バリオメーター

航空学において、バリオメーターは上昇降下率計（RCDI）、上昇率計、昇降速度計（VSI）、または垂直速度計（VVI ）とも呼ばれ、パイロットに降下率や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応じて、^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。通常は航空機の外部静圧源に接続されます。

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。滑空では、上昇気流または下降気流をパイロットに知らせるために、通常飛行中にこの計器をほぼ継続的に使用し、多くの場合は音声出力も使用します。グライダーには、通常、複数のタイプのバリオメーターが装備されています。より単純なタイプは外部電源を必要としないため、バッテリーまたは電源が取り付けられているかどうかに関係なく機能します。音声付きの電子タイプは、飛行中に動作するために電源が必要です。この計器は、パイロットが通常沈下中のリリースを避けたい 航空曳航を除いて、発進および着陸中にはほとんど使用されません。

アン・ウェルチによると、1930年に「クロンフェルドは、アレクサンダー・リピッシュが提案したバリオメーターを最初に使用した人物の1人でした」。ウェルチはさらに、「最初の本当のサーマルソアリング」は1930年にA・ハラーとウルフ・ハースによって行われ、ハースは彼のMusterleでバリオメーターを使用していたと述べています。 フランク・アーヴィングは、アーサー・カントロウィッツが初めて全エネルギーについて言及したのは1940年だったと述べています。しかし、ウィルバー・ライトは1901年という早い時期にサーマルについて次のように書いています。「滑空操縦士がより高い技術を習得すると、このようにして比較的安全に何時間も空中に留まることができるようになり、絶え間ない練習によって知識と技術が向上し、より高い空に上昇して、最初に円を描いて上昇し、次に下降角度で飛び去ることで、上昇する鳥が任意の地点に移動できるようにする流れを探し出すことができるようになります。」^{[2] [3]}

ポール・マクレディによれば、「昇降計は本質的には圧力高度計であり、漏れがあるため一瞬前の高度を読み取る傾向がある。昇降計は、フラスコ内の圧力が外部の静圧よりわずかに遅れるように、外気に通気された容器から構成される。上昇率は、容器からの空気の流入または流出の速度から測定される。」^[4]

バリオメーターは、高度の変化に伴う気圧の変化（静圧）を検出することで高度の変化率を測定します。一般的なバリオメーターのタイプには、ダイヤフラム、ベーン（ホーン）、緊張バンド、または電気式があります。ベーン式バリオメーターは、コイルスプリングを中心とする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、1つは静的ポートに接続され、もう1つは膨張チャンバーに接続されます。電気式バリオメーターは、気流に敏感なサーミスター、または小さな真空キャビティ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]}

一般的な航空機の上昇率計の貯蔵容量を増やすため、大きなリザーバ（真空フラスコ）を追加することで、簡単な昇降計を作ることができます。最も簡単な電子形式では、この計器は、高感度の空気流量計を介して外気に接続された空気ボトルで構成されています。航空機の高度が変化すると、機外の大気圧が変化し、空気ボトルの内外の圧力が均等になるように空気が空気ボトルに出入りします。空気の流れる速度と方向は、2 つの自己発熱サーミスタのうちの 1 つを冷却することによって測定され、サーミスタ抵抗の差によって電圧差が生じます。この電圧は増幅されてパイロットに表示されます。航空機の上昇（または下降）が速いほど、空気の流れも速くなります。ボトル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。ボトル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。

新しいバリオメーターの設計では、圧力センサーを使用して大気の静圧を直接測定し、空気の流れを測定する代わりに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、空気ボトルを必要としないため、小型になる傾向があります。温度変化の影響を受けるボトルがなく、接続チューブで漏れが発生する可能性が低いため、信頼性が高くなります。

航空機の高度が変化すると静圧の変化を自動的に検出して高度の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ている場合、この計器には「垂直速度計」または「VSI」という用語が最もよく使用されます。グライダーまたはセールプレーンに搭載されている場合、「バリオメーター」という用語が最もよく使用されます。

「慣性リード」または「瞬時」VSI（IVSI）は加速度計を使用して垂直速度の変化に素早く反応します。^[9]

