Летные испытания. Конспект лекций Лекция 1
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
Измерение характеристик ветра. Для измерения ветра у поверхности земли применяют анемометры (измерители скорости ветра) анеморумбометры (измерители скорости и направления ветра), анеморумбографы (анеморумбометры с возможностью записи). Приемники ветровых приборов устанавливаются на высоте 10м, при этом должно быть устранено влияние посторонних предметов. Учитывая, что ветер у земли важен, прежде всего, для взлетно-посадочных операций, ветер должен измеряться непосредственно около ВПП. Для определения скорости и направления ветра на высотах используют шар-зонд или радиозонд (при этом измеряются и другие характеристики атмосферы). Ветер определяют также экипажи самолетов, оценить скорость и направление ветра можно по движению облаков. При отсутствии данных измерений ветра и, особенно при обеспечении маршрутных полетов для навигационных расчетов используется градиентный ветер, определяемый по метеорологическим картам в зависимости от распределения давления. В большинстве случаев отличия градиентного ветра от действительного по скорости не превышают 15%, а по направлению ±10°. Влияние ветра на работу авиации. - С ветром связан перенос тепла и холода, водяного пара, облаков и различных погодных явлений, прямо пли косвенно влияющих на производство полетов. - Ветер как движущаяся воздушная среда изменяет скорость и направление полета самолета по отношению к земной поверхности. - В случае порывистого и непостоянного ветра, что бывает чаще всего, нарушается равновесие аэродинамических сил у летящего самолета, и он испытывает болтанку и броски. - Серьезные трудности для пилотирования может вызвать сдвиг ветра – существенная разница в скорости и/или направлении ветра в соседних слоях. Самолет преодолевает градиентный слой за секунды, и встречается с резким изменением скоростного напора, приводящим к изменению подъемной силы, либо с резким изменением направления своего движения, приводящем к увеличению угла скольжения и/или к сносу с заданной траектории движения. Вертикальные движения воздуха. Кроме горизонтальных, в атмосфере постоянно происходят вертикальные движения. Они играют важнейшую роль втаких атмосферных процессах, как перенос тепла и водяного пара по вертикали, образование облаков и осадков, рассеяние облаков, развитие гроз, возникновение турбулентных зон и т. д. В зависимости от причин возникновения различают следующие виды вертикальных движений воздуха. Термическая конвекция. Этот вид вертикальных движений возникает вследствие неравномерного нагревания воздуха от подстилающей поверхности. Термическая конвекция может быть в виде неупорядоченных токов воздуха, которые иногда называют термической турбулентностью, и, кроме того, в виде мощных упорядоченных движений больших масс воздуха, охватывающих почти всю тропосферу. Скорость конвективных движений может достигать нескольких метров в секунду, а в отдельных случаях, например в кучево-дождевых облаках, и более 20—30 ли сек. Горизонтальная протяженность областей с конвективными вертикальными движениями воздуха может составлять до десятков километров. Динамическая конвекция, или динамическая турбулентность. Этот вид представляет собой неупорядоченные вихревые движения, возникающие при горизонтальном перемещении и трении воздуха о подстилающую поверхность. Вертикальные составляющие неупорядоченных вихрей могут достигать несколько десятков сантиметров, а иногда и метров в секунду. Динамическая конвекция наблюдается в слое от земли до высоты 1—1,5 км (пограничный слой). Термическая и динамическая конвекции зачастую наблюдаются одновременно, определяя неустойчивое состояние атмосферы. Вынужденные вертикальные движения воздуха. Они бывают в виде упорядоченных восходящих скольжений или вертикальных движений. Они наблюдаются при натекании теплого воздуха на холодный (на теплом атмосферном фронте) илипри активном подклинивании холодного воздуха под теплый (на холодном фронте), а также при натекании воздуха на крупные препятствия (холмы, горы). Вертикальная скорость таких движений составляет от нескольких десятков сантиметров в секунду до нескольких до 15 – 20 м/сек. Волновые движения воздуха. Чаще