昇降計

航空において、バリオメーター（上昇降下率指示器（RCDI）、上昇率指示器、垂直速度指示器（VSI）、または垂直速度指示器（VVI ）とも呼ばれる）は、パイロットに降下率または上昇率を知らせるために使用される航空機の飛行計器の1 つです。^{[ 1 ]}国や航空機の 種類によって、メートル毎秒、フィート毎分（1 ft/min = 0.00508 m/s）、またはノット（1 kn ≈ 0.514 m/s）で校正できます。通常、航空機の外部静圧源に接続されています。    

動力飛行では、パイロットは特に旋回操作中に、水平飛行が維持されていることを確認するためにVSIを頻繁に使用します。グライダー飛行では、上昇気流や下降気流をパイロットに知らせるために、通常飛行中はほぼ継続的に計器が使用され、多くの場合、音声出力も併用されます。グライダーには、複数の種類のバリオメーターが装備されているのが一般的です。シンプルなタイプは外部電源を必要としないため、バッテリーや電源が取り付けられているかどうかに関わらず、確実に機能します。音声付きの電子式タイプは、飛行中に動作するために電源が必要です。離陸時や着陸時には計​​器はあまり重要ではありませんが、曳航飛行の場合は例外で、パイロットは通常、下降気流の中で曳航を解除することを避けたいと考えます。

アン・ウェルチによれば、1930年に「クロンフェルトはアレクサンダー・リッピッシュが提案した装置であるバリオメーターを最初に使用した人物の一人だった」とのこと。ウェルチはさらに、「最初の本格的なサーマルソアリング」は1930年にA.ハラーとヴォルフ・ヒルトによって行われ、ヒルトはムスターレでバリオメーターを使用したと述べている。 フランク・アーヴィングは、アーサー・カントロヴィッツが1940年に初めて総エネルギーについて言及したと述べている。しかし、1901年にはすでにウィルバー・ライトがサーマルについて次のように書いている。「グライダー操縦者がより高度なスキルを習得すると、比較的安全に、この方法で一度に数時間空中に留まることができ、このように継続的な練習によって知識とスキルを高め、より高い空域に上昇し、旋回して上昇し、下降角度で滑空することで、滑空する鳥が任意の地点に移動できるようにする気流を探し出すことができるようになる。」^{[ 2 ] [ 3 ]}

ポール・マクレディによれば、「バリオメーターは基本的に、少し前の高度を示す傾向がある漏れのある圧力高度計です。容器は外気とつながっており、容器内の圧力が外気の静圧よりわずかに遅れるようになっています。上昇率の測定は、容器への空気の流入または流出の速度から得られます。」^{[ 4 ]}

高度計は、高度の変化に伴う気圧（静圧）の変化を検出することで高度の変化率を測定します。一般的な高度計の種類には、ダイヤフラム式、ベーン式（ホーン式）、張力帯式、または電気式があります。ベーン式高度計は、コイルばねで中央に配置された回転ベーンで構成され、チャンバーを2つの部分に分割し、一方を静圧ポートに、もう一方を膨張チャンバーに接続します。電気式高度計は、気流に敏感なサーミスタ、または微小な真空空洞の膜に接続された可変抵抗器で構成される回路基板を使用します。 ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

一般的な航空機用上昇率計の容量を増やすために、大きなリザーバー（真空フラスコ）を追加することで、シンプルなバリオメーターを構築できます。最もシンプルな電子式では、この計器は、高感度な空気流量計を介して外部大気に接続された空気ボンベで構成されています。航空機が高度を変えると、機体外部の大気圧が変化し、ボンベ内と機体外部の圧力を均一にするために空気がボンベに出入りします。空気の流れの速度と方向は、2つの自己発熱サーミスタのうちの1つの冷却によって測定され、サーミスタの抵抗値の差によって電圧差が生じます。この電圧差は増幅され、パイロットに表示されます。航空機の上昇（または下降）速度が速いほど、空気の流れも速くなります。ボンベから空気が流れ出ている場合は、航空機の高度が上昇していることを示します。ボンベに空気が流れ込んでいる場合は、航空機が下降していることを示します。

最新の昇降計は、圧力センサーを用いて大気圧を直接測定し、空気の流れを測定するのではなく、気圧の変化から直接高度の変化を検出します。これらの設計は、空気ボンベを必要としないため、小型化される傾向があります。また、温度変化の影響を受けるボンベがなく、接続チューブからの漏れの可能性も少ないため、信頼性が向上しています。

