Стандартна атмосфера і приведення льотних характеристик до її умов

ЛЕКЦІЯ

З навчальної дисципліни

"Авіаційна метеорологія і прогнози погоди"

Т Е М А № 1: Вплив фізичного стану атмосфери на польоти літальних апаратів. Навігаційний трикутник швидкостей

РОЗПОДІЛ ЧАСУ

ІНФОРМАЦІЙНО-МЕТОДИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

МАТЕРІАЛЬНО-ТЕХНІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Вступ

Рух літальних апаратів в атмосфері супроводжується складною взаємодією його з довкіллям. Тому при визначенні параметрів польоту необхідно розглядати ЛА і атмосферу як єдину систему.

Оскільки вплив фізичних характеристик в різний час по-різному, то для отримання порівнянних характеристик використовують параметри деякої умовної атмосфери.

Для забезпечення безпеки польотів необхідно знати як змінюватимуться характеристики польоту літака від стану атмосфери. У цій темі і будуть розглянуті питання впливу фізичного стану атмосфери льотно-технічні характеристики літаків і вертольотів.

У лекції розглядаються питання стандартної атмосфери, способів виміру висоти польоту і ешелонування літаків.

Стандартна атмосфера і приведення льотних характеристик до її умов

Рух літального апарату в атмосфері супроводжується складною взаємодією його з фізичним довкіллям. Тому при визначенні параметрів польоту необхідно розглядати літальний апарат і атмосферу як єдину систему. Основні фізичні характеристики стану атмосфери (температура, тиск, щільність повітря) чинять великий вплив на аеродинамічні і льотно-технічні дані літальних апаратів, на роботу авіаційних силових установок і різних агрегатів, на свідчення деяких аеронавігаційних приладів. Наприклад, свідчення барометричного висотоміра залежать від вертикального розподілу температури повітря, стеля літака - від температури повітря на висоті польоту, підйомна сила літака, лобовий опір, а також тяга двигунів визначаються щільністю повітря і так далі

Аналіз просторового (горизонтального і вертикального) розподілу метеорологічних елементів і їх тимчасової мінливості свідчить про те, що льотно-технічні дані літальних апаратів можуть змінюватися в дуже широких межах. У зв'язку з цим при конструюванні літальних апаратів, їх устаткування і приладів, при наведенні результатів льотних випробувань виходять із заздалегідь заданого, постійного (стандартного) розподілу фізичних характеристик стану атмосфери по висоті. Іншими словами, використовується деяка, не залежна від часу доби і року, а також від географічного району, однакова в усіх випадках атмосфера, звана стандартною. Введення стандартної атмосфери (СА) дозволяє отримати порівнянні між собою свідчення приладів, дані льотних випробувань, результати аеродинамічних розрахунків, геофизичних і метеорологічних вимірів.

Для визначення параметрів і фізичних характеристик СА використовуються усереднені дані багаторічних метеорологічних спостережень в приземному шарі, результати радіозондування атмосфери, вимірів за допомогою метеорологічних ракет. У міру вдосконалення засобів і методів спостережень дані СА змінюються і уточнюються.

Нині в нашій країні прийнята стандартна атмосфера ГОСТ 4401-81 (скорочено СА- 81), яка відповідає міжнародній стандартній атмосфері. СА- 81 визначає середні значення основних параметрів атмосфери в діапазоні висот від мінус двох до 120 км для широти 45 32(33(, відповідні середньому рівню сонячної активності. Атмосфера вважається нерухомою відносно поверхні землі (вітер відсутній).

Як основні параметри і фізичні константи в СА- 81 використані: температура, тиск, щільність повітря, прискорення вільного падіння, швидкість звуку, динамічна і кінематична в'язкість, а також відносні величини (по відношенню до їх значень на рівні моря) тиску і щільності повітря. На рівні моря основні фізичні параметри СА- 81 набувають наступних значень:

Ø тиск p0 = 1013,25 мбар = 760 мм рт. ст.;

Ø температура повітря T0 = 15 (З = 288,15 (До;

Ø щільність повітря (0 = 1,225 кг/м3;

Ø відносна молярна маса повітря M0 = 28,96 кг/кмоль;

Ø відносна вологість повітря f = 0 %;

Ø прискорення вільного падіння g = 9,80665 м/с2;

Ø швидкість звуку a0 = 340,28 м/с.