всего эти движения возникают на слоях инверсий (на их верхней и нижней границах) вследствие разности плотности и скорости движения воздуха над и под инверсией. В вершинах воли имеет место восходящее, в долинах нисходящее движение воздуха. Волновые движения в атмосфере также могут наблюдаться и над горами на их подветренной стороне (подветренные или стоячие волны). Влияние вертикальных движений воздуха на работу авиации - Приводят к образованию кучево-дождевых облаков, сопровождающихся грозовыми явлениями, шквалистыми ветрами, ливневыми осадками, крупным градом, возможностью обледенения. - Вертикальные потоки воздуха крупного масштаба могут вызвать большие, не зависящие от летчика вертикальные перемещения самолетов иногда на несколько тысяч метров вверх или вниз. Это бывает особенно опасным при полетах на высотах, близких к практическому потолку самолета, где восходящий поток может поднять самолет на высоту, значительно превышающую его потолок, или при полетах в горных районах на подветренной стороне хребта, где нисходящий воздушный поток может явиться причиной столкновения самолета с землей. - При полетах в воздушной массе, где наблюдаются сильно развитые вертикальные токи, самолет испытывает болтанку. Турбулентность. Болтанка. Как уже упоминалось, атмосферные движения часто носят неупорядоченный хаотический, вихревой, так называемый турбулентный характер. При этом зоны с выраженной турбулентностью обычно являются не сплошными возмущенными слоями, а прерывистыми — возмущенные участки чередуются спокойными. Толщина возмущенных слоев чаще всего не превышает 300—600 м, а их протяженность — 60—80 км. Но иногда турбулентность охватывает более мощные слои — толщиной до 2—3 км и протяженностью до 1000 км и более. Чем интенсивнее турбулентность, тем меньше толщина и протяженность турбулентного слоя атмосферы. Продолжительность существования турбулентных зон составляет несколько часов и лишь в отдельных случаях — до суток. Турбулентности чаще наблюдается в нижних слоях атмосферы (до высоты 2—3 км). Выше (до высоты 6 км) она встречается редко, а затем по мере приближения к тропопаузе снова чаще. В стратосфере до высоты 15— 16 км, повторяемость турбулентности вновь уменьшается. При полете в турбулентной зоне возникают добавочные хаотические ускорения, вызывающие вредные перегрузки. Движение самолета становится возмущенным, он совершает непрерывные колебания по вертикали, появляется болтанка. Интенсивность болтанки характеризуется величинами максимальной перегрузки.
Действие перегрузок вызывает увеличение нагрузок на летчика, дополнительные напряжения на отдельных частях самолета, что ускоряет изнашиваемость материальной части, а в тех случаях, когда перегрузки превышают допустимые, самолет может попасть на срывные режимы или разрушиться в воздухе. С увеличением скорости полета эти перегрузки увеличиваются. Турбулентность, вызывающая болтанку самолетов, связана с описанными выше горизонтальными течениями и, особенно, с вертикальными движениями воздуха (в частности, со слоем трения, особенно при интенсивном солнечном нагреве земли, со струйными течениями на высоте 8— 14 км, с тропопаузой, с горными районами как при восходящих, так и при нисходящих потоках) Глобальная циркуляция атмосферы. Распределение температуры, давления, влажности, ветра и т.п. в атмосфере Земли зависят как от местных и кратковременных условий, так и, прежде всего, от постоянно существующих общепланетных движений крупных воздушных масс, из которых слагается общая атмосферная циркуляция. Общая циркуляция атмосферы обусловлена главным образом неравномерным притоком солнечной энергии на различные широты, отклоняющим действием вращения Земли и неоднородностью земной поверхности (ее расчлененностью на материки и океаны). Под воздействием указанных факторов в каждом полушарии в тропосфере возникает целый ряд отдельных циркуляций (колец), взаимно связанных друг с другом. В Северном полушарии одно из наиболее очевидных вертикальных колец циркуляции имеет место между экватором и субтропическими широтами (широта 25–40°). У экватора вследствие сильного нагревания воздух поднимается в верхние слои тропосферы и оттуда в виде южных потоков, называемых антипассатами, движется к