航空機の高度変化に伴う静圧の変化を自動的に検出することで高度変化率を測定する上記の設計は、「非補正型」バリオメーターと呼ばれます。動力航空機に搭載される場合は、「垂直速度計」または「VSI」という用語が一般的に使用されます。グライダーや滑空機に搭載される場合は、「バリオメーター」という用語が一般的に使用されます。

「慣性先行型」または「瞬間型」VSI（IVSI）は、加速度計を使用して垂直速度の変化に迅速に対応します。^{[ 9 ]}

人間は、鳥類や他の飛行動物とは異なり、上昇率や下降率を直接感知することができません。 バリオメーターが発明される以前は、グライダーのパイロットは滑空するのが非常に困難でした。垂直速度の急激な変化は容易に感知できたものの（「体感」で）、上昇と下降、あるいは強い上昇と弱い上昇を区別する感覚がなかったのです。近くに明確な固定された視覚的基準がない限り、実際の上昇率や下降率を推測することさえできませんでした。固定された基準に近いということは、丘の斜面や地面に近いということです。丘の風上側に近い上昇気流を利用するヒルソアリングの場合を除き、これらの位置は一般的にグライダーのパイロットにとって非常に不利な位置です。最も有用な上昇気流（熱上昇気流と波動上昇気流）は高高度に存在し、バリオメーターを使用せずにパイロットがそれらを感知したり利用したりすることは非常に困難です。 1929年にアレクサンダー・リッピッシュとロバート・クロンフェルトによってバリオメーターが発明されて以来^{[ 10 ]}、グライダー競技は新たな領域へと移行した。

足で離陸するハンググライダーでもバリオメーターが重要になりました。このタイプのハンググライダーでは、開放型のパイロットは風を聞きますが、上昇気流や下降気流の領域を検出するためにバリオメーターが必要になります。初期のハンググライダーでは、短いフライトやリッジリフトに近いフライトにはバリオメーターは必要ありませんでした。しかし、パイロットがより長いフライトを行うようになると、バリオメーターが重要になりました。ハンググライダーで使用する最初の携帯型バリオメーターは、1970年代にコルバー・ソアリング・インスツルメンツ社によって導入されたコルバー・バリオメーターでした^{[ 11 ]。}これは、このスポーツをクロスカントリーのサーマル飛行にまで広げるのに役立ちました^{[ 12 ] [ 13 ]。} 1980年代には、1971年にリチャード・ハーディング・ボール（1921-2011）によって設立されたボール・バリオメーター社が、9ボルト電池で駆動するリストバリオメーターを製造しました^{[ 14 ] [ 15 ] 。}

しかし、グライダー競技が発展するにつれて、こうした非常に単純な「補正なし」の計器には限界があることが判明しました。グライダーパイロットが実際に上昇するために必要な情報は、高度と速度の両方を含む、グライダーが経験するエネルギーの総変化です。補正なしのバリオメーターはグライダーの垂直速度のみを表示するため、「スティックサーマル」、つまりスティック操作のみによって引き起こされる高度の変化が生じる可能性があります。パイロットがスティックを引くと、グライダーは上昇しますが、同時に速度も低下します。しかし、速度が変化せずにグライダーが上昇している場合は、これは「スティックリフト」ではなく、実際の揚力を示しています。

補正付きバリオメーターには航空機の速度に関する情報も含まれているため、高度の変化だけでなく、全エネルギー（位置エネルギーと運動エネルギー）が使用されます。たとえば、パイロットが操縦桿を前方に押して機体を急降下させ、速度を上げた場合、補正なしバリオメーターでは高度が低下していることしか表示されません。しかし、パイロットは操縦桿を後方に引くことで、速度を上げて再び高度を上げることができます。補正付きバリオメーターは、速度と高度の両方を使用して全エネルギーの変化を示します。そのため、操縦桿を前方に押して急降下し、速度を上げてから操縦桿を後方に引いて高度を回復したパイロットは、補正付きバリオメーターでは全エネルギーの変化に気づきません（抗力によるエネルギー損失は無視します）。

ヘルムート・ライヒマンによれば、「『バリオメーター』という言葉は文字通り『変化計』を意味し、そのように理解されるべきである。さらなる情報がなければ、どのような変化が測定されているのかは不明瞭なままである。単純なバリオメーターは…上昇率指示器である。これらの計器に表示される実際のグライダーの上昇と下降は、気団の動きとグライダーの性能だけでなく、迎角の変化（エレベーターの動き）にも大きく依存するため…例えば、サーマルの位置など、有用な情報を抽出することは事実上不可能である。上昇率指示器は高度の変化、ひいてはグライダーの位置エネルギーの変化を示すが、全エネルギーバリオメーターはグライダーの全エネルギーの変化、つまり位置エネルギー（高度による）と運動エネルギー（対気速度による）の両方を示す。」^{[ 5 ]}

