Вітер і його характеристики
Повітряні маси атмосфери практично завжди знаходяться в русі, яке викликане відмінністю температури та тиску в різних районах земної поверхні. Причини і характер такого руху вивчає метеорологія.
Повітряні маси переміщуються як в горизонтальному напрямку паралельно земної поверхні, так і в вертикальному, змінюючи свою висоту. Звичайно, і вертикальне переміщення повітря має для авіації важливе значення і може бути небезпечним. Наприклад, потрапляння ВС в спадний повітряний потік (опускається повітряну масу) може привести до різкої втрати висоти ВС і зіткнення з земною поверхнею ( «повітряна яма»). Але аеронавігація розглядає головним чином горизонтальне переміщення повітря і вплив його на траєкторію ВС.
Вітер (wind) - це горизонтальне переміщення повітряних мас. У кожній точці простору в даний момент часу є певний напрям (direction) і швидкість (velocity) вітру, які утворюють вектор вітру, що позначається U або u. Швидкість вітру u, тобто модуль вектора U, в авіації прийнято вимірювати при польоті по маршруту в кілометрах в годину (км / год), а при заході на посадку і при вильоті - в метрах в секунду (м / с).
Напрямок вітру можна характеризувати однією з наступних двох взаємопов'язаних величин.
Навігаційне напрямок вітру (# 948; н або НВ) - кут, укладений між північним напрямком меридіана і напрямком переміщення повітряної маси (куди дме вітер).
Таким чином, НВ - це просто напрямок вектора U. У наведеному визначенні не вказано вид меридіана, оскільки в загальному випадку навігаційне напрямок може відраховуватися від будь-якого з використовуваних в навігації меридіанів (істинного - # 948; н. і. магнітного # 948; н. м. опорного # 948; н. о) - як зручно штурману або пілотові. Але найчастіше під навігаційним напрямком вітру розуміють напрямок, що вимірюється від магнітного меридіана, оскільки путні кути ділянок маршруту на карті, посадочні путні кути і багато інших величини є магнітними. В даному навчальному посібнику під # 948; н за замовчуванням буде розумітися саме таке магнітне напрямок, за відсутності іншої домовленості.
Метеорологічне напрямок вітру # 948; - кут, укладений між північним напрямом істинного меридіана і напрямком, звідки переміщається повітряна маса (звідки дме вітер). Очевидно, що цей напрямок протилежно напрямку вектора U. Воно відраховується тільки від істинного меридіана. Неважко запам'ятати, чому це саме так. Адже метеорологів не цікавить, куди рухається повітряна маса, для них важливіше звідки вона прийшла і що несе з собою (тепло з Африки або холод з Арктики). І коли по радіо ми чуємо, що «вітер південний», це означає, що повітряна маса рухається з півдня на північ. А від істинного меридіана цей напрямок вимірюють тому, що це звичайний географічний меридіан. Інших, чисто навігаційних меридіанів (магнітних, опорних і т.п.), метеорологи знати не зобов'язані (рис. 3.1).
Мал. 3.1. Навігаційне та метеорологічне напрямку вітру
Напрямки куди і звідки дме вітер, є геометрично протилежними. Але значення навігаційного і метеорологічного напрямків вітру не розрізняються рівно на 180 °, адже вони відраховуються від різних меридіанів. Ці два напрямки (див. Рис. 3.1) пов'язані такими формулами:
На практиці замість цих формул зручніше користуватися правилом обліку поправок: при переході від приладових величин (в даному випадку від навігаційного напрямки, що є магнітним) до дійсних величин (метеорологічного напрямку, измеряемому від істинного меридіана) магнітне схилення додається, а при переході від метеорологічного напряму до навігаційного - віднімається. Зрозуміло, треба не забути ще «розгорнути» напрямок на 180 # 730; .
