ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ПОЛЕТЫ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ПОЛЕТЫ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

• Для выполнения взлета и посадки самолетов при встречном ветре при проектировании и строительстве ВПП ориентируют по возможности по преобладающему направлению ветра. Поэтому ВПП строят с учетом розы ветров. В Томске ВПП имеет курс 25 205º. Курс ВПП – угол между направлением северного меридиана и ВПП. С 23º 203º

• Для обеспечения безопасности полетов для каждого типа самолета устанавливаются предельно допустимые значения скорости бокового ветра, скорости попутного ветра и даже скорости встречного ветра. • Эти значения зависят от конструктивных особенностей самолета и удельной нагрузки на крыло (отношение G/S). • Чем больше удельная нагрузка на крыло, тем устойчивее самолет, и больше предельно допустимая скорость бокового ветра.

• Влияние ветра на путевую скорость и дальность полета самолета. • Навигационный треугольник скоростей.

• Курс полета — это угол между направле нием на север и вектором воздушной скоро сти. Курс должен тщательно выдерживаться в полете, а при необходимости (напри мер, вследствие сноса само лета под действием ветра) в курс должны вводиться поправки. • Угол между векторами воздушной и путевой скоростей называется углом сноса. Он отсчитывается от вектора воздуш ной скорости вправо (плюсовой) или влево (минусовой) и показы вает, насколько изменилось направление движения самолета под действием ветра.

• Путевым углом называется угол между направле нием на север и вектором путевой скорости. Очевидно, что имеет место соотношение = - • Направление ветра определяется углом между направлением на север и направлением, откуда дует ветер. • Угол между векторами ветра и путевой скорости называется углом ветра. Он отсчитывается от вектора путевой скорости до вектора ветра по ходу часовой стрелки и изменяется от 0 до 360°. Как видно из рисунка, угол ветра можно найти по путевому углу и направлению ветра : • = ± 180°, • следует, вычесть, а если > , • если < , то 180° прибавляется.

• Непосредственно из навигационного треугольника (используя теорему синусов) следует соотношение: • или • Таким образом, угол сноса прямо пропорционален отношению скорости ветра к воздушной скорости u/V и синусу угла ветра . Т. е. снос зависит от скорости полета, скорости ветра и угла ветра.

• Оценим связь между путевой скоростью и скоростью направлением ветра. • Из рисунка следует • W = V+u= V cos + u cos • Выполнив соответствующие преобразования получим: . Из формулы видно, что при попутном ветре ( = 0°) путевая скорость становится больше воздушной на величину скорости ветра (W = V+u), причем никакого сноса не наблюдается. Строго встречный ветер ( =180°) уменьшает путевую скорость на величину скорости ветра (W = V -u) также без сноса. А строго боковой ветер ( = 90° или 270°) не только изменяет скорость полета, но и вызывает максимальный снос

• Влияние ветра на дальность полета самолета. Дальность L и продолжительность t полета можно определить, если известны располагаемый запас топлива Gт, а также его километровый и часовой расход. • Так как аэродинамические силы, действующие на самолет, зависят от воздушной скорости и не зависят от скорости ветра, часовой расход топлива, а следовательно, и продолжительность полета t также не зависят от ветра. • Однако на километровый расход топлива и дальность полета ветер оказывает большое влияние. • Отсюда следует, что максимальная дальность полета (минимальный километровый расход топлива) достигается при попутном ветре ( = 0), минимальная дальность полета (максимальный расход топлива) будет при встречном ветре, причем влияние ветра тем больше, чем больше его скорость (отношение u/V). • При планировании и выполнении полета целесообразно выбирать оптимальную скорость, при которой километровый расход топлива минимальный (иначе говоря, максимальна дальность полета).

• Эквивалентный ветер • Определение эквивалентного ветра в точке и по маршруту. • Ветер в полете далеко не всегда строго встречный или попутный. Для облегчения учета влияния ветра любого направления на путевую скорость используется условный эквивалентный ветер. • Эквивалентный ветер — это расчетный ветер, направленный всегда вдоль вектора путевой скорости и оказывающий на путевую скорость такое же влияние, как и фактический ветер. • Эквивалентный ветер определяется как разность путевой W и воздушной V скоростей: • =W—V • Из этого соотношения следует, что эквивалентный ветер — скалярная величина, знак которой зависит от знака разности модулей путевой и воздушной скоростей: он положителен, если путевая скорость больше воздушной, и эквивалентный ветер является попутным. Если же путевая скорость меньше воздушной, то эквивалентный ветер — встречный (отрицательный).