У шарі 0-11 км вертикальний градієнт температури ( дорівнює 0,65 (C/100 м, так що на рівні 11 км, який умовно береться за рівень тропопаузи, температура знижується до - 56,5 (C, або 216,5 (До. Вище розташовується шар ізотермії (11-20 км). На висотах 20-50 км температура росте з висотою або постійна. На усіх висотах в СА вологість дорівнює нулю.

Для розрахунку параметрів СА температура кожного шару апроксимується лінійною функцією потенційної висоти, значення інших параметрів визначаються по рівнянню стану для ідеального газу і рівнянню гідростатики (по барометричній формулі).

У реальній атмосфері тиск p, температура T і щільність повітря ( змінюються. Тому у свідчення приладів вводяться відповідні поправки на відхилення реальних значень цих метеорологічних величин (p, T, () від стандартних значень.

Стандартна атмосфера широко застосовується при рішенні науково-практичних завдань, у тому числі при конструюванні і експлуатації ЛА. Аеродинамічні сили, що виникають у польоті, сила тяги двигуна і витрата палива, а також швидкість, гранично допустима висота польоту і свідчення деяких аеронавігаційних приладів можуть значно змінюватися в умовах реальної атмосфери, параметри якої відхиляються частенько від стандартних.

Внаслідок цього на практиці виникає необхідність рішення завдань двох видів :

1) завдань, пов'язаних з переходом від атмосферних умов, що фактично спостерігаються, до стандартних, і навпаки;

2) завдань, пов'язаних з урахуванням відхилення фактичних умов від стандартних для отримання реальних значень характеристик, що цікавлять, і параметрів.

Для пояснення наведемо два приклади.

Приклад 1. Два літаки виконали польоти на максимальну висоту в різні дні. Один літак досяг висоти 18 400 м, інший 17 200 м Який літак має вища стеля? Щоб відповісти на це питання, необхідно привести результати польотів до одних і тих же умов, т. е. перейти від реальної атмосфери до СА.

Приклад 2. Розрахункова максимальна швидкість літака 2500 км/ч. Яку максимальну швидкість може розвинути цей літак в різні дні (сезони)?. Для відповіді на поставлене питання необхідно перейти від умов СА, використаних при проектуванні літака, до реальних умов, що спостерігаються в різні дні (сезони).

Завдання першого виду називаються наведенням результатів льотних випробувань літаків до стандартних умов. Початковим положенням є рівність в реальних умовах і на деякій умовній висоті в СА значень льотно-технічної характеристики літальних апаратів, що приводиться, яка розглядається як функція тиску і температури повітря, тобто F = F (p, T).

Висоти, на яких реальні атмосферні умови такі ж, як в СА, називаються стандартними. Вони можуть визначатися окремо по тиску, по температурі або по щільності повітря.

При рішенні різного роду завдань найчастіше застосовується стандартна барометрична висота Hp - висота в СА, на якій атмосферний тиск дорівнює фактичному тиску на рівні польоту.

Інший вид стандартної висоти, використовуваної в авіаційній практиці, - висота по щільності повітря H(. Вона визначається як висота в СА, на якій щільність повітря дорівнює фактичній щільності на рівні польоту. Ця висота використовується в розрахунках льотно-технічних характеристик літальних апаратів при зльоті і посадці на гірських аеродромах.

Внаслідок відхилення температури повітря від стандартних значень висоти, приведені по тиску і щільності, не співпадають.

Завдання другого виду пов'язані з урахуванням впливу фізичного стану атмосфери на політ літака і на свідчення деяких аеронавігаційних приладів (барометричного висотоміра, покажчика швидкості та ін.) з метою набуття істинних значень параметрів, що цікавлять, т. е. визначення їх методичних погрішностей. Такі завдання доводиться вирішувати постійно при виконанні польотів і при всіляких аеронавігаційних розрахунках. Детальніше ці завдання будуть розглянуті нижче.