人間は、鳥や他の飛ぶ動物とは異なり、上昇率や下降率を直接感知することができません。^[要出典] バリオメーターが発明される前、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を容易に感知できましたが（「直感的に」）、感覚では揚力と下降、強い揚力と弱い揚力を区別できませんでした。近くにはっきりとした固定された視覚基準がない限り、実際の上昇/下降率を推測することさえできませんでした。固定された基準の近くにあるということは、丘の斜面または地面の近くにいることを意味します。丘を滑空する場合（丘の風上側に近い揚力を利用する場合）を除いて、これらはグライダーのパイロットにとって一般的に非常に不利な位置です。最も有用な形態の揚力（熱揚力と波動揚力）は高高度で発生し、バリオメーターを使用せずにパイロットがそれらを検出または利用することは非常に困難です。 1929年にアレクサンダー・リピッシュとロバート・クロンフェルド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進みました。

バリオメーターは、足で離陸するハンググライダーでも重要になりました。このハンググライダーでは、オープンエアのパイロットは風の音を聞きますが、上昇気流や下降気流の領域を検知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、短距離飛行や尾根リフトに近い飛行ではバリオメーターは必要ありませんでした。しかし、パイロットが長距離飛行を始めると、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ポータブルバリオメーターは、1970年代にColver Soaring Instrumentsによって導入されたColverバリオメーターでした。^[11]これにより、このスポーツはクロスカントリーサーマル飛行にまで広がりました。^{[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ボルトのバッテリーで駆動する手首型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、これらの非常に単純な「非補正」計器には限界があることがわかりました。グライダー パイロットが滑空するために本当に必要な情報は、高度と速度の両方を含む、グライダーが受けるエネルギーの総変化です。非補正バリオメーターは、グライダーの垂直速度のみを示すため、「スティック サーマル」、つまりスティック入力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き戻すと、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、グライダーが速度を変えずに上昇している場合、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、総エネルギー (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、パイロットがスティックを前方に押して飛行機が急降下するにつれて速度を上げた場合、補正されていないバリオメーターは高度が失われていることのみを示します。しかし、パイロットはスティックを引いて、余分な速度と引き換えに再び高度を上げることができます。補正バリオメーターは、速度と高度の両方を使用して総エネルギーの変化を示します。そのため、スティックを前方に押して急降下して速度を上げ、その後再び引いて高度を取り戻すパイロットは、補正バリオメーターで総エネルギーの変化に気付かないでしょう (抗力によるエネルギー損失は無視されます)。

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。それ以上の情報がなければ、どのような変化が測定されているのかは不明である。単純なバリオメーターは…上昇率計である。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、迎え角の変化（昇降舵の動き）にも大きく左右されるため…このため、例えば上昇気流の位置などの有用な情報を抽出することは事実上不可能である。上昇率計は高度の変化、つまり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、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）の変化を示す。」^[5]

現代のグライダーのほとんどには、総エネルギー補正バリオメーターが装備されています。

航空機の総エネルギーは次のとおりです。

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

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

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

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

グライダーの質量と重力加速度は どこにありますか${\displaystyle m}$${\displaystyle g}$

そして

4. 運動エネルギーは速度の2乗に比例する。

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

2から：

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

6. 通常、これを重力加速度と航空機の質量で割ることで有効高度変化に変換されます。

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

総エネルギー バリオメーターは、膜補償器、ベンチュリによる補償、または電子的に補償されます。膜補償器は弾性膜で、対気速度による総圧力 (ピトー圧と静圧) に応じて曲がります。したがって、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。ベンチュリ補償器は速度依存の負圧を供給するため、速度が増加すると圧力が減少し、沈下による静圧の増加が補償されます。Helmut Reichmannによると、「...最も感度の低いベンチュリ取り付けポイントは、垂直尾翼の上部 4 分の 1、前縁から約 60 cm (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、ヒュッターベンチュリ、ブランズウィックチューブ、ニックスベンチュリ、ハノーバーのアカフリーグのバルドウィックスが開発したダブルスロットチューブ（ブラウンシュヴァイクチューブとしても知られる）などがあります。^{[5] [8] [16] [17]}

動力航空機には総エネルギー バリオメーターを備えているものはほとんどありません。動力航空機のパイロットは、一定の高度を維持したり、安定した上昇や下降を維持したりしたい場合が多いため、高度の実際の変化率に関心があります。

