в чем измеряют скорость самолета
Приборная, истинная, путевая скорости на доступном языке
Возможно вы удивитесь, но в авиации все совсем не так как в автомобилестроении. У вас в машине один спидометр который показывает скорость вашего движения. Все просто, чем быстрее вращается колесо, тем выше скорость, у нее всегда одно значение скорость относительно земли.
Но вот какая история, у самолета все иначе, скоростей здесь гораздо больше.
Приборная скорость (Indicated Airspeed)
То что показывает «спидометр» пилота называется приборная скорость или приборная воздушная скорость.
Дело в том, что для измерения скорости движения самолета используется Приемник воздушного давления, то есть скорость измеряется относительно потока воздуха в котором движется самолет с допущением. что за бортом так называемые «нормальные условия» (давление 760 мм ст, температура +15 и влажность 0%). Но они ведь не всегда такие, правда?
Истинная скорость (True Airspeed)
Идем дальше и обнаруживаем истинную воздушную скорость. Это скорость с учетом поправок. Учитывается инструментальная поправка (ведь прибор сам по себе может давать погрешность) аэродинамическая, волновая (возникновение скачков уплотнения на сверхзвуковых и близких к ним скоростях) и методическая.
На высоте уровня моря обе скорости совпадают, а вот с увеличением высоты полета истинная скорость начинает расти и на высоте 12 км истинная может быть в 2 раза выше приборной скорости.
Есть несколько типов указателей скорости (авиационный спидометр): показывающей приборную скорость, показывающий истинную скорость, показывающий приборную скорость и число М и т. д.. В общем, исходя из типа самолета приборы могут быть разными.
Указатель скорости самолета DC-10
Эквивалентная скорость (Equivalent Airspeed)
Скорость применяемая для расчетов инженерами, она учитывает сжимаемость воздуха. Прибора показывающего ее нет.
Скорости выше «воздушные». А вот и:
Путевая скорость (Ground Speed)
Это скорость самолета относительно земли, а не воздуха. В современном мире она измеряется с помощью GPS. Суть в том, что, например, при встречном ветре скорость самолета относительно земли будет меньше, чем при попутном, а относительно воздуха не изменится. Поэтому зная скорость относительно воздуха и скорость ветра можно вычислить свою путевую скорость.
Вертикальная скорость
Это скорость набора высоты или снижения.
Число Маха
Фактически скорость относительно скорости звука
В принципе для пилота самой важной является приборная скорость, она влияет на динамику полета, число М важно для понимания не превысил ли пилот допустимое значения. Истинная и путевая скорости важнее для навигации, эквивалентная для расчетов.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Скорости летящего самолета
Приборная скорость отображается в левой колонке на главном пилотажном дисплее (PFD), здесь же индицируются взлётные скорости V1, Vr и V2. На навигационном дисплее отображаются скорости TAS (истинная скорость) и GS. Давайте разберём каждую скорость по отдельности.
Каким же образом определяется приборная скорость? На самолетах установлены приемники воздушного давления (ПВД) они же трубки Пито (Pitot tubes). Исходя из динамического давления, замеренного с их помощью, и рассчитывается приборная скорость.
Важный момент, в формуле расчёта приборной скорости используется константа, стандартное давление на уровне моря. А вы же помните, что с увеличением высоты, давление изменяется? Соответственно, приборная скорость совпадает со скоростью относительно земли только у поверхности.
Ещё один интересный факт: какой образ вам приходит в голову, когда вы слышите о пионерах авиации? Кожаная коричневая куртка, шлем с очками и длинный белый шелковый развивающийся шарф. Согласно некоторым легендам, шарф и был первым примитивным индикатором приборной скорости!
Теперь рассмотрим верхний левый угол навигационного дисплея. Здесь отображается наша скорость относительно земли GS (Ground Speed). Это та самая скорость, которую докладывают пассажирам во время полёта. Она определяется, в первую очередь, по данным от спутниковых систем, таких, как GPS. Также её используют для контроля при рулении, так как при малых скоростях на трубки Пито не создаётся достаточный динамический напор для определения IAS.