Висота польоту і способи її виміру

У авіаційній практиці разом із стандартною висотою при польотах широко використовується геометрична висота. Вона визначається у польоті за допомогою радіотехнічних засобів (радіовисотомірів) або барометричним способом (за свідченнями барометричного висотоміра). Залежно від початкового рівня відліку розрізняють абсолютну (над рівнем моря), відносну (над рівнем аеродрому вильоту або посадки) і істинну (над пролетаемой місцевістю) висоти (мал. 1).

М

М

Рис. 1. Визначення абсолютної Hабс, відносною Hотн, істинною Hист висот.

При використанні радіовисотоміра визначається істинна висота польоту (Нист). Принцип роботи приладу заснований на вимірі часу (t) проходження радіохвилею відстані від передавача, встановленого на борту літака, до поверхні землі і назад, т. е.

, (1)

де c - швидкість поширення радіохвилі.

Радіовисотоміри забезпечують високу точність вимірів, їх свідчення практично не залежать від метеорологічних умов. Проте, та обставина, що радіовисотоміри безперервно показують істинну висоту польоту і "чутливі" до всякої зміни рельєфу місцевості, є не лише їх гідністю, але і серйозним недоліком. Використовувати радіовисотоміри при польотах над пересіченою місцевістю важко, оскільки при витримці постійної висоти по радіовисотоміру траєкторія польоту літального апарату повторює профіль рельєфу місцевості. В той же час при польоті, наприклад, за хмарами або в умовах обмеженої видимості льотчик не в змозі встановити, чим викликана зміна висоти польоту - порушенням режиму польоту або впливом рельєфу місцевості. Крім того, при польоті зі значним креном свідчення радіовисотоміра стають помилковими і користуватися ними в цих випадках не рекомендується. Усе це обмежує можливості застосування радіовисотоміра. Тому радіовисотоміри використовують головним чином як контрольні прилади (наприклад, в системі сигналізації небезпечного зближення із землею, ССОС), а також при посадці в складних метеорологічних умовах, коли необхідно знати істинну висоту польоту.

Основним методом виміру висоти у польоті є барометричний метод, що використовує закономірності зміни атмосферного тиску з висотою. Залежність тиску повітря від висоти до 11000 м виражається формулою:

, (2)

де ph - тиск на висоті польоту; p0 і T0 - відповідно тиск і температура на рівні початку відліку; ( - градієнт температури; h - висота; R - газова постійна.

Вирішуючи це рівняння відносно висоти, отримаємо

. (3)

Звідси витікає, що вимірювана висота є функцією чотирьох параметрів : ph, p0, T0 і (.

Якщо прийняти параметри p0, T0 і ( постійними (в умовах СА), то висоту можна визначити як функцію атмосферного тиску ph, яке на висоті польоту можна виміряти безпосередньо за допомогою барометра-анероїда.

Основним навігаційно-пілотажним приладом є барометричний висотомір.

Барометричний вмсотомер.

1 - шкала барометричного тиску, 2 - шестерня, 3 - важіль, 4 - пружина, 5 - біметалічний компенсатор, 6 - вісь, 7 - сектор, 8 - тяга, 3 - трибка, 10 - противага, 11 - биметалличєский компенсатор, 12 - блок анероидньіх коробок, 13 - шестерня, 14 - вісь, 15 - вісь стрілки, 16 - шєстерня, 17 - вісь стрілки, 18 - кремальєра

В принципі він є високочутливим барометром-анероїдом, основна шкала якого градуюється в одиницях висоти по барометричній формулі для умов СА :

, (4)

де Hp - свідчення барометричного висотоміра при тиску p (стандартна барометрична висота); T0 ст і Tm ст - температура повітря на рівні моря і середня барометрична температура повітря в умовах СА в шарі від нульового рівня до висоти польоту відповідно; p0 і p - атмосферний тиск на рівні моря (нульовому рівні) і висоті польоту відповідно.

