Измерители высоты полета Общие сведения о высотах, атмосфере, гипсометрической таблице и эшелонировании.

Знание высоты является необходимым условием для выполнения любого полета: для обеспечения безопасности полета, решения аэронавигационных задач, пилотирования, аэрофотосъемки, совершения посадки ВС. Режимы наибольшей дальности и продолжительности полета возможны только на определенных высотах для каждого типа ВС.

В зависимости от уровня отсчета различают истинную, относительную и абсолютную высоты.

Истинной высотой называется высота, изме­ряемая относительно пролетаемой местности. При горизонтальном полете истинная высоте изменяется с изменением рельефа местности.

Относительной высотой называется высота, измеряемая относительно какого-либо места, давление в котором известно, например, относительно места взлета или посадки.

Абсолютной высотой называется высота, измеряемая относительно уровня моря. Абсолютная высота не зависит от рельефа местности, при горизонтальной полете она постоянная.

В практике чаще всего требуется знать истинную высоту полета. Барометрический высотомер в общем случае измеряет относительную высоту, но можно измерять любую из указанных высот путей внесения со­ответствующей поправки.

Газообразная оболочка, окружающая Землю, называется атмосферой. Она имеет несколько слоев с различными физическими свойствами. Нижний из них, прилегающий к земной поверхности, называемой тропосферой, где сосредоточено примерно 90% массы всего воздуха и имеют место восходящие и нисходящие потоки, создающие вертикальное перемещение воздуха.

Считают, что в среднем высота тропосферы у полюсов равна 8-10 км, у экватора - I6-I8 км, в средних широтах — 10-11 км. В тропосфере значительно меняются температура, давление, влажность и другие характеристики воздуха.

Слой, лежащий над тропосферой, называется стратосферой. Он простирается до 90 км и характеризуется тем, что в нем температура по вертикали постоянна.

Над стратосферой располагается ионосфера до высоты 800 км, воздух в этом слое ионизирован (способствует распро­странению радиоволн). Самый верхний слой называется экзосферой, он постепенно переходит в межпланетную среду.

Барометрический метод измерения высоты основан на зависимости абсолютного давления в атмосфере от высоты. При определении высоты различают геометрическую и геопотенциальную высоты. В обоих случаях за начало отсчета принимается уровень моря с параметрами стандартной атмосферы; давление Р₀ = 760 мм рт.ст.= I0I325 Па, температура Т₀= 288,15 К, плотность ρ₀= 1,225 кг/м³,

ускорение свободного падения g= 9,80665 м/с² скорость звука а = 340,94 м/с.

Под геометрической высотой Н_г понимают истинную высоту измеряемой точки над средним уровнем моря, под геопотенциальной высотой Н отношение геопотенциала измеряемой точки к ускорению свободного падения g. Под геопотенциалом понимают потенциальную энергию частиц атмосферы, отнесенную к единице массы,относительно уровня отсчета.

Геопотенциальная высота определяется по формуле:

Н_г

Н=1/ g_0г

0

На небольших высотах полета -различие Н и Нг-незначительно, так для

Н_г = 10000 м Н = 9984 м.

Барометрические высотомеры измеряют геопотенциальную высоту, если началом отсчета служит средний уровень моря, и относительную высоту над уровнем местности с известным барометрическим давлением.

Давление воздуха с увеличением высоты уменьшается, так как слой атмосферы становится более тонким и, следовательно, давление, которое он оказывает, будет меньше. Высоту, соответствующую изменению давления на I мм рт. ст., называют барометрической ступенью. Барометрическая ступень на различных высотах различна. С увеличением высоты барометрическая ступень увеличивается, например, в нижних слоях атмосферы барометрическая ступень равно 11 м, а на высоте 5000 м и выше 19 м.

Многочисленными исследованиями установлено, что состояние атмосферы с подъемом на высоту не остается постоянным - изменяются температура, плотность, влажность и давление воздуха. Температура воздуха в тропосфере непрерывно понижается по мере удаления от Земли, в среднем на 6,5°С на каждый километр подъема. Значение, на которое изменяется температура воздуха с удалением от Земли на 1 м, называется температурным вертикальным градиентом.