Чуть правее TAS (True Air Speed) — истинная воздушная скорость, скорость относительно окружающей самолет воздушной среды. Все фотографии сделаны примерно в один момент времени. Как видите, скорости значительно различаются между собой.
Приборная скорость IAS составляет чуть менее 340 узлов. Истинная скорость относительно воздуха TAS — 405 узлов. Скорость относительно поверхности GS — 389. Теперь-то, я думаю, вы понимаете, почему они отличаются.
Также хочу ещё отметить число Маха. Немного упрощая, это скорость тела относительно скорости звука в данной среде. Она отображается под колонкой приборной скорости и составляет в нашей ситуации 0,637.
Теперь обсудим взлётные скорости. Три основных взлётных скорости V1, Vr и V2, обозначения стандартны для всех самолетов, которые имеют больше одного двигателя, начиная с малютки Beechcraft 76 и заканчивая гигантом Airbus A380, они всегда располагаются именно в такой последовательности. Давайте представим, что наш A320 стоит на полосе, чеклист выполнен, разрешение диспетчера получено, мы полностью готовы к взлёту.
Вы перемещаете рычаги управления двигателями на 40%, убеждаетесь в стабилизации оборотов и устанавливаете взлетный режим. Первой будет достигнута скорость V1 (148 узлов в наших условиях). Это скорость принятия решения, проще говоря, после достижения V1, взлёт уже не может быть прерван, в том числе, в случае серьезного отказа. Даже если у вас отказал двигатель, а V1 уже достигнута, вы должны продолжать взлёт. До V1 в этой ситуации вы инициируете процедуру прерванного взлёта, включаете реверс, срабатывает автоматическое торможение, выпускаются спойлеры, и вы успеваете остановиться до конца полосы.
Но у нас всё хорошо, двигатели работают штатно и, после V1, пилотирующий пилот убирает руку с рычагов управления двигателями. Приближается скорость Vr (rotate speed, 149 узлов). На этой скорости пилотирующий пилот тянет штурвал (в нашем случае sidestick) на себя и поднимает носовую стойку шасси в воздух.
Итак, вы узнали, что же такое взлетные скорости и с чем их едят, а теперь давайте узнаем, как их готовить, и от чего же они всё-таки зависят. Сейчас мы уже подняли наш прекрасный A320 в воздух, но давайте отмотаем время немного вспять.
Настаёт момент истинны. Вносим нашу взлетную массу и центровку. Решаем, можем ли мы вообще взлететь с этой полосы, или придётся оставить пару сотен бутылок из дьюти фри и четырёх самых тучных пассажиров на земле 🙂
Окей, мы обсудили расчёт скоростей с использованием электронного лётного портфеля, но если вы перед рейсом слишком много кидались злыми птичками или, что совсем для пилота зазорно, в танки играли и разрядили свой чудо-девайс? А если вы представитель школы обскурантизма и отрицаете прогресс? Вам предстоит увлекательнейший квест в мир документов с пугающими названиями и содержащимися в них таблицами и графиками.
Для начала проверяем, взлетим ли мы с выбранной полосы: открываем график, в котором по осям разложены необходимые переменные. Ведём пальчиком до пересечения, и, если искомое значение внутри графика, попытка обещает быть удачной.
Далее берём следующий документ и начинаем вычислять V1 Vr и V2. Исходя из веса и выборной конфигурации, получаем значения скоростей. Перемещаясь от таблички к табличке, вносим коррективы, в зависимости от ячейки прибавляем или отнимаем несколько узлов.
Но что-то мы опять замечтались. А тем временем мы оторвались от земли, удерживаем скорость V2+10 узлов и даже успели убрать шасси, чтобы они не мёрзли. На верху ведь холодно, помните? Набирать высоту мы будем без применения процедур по уменьшению шума, пусть все знают, что мы взлетели! Снова старушки на верхних этажах начнут энергично креститься, а дети радостно указывать пальцем в небо на наш блестящий в лучах солнца лайнер.
