Скорость самолета в чем измеряется: Скорости летящего самолета. Аэробус и Боинг.

Скорости летящего самолета. Аэробус и Боинг.

Стартуем с азов: скорости большинства современных самолётов измеряются в узлах. Узел — это морская миля (1.852 км) в час. Связано это с навигационными задачами которые пришли ещё со времён мореплавателей. Морская миля — это минута широты.

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.

Для начала изучим приборную скорость (IAS). Если вы во время полёта спросите пилота: «Какова наша скорость?» — в первую очередь он укажет вам на индикатор скорости слева от авиагоризонта на главном пилотажном дисплее (PFD). При пилотировании это, пожалуй, наиболее важная скорость, именно она характеризует несущие свойства планера в текущей момент, независимо от высоты полёта. Именно по ней исчисляются взлетные, посадочные, V-сваливания и другие ключевые скорости самолёта.

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.

В это же мгновение наступила V2, в нашей ситуации Vr и V2 скалькулировались одинаковыми, но зачастую V2 превосходит Vr. V2 — безопасная скорость. В случае отказа одного из двигателей будет поддерживаться именно V2, она гарантирует безопасный градиент набора высоты. Но, как вы помните, у нас всё замечательно, активен режим SRS, и поддерживается скорость V2+10 узлов.

На PFD во время взлёта V1 обозначена голубым треугольником, точкой цвета маджента — Vr, треугольником цвета маджента — V2.

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.

Представим, что мы готовимся к вылету, и настало время рассчитать скорости V1, Vr и V2. На дворе 21 век, и чудеса прогресса подарили нам электронный лётный портфель (EFB — специально обученный iPad с необходимым комплектом софта) Какую же именно информацию нужно внести в этот портфель, чтобы магия единичек и ноликов рассчитала нам скорости? Прежде всего, длину взлетной полосы. Мы с вами готовимся к вылету с полосы 14 правая столичного аэропорта Домодедово. Её длина 3500 метров.

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 🙂

Поскольку 3500 метров — это более, чем достаточно для взлёта, продолжаем вносить данные. На очереди Превышение аэродрома над уровнем моря, Составляющая ветра, Температура воздуха, Состояние полосы (мокрая/сухая), Взлётный режим тяги, Положение закрылок, Использование паков (система кондиционирования) и антиобледенительных систем. Вуаля, скорости готовы, осталось только внести их в MCDU.

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.

И так раз за разом, пока не получите все значения, а их много. Прямо как в первом классе — пальчик передвинул, символ прочитал. Очень занимательно.

Осталось совсем немного: взлететь, на тысяче футов включить автопилот и подождать ещё совсем чуть-чуть. А там уж девчонки касалетки с кормом принесут и можно будет погрузится в школьные воспоминания. А аэрбас сам хорошо летит, главное — не мешайте ему.

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.

Не успели мы и глазом моргнуть, как добрались до высоты 1500 футов. Настало время переводить Рычаги Управления Двигателями в режим Climb. Нос опускается ниже, и мы начинаем разгоняться до скорости S-speed, на ней убираем механизацию (Flaps 0), следующий скоростной рубеж — 250 узлов. 10 000 футов, Нос опускается ещё ниже, скорость продолжает увеличиваться быстрее, а высота — медленнее. Выключаем Landing Lights, а самые нетерпеливые уже держат руку на готове для отключения табло «пристегните ремни».

Top of climb, достигнут заданный эшелон полёта, самолет выравнивается, идём с крейсерской скоростью. Самое время пополнить запас калорий!

Ужин на высоте нескольких километров с панорамным видом на окрестности — это прекрасно. Да, еда не тянет на звезду мишлен, зато счёт вам оплатят! Но всё хорошее, как известно, имеет свойство заканчиваться, вот и нам пора снижаться. Опускаем нос, начинаем снижение. После 10 000 футов скорость падает до 250 узлов, продолжаем снижать высоту.

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…

Выпускаем закрылки в первое положение, скорость гасится до S-speed. Далее — закрылки 2 и плавно достигаем F-speed. Закрылки 3 и, наконец, закрылки полностью, замедляемся до Vapp. Vapp — минимальная скорость (VLS), но с поправкой на ветер и порывы (минимум 5 максимум 15 узлов).

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 — База знаний

Воздушная скорость

Скорость ЛА относительно воздуха. Различают два вида воздушной скорости:

истинная воздушная скорость (TAS)

Действительная скорость, с которой ЛА движется относительно окружающего воздуха за счёт силы тяги двигателя(ей). Вектор скорости в общем случае не совпадает с продольной осью ЛА. На его отклонение влияют угол атаки и скольжение ЛА;

скорость по прибору (IAS)

Скорость, которую показывает прибор, измеряющий воздушную скорость. На любой высоте эта величина однозначно характеризует несущие свойства планера в данный момент. Значение приборной скорости используется при пилотировании ЛА;

Путевая скорость (GS)

Скорость ЛА относительно земли. Зависит от воздушной скорости, скорости и направления ветра. Значение рассчитывается или измеряется при помощи технических средств самолётовождения. Используется при решении навигационных задач.