( >0)

• Введение понятия эквивалентного ветра упрощает оценку влияния ветра на полет самолета и облегчает решение целого ряда навигационных задач, связанных с планированием и выполнением воздушных перевозок. • Особое значение имеет использование эквивалентного ветра при составлении расписания движения самолетов по воздушным трассам, при оценке возможного времени прибытия самолета в конечный пункт, при оценке необходимого для полета запаса топлива и т. п.

• Анализ навигационного треугольника помогает установить связь между эквивалентным ветром и действительным ветром, наблюдаемым в определенный момент времени в некоторой точке маршрута. Эквивалентный ветер в некоторый момент времени в определенной точке маршрута (трассы) определяется по формуле. ucos = Где угол ветра, u – скорость ветра, V – скорость самолета

• Для решения задач планирования и выполнения полетов необходимо знать эквивалентный ветер по всей трассе. • Эквивалентный ветер по маршруту м для заданного момента времени равен разности между средней путевой скоростью по маршруту Wм и воздушной скоростью полета V: м = Wм-V (*) • Если самолет пролетает маршрут протяженностью S за время Т, то • Wм = S/T. • Обозначим через Si, Ti, Wi и i соответственно, протяженность i го участка маршрута, время полета, путевую скорость и эквивалентный ветер на этом участке. • S= • где n — число участков маршрута. • Тогда, преобразуя формулу (*), получим • Заменив в этом выражении величину Тi / T приближенным отношением Si / S, получим ( **) • Т. об, оценив эквивалентный ветер на каждом участке трассы, можно в соответствии с (**) определить эквивалентный ветер по маршруту.

• Знание эквивалентного ветра по маршруту позволяет оценить влияние ветра на дальность (и аналогично на продолжительность) полета. • Эквивалентный ветер позволяет определить: • фактическую путевую скорость при известной воздушной скорости: Wф=V+ • требуемую воздушную скорость V для полета по расписанию с заданной путевой скоростью Wз: V= Wз-

• Сдвиги ветра и их влияние на взлет и посадку • Понятие о сдвиге ветра. • При пилотировании самолета в непосредственной близости от земной поверхности экипаж должен иметь информацию не только о скорости и направлении ветра, но и о возможных его резких изменениях вдоль траектории движения. Самолет пересекает самый нижний слой атмосферы в столь короткое время, что ограниченный запас высоты, скорости, приемистость двигателей не позволяют летчику своевременно парировать неожиданное изменение ветра. Отсутствие информации о резком усилении или ослаблении ветра явилось в ряде случаев одной из главных причин летных происшествий. • Характеристикой пространственной изменчивости ветра является сдвиг ветра — изменение направления и (или) скорости ветра в пространстве. • Сильные сдвиги ветра входят в число опасных для авиации явлений погоды.

• Сдвиг ветра определяется как векторная разность векторов ветра, измеренных в двух точках пространства, которая отражает изменение как скорости, так и направления ветра при перемещении от одной точки к другой. • В зависимости от взаимного расположения рассматриваемых точек в пространстве (обе точки лежат в вертикальной или в горизонтальной плоскости) различают сдвиг ветра соответственно вертикальный или горизонтальный.

• Модуль сдвига ветра: • где V 1 и V 2 — скорость ветра в двух точках, — угол между векторами ветра V 1 и V 2

• Вертикальный сдвиг ветра β характеризует изменение ветра с высотой, например, по данным датчиков ветра, установленных на разных высотах на мачте, башне, на зданиях. Величина β определяется по формуле • где ΔU= │Uв-Uн│ — модуль векторной разности векторов ветра на верхнем уровне и нижнем уровне м/с; • ΔZ — толщина рассматриваемого слоя, м. • Следовательно, единицей измерения вертикального сдвига ветра является с-1, однако для практических целей метеорологического обеспечения полетов значения рассчитывают для слоя толщиной 30 м и указывают в м/с на 30 м. • Иногда определяют сдвиг ветра в слое толщиной 100 м, • в международных документах и зарубежной литературе встречаются и другие единицы измерения β, определяемые иными единицами измерения скорости ветра (узлы, фут/с, . мили/ч и т. п. ).

