التحليق الديناميكي

التحليق الديناميكي هو أسلوب طيران يُستخدم لاكتساب الطاقة من خلال عبور الحدود بين كتل هوائية ذات سرعات مختلفة بشكل متكرر . توجد مناطق تدرج الرياح هذه عادةً بالقرب من العوائق وعلى ارتفاعات منخفضة، لذا فإن هذه التقنية مفيدة بشكل أساسي للطيور ومشغلي الطائرات الشراعية التي يتم التحكم فيها عن بُعد ، ولكن قد يتمكن طيارو الطائرات الشراعية أحيانًا من التحليق الديناميكي في مناطق قص الرياح الجوية على ارتفاعات أعلى.

يُخلط أحيانًا بين التحليق الديناميكي والتحليق المنحدر ، وهو أسلوب لتحقيق الارتفاع.

على الرغم من إمكانية استخدام أنماط طيران مختلفة في التحليق الديناميكي، إلا أن أبسطها هو مسار دائري مغلق عبر طبقة القص بين كتلتين هوائيتين تتحركان حركة نسبية، مثل هواء ساكن في وادٍ، وطبقة من الرياح فوق الوادي. ويمكن تفسير الزيادة في السرعة بدلالة سرعة الهواء وسرعة الأرض.

• عندما تبدأ الطائرة الشراعية في الدوران، على سبيل المثال في كتلة هوائية ثابتة، تكون السرعة الأرضية والسرعة الجوية متساويتين.
• يدخل الطائرة الشراعية كتلة الهواء المتحركة بشكل شبه مباشر، مما يزيد من سرعة الطائرة الشراعية في الهواء.
• ثم يستدير الطائرة الشراعية 180 درجة، حيث يتمكن من الحفاظ على معظم سرعته الجوية بفضل الزخم. يجب أن يحدث هذا فورًا، وإلا ستفقد سرعتها الأرضية. تصبح سرعة الطائرة الشراعية الأرضية، أولًا مع اتجاه الرياح، ثم مع اتجاهها، أثناء استدارتها، أعلى الآن، لأن الرياح الخلفية قد زادت من سرعتها.
• تستمر الحلقة مع دخول الطائرة الشراعية مرة أخرى إلى الكتلة الهوائية الثابتة واستدارتها، مع الحفاظ على سرعة جوية وسرعة أرضية أعلى الآن.
• تؤدي كل دورة إلى سرعات أعلى، حتى نقطة يمنع فيها الاحتكاك زيادة إضافية.

يتم استخراج الطاقة باستخدام فرق السرعة بين الكتلتين الهوائيتين لرفع الجسم الطائر إلى ارتفاع أعلى (أو لعكس الهبوط على التوالي) بعد الانتقال بين الكتلتين الهوائيتين.

عمليًا، تتشكل طبقة خلط مضطربة بين كتلة الهواء المتحركة والساكنة. إضافةً إلى ذلك، تعمل قوى السحب على إبطاء الطائرة باستمرار. وبما أن السرعة العالية تؤدي إلى زيادة قوى السحب، فهناك سرعة قصوى يمكن بلوغها. وعادةً ما تكون هذه السرعة حوالي عشرة أضعاف سرعة الرياح في تصميمات الطائرات الشراعية الفعالة.

عندما تقوم الطيور البحرية بالتحليق الديناميكي، تكون تدرجات الرياح أقل وضوحًا، وبالتالي يكون استخلاص الطاقة أقل نسبيًا. فبدلًا من الطيران في دوائر كما يفعل طيارو الطائرات الشراعية، تُنفذ الطيور عادةً سلسلة من أنصاف الدوائر في اتجاهين متعاكسين، بنمط متعرج. يؤدي الصعود الأولي عبر التدرج مع مواجهة الرياح إلى اكتسابها سرعة جوية. ثم تقوم بدوران 180 درجة وتغوص عائدةً عبر نفس التدرج ولكن في اتجاه الرياح، مما يؤدي مرة أخرى إلى اكتسابها سرعة جوية. ثم تقوم بدوران 180 درجة على ارتفاع منخفض، في الاتجاه الآخر، لتواجه الرياح مرة أخرى... وتتكرر الدورة. من خلال تكرار هذه المناورة مرارًا وتكرارًا، يمكنها التقدم جانبيًا مع الرياح مع الحفاظ على سرعتها الجوية، مما يُمكّنها من السفر في اتجاه الرياح بشكل مستمر.