現代のグライダーのほとんどは、全エネルギー補償型昇降計を装備している。

理論上の総エネルギー補償

航空機の総エネルギーは次のとおりです。

1. ${\displaystyle E_{\text{tot}}=E_{\text{pot}}+E_{\text{kin}}}$

どこ${\displaystyle E_{\text{ポット}}}$は位置エネルギーであり、${\displaystyle E_{\text{kin}}}$は運動エネルギーです。したがって、全エネルギーの変化は次のようになります。

2. ${\displaystyle \Delta E_{\text{tot}}=\Delta E_{\text{pot}}+\Delta E_{\text{kin}}}$

以来

3. 位置エネルギーは高さに比例する

${\displaystyle E_{\text{pot}}=mgh}$

どこ${\displaystyle m}$グライダーの質量と${\displaystyle g}$重力の加速

そして

4. 運動エネルギーは速度の2乗に比例する。

${\displaystyle E_{\text{kin}}={1 \over 2}mV^{2}}$

そして2から：

5. ${\displaystyle \Delta E_{\text{tot}}=mg\Delta h+{1 \over 2}m{\Delta V}^{2}}$

6. 通常、これは重力加速度と航空機の質量で割ることによって実効高度変化に変換されます。したがって、次のようになります。

$\displaystyle {\Delta E_{\text{tot}} \over mg}=\Delta h+{{\Delta V}^{2} \over 2g}}$

実際の総エネルギー補償

全エネルギーバリオメーターは、メンブレンコンペンセーター、ベンチュリによる補償、または電子補償方式を採用しています。メンブレンコンペンセーターは弾性膜で、対気速度による全圧（ピトー圧と静圧の合計）に応じてたわみます。そのため、対気速度の影響により、加速による沈下量の増加、または減速による沈下量の減少が相殺されます。ベンチュリコンペンセーターは速度依存の負圧を供給するため、速度が増加するにつれて圧力が低下し、沈下による静圧の増加を補償します。ヘルムート・ライヒマンによれば、「…ベンチュリの最も感度の低い取り付け位置は、垂直尾翼の上部4分の1、前縁から約60cm（2フィート）前方にあると思われます。」ベンチュリ補償器の種類には、アーヴィング・ベンチュリ（1948年）、アルトハウス・ベンチュリ、ヒュットナー・ベンチュリ、ブランズウィック管、ニックス・ベンチュリ、およびハノーバーのアカフリークのバードウィックスによって開発されたダブルスロット管（ブラウンシュヴァイク管としても知られる）などがあります。^{[ 5 ] [ 8 ] [ 16 ] [ 17 ]}

動力航空機で全エネルギーバリオメーターを搭載しているものはごくわずかです。動力航空機のパイロットは、高度を一定に保ったり、安定した上昇または下降を維持したりしたい場合が多いため、高度の真の変化率に関心があります。

補正型バリオメーターの2つ目のタイプは、ネットバリオメーター（またはエアマスバリオメーター）です。ネットバリオメーターは、TE補正に加えて、特定の速度におけるグライダーの固有沈下率（極曲線）を、水バラストによる翼面荷重を考慮して調整します。ネットバリオメーターは、無風状態では常​​にゼロを示します。これにより、パイロットは最終滑空（最終目的地への最後の滑空）に不可欠なエアマスの垂直方向の動きを正確に測定できます。

1954年、ポール・マクレディは全エネルギーベンチュリを用いた沈下速度補正について論じた。マクレディは次のように述べている。「静止空気中では、グライダーは対気速度ごとに異なる沈下速度を示す。バリオメーターが沈下率を自動的に加算し、グライダーの垂直方向の動きではなく、空気の垂直方向の動きを表示する方が望ましい。補正は様々な方法で行うことができる。おそらく最も良い方法は、全エネルギーベンチュリとピトー管からの動圧を利用することだろう。」^{[ 4 ]} ライヒマンが説明したように、「ネットバリオメーターは、（グライダーではなく）気塊の上昇と下降を示します...「正味」の表示を得るためには、常に存在するグライダーの極方向の下降をその表示から「補正」する必要があります。これを行うには、最適な滑空速度を超えると、グライダーの極方向の下降速度が対気速度の2乗にほぼ比例して増加するという事実を利用します。ピトー圧力も速度の2乗に比例して増加するため、ほぼ全速度範囲にわたってグライダーの極方向の下降の影響を「補正」するために使用できます。」^{[ 5 ]} トム・ブランデスは、「ネットは単にドイツ語で「正味」を意味するもので、ネットバリオメーターシステム（または極方向補正器）は、通常のバリオメーターの読み取りからグライダーの動きまたは下降を除いた、正味の垂直方向の空気の動きを示すものです。」と述べています。^{[ 18 ]}