Таблица 1 - Критерии интенсивности сдвига ветра Интенсивность сдвига ветра (качественный термин) Слабый Умеренный Сильный Очень сильный Вертикальный сдвиг ветра, Влияние на управление м/с на 30 м; воздушным судном горизонтальный сдвиг м/с на 600 м; Незначительное Значительное Существен. трудн. Опасное 0— 2 2— 4 4— 6 >6

• Условия взлета и посадки самолетов при наличии сдвига ветра. • Из за большой массы (50— 200 т) современный самолет обладает значительной инерцией, которая препятствует быстрому изменению скорости его движения относительно земной поверхности. Сохранение самолетом этой скорости при пересечении уровней с различным ветром приводит к изменению воздушной скорости и аэродинамических сил. Эти отклонения не всегда могут быть своевременно устранены пилотом из за задержки реакции самолета на управляющие воздействия. • Рисунок Пример влияния вертикального сдвига ветра на взлет и посадку. • 1 — предполагаемая, 2 — действительная траектория движения ВС.

• Вертикальные сдвиги в 60% случаев вызывают болтанку самолета и прогноз вертикальных сдвигов соответствует прогнозу болтанки в приземном слое. На практике синоптик АМСГ использует для прогноза сдвигов ветра синоптический метод. Сдвиги ветра (умеренные или сильные) указываются в прогнозе тогда, когда по синоптической обстановке в районе аэродрома наблюдается или ожидается: • атмосферные фронты, особенно ХФ 2 го рода • зоны развития кучево дождевой облачности • задерживающие слои • горно долинные или стоковые ветры, а также фен • низкотропосферные струйные течения • Все перечисленные явления могут приводить к возникновению сильных сдвигов ветра, и все эти моменты учитывает синоптик в своем прогнозе.

• Струйные течения в атмосфере и их аэронавигационное значение • Основные характеристики струйного течения. Влияние ветра на параметры движения ВС наиболее существенно при больших скоростях ветра, особенно в области струйного течения (СТ). • СТ — это перенос воздуха в виде узкого течения с большими скоростями, обычно в верхней тропосфере и нижней стратосфере с осью вблизи тропопаузы. Максимальная скорость ветра (30 м/с и более) наблюдается на оси струйного течения. • Сдвиг ветра в области струйного течения обычно составляет 5— 10 м/с на 1 км высоты и 10 м/с и более на 100 км в горизонтальном направлении. • Струйные течения образуются в зонах наибольшего сближения теплых и холодных воздушных масс, где создаются значительные горизонтальные градиенты давления и температуры, поэтому они всегда связаны с планетарными высотными фронтальными зонами.

• Особенности полета в зоне струйного течения. • На теплой стороне СТ обычно возникают перистые и перисто кучевые облака. Чаще всего они наблюдаются ниже оси струи и имеют вид полос, параллельных оси. Они обычно хорошо различимы на космических снимках. • Для струйных течений характерны большие скорости ветра и значительная турбулентность, связанная с областями существенных сдвигов ветра, находящихся на периферии СТ и имеющих зачастую очаговый характер. • Интенсивная турбулентность отмечается в основном на его холодной (циклонической) стороне, где наблюдаются более значительные градиенты температуры и скорости ветра. В зоне СТ сильная болтанка самолетов часто наблюдается при ясном небе.

• Полет в зоне СТ при попутном направлении ветра целесообразно осуществлять по оси СТ или вблизи нее, поскольку здесь турбулентность менее вероятна. На периферии СТ вероятность сильной болтанки резко возрастает. • Если полет в зоне СТ происходит против ветра, то путевая скорость резко уменьшается, а если по ветру—возрастает. • При полете на большие расстояния можно использовать струйные течения для сокращения времени полета или увеличения его дальности. • Обработка материалов рейсовых полетов самолетов с ТРД на высотах 9— 11 км показала, что на маршрутах большой протяженности (особенно в зональном направлении) вероятность встречи в полете струйного течения составляет 70— 80 %. Это свидетельствует о большом аэронавигационном значении струйных течений и о ценности прогностической информации о расположении оси СТ и скорости ветра на ней для оптимизации траектории движения самолета.

