Фактический ветер, измеренный с помощью шар-пилот а, радиопилот а или радиозонда, называется реальным ветром. Он не является уст ойчивым воздушны м потоком как во времени, т ак и в пространстве, поэтому использование реального ветра в навигационных расчетах имеет пространственные и временные ограничения и характ еризуется радиусом действия - расстоянием от пункта измерения, на кот ором изменение характеристик вет ра не превышает заданной величины, и сроком годности - промежутком времени, в течение которого изменение характеристик ветра не превышает заданной величины. В соот ветствии с требованиями к точности навигационных расчетов радиус действия измеренного (реального) ветра сост авляет 100…150 км, а срок годности – 3…6 час. Изменчивост ь характеристик вет ра зависит от его скорости. Чем больше скорость ветра, т ем меньше изменчивость его направления и т ем больше изменчивость скорости. Ветр у свойственна порывистост ь, вызываемая турбулентностью. Эта изменчивост ь вет ра особенно резко выражена вблизи поверхности земли благодаря наблюдающейся здесь повышенной т урбулентности.
Скорость вет ра имеет ярко выраженный суточный ход. В приземном слое она имеет максимальное значение днем, а минимальное - ночью. На средних и больших высот ах максимальная скорость ветра наблюдается ночью, минимальная - днем (ночью от сутст вует тормозящ ее действие конвекции). С увеличением высоты скорость вет ра обычно возрастает, достигая максимального значения под тропопаузой, выш е указанного уровня скорость вет ра убывает. Под тропопаузой, в верхнем слое тропосферы, нередко наблюдаются очень сильные ветровые потоки од нородного направления со скоростью превыш ающей 30 м/с (100 км/ч). Такие ветры называются струйным и течениями. Максимальная скорост ь в т аком потоке отмечалась над Японией и равнялась 980 км/ч.
При планировании и выполнении полетов по воздушным трассам больш ой протяженности, длина кот орых значит ельно превышает радиус действия ветра, измеренного в аэропорту выл ета, удоб нее пользоват ься характ еристиками градиентного вет ра, определенными по картам барической т опографии. Расчетные х арактеристики градиентного ветра, с допуст имой в самолетовождении т очност ью, могут быт ь использованы во всех инженерно-штурманских расчетах. Однако нужно учитыват ь, что градиентный ветер все же отличает ся от реального ветра в атмосфере.
Отклонения реального ветра от градиент ного (агеост рофизические отклонения)
составляют: по направлению ± 30°, по скорости - 10…15%. Чем прямолинейнее воздушный поток и чем больше его скорост ь, тем больш е направление реального ветра совпадает с направлением градиентного вет ра.
Ветер оказывает существенное влияние на работ у ГА, как в приземном слое, так и на
высотах. Характерист ики приземного ветра влияют на взлет и посадку воздушных суд ов, а ветер на высот ах - на навигационные элемент ы полет а. При сильном вет ре на аэродроме могут возникать т акие опасные для авиации явления погоды, как мет ели и пыльные бури, которые ухудшают видимость ниже минимума аэрод рома. Ураганы и шквалы при взлете и посадке могут приводить к лет ным происшест виям. Турбулентный характер ветра вызывает интенсивную болтанку воздушных судов.
Ветер оказывает сущест венное влияние на взлетно-посадочные характеристики воздушных судов. Взлет и посад ку самолетов стремят ся проводит ь против ветра, т ак как встречный ветер уменьшает скорость от рыва и посадочную скорост ь, уменьш ает длину разбега при взлет е и длину пробега при посадке. Встречный вет ер при взлете, создавая дополнительный обд ув, увеличивает устойчивост ь и управляемость самолета в начале движения. При попутном ветре, наоборот, увеличивает ся длина разбега и пробега, ухудшается уст ойчивост ь и управляемост ь самолет а в начале движения при взлет е, усложняется выполнение взлета и посадки.
Время и д лина разбега (пробега), длина взлет ной (посадочной) дистанции определяет потребные размеры аэродрома и взлет но-посадочной полосы.