Оскільки висотомір встановлюється на приладовій дошці в кабіні літака, де тиск істотно відрізняється від атмосферного (особливо в герметичних кабінах), його корпус з'єднується за допомогою спеціального трубопроводу з приймачем повітряного тиску (ПВД), який має отвори для зв'язку з атмосферою (мал. 2).

До барометричного висотоміру

Рис. 2 Принципова схема покажчика повітряної швидкості. А - покажчик швидкості, Би - приймач повітряного тиску. 1 - шкала, 2, 3 - передаточний механізм, 4 - манометрична коробка,.5 - трубопровід, 6 - приймач статичного тиску, 7 - приймач повного тиску.

ПВД встановлюється так, щоб літак не чинив спотворюючого впливу на повітряний потік (попереду крила, під фюзеляжем і т. д. на значній відстані від них, особливо у швидкісних літаків. Внаслідок цього зменшуються аеродинамічні помилки ((Ha), залежні від швидкісних характеристик літака, типу ПВД і місця його установки. Ці помилки приладу, разом з інструментальними помилками ((Hинст), залежними від недосконалості виготовлення висотоміра, зносу деталей і зміни пружних властивостей чутливого елементу, визначаються при випробуваннях і задаються у вигляді таблиці сумарних поправок в показання приладу.

З принципу роботи барометричного висотоміра виходить, що якщо у польоті витримується постійна висота по приладу, то літак переміщається по изобарической поверхні (p = const). Оскільки изобарические поверхні мають невеликий нахил, то політ по изобарической поверхні практично тотожний горизонтальному польоту. Проте, положення изобарической поверхні може змінюватися в просторі при зміні атмосферних умов, а в показання приладу будуть внесені методичні помилки, які розглянемо нижче.

Q Методичні помилки барометричних висотомірів

Шкала барометричного висотоміра, як вказувалося вище, градуюється стосовно умов СА. При польоті в реальній атмосфері, при перетині атмосферних фронтів, циклонів, антициклонів і інших баричних утворень при однакових показаннях приладу істинна висота відповідної изобарической поверхні буде різною, особливо на великих висотах.

Тому у свідчення барометричного висотоміра необхідно ввести поправку (Hпр на відхилення реальних атмосферних умов від СА

,

т. е. врахувати методичні помилки приладу.

Методичні помилки включають три складові:

Ø барометричну помилку ((Hp);

Ø температурну помилку ((HT);

Ø помилку внаслідок того, що висота у польоті визначається відносно рівня тієї изобарической поверхні, атмосферний тиск якої встановлений на приладі.

Барометрична помилка (Hp - це помилка, обумовлена непостійністю атмосферного тиску у земної поверхні .

Якщо атмосферний тиск у земної поверхні pз, над якою пролітає літак, відрізняється від тиску на рівні ВПП аеродрому pвпп і від стандартного тиску на рівні моря (нульовому рівні) p0 ст, то приладова висота відрізнятиметься від істинної висоти, т. е. вимірюватися з помилкою.

якщо pз < p0 ст, то Hпр > Hист

т. е. прилад показуватиме завищену висоту;

якщо pз >p0 ст, то Hпр < Hист

т. е. прилад показуватиме занижену висоту.

Ці міркування зроблені за умови, що середня барометрична температура повітря в умовах СА в шарі від нульового рівня до висоти польоту постійна (Tm ст = const).

Помилку у свідченнях барометричного висотоміра із-за непостійності атмосферного тиску у земної поверхні легко усунути конструктивним способом в самому висотомірі або поправкою, що приблизно обчислюється за формулою, :

D(Hp = (pз - p0 ст)(z = (pз - 760)(z ( 11(p, (5)

де pз - атмосферний тиск на рівні земної поверхні; (z -барическая ступінь.

Ця барометрична помилка усувається при внесенні поправки на тиск шляхом установки рухливої шкали висотоміра у відповідне положення. Надалі висотомір показуватиме висоту відносно аеродрому вильоту.

Щоб витримувати у польоті задану висоту ешелону, льотчик досягши висоти переходу зобов'язаний на рухливій шкалі встановити тиск 760 мм рт. ст. як початкове значення для відліку висоти ешелону відносно тиску на рівні моря в умовах СА.