• • • Прогноз ветра Составляется: у поверхности земли в пограничном слое (до 1. 5 км) на высоте круга (300 600 м) выше слоя трения (в свободной атмосфере) • в области СТ

• В прогнозе указывается направление ветра с точностью до десятков градусов (270°, 90°, 130° и т. д. ), скорость ветра: у поверхности земли – в м/с, на высотах – в км/ч. Отклонение фактического ветра от прогностического не должно превышать: • по направлению ± 30°, по скорости: у земли ± 3 м/с до 15 м/с и ± 20% при v>15 м/с; на высотах ± 30 км/ч до 400 г. Па и ± 40 км/ч выше 400 г. Па. • В прогнозе указывается средняя ожидаемая скорость, если ожидаются порывы (максимальная скорость), то они указываются в прогнозе при условии, что превышают среднюю скорость на 5 м/с и более (Например: 15005 G 10 MPS)

Прогноз ветра у поверхности земли • Прогноз ветра у поверхности земли необходим при взлете и посадке. Ветер у поверхности включается в оперативный прогноз по аэродрому. • 1. Направление и скорость ветра определяются барическим полем. Изменение барического градиента сопровождается изменением скорости ветра. • Рисунок • Ветер в слое трения

• 2. В Zn барический градиент, а следовательно, скорость ветра возрастает от центра к периферии, максимальные скорости ветра отмечаются на южной и западной перифериях Zn. При выходе южных Zn сильные ветры – на восточной периферии (в передней части). • 3. В приземном слое ветер направлен к центру Zn, отклоняясь от изобар примерно на 30°

• 4. В Az барический градиент, а следовательно, и скорость ветра в центре – минимальная, к периферии – увеличивается. Максимальные скорости – на северовосточной периферии Az. • 5. В приземном слое ветер направлен от центра Az под углом ≈30° к изобаре. • 6. Ветер усиливается при прохождении атмосферных фронтов, особенно холодных, при углублении Zn. Летом на холодных фронтах отмечаются шквалы (шквал — это резкое и внезапное усиление ветра с обязательным изменением его направления). • 7. С возрастанием неустойчивости ВМ - ветер усиливается, при инверсиях – наоборот. • 8. Днем скорость ветра > чем ночью.

• При составлении прогноза у поверхности земли используются: синоптический метод (по фактическому полю) и с использованием прогностических карт (АКП), а также расчетные методы, разработанные для разных регионов. • Крупные прогностические центры разрабатывают прогноз ветра на различных уровнях численными методами. Результаты этих расчетов оформляются в виде карт температуры и ветра и передаются потребителям, нуждающимся в этой информации. • По прогностическим картам (АКП) скорость ветра определяется с помощью градиентной линейки. • Vф= Vg kтр±ΔV, • Где Vg – скорость геостр. ветра, kтр – коэффициент трения, над сушей ≈0, 5, над морем ≈0, 7 0, 8, ΔV – поправка на кривизну изобар (± 3 м/c), (при Az ΔV>0, при Zn – ΔV<0).

• Синоптический метод • Основная идея синоптического прогноза погоды заключается в предположении, что изменения погоды связаны с перемещением и эволюцией циклонов и антициклонов, воздушных масс и фронтов. Поэтому составление прогноза погоды можно представить следующей схемой. • 1. Выявляются исходные условия погоды в той воздушной массе (или в определенном секторе циклона, антициклона, у фронта и т. п. ), перемещение которой ожидается в данный район. • 2. К исходным условиям погоды вносятся поправки: • а) на изменения погоды, связанные с эволюцией барической системы, воздушной массы или фронта как в процессе перемещения в интересующий район и до начала срока действия прогноза, так и в данном районе и на протяжении срока действия прогноза; • б) на влияние орографических и вообще местных условий как в районе начального расположения воздушной массы (фронта), так и по пути ее перемещения, а также в районе, для которого составляется прогноз погоды; • в) на суточный ход метеорологических величин и атмосферных явлений.