Крейсерская скорость

Воздушная скорость горизонтального полета, при которой величина отношения потребной тяги к скорости полета минимальна. На крейсерской скорости военная авиация совершает обычно свои боевые действия, а гражданская — рейсы по маршрутам, трассам. Скорость крейсерская составляет 0,7-0,8 максимальной скорости полета.

Число М (число Маха)

Число́ Ма́ха — в механике сплошных сред — отношение локальной скорости потока к местной скорости звука. Зачастую используется упрощённое определение числа Маха как отношения скорости тела, движущегося в газовой среде, к скорости звука в данной среде. Такое определение не вполне корректно, так как скорости потоков в окрестностях движущегося тела зависят от его формы.

Чаще всего такое определение используется в оценочных характеристиках ЛА: их скорость задаётся безразмерным числом в формате «M n «, где «n «-десятичное число. Например, «скорость M 2 » — обозначает что скорость летательного аппарата в 2 раза превышает скорость звука. Пересчёт такой скорости в линейную скорость затруднён, так как скорость звука в воздухе зависит от его плотности (и, соответственно, высоты полёта) и температуры. Вместе с тем шкала скоростей Маха широко применяется в авиации, так как аэродинамические свойства и условия обтекания летательных аппаратов при близких значениях числа Маха также близки.

VMO/MMO

Максимальная эксплуатационная (допустимая) скорость. Скорость, которую нельзя превышать ни при каких условиях. Для выражения служит приборная воздушная скорость в узлах или число М.

Vs

Минимальная приборная скорость (с внесенными аэродинамической и инструментальной поправками), при которой самолет управляем в заданных условиях.

Vso

Скорость сваливания в посадочной конфигурации.(минимальная скорость в посадочной конфигурации)

V1

Скорость принятия решения. Это расчитанная для данных условий взлета скорость, до достижения которой должно быть принято решение о продолжении или прекращении взлета. Причем оставшейся располагаемой дистанции должно хватать как для прерванного, так и для продолженного взлета (даже с учетом потери тяги отказавшего двигателя, если таковое произошло). В дистанцию продолженного взлета входит остаток ВПП, а в дистанцию прерванного взлета — остаток ВПП + КПБ.

V1 зависит от многих факторов, таких, как: метеоусловия (ветер, температура), состояние покрытия ВПП, взлетный вес самолёта и другие. В случае, если отказ произошёл на скорости, большей V1, единственным решением будет продолжить взлёт и, затем произвести посадку. Большинство типов самолётов ГА сконструированы так, что, даже если на взлёте откажет один из двигателей, остальных двигателей хватит, чтобы, разогнав машину до безопасной скорости, подняться на минимальную высоту, с которой можно зайти на глиссаду и посадить самолёт.

Va

Расчетная маневренная скорость. Максимальная скорость, при которой можно производить полное отклонение управляющих поверхностей, не перенагружая конструкцию самолёта.

Скорость полета самолета и трубка Пито

Здравствуйте, друзья!

Скорость полета. Одна из важнейших характеристик  для любого летательного аппарата.  Мы все привыкли, что самолет обязательно означает «быстро». Все ассоциации работают только в этом направлении. Скорость многим нравится. Практически любой человек не прочь прокатиться «с ветерком» на своем авто (если, конечно, полиция не помешает 🙂 ) . И информацию о движении здесь получить несложно. Достаточно взглянуть на спидометр, который механическим или электронным способом соединен с колесом. Скорость вращения колеса дает нам в конечном итоге скорость, с которой автомобиль движется по дороге.

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.

Для сбора и обработки такого рода данных на современных самолетах существуют специальные системы. Одно из названий для них — система воздушных сигналов (СВС).

Работа датчиков такой системы, собирающих данные для определения скорости полета основана на двух уже почтенного возраста изобретениях. Первое — это трубка Пито. Она изобретена в 1732 году французским ученым А.Пито. Он занимался гидравликой, то есть изучал течение жидкости в трубах. Как известно законы гидравлики при определенных условиях вполне применимы для газов, то есть для воздуха. Его мы в дальнейшем и будем иметь ввиду. 

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!

Если серьезно, то то давление, которое мы получаем при торможении воздушного потока в трубке Пито – это так называемое полное давление. Оно, на самом деле, равно сумме двух других давлений.

Полное давление = динамическое давление (скоростной напор) + статическое давление.