Якщо у землі вітер зазвичай буває поривчастим, може різко змінювати швидкість і напрямок, то з підйомом на висоту переміщення повітряної маси стає все більш плавним і регулярним. Це пов'язано з тим, що нерегулярність вітру позначається лише в так званому шарі тертя, що тягнеться приблизно до висоти 1000 м над землею, де на рух повітряної маси впливають рельєф, нерівномірне нагрівання земної поверхні та інші фактори. На великих висотах зміна швидкості і напряму вітру стає більш плавним. Швидкість вітру з висотою, як правило, збільшується, а його напрямок повертає вправо. Але в конкретній метеорологічної обстановці може бути будь-який інший характер його зміни.
У більшості випадків швидкість вітру на висотах, на яких виконуються польоти, становить 40 ... 120 км / год, але, звичайно, буває і більше, і менше. При дуже маленьких швидкостях вітер характеризується як «нестійкий», оскільки і його напрямок може непередбачувано змінюватися. Поблизу Тропопауза, що розділяє тропосферу і стратосферу, іноді спостерігаються струменеві течії - повітряні потоки шириною кілька сотень кілометрів, а довжиною до декількох тисяч. У струменевих течіях швидкість вітру може становити 200-300 км / год і більше. Відзначалися окремі випадки, коли вона була 700-800 км / ч.
Літак повністю спирається на повітряну масу і переміщається разом з нею, якщо вона рухається. Подібно повітряної кулі, нерухомому щодо повітря і переміщається разом з ним, повністю повторюють рух повітряної маси і літак, і вертоліт. Але у них, на відміну від повітряної кулі, є ще і швидкість руху щодо повітря внаслідок наявності тяги, створюваної двигунами.
Вітер не «здуває» повітряне судно як людини, а повністю переносить його в ту ж сторону і з такою ж швидкістю, з якою переміщається повітряна маса. Великий і маленький, легкий і важкий літак переносяться повітряною масою однаково. Пасажири повітряної кулі не відчувають ніякого вітру, навіть якщо куля забирає ураганом. Точно так же рівномірний вітер не створює ніяких сил, що діють на літак. Зрозуміло, він впливає на траєкторію його руху щодо землі, але цей вплив носить не динамічний, а чисто кінематичний характер: рух ВС щодо землі геометрично складається з його руху щодо повітряної маси і руху самої повітряної маси (вітру).
Для вирішення деяких навігаційних завдань зручно використовувати поняття еквівалентного вітру.
Еквівалентний вітер Uекв - це умовний вітер, напрям якого збігається з лінією шляху, а швидкість його така, що він створює таку ж шляхову швидкість, що і реальний вітер в даному районі польотів.
Якщо реальний вітер є строго попутним (зустрічними), то він збільшує (зменшує) швидкість переміщення ВС щодо землі в порівнянні з повітряної швидкістю рівно на величину своєї швидкості. Але, як правило, реальний вітер дме під кутом до лінії шляху. Тим не менш, він також змінює шляхову швидкість, але на меншу величину, що залежить від кута вітру. Наприклад, якщо швидкість реального вітру U = 100, але дме він під кутом # 949; = 60 °, то він збільшує W в порівнянні з V приблизно на 50 км / ч. Ось ця величина збільшення (зменшення) швидкості і називається еквівалентним вітром. Дійсно, якби вітер був строго попутним, то щоб створити таку ж шляхову швидкість, він повинен мати швидкість 50 км / ч. Тоді б він був рівнозначним (еквівалентним) реальному вітрі з точки зору впливу на шляхову швидкість.
Таким чином, еквівалентний вітер це просто різниця шляховий і істинної повітряної швидкості:
Еквівалентний вітер - це скалярна величина. Очевидно, що вона має знак «плюс» при попутному вітрі і «мінус» при зустрічному.
Значення еквівалентного вітру для авіації обумовлено тим, що з його допомогою легко визначити шляхову швидкість. Дійсно, якщо відомий Uекв. то знаючи справжню швидкість, можна відразу визначити:
Графічно величину еквівалентного вітру можна проілюструвати за допомогою навігаційного трикутника швидкостей (рис. 3.15).
