Что такое относительная барометрическая высота
Уровни начала отсчета барометрической высоты
В принципе, путем установки давления на шкале барометрического высотомера пилот может сам выбрать уровень, от которого он желает отсчитывать высоту. Но с точки зрения безопасности полетов необходимо, чтобы высоты всех ВС, выполняющих полеты в определенном районе или диапазоне высот, отсчитывались от одного и того же уровня. Поэтому авиационные нормативные документы строго устанавливают, в каких случаях какой уровень начала отсчета высоты следует использовать.
Барометрический высотомер показывает высоту относительно уровня той изобарической поверхности, давление на которой установлено на высотомере. В гражданской авиации высоты отсчитываются от изобарических поверхностей, соответствующих следующим видам давления.
1. Стандартное давлени (QNE) P= 760 мм рт.ст. (1013,2 гПа). Это давление используется в полетах по маршруту на высотах выше так называемой высоты перехода. Стандартное давление – это постоянное число, численно соответствующее давлению на уровне моря в стандартной атмосфере
2. Давление аэродрома Pаэр (QFE). В Российской Федерации используется при взлете и посадке ВС. Давление на каждом аэродроме зависит от превышения аэродрома над уровнем моря, а также от текущих метеоусловий (погоды), поэтому оно каждый день и каждый час разное. Перед вылетом экипаж узнает давление аэродрома во время предполетной подготовки, а перед заходом на посадку его сообщает экипажу диспетчер по управлению воздушным движением.
Но аэродром занимает определенную территорию, в пределах которой из-за различия уровня рельефа в разных точках давление несколько различается. В большинстве случаев под давлением аэродрома понимается давление на уровне порога той взлетно-посадочной полосы (ВПП), с которой самолет взлетает или на которую садится. Порогом же ВПП называется начало той ее части, которая может быть использована для посадки ВС. Как правило, это начало искусственного покрытия ВПП (бетона).
Буква Q в обозначении QFE при назначении данного кода была взята из слова request (запрашивать), а буквы FE произошли от слов field elevation (превышение летного поля).
3. Приведенное минимальное давление Pприв.мин. Это давление не имеет трехбуквенного обозначения, поскольку в международной практике не используется. В Российской Федерации по приведенному минимальному давлению выполняются полеты по правилам визуальных полетов (ПВП) ниже нижнего эшелона (то есть на малых высотах) при полете по маршруту или в районе авиационных работ. Как правило, такие полеты выполняет легкомоторная авиация.
Слово «приведенное» означает, что это не давление в какой-то точке на рельефе местности, а давление пересчитанное (приведенное) по барометрическим формулам к уровню моря. Если в какой-либо точке рельефа выкопать колодец до уровня моря и опустить туда барометр, то он покажет приведенное давление в данной точке местности. Таким образом, приведенное давление – это давление на уровне моря в данном географическом пункте. Конечно, оно определяется не экспериментально (с помощью колодца и барометра), а расчетным путем.
Приближенный расчет приведенного давления можно сделать и самостоятельно. Если в какой-либо точке на рельефе местности с высотой Нрел известно давление P, то приведенное давление составит:
(6.7)
Поскольку рельеф местности обычно выше уровня моря, то давление на уровне моря больше, чем на высоте рельефа (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Приведение давления
Данная формула является приближенной и дает правильный результат при высоте рельефа не более нескольких сотен метров. Ведь число 11 в ней – величина барической ступени на уровне моря, а на самом деле барическая ступень увеличивается с высотой. Разумеется, метеорологи приводят давление к уровню моря по более точным формулам, в том числе с учетом фактической температуры воздуха.
Для выполнения полета по маршруту или в районе авиационных работ ниже нижнего эшелона пилоты устанавливают наименьшее из приведенных давлений по маршруту (или району), то есть самое маленькое. Оно и называется минимальным приведенным давлением.
На рис. 6.14 показано несколько изогнутых изобарических поверхностей, пересекающих уровень моря в разных точках маршрута. В этих точках пересечения приведенное давление равно давлению на этих изобарических поверхностях. На данном рисунке минимальное приведенное давление составляет 750 мм рт.ст.
Рис. 6.14. Изобарические поверхности и минимальное приведенное давление
4. Давление аэродрома (или пункта), приведенное к уровню моря по стандартной атмосфере (QNH). Это давление используется в международной аэронавигации при взлете и посадке вместо QFE и при полете на малых высотах (ниже высоты перехода) вместо Pприв.мин.
Буквы NH в обозначении давления произошли от слов nil height (нулевая высота).