Это, между прочим, упрощенное изложение уравнения Бернулли, того самого ученого, о котором мы уже упоминали в статье о подъемной силе. Все правильно, ведь в обоих статьях мы говорим о газовых потоках, а это стихия любого летательного аппарата :-).

Динамическое давление, его еще называют скоростной напор, это то самое давление, которое и дает нам скорость полета. Статическое давление – это наше незаметное (как суслик :-)) давление. И при измерении скорости его обязательно надо учитывать, ведь оно в разных точках пространства может иметь различные значения, особенно с изменением высоты полета, и тем самым оказывать влияние на величину измеренной скорости полета.

Теперь для простоты понимания приведу пару формул. Именно для простоты понимания, хоть это и не в традициях сайта :-). Итак обзовем (как говорил мой преподаватель по физике) полное давление Р, динамическое — Р₁, статическое — Р₀ , скорость полета (потока) – V. И еще нам понадобится такой физический параметр, как плотность воздуха ρ. Я думаю все еще со школы помнят, что это такое :-).

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)

Исходя из этого несложного выражения работают все авиационные воздушные (аэродинамические) измерители скорости. Как пример можно привести достаточно простой указатель скорости для малоскоростных самолетов УС-350.

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.

Это второе изобретение (а точнее усовершенствование) из тех двух, о которых я говорил выше. Его сделал немецкий ученый-физик Людвиг Прандтль, которого даже иногда называют отцом современной аэродинамики. Он объединил измерение полного давления потока и статического давления в одной трубке. Для этого в ней есть одно отверстие в направлении потока для полного давления и ряд отверстий на поверхности, обычно расположенных по кольцу, для статического давления. Оба эти давления обычно отводятся в герметичные емкости, разделенные чувствительной мембраной и уже ее движение передается на стрелочный указатель скорости полета. Вот и все. Все гениальное просто, как известно :-)… Такое устройство называют трубкой Прандтля или Пито-Прандтля. На рисунке: 1 — трубка Прандтля, 2 — воздуховоды, 3 — шкала указателя скорости (УС), 4 — чувствительная мембрана.

Схема работы трубки Прандтля (ПВД).

Работа указателя скорости неплохо показана в этом небольшом ролике.

На современных летательных аппаратах эти устройства получили новое, более простое и правильное название: приемники воздушного давления (ПВД). Они дают первичные данные в сложный комплекс системы воздушных сигналов. Трубки Пито в чистом виде сейчас практически не применяются. Хотя кое-где в малой авиации они еще встречаются. В комплекте к ним тогда обязательно идут приемники статического давления в виде плиты с рядом отверстий на обшивке летательного аппарата.

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).

Все данные, выдаваемые ПВД, как я уже говорил, в итоге передаются на стрелки специальных приборов – указателей скорости полета. Они довольно разнообразны, как разнообразны и определения для скоростей полета летательного аппарата. Ведь он передвигается не только относительно земли, но и относительно атмосферы, которая сама по себе среда очень нестабильная.

Итак, скорости летательного аппарата.

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:

Инструментальные. Возникают из-за несовершенства и особенностей изготовления самого прибора.

Аэродинамические. Это ошибки, возникающие при замере статического давления. Обусловлены конструкцией самолета, местом расположения датчиков и скоростью полета.

Методические. Эти ошибки обусловлены тем, что каждый указатель скорости рассчитывается и тарируется  под определенные условия. В физике такие условия называются нормальными. Это когда атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., а температура воздуха 15°  С. Но на самом деле с подъемом на высоту эти условия меняются. Меняется и плотность воздуха и следовательно скорость, которую показывает прибор, то есть приборная. С подъемом на высоту приборная скорость всегда меньше истинной.  Они равны только при нормальных атмосферных условиях. Все эти погрешности учитываются в виде поправок при навигационных расчетах.

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.

Крейсерская скорость. При этой скорости величина отношения потребной тяги к скорости полета минимальна. То есть летательный аппарат на этом режиме максимально экономичен при сохранении скорости, достаточной для выполнения задачи. Крейсерская скорость обычно равна 0,7-0,8 от максимальной. На ней выполняются долговременные полеты по маршрутам.

Вот пока, пожалуй, и все. Однако в завершение скажу об одной важной детали. Говоря в этой статье о воздушных потоках и скоростях, мы имели ввиду скорости до 350-400 км/ч. Дело в том, что начиная с этих скоростей проявляется новый эффект воздушного потока – сжимаемость. Она порождает новую методическую ошибку в измерении скорости, которую тоже надо учитывать. Влияние сжимаемости с ростом высоты и скорости полета растет, переходя в эффекты сверхзвука. Но скорость полета на сверхзвуке, трубка Пито на этом режиме и другие приборы измерения скорости — это уже тема следующей статьи…

До новых встреч :-)…

P.S. В заключении предлагаю вам посмотреть дополнительный ролик, рассказывающий о трубках Пито и Прандтля.