В ході зниження для заходу на посадку льотчик перекладає шкалу тиску барометричного висотоміра із стандартного тиску (760 мм рт. ст.) на тиск аеродрому (на рівні ВПП). Переклад здійснюється в горизонтальному польоті на ешелоні переходу після отримання дозволу від органу ОВД (РП) аеродрому на зниження до висоти польоту по кругу, а для літаків з автоматизованою системою заходу на посадку - на дальності рубежу початку зниження. Фактичний атмосферний тиск на рівні ВПП (у мм рт. ст.) вимірюється фахівцями метеорологічного підрозділу і докладаються керівникові польотів, який повідомляє його на борт літака, що здійснює посадку. Неправильне визначення тиску на рівні ВПП може стати причиною льотних подій або передумов до них. Наприклад, якщо на борт літака передано значення тиску з помилкою на 5 мм рт. ст. у бік перевищення, то висота по барометричному висотоміру при заході на посадку буде завищена приблизно на 50 м, що в складних метеорологічних умовах може привести до зіткнення літака з наземними об'єктами.

Температурна помилка (HT - це помилка, викликана невідповідністю фактичного розподілу температури повітря в шарі між поверхнею землі і рівнем польоту стандартним значенням.

Температурна помилка барометричного висотоміра усувається шляхом обліку відхилень фактичного розподілу температури від стандартного. Це особливо важливо при польотах на малих і гранично малих висотах, а також в гірських районах в холодну пору року. У холодному, щільнішому, повітрі тиск з висотою падає швидше, ніж в теплому повітрі. Тому на деякій висоті свідчення барометричного висотоміра в холодному повітрі виявиться більшим, ніж на тій же геометричній висоті в теплому повітрі.

Поправку на відхилення фактичного розподілу температури повітря з висотою від її розподілу в стандартній атмосфері доводиться розраховувати, оскільки барометричні висотоміри не мають пристроїв, що дозволяють конструктивно врахувати її.

Для отримання формули поправки на відхилення фактичної температури повітря від стандартної скористаємося барометричною формулою (4). В умовах реальної атмосфери істинна висота польоту Hист над изобарической поверхнею p0 визначається вираженням

, (6)

чи

, (7)

де Tm - фактична середня барометрична температура повітря в шарі від нульового рівня до висоти польоту. Зазвичай при штурманських розрахунках Tm замінюють середньою арифметичною температурою Tср рівної (T0 + T)/2. Погрішність визначення істинної висоти польоту Hист внаслідок такої заміни мінімальна, якщо вертикальний градієнт температури в шарі не змінюється. Проте за наявності шарів інверсії і ізотермії погрішність може досягати 10 % висот.

Оскільки

D(HT = Hист - Hпр

те підставляючи в нього значення Hист і Hпр з (6 і 7) і провівши відповідні перетворення, отримаємо формулу для обчислення поправки на температуру (HT :

,(8)

де (T = Tm - Tm ст - відхилення середньої фактичної температури повітря (Tm) від середньої стандартною (Tm ст) в шарі від умовного нуля (рівень моря) до висоти польоту.

Для висот більше 11 км до поправки, розрахованої по вираженню (8), додається додаткова поправка, що обчислюється по формулах, :

, (9)

, (10)

де Tm - середня температура в шарі від висоти 11 000 м до висоти

польоту, 216,5 - величина температури (за абсолютною шкалою) в стратосфері згідно з її стандартним розподілом.

При оцінці цієї залежності було встановлено, що при відхиленні середньої фактичної температури шару від середньої стандартної на 2,5 (C, помилка складає 1 % висоти. Отже, при польоті, приміром, на висоті 10000 м і (Tm = 2,5 (C помилка у висоті складає приблизно 100 м

З аналізу формул (6) і (7) видно, що показання приладу виявляться завищеними, якщо Tm < Tm ст, і заниженими, якщо Tm> Tm ст.

Для визначення поправки по вираженню (8) зручно використовувати аерологічні діаграми, а для забезпечення маршрутних польотів карти відносної топографії для різної товщини шарів.