Мал. 3.15. еквівалентний вітер
Щоб графічно отримати різницю W і V, необхідно поєднати ці два вектори. Якщо вважати, що вони являють собою стрижні, скріплені в точці О, то можна обертати V до накладення його на W. Тоді різниця довжин двох відрізків і буде Uекв.
Еквівалентний вітер відрізняється від поздовжньої складової вітру Uпр (див. Рис. 3.15), але різниця їх невелика, оскільки кут зносу зазвичай малий і сама V не сильно відрізняється за величиною від своєї проекції.
Величина еквівалентного вітру може бути розрахована за формулою:
Перший член в правій частині цієї формули є поздовжнє складову вітру Uпр. тобто проекцію вітру на лінію шляху. Другий член звичайно малий за величиною і їм часто нехтують. В цьому випадку:
.
Як видно з формули (3.16), еквівалентний вітер залежить не тільки від швидкості реального вітру U і кута вітру # 949 ;, під яким дме вітер до лінії шляху, але також і від істинної швидкості повітряного судна V. Це означає, що якщо через одну точку простору в одному і тому ж напрямку послідовно пролетять два ВС з різними істинними швидкостями, то еквівалентний вітер у них буде різний. Чим менше справжня швидкість, тим більше буде «надбавка» шляховий швидкості в порівнянні з істинною.
Таким чином, в одній і тій же точці простору при одному і тому ж реальному вітрі може існувати нескінченно багато еквівалентних вітрів. По-перше, в залежності від напрямку польоту (кута вітру), а по-друге, в залежності від істинної швидкості ВС, що пролітає через цю точку.
Хоча еквівалентний вітер залежить від трьох величин (U, # 949;, V), але його залежність від істинної швидкості слабка, так як V входить в той член формули (3.16), який сам по собі малий у порівнянні з іншим членом. Тому на практиці для визначення еквівалентного вітру складають таблиці, за якими можна визначити Uекв в залежності від U і # 949 ;. Таблиці розраховують для певного значення V, але вони придатні і для інших близьких швидкостей. Діапазон швидкостей, для якого придатна таблиця, вказують в її заголовку (табл.3.1 і 3.2).
Еквівалентний вітер використовується при вирішенні таких завдань підготовки і виконання польотів, в яких має значення не стільки напрям вітру, скільки його вплив на шляхову швидкість, час польоту за маршрутом. Наприклад, при визначенні кількості палива, необхідного для виконання польоту, враховується середній еквівалентний вітер Uекв.ср по ділянках маршруту. Адже навіть при постійному реальному вітрі на кожному i-му ділянці маршруту еквівалентний вітер Uекв.i буде різним, оскільки розрізняються задані путні кути і отже кути вітру.
При визначенні середнього еквівалентного вітру необхідно враховувати, що довжина ділянок може бути істотно різною і отже різним буде вплив різних Uекв.i на середню шляхову швидкість за маршрутом.
Точний розрахунок середнього по маршруту еквівалентного вітру може бути виконаний за формулою:
де Si - довжина i-го ділянки;
Sобщ - загальна довжина маршруту, тобто сума довжин ділянок.
Для спрощеного розрахунку за цією формулою в розумі довжину одного з коротких ділянок можна прийняти за умовну одиницю.
При складанні розкладу польотів враховується середній еквівалентний вітер по кожному маршруту в залежності від сезону (весна, літо, зима, осінь). Він розраховується з використанням статистичних метеорологічних даних. З огляду на це еквівалентного вітру по істинної швидкості ВС розраховується середня шляхова швидкість, а по ній визначається середній час польоту за маршрутом. Воно і вказується в розкладі польотів. Це ж час використовується і для інших цілей, наприклад, планування закупівель авіапалива авіакомпанією.