2 つ目の補正バリオメーターは、Nettoまたはエアマスバリオメーターです。TE 補正に加えて、Netto バリオメーターは、水バラストによる翼面荷重に合わせて調整された、特定の速度 (極曲線)でのグライダーの固有降下率を調整します。Netto バリオメーターは、静止空気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移動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 ベンチュリの沈下速度補正について書いています。マクレディは、「静止空気中では、グライダーは対気速度ごとに沈下速度が異なります。バリオメーターが自動的に沈下速度を追加し、グライダーの垂直方向の動きではなく垂直方向の空気の動きを表示してくれると便利です。補正はさまざまな方法で行うことができます。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です。」と述べています。^[4] ライヒマンの説明によると、「ネットバリオメーターは、（セイルプレーンの上昇と下降ではなく）気団の上昇と下降を示します。…「ネット」表示を得るためには、常に存在するセイルプレーンの極下降を表示から「補正」する必要があります。これを行うには、最良滑空速度を超えるとセイルプレーンの極下降速度がおおよそ対気速度の2乗で増加するという事実を利用します。ピトー圧も速度の2乗で増加するため、実質的に全速度範囲にわたってセイルプレーンの極下降の影響を「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「ネット」のドイツ語で、ネットバリオメーターシステム（または極補正装置）は、通常のバリオメーターの読み取り値からセイルプレーンの動きまたは下降を取り除いた、ネットの垂直空気移動を示すものです。」と述べています。^[18]

相対ネットバリオメーターは、現在の気流速度や姿勢に関係なく、グライダーがサーマル速度で飛行する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引いて計算されます。グライダーがサーマルに旋回する場合、パイロットは気団の垂直速度ではなく、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、サーマルを検出するための g センサーが含まれています。サーマル時に、センサーは 1 g を超える加速度 (重力プラス遠心力) を検出し、その間、相対ネットバリオメーターに、グライダーの翼面荷重調整極沈下率の減算を停止するように指示します。初期のネットバリオメーターには、g センサーの代わりに手動スイッチを使用するものもありました。

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がパイロットに音で伝えられれば、多くのメリットがある。ブラインドフライト中を除いて、バリオメーターは他のどの計器よりも常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フライトを改善でき、次に使用する雲の形成を研究することで全体的なフライトを大幅に改善できる。」と述べた。^[4]

現代のグライダーでは、ほとんどの電子バリオメーターは、計器の読み取り値に応じて音の高さとリズムが変化する音を生成します。通常、バリオメーターが上昇率の上昇を示すと、オーディオ トーンの周波数が上昇し、下降率の上昇を示すと、低いうなり音に向かって周波数が低下します。バリオメーターが上昇を示している場合、トーンは途切れ途切れになることが多く、上昇率が上昇するにつれて途切れの速度が速くなることがありますが、下降中はトーンは途切れません。通常、バリオメーターは、静止空気中または揚力状態では無音です。揚力状態は、最小降下時のグライダーの一般的な降下速度よりも弱いです。このオーディオ信号により、パイロットは計器を見る代わりに外部の景色に集中できるため、安全性が向上し、また、パイロットは、有望そうな雲やその他の揚力の兆候を探す機会が増えます。このタイプの可聴トーンを生成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。

グライダーの高度な電子バリオメーターは、 GPS受信機からパイロットに他の情報を提供することができます 。ディスプレイには、目標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 (直線飛行で使用) では、バリオメーターは、空気が上昇しているか下降しているかに応じて、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、次に許容される上昇気流での予想上昇率である 推定MacCready設定を入力するだけです。

グライダーの高度なバリオメーターは、管制空域、ターンポイントのリスト、さらには衝突警告などの情報も表示できるフライト コンピューター (バリオメーター表示付き) へと移行する傾向が高まっています。また、飛行中に GPS の位置データを保存し、後で分析できるようにするものもあります。

バリオメーターは、無線操縦グライダーにも使用されています。各バリオメーター システムは、グライダー内の無線送信機と、パイロットが使用する地上の受信機で構成されています。設計に応じて、受信機はパイロットにグライダーの現在の高度と、グライダーが高度を上げているか下げているかを示すディスプレイ (多くの場合、音声トーン経由) を提供します。システムによって、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他の形式のテレメトリも提供される場合があります。無線操縦グライダーで使用されるバリオメーターには、総エネルギー補正機能がある場合とない場合があります。

バリオメーターは無線操縦グライダーには必須ではありません。熟練したパイロットであれば、通常、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ます。無線操縦グライダーの 滑空コンテストでは、バリオメーターの使用が禁止されている場合もあります。

• プライマリフライトディスプレイ
• 国際単位系の使用に関するICAOの勧告
• ハンググライダー
• パラグライダー
• 飛ぶスピード

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

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