Top of climb, достигнут заданный эшелон полёта, самолет выравнивается, идём с крейсерской скоростью. Самое время пополнить запас калорий!
Настало время переходить в фазу подхода (approach phase). При помощи магии аэрбаса (который сам посчитал все скорости) замедляемся до Green dot speed (скорость чистого крыла). Лететь на этой скорости для нас максимально экономично, но вы же помните, что всё хорошее имеет свойство.
1000 футов, проверяем соблюдение критериев стабилизированного захода, и, если все в норме, продолжаем снижение. Перед касанием самолет продемонстрирует своё отношение к вам, провозгласив «Retard! Retard! Retard!»» (если вы не сильны в англоязычных обзывательствах, можете воспользоваться интернет-словарём urbandictionary). Устанавливаем малый газ (Idle) и через мгновение мягко касаемся полосы.
Скорость полета самолета и трубка Пито.
Здравствуйте, друзья!
Но а как же быть с самолетом? Нет ведь в воздухе дорог, по которым можно было бы ехать :-). Единственная среда, с которой летательный аппарат контактирует непосредственно — это воздух. Вот от него-то он большую часть информации о своем движении и получает. Что касается конкретно скорости полета, то вполне понятно, что чем быстрее самолет летит, тем сильнее на него давит встречный воздушный поток (скоростной или динамический напор). Отсюда логично было бы определять скорость полета в зависимости от величины этого давления. Так же как, кстати, и с атмосферным давлением и высотой. Ведь чем выше летит самолет, тем атмосферное давление ниже. О высоте, однако, поговорим в одной из следующих статей, а пока на повестке дня скорость полета.
Схема классической трубки Пито
Трубка Пито представляет собой L — образную трубку, один конец которой помещен в скоростной (воздушный :-)) поток. Этот поток в трубке тормозится, создавая в ней избыточное давление, по величине которого и можно судить о скорости потока, то есть по сути дела скорости полета, если эта трубка установлена на летательном аппарате. Вобщем-то принцип достаточно простой :-).
Однако здесь надо не забывать еще об одной важной вещи. Все, что находится внутри земной атмосферы, существует в ней под постоянным атмосферным (статическим) давлением. Мы его практически не ощущаем (если, конечно, все в порядке со здоровьем :-)), но оно есть и так или иначе оказывает влияние практически на все физические процессы, происходящие вокруг нас, то есть на всю нашу жизнь. Прямо как в фильме «ДМБ» :-):
— Видишь суслика?
— Нет…
— И я не вижу… А он — есть!
Полное давление = динамическое давление (скоростной напор) + статическое давление.
Скоростной напор выражается такой формулой Р1 = ρV²/2.
В итоге мы имеем такое уравнение: Р = Р0 + Р1 = Р0 + ρV²/2
Из него очень просто получить искомую скорость полета: V = √((2(Р — Р0))/ρ)
Указатель скорости УС-350.
Как видите, нам, чтобы определить скорость полета, нужно измерить полное давление потока и статическое давление. Классическая трубка Пито дает только полное давление. Поэтому статику приходится измерять отдельно. Во избежание этого неудобства трубка Пито была усовершенствована.
Схема работы трубки Прандтля (ПВД).
Работа указателя скорости неплохо показана в этом небольшом ролике.
Трубка Пито под крылом самолета Cessna 172.
Чаще используются так называемые комбинированные ПВД. Они по конструкции представляют собой типичные трубки Прандтля. Эти устройства обязательно снабжаются мощной системой электрического обогрева, так как небольшие отверстия для замера давлений при обледенении самолета вполне могут быть закупорены льдом, что, конечно, может помешать их корректной работе. На стоянках приемники воздушных давлений закрываются специальными заглушками или чехлами для исключения попадания посторонних предметов и грязи в отверстия.
Типичный ПВД современного самолета.
Приемник воздушного давления на СУ-24М (цифры 1 и 2).
