk Pstat – Ppitot suureneb samuti, näitab variomeeter laskumist.
Kui purilennuk suurendab ühtlasel kõrgusel kiirust (võimalik vaid tõusus), suureneb Ppitot. See vähendab mõõdetavat rõhku Pstat – Ppitot, mistõttu variomeeter näitab tõusu. Kui see tõusunäit on sama suur kui kiirusega suurenev laskumine, siis näitab variomeeter tegelikkust ja on seega koguenergia muudule kompenseeritud.

Kuna selline kompenseerimise meetod võtab nii kiiruse kui staatilise rõhu info täpselt samast kohast, puudub vajadus ajaliseks kompensatsiooniks. Reservuaari maht pole variomeetri näidu suhtes kriitiline ja venturi töötab veavabalt kõikidel kõrgustel. Pealegi võib ühte kompensaatorit kasutada mitme variomeetri kompenseerimiseks, mis on membraankompensaatori kasutamisel võimalik vaid siis kui kompensaatori on loodud kohe kahe variomeetri jaoks.

Venturiga kompenseerimine on töökindel, ilma vananemisprobleemideta, suhteliselt odav ja lihtne paigaldada kui sobiv koht purilennukil on leitud. Sellise kompensatsioonimeetodi suhteline lollikindlus on viinud selleni, et absoluutselt kõik toodetavad purilennukid on varustatud venturi kompensaatoriga.

Kuhu paigaldada venturi toru
Ka siis kui venturi toru on ideaalselt kalibreeritud pole alati garantiid, et tulem on rahuldav. Kui õhuvool selle koha ümber, kuhu venturi toru on paigaldatud pole ühtlane võib see kaasa tuua olulisi vigu. Venturi peab vastama järgmistele tingimustele.
• Tulemust ei tohi mõjutada libisemine
• Tulemust ei tohi mõjutada kohtumisnurk
• Tulemust ei tohi mõjutada lennukiirus
• Peab olema timmitav vastavalt purilennukile
Selge on, et suuri muutusi õhuvoolu iseloomus ja kiiruses võib täheldada näiteks tiiva ja mitteõhutiheda kupli ümbruses. Samuti ei saa venturi toru paigutada ühele või teisele purilennuki küljele, kus see võib libisemise korral sattuda väga erineva kiirusega õhuvooludesse. Seega jäävad praktiliselt kasutatavaks järgmised venturi toru asukohad:
1. Esteetiliselt ebameeldiv ja vigadele altis positsioon purilennuki ninas kokpiti ees kerega paralleelselt (à la Blanik L-13)
2. Samamoodi veatundlik koht purilennuki kerel tiibade ja sabakiilu vahel
3. Kiilu ülemise osa ette kinnitatuna
Viimane asukoht (ca. 60cm kiilust eespool – optimaalne asukoht sõltub purilennukist ja varieerub suuresti) on praktikas parim, kuna on suhteliselt vähetundlik lennurežiimi muutustele.

Levinuimate venturi torude tüüpide omadused on selles kontekstis järgmised:
1. Irvingi venturi toru – kasutusel juba ammu. Omab üsna suurt takistust ja on keerukas valmistada
2. Althausi venturi – väikese takistusega, kuid tundlik libisemise ja kohtumisnurga suhtes andes nende muutumisel vigu.
3. Hüttneri venturi on samuti tundlik libisemise ja kohtumisnurga suhtes andes nende muutumisel vigu. Lisaks on seda raske timmida
4. Brunswicki venturi – ei reageeri libisemisele ja kohtumisnurga muutumisele. Seda saab ka hõlpsasti timmida väljundava osaliselt üle teipides. Puuduseks on valmistamise keerukus.
5. Nicki venturi – lihtne valmistada, kuid ei saavuta tihti täielikku kompensatsiooni (jääb alakompenseerituks), mistõttu seda ei saa kõikidele purilennukitele paigaldada. Ei reageeri libisemisele ja kohtumisnurga muutumisele.
6. Topeltpiludega venturi – praktiliselt sama lihtne valmistada kui Nicki venturi. Talub suuri libisemisi ja kohtumisnurga muutumisi. Samuti saab seda kalibreerida, muutes toru pikkust.

Venturi tüüpi koguenergia kompensaatorite testimine

Lihtne test
Lihtsama testi saab läbi viia praktiliselt iga ilmaga. Kui ühendada lisakiirusemõõtja staatilise rõhu liini ja kompenseeritud rõhu liini vahele nii, et kiirusemõõtja pitot ühendus saab õhu staatilisest kanalist ja staatiline ühendus saab õhu kompenseeritud rõhu liinilt, peab see lisakiirusemõõtja näitama alati sama lugemit, mis põhikiirusemõõtja (ühendatud normaalsel moel). Kui lisakiirusemõõtja kiirusnäit on madalam kui põhinäidikul, on tegemist alakompenseeritud süsteemiga ja vastupidi. Eelnevalt on mõistlik kontrollida, kas mõlemad kiirusnäidikud töötavad õieti, ühendades need paralleelselt.
Sellise testimismeetodi peamine probleem seisneb selles, et purilennuki staatiline port ei anna kunagi päris õiget staatilise rõhu lugemit, mis viib vigaste testitulemusteni.

Variomeetri näitude võrdlemine polaari väärtustega
Selle testi sooritamise eelduseks on seissev õhk ehk siis praktiliselt tuulevaikne ja ilma igasuguse termilise aktiivsuseta ilm. Selliseid hetki esineb mõnikord õhtuti ja siis on soovitav purilennukite instrumente ka testida. Testi käigus kiirendatakse aeglaselt purilennukit miinimumkiirusest kuni suurte kiirusteni märkides sealjuures maha variomeetri väärtused erinevate kiiruste juures. Kui kompensatsioon on õige, näitab variomeeter täpselt polaari kohaseid vajumiskiiruseid. Testi korratakse ka vastassuunas (suurtelt kiirustelt madalamate poole).
Alakompenseeritud variomeeter näitab sellise testi puhul laskumisel polaarile vastavatest suuremaid vajumisi ja tõusul väiksemaid vajumisi või isegi tõusu. Alakompenseerituse puhul tuleb näiteks topeltpiludega venturi toru puhul viilida selle otsa veidi lühemaks. Ülekompenseerituse puhul pikendada seda veidi (lisades otsa plekitüki või tina). Mõnest millimeetrikümnendikust piisab.

Netovariomeetrid
Ka netovariomeeter võib olla kompenseeritud ja kompenseerimata, kuid kuna kompenseerimata netovariomeeteri olemasolu purilennuki pardal on väga raske põhjendada, siis me selle pikemalt ei peatu.
Mehhaanilised netovariomeetrid on reeglina ehitatud piiratud möödavoolu põhimõttel. Ehk siis kogurõhu liinilt (Ppitot) juhitakse õhku läbi kapillaari variomeetri reservuaari täpselt selles koguses, et seisvas õhus otse lennates oleks variomeetri näit 0 (saavutatud on olukord, kus tänu möödavoolule on rõhk variomeetri ees ja taga ühtlustunud ehkki purilennuk samal ajal vajub vastavalt polaarile). See tähendab, et tekitatakse olukord, kus variomeeter näitab õhumassi liikumist, mitte purilennuki tõusmist või laskumist.
Tänapäeval on enam levinud elektroonilised netovariomeetrid, kus kiirusele vastav vajumine lihtsalt arvutuslikult lahutatakse tegelikust vajumisest ning saadakse tulemiks õhumassi liikumise kohta käiv info.