相対ネットバリオメーターは、現在の対気速度や姿勢に関係なく、グライダーがサーマリング速度で飛行した場合に達成する垂直速度を示します。この値は、ネット値からグライダーの最小沈下量を差し引いて計算されます。グライダーがサーマルに向かって旋回しているとき、パイロットは空気の質量ではなく、グライダーの垂直速度を知る必要があります。相対ネットバリオメーター（またはスーパーネットと呼ばれることもあります）には、サーマリングを検出するためのgセンサーが含まれています。サーマリング中は、センサーが1gを超える加速度（重力と遠心力）を検出し、相対ネットバリオメーターに、その間、グライダーの翼荷重調整済み極方向沈下率の減算を停止するように指示します。初期のネットの中には、gセンサーの代わりに手動スイッチを使用していたものもありました。

1954年、マクレディはオーディオバリオメーターの利点を指摘し、「バリオメーターの表示を音でパイロットに提示すれば、多くのメリットが得られる。盲目飛行時を除けば、他のどの計器よりもバリオメーターを継続的に監視する必要がある。パイロットが耳で読み取ることができれば、近くのグライダーを観察することでサーマル飛行を改善でき、次に使用する雲の形成を研究することで飛行全体を大幅に改善できる。」^{[ 4 ]}

現代のグライダーでは、ほとんどの電子式バリオメーターが、計器の読み取り値に応じて音程とリズムが変化する音を発します。これはソニフィケーションの一例です。通常、バリオメーターが上昇率を示すと音の周波数が上昇し、下降率を示すと周波数が低下して低い唸り声のような音になります。上昇中は音が途切れ途切れになることが多く、上昇率が高くなるにつれて途切れ途切れになる頻度も高くなりますが、下降中は途切れません。バリオメーターは、無風状態またはグライダーの最小降下率よりも弱い上昇気流の中では、通常は無音です。この音声信号により、パイロットは計器を見る代わりに外部の視界に集中できるため、安全性が向上し、有望な雲やその他の上昇気流の兆候を探す機会も増えます。このような可聴音を発するバリオメーターは「オーディオバリオメーター」と呼ばれます。

グライダーに搭載された高度な電子式昇降計は、 GPS受信機からパイロットに様々な情報を提供することができます 。ディスプレイには、目標地点に到達するために必要な方位、距離、高度が表示されます。巡航モード（直線飛行時）では、昇降計は上昇気流か下降気流かに応じて、適切な飛行速度を音声で知らせることもできます。パイロットは、次の上昇気流における予想上昇率であるマクレディ設定値を入力するだけで済みます。

グライダーにおける高度な昇降計の搭載は、飛行コンピューター（昇降計表示機能付き）へと移行する傾向が強まっており、管制空域、旋回地点一覧、さらには衝突警告といった情報も表示できるようになっている。中には、飛行中に位置情報（GPS）データを保存し、後で分析できるものもある。

ラジコングライダーにも昇降計が使用されています。各昇降計システムは、グライダーに搭載された無線送信機と、地上に設置された操縦者用受信機で構成されています。受信機は、設計によっては、グライダーの現在の高度と、高度が上昇しているか下降しているかを示す表示（多くの場合、音声信号による）を操縦者に提供します。また、対気速度やバッテリー電圧などのパラメータを表示するテレメトリー機能も備えている場合があります。ラジコングライダーで使用される昇降計は、全エネルギー補償機能を備えている場合と備えていない場合があります。

ラジコングライダーにおいて、バリオメーターは必須ではありません。熟練したパイロットであれば、視覚的な手がかりだけでグライダーが上昇しているか下降しているかを判断できる場合がほとんどです。ただし、ラジコングライダーの滑空競技会の中には、バリオメーターの使用を禁止しているものもあります。

• プライマリーフライトディスプレイ
• ICAOによる国際単位系（SI）の使用に関する勧告
• ハンググライダー
• パラグライディング
• 飛ぶスピード

• シンプルな全エネルギーセンサー、NASA TM X-73928、1976年3月