Vario: Segelflygarens viktigaste instrument

Vad är definitionen på en variometer? På nätet finns det flera sidor med definitioner och googlar man hittar man tre definitioner på variometer

An instrument for measuring inductance, consisting essentially of an inductor with two or more coils whose relative position may be changed to vary the inductance.

An instrument for indicating a change in a component of a magnetic field vector, especially one related to the earth’s magnetic field.

In avionics, an instrument that indicates the rate of climb or descent.

Variometer kan alltså vara något mer än en stig‐ och sjunkmätare! För att ge lite förståelse för ”hur mycket” variometern ska mäta kan vi tänka oss följande. Om vi tar ett mässingrör, 25 mm långt och med en diameter på 3 mm och 1 mm i godset, och håller det mellan fingrarna, så genereras det en luftstöm genom röret p g a värmen från fingrarna. Detta motsvarar samma flöde som alstras från ett utjämningskärl vid 0.5 m/s stig. Det är alltså små flöden och tryckskillnader som ska mätas.

När man började segelflyga på allvar i början av 20‐talet var det gummirepsstart och hangvind som gällde. Och Wasserkuppe var ”hjärtat” i den nya flygrörelsen. Det var här i princip all utveckling både vad gäller teknik och metoder skedde.

Redan Leonardo da Vinci hade beskrivit hur fåglar ”seglade” och uppenbarligen steg i osynliga uppvindar. På våren 1910 hade Wilbur Wright, stängt av motorn och flugit i termik. Han hade inte en aning om vad det var, men då han hade tyngdkraftens verkan klart för sig förstod han att det var luft som av någon anledning steg.

1922 skrev Kurt Wegener, professor, ballongflygare, pilot, meteorolog och forskningsresande, om termik och framlade teorier om denna ”kraft”. Han hade koll på det här med labilitet, atmosfärens skiktning och att varma luftbubblor under vissa förutsättningar kan stiga. Man förstod att cumulusmolnen innehöll kraftiga uppvindar, men att de även fanns i fria atmosfären hade man inte riktigt koll på. Av den enkla anledningen att termik är osynlig.

Theodore von Karman, ett välkänt namn inom aerodynamiken, framlade 1922 en teori om statisk och dynamisk segelflygning. Statisk segelflygning är att stiga i vertikala uppvindar medan dynamisk segelflygning är att flyga i horisontella vindbyar.

Professor Walter Georgii, segelflygmeteorologins fader, var verksam på Wasserkuppe och han anammade i flera år, ända fram till 1928, den dynamiska segelflygningen som gällande för att segelflyga i den fria atmosfären. Han lanserade sin virvelteori (2).

1926 började segelflyget stagnera. Man kom inte så mycket längre med hangflygningen. ”Bubi” Nehring hade visserligen visat att det gick att flyga även om vinden var väldigt svag och man förstod att det berodde på termiska uppvindar. Men så en dag under Rhöntävlingen i augusti 1926 närmade sig en åskfront Wasserkuppe.

Att det steg inuti molnen visste man. Max Kegel, till yrket tjänsteman inom ”Luftpolisen” på Wasserkuppe, startade i sin nyreparerade ”Kassel” (han hade kolliderat med hanget fyra dagar tidigare – och undkommit oskadd!). Han steg i framkanten på cumulonimbusmolnet. Notera att han flög i åttor, som man gjorde på hanget.

Att flyga i cirklar var ännu inte ”uppfunnet”. Max sögs upp i cb:et och försvann. När fronten dragit förbi började man leta efter honom, men man kunde inte hitta något flygplan, eller vrak, i Wasserkuppes omnejder och man började befara det värsta.

Det gick några timmar och så ringde Kegel. Han hade landat 55.2 km bort och därmed genomfört den första sträckflygningen i den ”fria atmosfären” och slagit nytt världsrekord.

Den här flygningen (om man nu kan kalla det flygning, för troligtvis hade Kegel ingen koll på vad som hände!) är en av milstolparna i segelflygets utveckling och gav Kegel smek/öknamnet ”Gewittermaxe”.

Man förstod nu att det gick att flyga bort från hangen. Och då vore det bra med ett instrument som visade var det steg. Alexander Lippisch, en av de stora flygplankonstruktörerna med bl a segelflygplanet Fafnir och det första och enda operativa raketjaktflygplanet – Messerschmitt 163 – på sin meritlista, drog sig till minnes att han under sin tid som konstruktör hos Dornier under första världskriget använt en variometer för att mäta om man fick ut önskade stigprestanda.

Han använde en variometer av fabrikatet Atmos. Men nu, 1928, hade Atmos upphört och han vände sig istället till den franske tillverkaren Badin och införskaffade en variometer. Badin, som grundades av den franske uppfinnaren Raoul Badin (1879 – 1963), var en fransk avionik tillverkare. Bl a byggde han det första IFR‐instrumentet, som fanns i franska trafikflygplan på 20‐talet och blev en standard.