Зная температуру у земли и температурный градиент, можно определить температуру воздуха в тропосфере (до 11 км) по следующей формуле:

Т_Н=Т₀ -τH ,

Где: Тн - абсолютная температура на высоте, К;

Т₀- абсолютная температура у земли, К; Н - высота, м;

τ-температурный градиент, К/м.

С высоты 11 км и до высоты 25-30 км из-за отсутствия вертикальных перемещений температура воздуха остается постоянной и равна минус 56,5°С.

Изменение плотности воздуха с высотой определяется в основном изменением атмосферного давления. В связи с убыванием давления по мере увеличения высоты уменьшается и плотность воздуха. Различают весовую и массовую плотность воздуха.

Весовой плотностью воздуха называют вес 1 м³ воздуха, по СА-73 весовая плотность р₀ = 1,225 кг/м³.

Массовой плотностью воздуха называется масса воздуха в 1 м³ . Массовая плотность воздуха определяется как отношение весовой плотности р₀ к ускорению g₀.

Нормальная массовая плотность при стандартных условиях: ровна 0,125 кг с²/м⁴

Влажность воздуха в атмосфере главным образом определяется испарением воды с поверхности морей и океанов. Содержание водяного пара в воздухе зависит от времени года, суток и условий погоды. При определенных условиях водяной пар конденсируется и переходит в жидкие или твердые осадки. Он является самой неустойчивой составной частью атмосферы.

Влажность воздуха характеризуют следующие величины:

абсолютная влажность - количество водяного пара в 1 м³ воздуха,

относительная влажность - число, характеризующее влажное состояние воздуха в процентах полного насыщения, она вычисляется по формуле:

τ=100%

Где: (τ - относительная влажность воздуха, %)

l - абсолютная влажность воздуха, г/м³;

Е -максимальная упругость водяного пара, г/м³.

Относительная влажность показывает, насколько близок или далек влажный воздух от насыщения.

Эшелонирование. Высотой эшелона Нэ называется высота, измеряемая относительно какого-либо места (уровня аэродрома), которому соответствует стандартное атмосферное давление 760 мм рт. ст.

По условиям полета высоты делятся на предельно малые, малые, средние, большие, стратосферные, мезосферные.

Интервалы вертикального эшелонирования устанавливаются:

от эшелона 900 до эшелона 8100м - 300 м;

от эшелона 8100 до эшелона 12100м - 500 м;

выше эшелона 12100 м, а также между ВС, выполняющими полет, на сверхзвуковой скорости, к другим ВС-1000 м.

При полетах ниже нижнего эшелона вертикальное расстояние между нижним эшелоном должно быть не менее 300м.

На высотах ниже нижнего эшелона полета ВС по ПВП (ОПВП) со скоростью не более 300 км/ч эшелонируются через 150 м, во всех случаях через 300 м.

Для исключения возможностей столкновения самолетов в воздухе при полетах в сложных метеоусловиях введена система эшелонирования полетов ВС по высотам. Этой системой предусмотрены определенные эшелоны в зависимости от направления полетов.

Для того, чтобы освободить экипаж от расчета методических погрешностей, принято на всех ВС шкалы барометрического давления высотомеров после взлета устанавливать на давление 760 мм рт. ст. При этом высота, которую будет показывать высотомер, называется условной и обозначается Н₇₆₀.

Условная высота не совпадает с истинной, относительной и абсолютной, но знание ее обеспечивает выдерживание заданных интервалов по высоте между ВС, летящими в одном районе. Так как в полете необходимо знать истинную и относительную высоты, на ВС устанавливают 2 высотомера - один для определения истинной и относительной высот (барометрическая шкала устанавливается на давление у земли пролетающей местности), второй для эшелонирования (на давление 760 мм рт. ст.). С измереним истинной высоты полета задачи эшелонирования упрощаются.

ТЕОРИЯ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ

Известно, что с увеличением высоты Н уменьшается абсолютное атмосферное давление р. Так как это давление для одного и того же момента времени связано с высотой однозначной зависимостью, то, измерив на некоторой высоте абсолютное давление, можно определить высоту точки измерения.