بما أن مقاومة الهواء تُبطئ الطائر، فإن التحليق الديناميكي يُمثل مُفاضلة بين السرعة المفقودة بسبب مقاومة الهواء، والسرعة المكتسبة من خلال التحرك عبر تدرج الرياح. عند نقطة معينة، لا يُحقق الصعود إلى ارتفاعات أعلى أي فائدة إضافية، حيث يقل تدرج الرياح مع الارتفاع.

تُجيد طيور القطرس استغلال هذه التقنيات بشكلٍ خاص، إذ تستطيع قطع آلاف الأميال ببذل طاقة قليلة جدًا. كما تُظهر طيور النورس والخرشنة هذا السلوك أثناء الطيران. تمتلك الطيور التي تُحلّق برشاقة هيكلًا عظميًا يسمح لها بقفل أجنحتها أثناء التحليق، مما يُقلل من توتر العضلات والجهد المبذول.

وصف اللورد رايلي لأول مرة التحليق الديناميكي في عام 1883 في المجلة البريطانية Nature : ^{[ 1 ]}

...لا يستطيع الطائر، سواء في الهواء الساكن أو في رياح أفقية منتظمة، الحفاظ على مستوى طيرانه إلى أجل غير مسمى دون تحريك جناحيه. ويمكنه الحفاظ على هذا المستوى لفترة وجيزة على حساب سرعة نسبية ابتدائية، لكن هذه السرعة سرعان ما تنفد. لذا، عندما يواصل الطائر مساره لفترة من الزمن دون تحريك جناحيه، يجب أن نستنتج إما

1. أن المسار ليس أفقيًا،
2. أن الرياح ليست أفقية، أو
3. أن الرياح ليست منتظمة.

من المحتمل أن الحقيقة عادة ما يتم تمثيلها بواسطة (1) أو (2)؛ لكن السؤال الذي أود طرحه هو ما إذا كان السبب الذي اقترحه (3) قد لا يدخل حيز التنفيذ في بعض الأحيان.

الحالة الأولى التي وصفها رايلي أعلاه هي الطيران الانزلاقي البسيط، والثانية هي التحليق الثابت (باستخدام التيارات الحرارية أو موجات الرياح أو التحليق على المنحدرات )، والأخيرة هي التحليق الديناميكي. ^{[ 2 ]}

في كتابه "Streckensegelflug" الصادر عام 1975 (والذي نُشر بالإنجليزية عام 1978 بعنوان " Cross-Country Soaring" من قِبل جمعية الطيران الشراعي الأمريكية )، يصف هيلموت رايخمان رحلةً قام بها إنجو رينر على متن طائرة شراعية من طراز Glasflügel H-301 Libelle فوق توكوموال في أستراليا في 24 أكتوبر 1974. في ذلك اليوم، لم تكن هناك رياح على سطح الأرض، ولكن فوق طبقة انعكاس حراري على ارتفاع 300 متر، كانت هناك رياح قوية تبلغ سرعتها حوالي 70 كم/ساعة (40 عقدة ). صعد رينر بواسطة طائرة شراعية إلى ارتفاع حوالي 350 مترًا، ومن هناك انقضّ بشدة مع اتجاه الريح حتى دخل الهواء الساكن؛ ثم قام بدوران 180 درجة (بقوة تسارع عالية ) وصعد مرة أخرى. عند مروره عبر طبقة الانعكاس الحراري، واجه الرياح مجددًا بسرعة 70 كم/ساعة، ولكن هذه المرة كرياح معاكسة. وقد مكّنته السرعة الجوية الإضافية التي وفرتها له هذه الرياح من استعادة ارتفاعه الأصلي. بتكرار هذه المناورة، نجح في الحفاظ على ارتفاعه لمدة عشرين دقيقة تقريبًا دون وجود هواء صاعد، على الرغم من انجرافه السريع مع اتجاه الريح. وفي رحلات لاحقة على متن طائرة شراعية من طراز بيك 20 ، حسّن هذه التقنية بحيث تمكن من التخلص من الانجراف مع اتجاه الريح، بل وحتى التقدم عكس اتجاهها.   