QNH − это давление, которое необходимо установить на находящемся на аэродроме высотомере, чтобы он показывал превышение (абсолютную высоту) аэродрома.
Рассмотрим это определение подробнее. Известно, что высотомер показывает высоту над уровнем той изобарической поверхности, давление которой на нем установлено. Поскольку, в соответствии с приведенным определением, высотомер должен показывать высоту аэродрома над уровнем моря (абсолютную высоту), то отсюда, казалось бы, следует, что на высотомере должно быть установлено давление на уровне моря, то есть приведенное давление аэродрома (рис. 6.15). Получается, что QNH это и есть приведенное давление?
Рис. 6.15. Приведенное давление аэродрома и QNH
На самом деле все обстоит не совсем так. Пусть самолет с высотомером стоит на аэродроме. Предположим, что мы каким-либо образом узнали приведенное давление аэродрома (давление под аэродромом на уровне моря) и установили его на высотомере. Если бы атмосфера была стандартной, то высотомер, конечно, показал бы правильную абсолютную высоту аэродрома над уровнем моря. Но в условиях нестандартной атмосферы у высотомера имеется методическая температурная погрешность. Если превышение аэродрома, например, Наэр=1000 м, то зимой, когда высотомер завышает высоту больше, он покажет, может быть, 1090 м. Следовательно, установленное на шкале Рприв не является QNH, поскольку не соответствует его определению.
Но известно, что при вращении кремальеры установки давления, изменяется не только давление на шкале, но и высота, которую показывают стрелки высотомера. Следовательно, вращая кремальеру, можно установить стрелки на «правильную» высоту Наэр=1000 м. То давление, которое при этом окажется на шкале давлений и является QNH. Изобарическая поверхность этого давления отстоит от уровня моря на такое расстояние, на которое пришлось сместить стрелки высотомера, то есть на величину температурной погрешности. В приведенном примере на 90 м.
Таким образом, QNH − это такое установленное давление, при котором находящийся на аэродроме высотомер показывает абсолютную высоту без температурной погрешности, то есть правильно. Видимо, в связи с этим среди пилотов распространено мнение, что при установке QNH высотомер показывает абсолютную высоту, то есть высоту над уровнем моря.
Тем не менее, в международной практике высоту полета по давлению QNH принято называть словом altitude, то есть тем же словом, что и абсолютную высоту.
Разность между QNH и давлением на аэродроме QFE является постоянной для каждого аэродрома. Она не зависит ни от фактической температуры, ни от самого давления и численно равна превышению аэродрома Наэр, выраженному в единицах давления в соответствии со стандартной атмосферой. Эта разность публикуется в Сборниках аэронавигационной информации на карте захода на посадку и используется для перехода от QFE к QNH и обратно.
Что такое относительная барометрическая высота
1.1. Высота полета. Барометрический метод измерения высоты
Рис.1. Классификация высот полета по уровню начала отсчета
Чтобы закрепить усвоенный материал, пожалуйста, пройдите следующий тест
Барометрический метод основан на закономерном изменении атмосферного давления с высотой. Для нахождения этой закономерности в атмосфере выделяется вертикальный столб воздуха постоянного сечения F (рис.2.). Давление воздуха у Земли обозначается через P o, а на высоте H через P н. При изменении высоты на dH атмосферное давление уменьшится на величину dP, равную весу dQ элементарного объема воздуха dV, поделенному на площадь его основания F:
Рис.2. К выводу формулы барометрического метода измерения высоты
Вес dQ равен произведению объема dV на удельный вес воздуха g в данном слое. Учитывая, что dQ = g FdH, получается:
Знак минус в данном уравнении означает, что с увеличением высоты давление уменьшается.
Из уравнения состояния газа удельный вес можно выразить через давление P, газовую постоянную сухого воздуха R = 29,27 м/град и абсолютную температуру T:
Подставив значение g в формулу и разделив переменные, поучим дифференциальное уравнение следующего вида:
В это уравнение входит абсолютная температура воздуха, изменяющаяся с высотой. Закон ее изменения неодинаков для тропосферы и стратосферы. Это уравнение решается для каждого слоя отдельно.
Рис.3. Изменение температуры воздуха в атмосфере
Известно, что температура воздуха в тропосфере, то есть до высоты 11000 м, изменяется примерно по линейному закону, а в стратосфере до высоты 33000 м остается постоянной (рис.3.).
Для тропосферы зависимость температуры воздуха от высоты будет иметь следующий вид:
,
.
.
Эта формула называется барометрической. Она выражает зависимость давления от высоты в тропосфере.