Воздушная скорость (самая важная :-)). Она делится на два вида:
Истинная воздушная скорость ( True Airspeed ( TAS ) ) и Приборная воздушная скорость ( Indicated Airspeed ( IAS ) )
Приборная скорость – эта та скорость, которую летчик видит в своей кабине на приборе-указателе скорости. Она используется для пилотирования летательного аппарата непосредственно в данный момент времени.
Истинная скорость – это фактическая скорость полета самолета относительно воздуха. Она используется для навигации. Зная ее, например, рассчитывается время прибытия в конечный пункт маршрута и возможные при этом отклонения. Измерить эту скорость обычно невозможно. Она рассчитывается с использованием приборной скорости, давления воздуха и его температуры. При этом учитываются погрешности указателя приборной скорости. Они всегда есть, как у любого измерительного прибора на нашей земле :-). Эти погрешности (или ошибки) бывают:
Путевая скорость (Ground Speed ( GS )). Это скорость летательного аппарата относительно земли. Она рассчитывается на основании истинной скорости с учетом скорости ветра и используется при решении навигационных задач.
P.S. В заключении предлагаю вам посмотреть дополнительный ролик, рассказывающий о трубках Пито и Прандтля.
74 Комментариев: Скорость полета самолета и трубка Пито.
Полета самолета определяют 5 скоростей. Пилот имеет на борту первую скорость из этой цепочки, а ему нужна пятая по счету.
IAS — получается на борту как разность давления (см. статью). Поскольку прибор как любое механическое устройство имеет свою погрешность (зазоры, трение и пр.), то его показания надо корректировать, и получается IAS*=IAS+dVпр. Однако, механика стала сверхточной, приборы подешевели и доступны всем, от дешевых самолетов до самых дорогих, то в последних нормах лётной годности эта поправка строго нормирована, не более от 2 до 5 км/ч, то все приборы и показывают скорость с этой точностью, и приборную поправку можно больше не учитывать, используя просто IAS. Именно эта скорость записана в РЛЭ, по ней и пилотирует самолет пилот. Но есть особенность — это очень «грязная» скорость. Видя на приборе скорость 500 км/ч, это вовсе не означает, что самолет каждый час пролетаете 500 км. Подробности ниже.
CAS — calibrated airspeed, или индикаторная земная скорость. Любое тело летящее в воздухе создает вокруг себя поле давлений, или по-простому — ударную волну (это если уж со сверхзвуковой скоростью). А у нас есть ПВД и мы им измеряем давление. Для дозвукового самолета искажение поля давления распространяется на 1…2 характерных размера объекта (очень условно и примитивно, но примерно так). Например, у моего самолета хорда крыла 1,3 м, а искажение поля статического давления перед крылом распространяется на 2 м. Штанга же ПВД расположенная в носке крыла имеет длину 0,75 м (а длиннее нельзя — сломается, или делать ее из чугуна). Конечно же статическое давление измеряется с искажениями. К тому форма поля статического давления зависит от положения закрылков и угла атаки (а те в свою очередь — от скорости полета, массы самолета, и понеслись по всему учебнику…). Чтобы это учесть, в лётных испытаниях определяют «вранье ПВД», искажение измерения статического давления, и потом приборную скорость IAS корректируют (калибруют) — добавляют аэродинамическую скоростную поправку ПВД: CAS = IAS + dVа.
EAS — индикаторная скорость. Если самолет летит быстрее 400 км/ч, то воздух начинает проявлять эффект сжимаемости, что тоже влияет на измерения. По спец.таблицам для любой высоты и скорости полета можно посмотреть поправку на сжимаемость и добавить ее: EAS = CAS + dVсж. Если скорость полета меньше 400 км/ч, то сжимаемость не учитывается — EAS = CAS, соответственно. Пересчитывая IAS в CAS или EAS уже можно сравнивать характеристики конкретного самолета на разных режимах полета: даже если IAS будут разные, но CAS/EAS одинаковые, то и аэродинамические характеристики самолета одинаковые. Именно в этих скоростях записаны все нормы летной годности, по которым проектируют самолеты. Например, у самолета определили скорость сваливания, Vs = 113 км/ч, то если повторять режим сваливания на этом самолете с разными приборами и разными ПВД на разных скоростях, то IAS конечно же будет разной, но самолет сваливаться будет на одной и той же CAS/EAS, что и требуется.