Hans variometrar slutade tillverkas i mitten av 1960‐talet, men de används fortfarande. Titta i ett franskt segelflygplan. Sannolikheten att det sitter en Badin i det är stor. Och hela franska landslaget använder dem fortfarande. Wille Wendt och Jim Acketoft har en i sin EB 28.

Robert Kronfeld (1904 – 1948) var i maj 1928 flyglärare på Wasserkuppe. Han hade vid sin flygutbildning året innan visat prov på extraordinära talanger som segelflygare. I Lippisch nykonstruerade Professor satte nu Georgii, som nu slutat argumentera för den dynamiska segelflygningen, och Lippisch in en Badin variometer. Kronfeld berättade för sina kollegor att variometerns utjämningskärl var en termos som innehöll kaffe.

Pionerer: Robert Kronfeld var den første til at flyve med variometer

 

Med endast fyra flygtimmars total erfarenhet startade Kronfeld i gummirepsstart från Wasserkuppes västhang i nästan vindstilla. Han gled bort till Weiherkuppe, drygt 2 km borta och steg upp till knappt 1300 m i en termikblåsa och gled sedan tillbaka till Wasserkuppe.

Denna flygning i maj 1928 är den första ”medvetna” termikflygningen och betydelsen av att flyga med variometer var uppenbar. I (6) kan man läsa mer om Robert Kronfeld.

1930 åkte Wolf Hirth på ”segelflygturné” till USA. Han hade en variometer i sin Musterle. Hirth hade dittills inte funderat så mycket på den eller på termik, men nu fann han att med hjälp av variometern och att cirkla i termiken kunde han snabbt vinna höjd. Tekniken för termikflygning var uppfunnen. Bl a gjorde han en berömd termikflygning över New York med start från Stranden till Hudson River.

Pionerer: Mångsysslaren Wolf Hirth är en av de verkligt inflytelserika segelflygarna i vår historia

Det skulle dröja till 1932 innan variometern blev mer utbredd i instrumentbrädorna. Runt 1930 var det i princip bara Kronfeld, Groenhoff, Hirth och några andra toppiloter som flög med variometer.

Man kan ju fråga sig varför det var så. Peter Riedel har i sin utmärkta ”Erlebte Rhöngeschichte”, ett praktband i tre delar, en förklaring. Dels var variometrarna dyra att köpa in och därför en stor investering för en flygklubb. Och dels var den ett oöverträffat hjälpmedel. Kronfeld och Groenhoff var berömdheter i dåtidens Tyskland och att placera sig bra på tävlingar, främst den årliga Rhön-tävlingen på Wasserkuppe, var otroligt viktigt för dem. Det var deras jobb. Och varför då sprida kunskapen om deras bästa hjälpmedel?

En annan anledning kan vara att segelflygets utveckling var så starkt förknippat med Wasserkuppe. Här gummirepsstartade man och flög hang och det hade man ingen nytta av på plattlandet. Så introduktionen av flygbogsering och vinsch är också en viktig kugge för att segelflyget slutligen lämnade hangen.

Men 1932 började det alltså dyka upp variometrar i instrumentbrädorna. Fart‐ och höjdmätare hade man använt sedan mitten av 20‐talet.
De variometrar man använde var s k dos variometrar. Principen framgår av FIG 1. Idag används de inte i segelflygplan, bara i motorflygplan. Måhända sitter det någon kvar i gamla Bergfalkar.

 

FIG 2 visar en dosvariometer av fabrikat Askania årsmodell 1937.

Tyska Askania, som grundades redan 1871, var en stor tillverkare av flyginstrument på 30‐talet.
Askania finns fortfarande som tillverkare av exklusiva klockor. På nätet kan man finna några av Askanias kataloger från 30‐talet, och det är kul läsning!

De variometrar vi använder idag är stauscheiben variometrar eller, på svenska, flöjelvariometer.
Principen för en stauscheiben variometer visas i FIG 3. Skillnaden är att dosan bytts ut mot en flöjel.

Variometern blir därmed avsevärt snabbare än dosvariometern. Man kan förledas att tro att stauscheiben variometern är en modern uppfinning, men den fanns redan runt 1940.

Om fransoserna hade/har sin Badin hade/har engelsmännen sin Cosim variometer, se FIG 4. Den sitter i alla engelska veteransegelflygplan och hittade även utanför öriket, av någon anledning. Cosim variometerns princip är väldigt enkel, se FIG 5. Principen för Cosim kallas ibland ”pellet type” eller ”variable area flow meter”. Cosim variometern tillverkades av Cobb‐ Slater Instrument Co och fanns redan på 30‐talet. Det sägs att den var väldigt långsam, speciellt i svaga stig, även om tillverkaren i sina annonser på 50‐talet beskrev den som en snabb variometer. Till skillnad från Badin hittar man inte Cosim i dagens flygplan.