,
,
Приведенная барометрическая формула отражает зависимость изменения давления с высотой в стратосфере.
Уравнения, выражающие зависимость давления от высоты в тропосфере и стратосфере, могут быть решены относительно высоты. В результате получаются гипсометрические формулы, которые имеют вид:
для высот от 0 до 11000 м:
;
для высот от 11000 до 20000 м:
.
Высотомер и высота полета самолета.
Привет, друзья!
Начиная со второй половины 60-х в Советском Союзе была довольно популярна песня, написанная Александрой Пахмутовой и Николаем Добронравовым и называвшаяся «Обнимая небо…». Исполнял ее тогда замечательный певец Юрий Гуляев. Многие люди старшего поколения (особенно из авиационной среды) эту песню помнят и любят.
Хорошая такая, задушевная мелодия :-). Но дело, вобщем-то, сейчас не в ней. А вспомнил я ее потому, что когда думал о теме новой статьи, в голове проскочила ассоциация с интересными словами из текста этой песни: «Есть одна у лётчика мечта — высота, высота.»
Вот эти-то слова меня, можно сказать, и зацепили :-). Сайт существует уже больше года, пишутся статьи, говорили мы о скорости полета уже неоднократно, low pass даже вспомнили, а о таком (любому понятно :-)) важнейшем параметре, как высота полета самолета почему-то забыли.
Вернее не забыли, а забыл, потому что вопрос «почему» должен, конечно, адресовываться ко мне :-). Вот не знаю… Упустил из виду и все…. Однако сейчас мы этот пробел быстренько восполним.
Не знаю, что там за мечта у летчика из песни на самом деле, но без высоты полета не бывает. Как известно, «рожденный летать ползать не может» 🙂 (помните летчика Крошкина из фильма «Беспокойное хозяйство», переиначившего знаменитую фразу горьковской «Песни о соколе»?).
Основан он на естественном явлении падения атмосферного давления с высотой. Падает оно в соответствии с условным распределением давления, температуры и плотности воздуха в атмосфере. Это распределение называется Международной стандартной атмосферой (МСА или ISA в английском).
Остается только, учитывая закономерности этого явления, отобразить его визуально, то есть, например, в виде указательной стрелки, перемещающейся по шкале, проградуированной в единицах высоты (метры или футы), и готов прибор, показывающий высоту полета самолета — высотомер. Второе его название – альтиметр (в латинском altus — высоко), используемое чаще за рубежом, а у нас почему-то считающееся устаревшим.
Он хоть и более точен, но, понятно, для летательного аппарата (за исключением, быть может, воздушного шара) громоздок и неудобен. А вот компактный и чувствительный анероид вполне подходит, несмотря на определенные ошибки в измерениях.
Ошибок на самом деле хватает, как впрочем у любого аналогового прибора. Есть инструментальные из-за несовершенства изготовления прибора, есть аэродинамические из-за неточности измерения давления, особенно на высоте, есть и методические из-за того, что прибор не может, естественно, находясь на высоте в полете, учитывать изменения давления у земли, а также изменение температуры у земли, которая влияет (и ощутимо) на величину давления. Однако все эти ошибки уже давно научились учитывать.
Высотомер — это есть, по сути своей, барометр-анероид. Атмосферное давление подводится к его герметичному корпусу от ПВД (приемник воздушных давлений), а в самом приборе чувствительная анероидная коробка, деформируясь, реагирует на его изменения, передавая эту свою реакцию через специальную кинематическую систему (ее еще называют передаточно-множительный механизм ) на указательную стрелку, двигающуюся по шкале, что и видит экипаж в кабине летательного аппарата.
Схема высотомера ВД-20.
Все барометрические высотомеры (как наши, так и зарубежные) имеют принципиально одинаковую конструкцию, но разных вариаций хватает 🙂 в зависимости от типа воздушного судна, порядка использования и дополнительных функций.
Обычные барометрические указатели высоты полета самолета (высотомеры) все двухстрелочные (встречаются и трехстрелочные). Их циферблат похож на циферблат часов, только количество цифровых секторов не двенадцать, а десять. Длинная стрелка (минутная :-)) делает один оборот при изменении высоты на 1000 м, при этом короткая (часовая :-)) перемещается только на один цифровой сектор.
То есть малая стрелка отсчитывает километры высоты (то есть, по сути дела, полную высоту), а большая – метры, причем эти стрелки могут работать как на одной шкале, так и каждая на своей.