Значительно усложняется взлет и посадка самолета при боковом ветре или при его б ольших боковых составляющ их. При взлете с б оковым ветром об разуют ся дополнительные аэродинамические силы, зат руд няющие управление самолетом. Под влиянием этих сил возникают кренящий и разворачивающ ий моменты. Кренящий момент образуется вследствие неравномерного обдува крыльев. Например, если ветер направлен справа от носительно линии движения самолета, т о на правой плоскост и крыла подъемная сила возраст ает, а на левой плоскости, наоб орот, уменьш ается. Разворачивающий момент возникает из-за того, что центр т яжести и центр бокового д авления ветра не совпадают. Поэт ому боковой ветер создает силу, стремящуюся р азвернуть самолет против ветра. При очень сильном ветре реакция грунта на колеса ш асси, противодействующ ая разворачивающему моменту, может оказаться недост аточной, чтобы удержать самолет, и он развернется поперек ВПП. Посадка самолета при боковом ветре связана с еще большими т рудност ями, чем взлет. Основная тр удност ь заключается в т ом, что летчику приходит ся б ороться со сносом самолет а. Неточный учет вет ра может привести к приземлению самолета вне ВПП. При сильном боковом ветре возможен срыв покрышек колес и поломка ш асси в момент касания ВПП. В процессе проб ега возникают разворачивающий и кренящ ий момент ы, как и при разбеге.
В силу перечисленных выше причин для каждого т ипа самолет а устанавливает ся
предельно допустимая скорост ь бокового ветра (боковой составляющей), при которой возможен взлет и посадка. Ее значение зависит от особенност ей конструкции самолета и удельной нагрузки на крыло.
На точность приземления воздушных судов существенно влияет также изменчивость х арактерист ик ветра вдоль ВПП и по высоте в приземном слое (до высоты 60…100 м). Для количест венной оценки изменчивости используется понятие сдвиг ветра. Эт о изменение х арактерист ик вет ра на небольшом расстоянии. Различают вертикальный и горизонтальный сдвиг ветра. Сд виг вет ра при отсут ствии маневра рулями и тягой двигателя может привести к “перелет у” или “недолет у” самолета от носительно расчетной точки приземления. Более подробно условия формирования сильных сдвигов ветра и их влияние на полет воздуш ных судов б уд ут рассмот рены в главе “Опасные мет еорологические явления”.
При полете на э шелоне ветер оказывает сущ ест венное влияние на наиболее важные в
навигационном от ношении э лементы, определяющие точность самолетовождения. В первую очередь, эт о от носится к направлению и скорости полета относительно земной поверхности,
т.е. к путевой скорост и и к угл у сноса. Путевая скорость самолета W предст авляет собой геомет рическую сумму вектора воздушной скорости V и вектора вет ра u.
W = V + u
(4.19).
Из навигационного треугольника скоростей видно, чт о путевая скорост ь может существенно изменят ься в зависимости от того, какой ветер - попутный, боковой или вст речный (рис. 4.17). Максимальная путевая скорость б ывает при попутном ветре, минимальная - при встречном. При пост оянной воздуш ной скорости от направления и скорости ветра зависит продолжительность полета по воздушной трассе. Направление ветра, кроме того, оказывает влияние на угол сноса. При боковом ветре путевой угол от личается от курсового угла, поэт ому д ля достат очно т очного выполнения полет а по заданному маршруту нужно учитывать угол сноса.
Рис. 4.17. Навигационный треугольник скоростей
В инженерно-штурманских расчет ах д ля т расс большой протяженности вместо градиентного ветра принято использовать эквивалентный ветер иэ – расчетный вет ер, направленный вдоль маршрута полета и оказывающ ий на путевую скорость такое же влияние, как реальны й ветер.
®
Значение эквивалентного ветра равно разности мод улей векторов путевой скорости W и
®
воздушной скорости V:
иэ =| W
| -| V |
Эквивалентный ветер – скалярная величина. Попутный эквивалентный ветер считается
положит ельным (| W
| >| V |), вст речный – отрицат ельным (| W
| <| V |).
Аналит ическое выражение для расчет а э квивалент ного вет ра может быть получено из навигационного треугольника скорост ей (рис. 4.17).
sin2 e, (4.20).
V
где: и – скорост ь ветра;
e – угол ветра;
V – возд уш ная скорост ь.