северу. Под воздействием отклоняющей силы вращения Земли южное направление антипассатов сменяется юго-западным и на широте около 30° оно принимает западное направление. Здесь воздух накапливается и, опускаясь вниз, образует пояс высокого давления, расчлененный на отдельные антициклоны, что обусловлено наличием материков и океанов. В нижних слоях от широты 30—33° наблюдаются потоки воздуха к экватору, называемые пассатами. Пассаты вначале имеют северное направление, а по мере удаления к югу становятся северо-восточными. Они наблюдаются круглый год. Их скорость составляет 5—6 м/сек, а вертикальная мощность в среднем 4000 м. Опускающийся в субтропиках воздух оттекает не только к экватору, но и направляется к северу в виде юго-западных потоков. На широте около 40—50° он встречается с воздушными течениями умеренных широт и образует замкнутое кольцо циркуляции. Воздух умеренного пояса имеет два слабо выраженных кольца циркуляции. На широте около 70—75° он встречается с сильно выхоложенными воздушными потоками, направленными от Северного полюса к югу. Северный холодный воздух в свою очередь образует отдельное замкнутое кольцо циркуляции. По новейшим исследованиям циркуляция атмосферы не ограничивается только тропосферой. Установлено, что различные слои атмосферы физически взаимосвязаны и между ними имеет место вертикальный воздухообмен. Предполагается наличие целой системы колец стратосферной, мезосферной и термосферной циркуляции, смыкающихся с кольцами тропосферной циркуляции. В нижней тропосфере в местах смыкания колец циркуляции встречаются разнородные воздушные течения, отделяющиеся друг от друга узкими переходными зонами. В них формируются циклоны и антициклоны, которые вместе с локальным нагревом, рельефом и другими факторами существенно изменяют схему общей циркуляции атмосферы, придавая ей сложный, переменный хаотический характер. В связи с этим приведенная схема общей циркуляции атмосферы обнаруживается лишь на многолетних климатических картах среднего распределения давления и преобладающих направлений ветров. Более точная модель атмосферы до сих пор отсутствует. Струйные течения. Одним из проявлений глобальной циркуляции являются струйные течения. Они простираются на тысячи километров в длину, сотни километров в ширину и несколько километров в высоту. Ось струйного течения с максимальной скоростью ветра чаще всего располагается на 1–2 км ниже тропопаузы, скорость ветра в них превышает 100 км/ч. Тропосферные струйные течения подразделяются на внетропические и субтропические. Наиболее интенсивными и устойчивыми по времени являются субтропические струйные течения, которые в холодное время года в полосе 25—40° с. ш. могут опоясывать весь земной шар. Здесь максимальные скорости ветра могут достигать более 300 км/ч (достигают 750 км/ч). Внетропические струйные течения (арктические и умеренных широт) отличаются большой подвижностью, а интенсивность их подвергается непрерывным изменениям. Преобладающим направлением струйных течений является с запада на восток, однако в умеренных широтах они часто изгибаются. Их скорости вблизи оси не превышают 300 км/ч. В холодное время года интенсивность струйных течений усиливается. Воздушные массы Упоминающиеся большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие одинаковыми свойствами основных метеорологических элементов и перемещающиеся в одном из течений общей циркуляции атмосферы называются воздушными массами. Воздушные массы могут иметь площадь в сотни тысяч и миллионы квадратных километров, а высота их лежит в пределах от 1—2 км (т.е., в свободной атмосфере) до уровня тропопаузы. Воздушные массы подразделяются на теплые и холодные, устойчивые и неустойчивые. Теплой называется воздушная масса, имеющая более высокую температуру, чем подстилающая поверхность, на которую она распространяется. Такая масса вызывает потепление. Холодной называется воздушная масса, температура которой ниже температуры подстилающей поверхности. Такая масса вызывает похолодание. Устойчивой называется воздушная масса, в которой нет условий для развития восходящих движений воздуха (конвекции). Вертикальные движения могут возникать лишь в виде динамической турбулентности при горизонтальном движении воздуха. К такой