• Синоптический метод прогноза ветра у земли • Используется правило ведущего потока. • определяется скорость на АТ 500 или АТ 700, • умножается на коэффициент трения, • откладывается траектория частицы за 12 (или более часов), • траектория переносится на приземную карту, • по приземной определяется скорость и направление ветра. • Также необходимо учитывать суточный ход.

• Физико статистические методы (или синоптико статистические) • В основу физико-статистического метода прогноза положена связь между какой нибудь метеорологической величиной и её физической зависимостью от другого параметра атмосферы. Этот метод прогноза объективен, достаточно прост, позволяет быстро получить результат прогноза, но может использоваться только регионально. • В основу синоптико-статистического метода прогноза положена статистическая связь между каким либо явлением погоды и той синоптической ситуацией, в которой это явление наблюдается. Данный метод, как и предыдущий, объективен, прост, быстро позволяет получить результаты прогноза, но тоже является региональным.

• Эффективны прогностические графики, составляемые по многолетним наблюдениям. А. С. Зверевым предложен график, с помощью которого по горизонтальному градиенту давления в зависимости от времени года и времени суток можно определить ожидаемую скорость ветра. Предсказав величину барического градиента, по графику можно определить вероятную скорость ветра.

• Для авиации важны порывы ветра. Используют разные методы. • В частности для Западной Сибири – метод В. М. Ярковой метод прогноза скорости ветра у земли по данным о ветре на уровне 850 г. Па. Заблаговременность прогноза до 12 часов. • За основу берется ветер на карте АТ 850, а ветер у земли определяется по таблице (табл. 1) с учетом синоптической обстановки. Vmax= К·V 850

• Величина коэффициента К выбирается в зависимости от синоптической ситуации. • Значение К = 1 в том случае, если одновременно выполняются три условия: • 1) на районы Западной Сибири смещается циклон; скорость смещения фронта больше 30 км/ч и • 2) ветер с высотой усиливается • 3) вблизи пункта прогноза на высоте есть струйное течение. • Если не выполняется хотя бы одно условие, то К = 0, 7, а в однородной воздушной массе К = 0, 5.

Таблица 1 - Определение скорости ветра у земли по данным о ветре на уровне 850 г. Па Ветер у земли, м/с V 850 , км К К = /ч = 0 0, 1 , 5 7 40 -60 10 5 -9 сла б 1 ы 4 й 61 -70 15 10 - 5 -9 1

• Прогноз ветра в слое трения (пограничном слое) • Прогноз ветра в слое трения составляется над пунктом, на уровне круга и по маршруту при полете по ПВП. • С высотой скорость и направление ветра изменяются. Скорость ветра увеличивается, и ветер поворачивается вправо до тех пор, пока не становится градиентным. При адвекции теплого воздуха правый поворот усиливается. • Прогноз в слое трения составляется на уровнях 100, 200, 300, 400, 600, 1000, 1500 м. Прогнозируется скорость и направление ветра у земли и на уровне 850 г. Па, а между этими высотами – интерполяция.

Пример прогноза ветра в пограничном слое 00 м земля 1500 м 200 м 300 м 600 м 1000 м (850 г. Па) Направление, ° 200 Скорость, км/ч 200 210 230 240 260 20 30 30 40 50 70

• Прогноз ветра на высоте круга. • Круг – это установленный маршрут полета над аэродромом на высоте 300 или 600 м. Прогноз ветра на данной высоте необходим, т. к. эта высота важна при взлете и посадке. • Любые резкие изменения ветра, связанные со сдвигами ветра, неблагоприятны. Чем больше вертикальные – горизонтальные сдвиги ветра, тем опаснее посадка самолета. • Для Томска прогнозируемые значения скорости и направления ветра на высоте круга можно получить из формул: • V 600 = V 0+0. 9(V 850 V 0) • D 600 = D 0+0. 9(D 850 D 0), где V 0 и D 0 – скорость и направление ветра у земли.