Приведенная формула позволяет определять эквивалентный ветер в одном пункт е для определенного момента времени. Средний эквивалент ный ветер по маршр ут у определяется по формуле:
где: S – длина маршрута;
и эср =
S
i = n
å и эi i =1
Si, (4.21).
иэ i – эквивалентный ветер на участке;
Sэ i – длина участка;
п – число участков на марш рут е.
Эквивалентный ветер позволяет определят ь фактическую путевую скорость W ф при известной воздушной скорости
Wф = V + и э, (4.22).
и требуемую возд уш ную скорость V тр для полета по расписанию с заданной пут евой скоростью W зад
Vтр = Wзад + иэ
(4.23).
Климатические характеристики эквивалентного вет ра мог ут быть использованы при планировании полетов по новым воздуш ным трассам и при составлении расписания полетов.
Режим ветра учитывается при выборе места расположения летного поля аэрод рома, ориентировки и взаимного расположения нескольких взлетно-посадочных полос, а т акже при выборе места застройки аэродрома.
При проектировании направления ВПП особое внимание уделяет ся господст вующему вет ру в данном райо не. Основную или главную ВПП ориент ируют по направлению преобладающего ветра, остальные полосы являются вспомогательными. Повторяемость ветров различных направлений получают в результ ате климатической обработки наблюдений за вет ром и пред ставляют в виде д иаграммы, называемой розой ветров. Повторяемост ь в процентах соот ветствующих направлений ветра откладывают на восьми румбах в определенном масштабе. Полученные крайние точки соединяют отрезками прямых линий (рис. 4.18).
Р ис. 4.18. Роза ветров
Ветры со скоростью, не превы шающей 3 м/с, как мало влияющие на взлет и посад ку самолетов, обычно от носят к штилевому состоянию. Их повт оряемость проставляется в кружке в центре розы ветров.
На примере диаграммы, показанной на рисунке, можно сделат ь вывод, что наибольш ую д ля данной розы ветров повторяемост ь (40%) составляют вет ры юго-западного и северо- вост очного направлений. По э тому направлению и нужно строить основную ВПП для д анного пункт а. Розы вет ров строят месячные, сезонные и годовые.
МЕТОДЫИЗМЕ РЕНИЯ ВЕТРА
Для измерения характеристик вет ра у поверхности земли используют мет еорологические приб оры: флюгер, анемомет р, анеморумбометр, анеморумб ограф.
Флюгер - один из первых мет еорологических приборов для измерения направления и скорости ветра. Он состоит из флюгарки, вращающейся вокруг вертикальной оси над крестовиной с указателями румб ов, и металлической доски, по углу от клонения кот орой от верт икали определяют скорость ветра в метрах в секунду.
Анемометр - прибор для измерения скорости ветра. Обычно датчиком служит вертушка с несколькими полушариями, по частоте вращения которой в единицу времени определяют скорость ветра.
Анеморумбом етр - предназначен для дист анционного измерения мгновенной, средней, максимальной скоростей и направления ветра. Дат чиком скорости вет ра в э тих приборах обычно является четырех или восьмилопастная вертушка, датчиком направления - флюгарка. Принцип дейст вия прибора основан на преоб разовании скорости и направления ветра в электрические величины, от счит ываемые по показаниям соответствующ их элект роизмерительных приборов.
Анеморумбограф - самопишущий прибор для регистрации скорости и направления ветра.
На аэродромах наблюдения за ветром проводятся, как правило, вблизи зоны приземления ВПП рабочего курса посадки с помощ ью датчиков, уст ановленных на высоте 8…10 м от поверхности земли. На аэродромах, где предусмотрена уст ановка датчиков в од ной точке лет ного поля, их показания должны наиболее полно отражать условия над всей ВПП. На аэ родромах, где из-за местных условий наблюдаются значительные различия в ветре на различных уч астках ВПП, устанавливают ся дополнит ельные датчики ветра. При этом в регулярные и специальные сводки включаются данные о ветре, полученны е из точки, где скорость ветра больше. В сводки для посадки включаются данные, полученные от датчика, расположенного по возможности ближе к зоне приземления, а в сводки для взлета - к зоне отрыва. Приборы для измерения характеристик ветра могут использоваться как отдельно, так и в сост аве аэрод ромных метеорологических информационно-измерительных систем. Индикаторы ветра, связанные с каждым дат чиком, уст анавливаются у наблюдателя и диспетчера, обслуживающего аэродромное движение.