TAS — истинная скорость. Скорость в невозмущенном воздухе без ветра (поэтому в русс. есть еще синоним — воздушная, вносящий не мало путаницы. Ведь все приведенные здесь скорости, кроме последней — воздушные). Поскольку самолет летает в реальной атмосфере, на разной высоте и при разной погоде, то температура и давление всегда разное, в разных комбинациях. Но аэродинамики и нормы лётной годности пользуются только стандартной атмосферой МСА, где стат.давление отсчитывается от стандартного, от 760 мм рт.ст. при +15°С. Стало быть, чтобы сравнивать характеристики самолета с нужно пересчитывать IAS в скорость на высоте полета.
Все очень просто — нужно сравнить плотность воздуха на высоте полета Rн (зная температуру и давление на этой высоте) с плотностью стандартной атмосферы у земли Ro (+15/760) и добавить эту поправку к скорости: TAS = EAS (CAS) / SQRT (Rн/Ro). Именно по этой скорости делают расчет самолета аэродинамики, и продувают аэродинамические модели в своих трубах.
А еще эту же скорость TAS используют штурманы в расчетах. Зная скорость и направление ветра U, векторно складывая ее с TAS получают путевую скорость W или GS, скорость движения самолета относительно земли.
GS — путевая скорость, и она единственная во всей цепочке — уже не воздушная. Нанося ее вектор на карту можно рассчитать время полета и проходимое фактическое расстояние на данной высоте и при данном ветре. Что-то изменилось — считай всю цепочку заново. Вот такой длинный путь от цифры на приборе в кабине пилота до линии на карте штурмана. Поэтому то раньше и были штурманы в экипаже!
Сейчас уже заканчивают свою жизнь доплеровские измерители скорости и сноса (ДИСС), зато на каждом самолете стоят GPS/GLONASS, которые сразу же выдают и вектор путевой скорости (ФПУ или TRK) и ее величину (GS). А чтобы следить за безопасной скоростью в полете и не напрягать пилота расчетом или розыском в РЛЭ по таблицам нужной скорости на самолетах ставят вычислители воздушной скорости, в которые уже введены данные о всех поправках ПВД/сжимаемости, текущей массе самолета, получают текущие данные о забортной температуре и давлении, о давлении и температуре на аэродроме посадки, о конфигурации самолета. Вычислитель ежесекундно рассчитывает опасные CAS/EAS для конкретной ситуации, потом переводит в IAS и рисует красный сектор на электронном указателе скорости, за который пилоту и автопилоту заходить нельзя. Пилот же как и раньше продолжает пилотировать самолет глядя на IAS.
Вот так сегодня разорвалась 100-летня цепочка вычислений воздушных скоростей самолета… Но физика процесса — не изменная.
Интересно, а почему нельзя производить корректировку скорости в воздухе, используя сигналы GPS?
Скорость полета
При измерении и указании воздушной скорости (см. Указатель воздушной скорости ) необходимо различать две важные системы отсчета:
Оглавление
Скорость относительно воздуха (путешествие, воздушная скорость)
Метод измерения
В принципе, измерение с помощью трубки Пито зависит от плотности воздуха (уменьшающейся вверх) в той же степени, что и подъемная сила крыльев, поэтому влияние плотности воздуха учитывается автоматически. Таким образом, метод измерения предлагает хорошую основу для оценки летных характеристик.
Измерение через трубку Пито все еще содержит ряд мешающих влияний. Поэтому делаются несколько уровней коррекции. Некоторые из этих разрушительных воздействий становятся заметными только на высоких скоростях или на больших высотах, и поэтому ими можно пренебречь в любительских полетах, но они важны для коммерческой авиации.
Каждый промежуточный результат соответствующих уровней коррекции имеет собственное обозначение:
Нескорректированная воздушная скорость (IAS)
IAS актуален только для небольших самолетов, так как CAS отображается непосредственно для более крупных самолетов.