Или вот еще один высотомер, не наш, западный. Марки не знаю, но это и неважно. Важно другое. На нем, как вы видите аж три окошка с цифрами.
Альтиметр с окошками Колсманна.
В том «западном» высотомере это давление показано для удобства сразу в двух окошках (Колсманна). В левом в гектопаскалях, в правом в дюймах.
Высотомер, как барометрический прибор, не меряет реальную высоту непосредственно. Он делает это косвенно, измеряя разность давлений между начальным давлением и давлением на той высоте, на которой он находится. Получаем так называемую барометрическую высоту. Она может довольно сильно отличаться от реальной высоты AGL. Все зависит от величины давления, установленной на высотомере.
Виды высот полета самолета.
На всякий случай скажу, что значит «приведенное к уровню моря» (упрощенно :-)). Имеем вышеупомянутое давление в данной точке поверхности. Допустим, это давление на пороге ВПП, то есть QFE. Превышение (абсолютная высота) этой точки над уровнем моря известно (обычный топографический параметр :-)).
Кроме того, известна зависимость падения давления с высотой. Например, для небольших высот принято, что изменение высоты на 11,2 м соответствует изменению давления на 1мм рт. ст. (так называемая барометрическая ступень ) или подъем на высоту 800 м соответствует падению давления на 100 гПА.
Остается высоту нашей точки от уровня моря поделить на 11,2 (если за единицу измерения принимаем мм.рт.ст.) и полученное давление сложить с имеющимся (QFE, в данном случае). В итоге имеем давление в точке, если бы она находилась на уровне моря (то есть приведена к уровню моря).
Интересно, что средний уровень моря (международное обозначение MSL ) во ряде стран СНГ, в России и в Польше ведется с использованием Балтийской системы высот (то есть по уровню Балтийского моря в Кронштадте), а по стандартам ICAO с использованием системы WGS-84, которые не полностью совпадают.
Далее самолет взлетает и в процессе полета летчик на определенных этапах полета выставляет на высотомере соответствующие давления, которые ему сообщает диспетчер (руководитель полетов). Сам этот порядок выставки строго регламентирован, потому что от него напрямую зависит безопасность полетов.
Есть одна такая величина давления, которая одинакова и постоянна во всем мире. Вот она-то и выставляется на высотомере для полета воздушного судна на эшелоне. Это стандартное атмосферное давление 1013,2 гПа = 760 мм рт. ст. = 29,92 дюйма рт. ст. Международное обозначение QNE ). Оно, кстати, выставлено на высотомере, показанном выше, том самом с двумя окошками Колсманна.
Давление одинаковое, а схемы эшелонирования в разных странах могут быть разными. Иной раз мешанина еще та :-). При пересечении границ различных государств экипаж самолета действует по указанию диспетчера, и по его же указанию может поменять эшелон.
То есть высота эшелона скорей всего не будет соответствовать истинной высоте полета и даже будет от него отличаться на сотни метров. Зато безопасное эшелонирование будет соблюдено. И даже, если самолет летит на самом нижнем эшлоне, он все равно находится достаточно далеко от земли (как минимум в 1500-1800 м). то есть ниже нижнего эшелона тоже существует своя зона полетов.
Схема высот с принципом перехода на эшелон и обратно.
Высота перехода в России для каждого аэродрома своя, а за рубежом она в основном одинакова для всех пунктов взлета и посадки самолетов.
В этом слое разрешены только набор высоты и снижение, то есть переходные эволюции с высоты на эшелон и с эшелона на высоту. Горизонтальный полет в переходном слое запрещен.
Система перехода на эшелон и обратно.
Существует еще и такой вариант, когда шкалы давлений высотомера не хватает. Обычно это возможно в том случае, если аэродром высокогорный. Если он расположен достаточно высоко, то давление на пороге его ВПП может оказаться ниже «последней черты» 🙂 шкалы прибора.
В таком случае перед вылетом с этого аэродрома экипаж устанавливает на своем высотомере давление порога ВПП, приведенное к уровню моря, то есть все то же QNH. А показания высотомера будут в этом случае что-то типа начальной точки или «условного нуля». То же самое происходит и при подлете к таком аэродрому. Диспетчер сообщит экипажу QNH и абсолютную высоту этого аэродрома, которая будет отображаться на шкале в момент посадки.
Вся эта система на первый взгляд кажется довольно сложной. Этакая каша с эшелонами, высотами, давлениями, переходами, различными определениями и вариантами полета… Не все уж так элементарно :-). Но на самом деле и не все так плохо :-). Сам по себе принцип вертикального эшелонирования и правила его соблюдения достаточно стройны и хорошо отлажены.