Так как ветер непрерывно изменяется, для получения устойчивых его характеристик
необходимо выбрать оптимальный отрезок времени для осреднения. По рекомендациям ICAO и WМО д ля обеспечения информацией о скорости ветра при об служивании взлета, посадки и руления оптимальным являет ся двухминут ный интервал осреднения, при обслуживании ВС, находящихся на подходе и на кругу, а также д ля обмена информацией о ветре между аэ родромами – десятиминутный. Для направления ветра достаточен двух минутный интервал осреднения. Порывист ость ветра, которая характеризуется максимальным значением мгновенной скорости, целесообразно определять за предшествующ ие 10 минут.
Точность измерения характ еристик вет ра, желат ельная с точки зрения эксплуат ации,
предст авлена в таблице 12.1.
В свободной ат мосфере для определения направления и скорости вет ра используют
шары-пилоты и радиозонд ы (радиопилот ы).
Шар-пилот - это тонкая резиновая оболочка, наполненная водородом. В свободном полете, сохраняя постоянную вертикальную скорость, он движется вместе с воздушными потоками на вы сотах. С помощ ью оптического теодолита через определенные промежут ки времени измеряют ся азимут и угол места шара-пилота. С помощ ью специального шаропилотного кр уга по значениям пол ученных координат рассчитывают скорост ь и направление ветра на высотах. Шаропилот ным методом можно измерят ь вет ер только до нижней границы облачности.
Радиозонд применим в любое время суток, независимо от наличия облачности и осадков. Сущность радиозондирования состоит в радиолокации радиозонда - шара-пилота с подвешенным к нему радиозондом. Наблюдения проводятся радиолокационной метеорологической ст анцией (РМС), кот орая записывает на лент е наклонную дальност ь, азимут и угол мест а радиозонда. По этим данны м проводится определение направления и скорости вет ра на различных высотах.
На аэродромах наблюдения за ветром на высотах проводятся аэродромными мет еорологическими органами с помощью шаров-пилотов в период полет ов через кажд ые
3 часа, а также в другие сроки, при необходимости. По данным наблюдений определяет ся направление и скорость ветра на высоте 100 м и на уровне аэродромного круга полетов.
Вместо данных шаропилот ных наблюдений, проводимых на аэродроме, могут использоваться данные аэрологических станций и др угих метеорологических органов, расположенных в радиусе до 10 км от аэродрома, а также д анные о ветре, получаемые с б орта воздушных судов.
Выпуск шаров-пилотов и радиозондов на аэродроме во всех случаях проводит ся по согласованию с органами ОВД.
При невозможности определения характерист ик ветра на высоте круга инструментальным способом аэродромные метеорологические органы с синоптической частью обеспечивают предоставление прогностических д анных.
ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
1. Ч то называется ветром?
2. В каких единицах измеряется направление и скорость в етра?
3. Как перевести скорость ветра из м/с в км/ч?
4. В каких аэропортах указывается магнитный ветер?
5. За счет чего возникает ветер?
6. Ч то называется горизонтальным барическим градиентом? Указать его средние и максимальные
значения.
7. От чего зависит величина скорости ветра (из формулы силы горизонтального барического
градиента)?
8. За счет чего возникает и как действует сила Кориолиса?
9. Записать формулу для определения силы Кориолиса и объяснить ее физический смысл.
10. Какие силы действуют на движущуюся массу воздуха в слое трения (выше слоя трения)?
11. Ч то называется градиентным ветром?
12. Каким образом по отношению к изобарам дует ветер в слое трения (выше слоя трения)?
13. Ч то называется циклоном (антициклоном)?
14. Сформулировать барический закон ветра (правило Бейс-Балло).
15. Каким образом изменяется скорость и направление ветра с высотой в слое трения (выше слоя
трения)?
16. За счет чего возникает термический в етер?
17. Какой срок годности (радиус действия) данных о реальном ветре?
18. Ч то называется эквивалентным ветром и какие задачи решаются при его использовании?
19. Ч то такое роза ветров?
20. Как определяется направление и скорость ветра у Земли и на различных высотах?