Прогноз ветра выше слоя трения (в свободной атмосфере)

• 1. Инерционный метод прогноза ветра. • Широко используется на производстве. • Суть метода – при прогнозе до 12 часов (включительно) фактический ветер принимается в качестве прогностического. • От 5 км и выше барическое поле меняется медленно, а следовательно скорость и направление тоже медленно изменяются. Т. е. прогноз ветра заменяется диагнозом. Таким образом, фактические карты барической топографии становятся как бы и прогностическими до получения следующих карт, т. е. до обновления информации.

• 2. Прогноз ветра по прогностическим картам • В распоряжении синоптика есть прогностические карты температуры и ветра разных уровней, разработанные численными методами. • Выбирается ближайшая к заданной высоте карта АКП, предвычисленная на необходимый момент времени (могут быть на 12, 18, 24 часа).

• При построении поля ветра (определения) на АКП необходимо: • определить скорость геострофического ветра Vg (равномерное движение вдоль прямолинейных изогипс). • внести поправку на кривизну изогипс и определить градиентный ветер Vгр (равномерное движение вдоль криволинейных изогипс) Vгр = Vф = k·Vg • k – коэффициент поправка на кривизну, зависит от Vg и радиуса кривизны изогипс R. Для Zn k <1, для Az k >1. • Если R≥ 3000 км и/или Vg < 60 км/ч, Vгр= Vф = Vg.

Рис. Номограмма для определения радиуса кривизны изогипс

Рис. Номограмма для определения коэффициента k при циклонической (а) и антициклонической (б) кривизне изогипс.

• Прогноз струйных течений • Для прогноза СТ важно определить скорость на оси СТ, высоту, перемещение оси СТ. • 1. Метод прогноза максимальной скорости и высоты оси СТ предложил Н. В. Петренко (на 24 ч. вперед). • Метод основан на учете распределения скоростей ветра в верхней тропосфере. Если в исходный момент Hmax

Если в исходный момент Hmax>H 300, то

• Средние значения Г 500 и Г 300 определяются по графику • Рис – Зависимость средних значений Г 500 и Г 300 от скорости ветра на поверхностях 500 (1) и 300 (2) г. Па.

• Прогноз горизонтального перемещения оси СТ методу Е. Рейтера Прогноз составляется на предположении о смещении осей СТ по направлению осредненного воздушного потока на уровне АТ 300. Предложена палетка (рис. ), с помощью которой можно рассчитать широтную и меридиональную составляющие.

• Для точки на оси СТ на карте АТ 300 с помощью палетки определяются значения геопотенциала в 8 узлах, а затем с помощью формул рассчитываются широтная и меридиональная составляющие. • Составляющие осредненного потока в точке 0 рассчитываются по значениям геопотенциала Н (гп дам) (i — номер соответствующего узла) по формулам: • Положительные значения uмер и uзон соответствуют направлению смещения точки на оси СТ на север и восток, отрицательные — на юг и запад. • С учетом этого из точки 0 откладываются (в градусах) векторы зональной и меридиональной составляющих смещения СТ. • Векторная сумма этих составляющих определяет прогнозируемое перемещение точки 0 за 24 ч. • Прогнозируя перемещение совокупности точек, выбранных на оси в начальный момент, получим прогнозируемое положение СТ, которое позволяет оценить изменение условий полета на проходящих в этом районе трассах.

• • Определение (прогноз) максимальной скорости ветра, высоты оси и мощности струйного течения по методу Е. Рейтера. Е. Рейтер предложил по данным зондирования атмосферы в произвольном масштабе построить график, исходными данными для которого являются высота поверхности и скорость ветра (рис. ). Все точки с исходной информацией последовательно соединяются между собой отрезками прямых линий, причем построение этой ломаной линии производится как сверху, так и снизу. Каждая ветвь линии проводится до одного из двух максимальных значений скорости ветра. Затем по прямой продлеваются последние отрезки до их пересечения. Эта точка пересечения укажет на высоту оси СТ, максимальную скорость на оси, а разница в высотах точек Е и D дает представление о толщине СТ (граница СТ – скорость 30 м/с).

Рис. Определение максимальной скорости ветра, высоты оси и мощности струйного течения.