تُستخدم تقنية التحليق الديناميكي في الطائرات بدون طيار لتحسين أدائها في حالة فقدان الدفع. وهذا يُحسّن من قدرة الطائرة على التحليق ومدى طيرانها في الظروف القاسية.

يمكن استخدام التحليق الديناميكي كوسيلة لتجاوز سرعة الرياح الشمسية، وذلك باستغلال الاختلافات في هذه السرعة بالقرب من الشمس والأرض و/أو الغلاف الشمسي. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

في أواخر التسعينيات، انبثقت فكرة التحليق الديناميكي في مجال الطيران الشراعي المُتحكم به لاسلكيًا (وهو "اكتشاف" يُنسب الفضل فيه إلى حد كبير إلى جو وورتس، أحد رواد هذا المجال). ^{[ 5 ]} يستخدم طيارو الطائرات الشراعية المُتحكم بها لاسلكيًا الجانب المواجه للريح من معالم أرضية مثل التلال أو المنخفضات أو حتى صفوف الأشجار للتحليق الديناميكي. إذا كان التل مواجهًا للريح وله جانب خلفي شديد الانحدار (مواجه للريح)، فقد يتسبب ذلك في انفصال تدفق الهواء عن قمته، مما يؤدي إلى تكوّن طبقة من الهواء السريع فوق كتلة من الهواء الراكد أو ذي التدفق العكسي خلف التل. يمكن أن يكون تدرج السرعة، أو قص الرياح ، أكبر بكثير من تلك التي تستخدمها الطيور أو الطائرات الشراعية الحقيقية. يسمح التدرج الأعلى باستخلاص طاقة أكبر، مما ينتج عنه سرعات أعلى بكثير للطائرة. تعبر النماذج طبقة القص بشكل متكرر عن طريق الطيران في مسار دائري، حيث تخترق رياحًا معاكسة سريعة الحركة بعد صعودها الجانب الخلفي، ثم تستدير لتطير مع اتجاه الرياح، وتغوص عبر طبقة القص إلى الهواء الراكد، ثم تستدير مرة أخرى لتصعد الجانب الخلفي للتلة. تتطلب الأحمال الناتجة عن الدوران السريع بسرعات عالية (حيث يمكن لأسرع النماذج أن تتحمل أكثر من 100 جي ) تعزيزًا هيكليًا كبيرًا في جسم الطائرة وجناحها. ولهذا السبب، تُصنع نماذج الطيران الشراعي الديناميكي عادةً باستخدام مواد مركبة .

حتى 21 فبراير 2023، بلغت أعلى سرعة أرضية مُسجلة للتحليق الديناميكي المُتحكم به لاسلكيًا 908 كيلومترات في الساعة أو 564 ميلًا في الساعة (490 عقدة) . ^{[ 6 ]} لا توجد جهة رسمية مُعتمدة تُوثق السرعات، لذا تُسجل الأرقام القياسية بشكل غير رسمي استنادًا إلى قراءات أجهزة الرادار، مع استخدام تحليل لقطات الفيديو ومصادر أخرى أيضًا. في الآونة الأخيرة، بدأت بعض الطرازات بحمل أجهزة قياس عن بُعد وأجهزة أخرى لتسجيل بيانات مثل التسارع وسرعة الطيران، وما إلى ذلك.  

• قائمة RCSpeeds.com لأرقام قياسية غير رسمية في سرعة التحليق الديناميكي للطائرات الشراعية التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو
• كيف يطير طائر القطرس : النظرية والمحاكاة في الوقت الحقيقي
• كيف يحلق طائر القطرس بديناميكية
• التحليق الديناميكي في أوروبا
• الرسوم المتحركة - شرح التحليق الديناميكي
• طائرة بدون طيار ذاتية القيادة تحلق ديناميكياً - نهج نظري.
• تعظيم الطاقة لطائرة بدون طيار تحلق ديناميكيًا