Р+dр

Рис.41. Теория барометрического метода измерения высота.

Зависимость абсолютного давления атмосферы от высоты можно получить расчетным путем. Для вывода этой зависимости выделим в атмосфере на высоте Н вертикальный столб воздуха постоянного сечения S Давление воздуха на высоте Н обозначим через р, а давление воздуха на нулевой высоте — через р_о. Весовую плотность воздуха в цилиндре обозначим через γ.

Рассмотрим равновесие сил, действующих на столб воздуха высотой dH. На нижнее основание действует направленная вверх сила pS, а на верхнее — направленная вниз сила (p+dp)S, где p+dp — абсолютное давление на уровне верхнего основания. Кроме того, вниз направлена сила тяжести массы воздуха, заключенного в цилиндре, равная γSdH.

Уравнение сил имеет вид

(p+dp)S+γSdH=pS

Абсолютная высота является функцией только дав­ления, т. е.

Набс = f { (p_H). Следовательно, высотомеры для изме­рения абсолютной высоты представляют собой фактически измери­тели давлений среды со шкалой, проградуированнои в единицах высоты.

Относительная высота зависит от барометрического давления на измеряемой высоте Рн на уровне поверхности, относительно которой оно измеряется р_отн и температуры Тн заторможенного потока среды на этом уровне, т. е. Нотн = f (p_H, р_отн , Тн). Поэтому в конструкции измерителя относительной высоты пре­дусмотрено специальное устройство, которое вводит поправки на изменение величин давления р_отн и температуры Тн над мест­ностью, относительно которой измеряется высота.

Рис.42. Кинематическая схема барометрического высотомера:

1 — кремальера; 2 —шкала давлений; 3 — шкала (М); 4 — стрелка (М);

5 — стрелка (КМ); 6 — индексы; 7— пово­ротное основание; 8 — редуктор; 9 — ось с сектором; 10 — противо­вес; 11, 13 — темпера­турные компенсаторы; 12— тяга; 14 — подвиж­ный центр; 15 — ане­роидная коробка; 16 — пружинный балансир; 17 — шкала (КМ)

Рис.43 Барометр.

Чувствительным элементом высотомера служит анероидная коробка 15, смонтированная внутри герметичного корпуса. Его внутренний объем соединен со статической системой самолета.

Если самолет находится на высоте, соответству­ющей уровню Мирового океана, анероидная коробка оказывается деформированной так, что стрелки 4 и 5 устанавливаются на нуле­вых отметках шкал 3 и 17 прибора.

На высотах, отличных от нулевой, в результате изменения ат­мосферного давления происходит деформирование анероидной коробки. Линейное перемещение ее подвижного центра 14 с помощью тяги 12, оси с сектором 9 и редуктора 8 преобразуете во вращательное движение стрелок 4 и 5.

Кинематическая систем передачи такова, что при изменении высоты полета на 1000 м стрелка 4, показывающая на шкале 3 высоту в метрах; совершает полный оборот, а стрелка 5 указывает по шкале 17 один километр. Поскольку деформация анероидной коробки пропорциональна статическому давлению воздушной среды, высотомер в зависимости от предварительной настройки может показывать либо абсолютную, либо относительную высоты. Эта настройка осуществляется кремальерой 1.

Если кремальерой установить поворотное основание 7 на индекс отметки 760 мм рт. ст., прибор показывает абсолютную высоту. Для измерения относительной высоты, например, относительного аэродрома взлета, необходимо кремальерой установить стрелки 4 и 5 на нулевых отметках шкал высотомера.

Аналогич­ные действия выполняются в случае необходимости измерение относительной высоты над любой местностью, если атмосферное давление над ней будет сообщено экипажу.

Для компенсации инструментальных и методических ошибок, возникающих в процессе эксплуатации, высотомер имеет пружин­ный балансир 16, противовес 10 и температурные компенсаторы 11 и 13.

На современных самолетах помимо барометрических высото­меров применяются сигнализаторы опасной или заданной высоты и датчики высот. Их принцип действия аналогичен принципу действия рассмотренного высотомера.