Скорректированная воздушная скорость (CAS)
Вытеснение воздуха через фюзеляж самолета создает волну давления, похожую на носовую волну корабля. Эта волна давления приводит к искажению результата измерения, который зависит от типа самолета и места установки трубки Пито. Здесь говорят об ошибке прибора и установки (ошибка статического источника ).
Если измерительная шкала не была откалибрована для конкретного типа воздушного судна, отображаемое значение корректируется с помощью таблицы или формулы расчета, указанной в техническом руководстве для данного типа воздушного судна. В случае малых самолетов и их малых скоростей погрешность обычно остается настолько незначительной, что ею можно пренебречь.
Эквивалентная воздушная скорость (EAS)
Другая ошибка измерения трубки Пито значительно увеличивается с увеличением скорости: сжатие воздуха.
Поскольку воздух перед трубкой Пито сжимается, в трубке Пито наблюдается более высокая плотность воздуха, чем на самом деле. Поскольку погрешность вначале увеличивается медленно с увеличением скорости, информация о скорости, при которой необходимо учитывать погрешность, значительно варьируется в диапазоне от 100 до более 250 узлов.
Эта поправка играет довольно незначительную роль при взлете и посадке, потому что скорости ниже.
Однако, если скорость приближается к скорости звука, вместо этого на первый план выходит число Маха. (см. раздел ниже)
Для небольших самолетов EAS по-прежнему согласуется с достаточным приближением к CAS или даже IAS из-за малых скоростей и высот и не требует отдельного определения.
Истинная воздушная скорость (TAS)
Для коммерческих самолетов, которые покрывают большую территорию с разной плотностью воздуха и скоростью от взлетно-посадочной полосы до вершины, эту поправку очень сложно рассчитать, поскольку также необходимо учитывать, что сжатие воздуха также нагревает его. Измеренные температуры необходимо соответствующим образом скорректировать.
На практике TAS вычисляется из CAS, поэтому два шага расчета объединяются (CAS → EAS → TAS). Расчет довольно сложен для высоких скоростей. Если TAS не рассчитывается с использованием компьютерного дисплея, его можно выполнить в итеративном расчете с использованием полетного калькулятора (логарифмическая линейка, аналогичная логарифмической линейке, с дополнительными вспомогательными шкалами и таблицами).
Für Kleinflugzeuge und ihren Einsatzbereich können wiederum vereinfachte Formeln herangezogen werden bzw. vereinfachte Anzeigeinstrumente eingesetzt werden, bei denen zum Beispiel die TAS ermittelt wird, indem der Skalenring verdreht wird und dabei die sogenannte Druckhöhe mit der Außentemperatur zur Deckung gebracht wird (siehe Abbildung von einem Fahrtmesser на самом верху). Однако для больших высот и высоких скоростей такие инструменты были бы совершенно непригодны.
Для пилотов малой авиации применимо следующее эмпирическое правило первого приближения :
| В небольших самолетах TAS составляет примерно 2% на высоту полета AMSL на 1000 футов выше, чем CAS или IAS. |
|---|
Например, на высоте 5000 футов при отображении IAS 100 узлов и аналогичной CAS TAS на 5 * 2% = 10% выше, то есть на 110 узлов TAS.
формула
В принципе, действует следующая зависимость:
V Т А. С. знак равно V Э. А. С. ⋅ ρ Я. N А. ρ р е а л <\ displaystyle V _ <\ mathrm 
| ρ Я. N А. знак равно 1,225 k грамм м 3 <\ displaystyle \ rho _ <\ mathrm | : Плотность воздуха в стандартной атмосфере ИКАО. |
| ρ р е а л <\ displaystyle \ rho _ <\ mathrm | : Плотность воздуха на текущей высоте. |
Однако на практике эта формула помогает лишь в ограниченной степени, так как плотность воздуха нельзя измерить напрямую, ее следует оценивать по давлению и температуре воздуха.