воздушной массе обычно относятся теплые массы. Неустойчивой называется воздушная масса, в которой есть условия для развития восходящих движений воздуха (конвекции). К неустойчивым обычно относятся холодные массы. По общей географической классификации воздушные массы различаются в зависимости от положения очага их формирования с учетом характера подстилающей поверхности (океан или материк). При этом выделяют следующие основные типы воздушных масс: арктический воздух (АВ): морской (мАВ) и континентальный (кАВ); умеренный воздух (УВ): морской (мУВ) и континентальный (кУВ); тропический воздух (ТВ): морской (мТВ) и континентальный (кТВ); экваториальный воздух (ЭВ). Метеорологические условия в воздушных массах различного географического типа зависят от времени года, от их влагосодержания и, главным образом, от того, над какой подстилающей поверхностью (теплой или холодной) они перемещаются, выйдя из очага своего формирования (т. е. приобретают они устойчивость или неустойчивость). Атмосферные фронты. Атмосферными фронтами называются сравнительно узкие переходные зоны, расположенные на границе между двумя разнородными воздушными массами. При пересечении атмосферных фронтов обычно наблюдаются значительные изменения направления и скорости ветра, температуры, облачности и других метеорологических элементов. В зависимости от направления движения фронты подразделяются на теплые и холодные. Теплый фронт — атмосферный фронт, перемещающийся в сторону холодного воздуха. При движении фронта теплый воздух догоняет отступающий холодный и по его клину скользит вверх. В результате теплый воздух адиабатически охлаждается, и над фронтальной поверхностью впереди линии фронта образуется система слоистообразных облаков с зоной обложных осадков (рис. 1.13), захватывающая полосу до 300—400 км. В связи с этим при прохождении теплого фронта наблюдаются низкая облачность и ограниченная видимость. Летом, если теплым воздухом является влажный мТВ, на фронте могут развиваться кучево-дождевые облака и грозовая деятельность. Холодные фронты — атмосферные фронты, перемещающиеся в сторону теплого воздуха. Скорость движения холодного воздуха у земли больше скорости отступающего теплого воздуха, вследствие чего клин холодного воздуха вторгается под теплый, вытесняя его вверх. В зависимости от скорости движения, характера восходящих движений теплого воздуха, а также от расположения зон облачности и осадков относительно фронтальной поверхности холодные фронты подразделяются на холодный фронт 1-го рода (медленно движущийся фронт) и холодный фронт 2-го рода (быстро движущийся фронт). Холодный фронт 1-го рода располагается в легко выраженных ложбинах и пересекается с изобарами под острыми углами. Клин холодного воздуха медленно подтекает под теплую воздушную массу, обусловливая ее постепенное упорядоченное восходящее скольжение вдоль фронтальной поверхности. В результате за линией фронта (рис. 1.14) образуется обширная система слоистообразных облаков, летом дополняемая мощными кучево-дождевыми облаками, за фронтом переходящими в слоисто-дождевые, а затем в высоко-слоистые. Из кучево-дождевых облаков выпадают ливневые осадки, затем сменяющиеся обложными. Осадки, как и облака, покрывают большую зону. Холодный фронт 2-го рода располагается в слабо выраженных ложбинах и пересекается с изобарами примерно под углом 90°. С холодным фронтом 2-го рода (рис. 1.15) связана узкая зона мощной кучево-дождевой облачности и интенсивных ливневых осадков, которая располагается в основном впереди фронта и обычно имеет ширину в несколько десятков километров. Летом прохождение фронта сопровождается сильными шквалами, грозами, иногда градом. После прохождения фронта наступают быстрые прояснения, ветер ослабевает, и видимость улучшается до 10 км и более. В холодное время года холодный фронт 2-го рода проходит часто без образования кучево-дождевой облачности и, следовательно, без опасных явлений, связанных с ней. Обычно образуются плотные слоисто-кучевые облака, сопровождающиеся умеренным снегопадом. В случаях, когда холодный фронт догоняет теплый (что бывает в циклонических ВМ), два фронта смыкаются, и возникает фронт окклюзии. Различают два основных типа фронтов окклюзии: теплый и холодный. |