Den stora tillverkaren av mekaniska variometrar idag är utan tvekan Winter. Gebrüder Winter GmbH & Co KG bildades av de tre bröderna Eugen, Heinrich and Willi Winter redan i oktober 1931 och de tillverkar alltså fortfarande mekaniska flyginstrument för framförallt flygsporten. En Winter”femmetare” ser i princip ut som en Askania från 30‐talet, se foto. Den stora skillnaden är MacCready ringen som inte var uppfunnen på 30‐talet och naturligtvis är det en stauscheiben variometer.

Som kuriosa visas Winters Sollfahrtgeber från 1970‐talet. Det var ett försök att göra en enkel ”komputter” med mekaniska instrument. Sollfahrtgebern är en variometer och fartmätare i samma instrument. Fartmätaren är vridbar och kan ställas in på valt MacCready‐värde.

Sedan hände det inte så mycket på variometerfronten förrän på 1950‐talets slut. Då började den elektriska variometern dyka upp. En av de första var den engelska Crossfell variometern. Den konstruerades 1959 av engelsmannen Peter Davey och tillverkades under 1960‐ och 70‐talen.
Crossfell variometern bestod av flera delar, själva variometern, en ”manöverburk”, ett batteri och ett utjämningskärl. Crossfell är en termistor variometer. Principen visas i FIG 6.

En annan samtida elektrisk variometer, något mer sofistikerad, var den tyska Hornig. Göran Ax hade en Hornig i den Phoebus C som han vann en silvermedalj i VM i Polen 1968.

Den stora fördelen med elektriska variometrar är dels att de är avsevärt snabbare än mekaniska samt att man kan ha en akustisk del. Dagens elektriska variometrar, med mikrochip teknologi, är så klart mycket mer än bara variometrar, vilket vi återkommer till. Crossfell var ganska komplicerad att använda. ”Nollan” skulle kalibreras för varje start och ibland under flygning. Detsamma gällde den akustiska delen. Den var dessutom så snabb att den behövde dämpas för att inte vara ”hattig”.

Den första el‐variometern som var riktigt bra och enkel att använda var den amerikanska Cambridge variometern. Den lanserades 1971 och tillverkades till 1986. Den blev mycket populär i Sverige och dess efterföljare i form av ”komputtrarna” MNAV och LNAV är fortfarande de mest använda i Sverige. Cambridge Aero Instruments startades av Raouf Ismail (1940‐2014). Han hade pluggat på engelska Cambridge University och när han flyttade till USA startade han firman. Cambridge variometrarna är av termistor typ. De gjorde ett försök i mitten av 80‐talet att göra en trycksonds
variometer, men den blev aldrig bra. Cambridge utvecklade sedermera den första GPS loggern för segelflyg, men det är en annan historia.

På 60‐talets började variometern kompletteras med totalenergikompensering. Nyare flygplan med större fartregister och ny flygteknik (Macready) gjorde att spak-(pind-, red) termik var ett problem. En totalenergivariometer visar flygplanets totala energi och därmed ”filtreras” spaktermiken bort. Idag flyger nog inget segelflygplan utan någon form av totalenergikompensering. Totalenergi finns noggrannare beskrivet i (6).

De elektriska variometrar som hittills beskrivits bygger på principen att man har ett referenstryck (utjämningskärl) och utgår från detta. Ett annat sätt är att med en trycksond mäta Tryckförändringen/tiden (eller dH/dt), d v s fart = sträcka/tid.

Genom att mäta tryckförändringen med en trycksond och derivera signalen m a p tidsintervallet får man stighastigheten. Bland de första trycksondsvariometrarna var Peschge och Westerboer.

Galleriet visar LX NAV S3, en modern trycksondsvariometer. Notera att mittdelen är en liten färgskärm med en rad olika värden.

Dagens allra modernaste elektriska variometrar använder accelerometrar och gyro. I dessa räknar man ut stighastigheten som
Acceleration * tidsintervallet

Därefter använder man något som heter Kalmans filter teknik för att göra signalen ”smooth”.

Utvecklingen de senaste 80 åren har varit enorm. Men även om dagens variometersystem innehåller navigering, speed‐to‐fly, koppling till både radio och transponder, logger och uppkoppling mot internet, så är kärnan ändå en variometer som visar stig och sjunk. Och i de allra flesta flygplan sitter det även en 5 meters Winter, som i princip inte skiljer sig nämnvärt från en Askania årgång 1937.

Galleri: Instrumentbrädor 1932 – 2016