Точное и своевременное выполнение всех необходимых действий – вопрос правильного обучения и постоянной практики, чем пилоты современной авиации и занимаются. А некоторую «кашу» в этом деле создают, как ни странно, границы между государствами. Для самолета они, вроде бы, преграды не составляют: перелетел и все. Но на деле не все так просто.
При пересечении границы далее приходится лететь по правилам, действующим в государстве, над которым летит самолет. А это значит, что возможно придется поменять высоту или эшелон, которые, кстати, могут выражаться в различных единицах измерения (в футах или в метрах). Сама система эшелонирования может быть другая и правила производства полетов могут отличаться и еще много чего другого :-).
А в Китае действует система RVSM (с 2007 года), но эшелоны нумеруются в метрах. Интересно, что когда у них была старая система метрического эшелонирования (до 2007 года), она все равно отличалась от принятой в СССР.
О системе RVSM я говорил в статье о ТСАS. Напомню, что это вновь вводимая система эшелонирования, в которой на определенном участке высот определены сокращенные интервалы между эшелонами. Это сделано для увеличения пропускной способности воздушного пространства. Вот так вот :-). Тесно в воздухе на самом-то деле…
Вобщем, во всем этом деле высотомеру принадлежит очень важная роль. Измерение и контроль высоты полета самолета вообще считается очень важной задачей, потому что от правильного ее выполнения напрямую зависит безопасность полетов. Исходя из этого на современном летательном аппарате средства измеряющие высоту полета (как и многие другие жизненно важные элементы) дублируются.
В отличие от барометрического высотомера его показания не зависят от состояния атмосферы, никакое исходное давление ему для работы не нужно, и показывает он истинную высоту до поверхности, отличаясь к тому же большей точностью.
Единственно теоретически возможная неточность состоит в том, что сигнал от от передатчика направленный. А это значит, что при больших углах крена и тангажа (более 20 º )возможны ощутимые неточности в измерениях, потому как в этом случае сигнал попадает на поверхность под углом (как гипотенуза в прямоугольном треугольнике) и проходимое им расстояние оказывается больше, чем истинная высота полета.
Радиовысотомер представляет собой комплект электронной аппаратуры с антенной. В кабину экипажа на приборную доску выведен только индикатор, непосредственно показывающий высоту, а также обычно имеется система предупреждения об опасной высоте со звуковой и световой сигнализацией.
То есть радиовысотомер может входить в комплект систем предупреждения столкновения с землей (типа TAWS или ЕGPWS ) и являться их важной составляющей частью. Кроме того он существенно повышает возможность автоматизации процесса посадки.
На практике наибольшее применение получили так называемые высотомеры малых высот. Это приборы с частотной модуляцией сигнала, работающие в режиме непрерывной локации. С их помощью замеряются высоты примерно до 1500 м и используются они чаще всего при осуществлении захода на посадку. Как пример можно привести высотомеры РВ-3 (высота до 300 м ) и РВ-5 (высота до 750 м).
В настоящее время практически на каждом самолете (за исключением быть может легких поршневых) стоит как минимум один радиовысотомер. А зачастую их может быть и несколько. Причем они могут работать (как я уже сказал) в комплексе с другими самолетными системами.
Например, на самолете СУ-24 использовались два радиовысотомера. РВ-3МП – радиовысотомер малых высот и РВ-18А1 «Крона» — больших высот. На СУ-24М они были заменены на один высотомер, который совместил их функции РВ-21 «Импульс» (А-035).
То же самое можно сказать и про барометрические высотомеры. Они используются параллельно с радиовысотомерами и их тоже бывает иногда и больше одного 🙂 (в зависимости от конструкции летательного аппарата).
Указатель высоты УВ-30-3 от СВС-72.
Дело в том, что все более усложняющаяся практика самолетостроения превратила современные летательные аппараты в сложные технические комплексы. Системы управления, пилотажно-навигационные системы, системы вооружения (на военных самолетах), различные специализированные разведывательные комплексы.
Для своей работы все это оборудование требует исходных данных, в том числе и данные о воздушной обстановке (высота абсолютная и истнная, скорость приборная и истинная, число М и др.). Причем данные эти должны быть определенной точности и с учетом определенных условий, например, сжимаемости воздуха, температурного нагрева при торможении потока и т.д.
Обычные аэрометрические приборы не могут похвастаться достаточной точностью, кроме того большинство из них не выдают сигналов в электронной форме, которые требуются для специальных систем.
Для того, чтобы решить эти вопросы были созданы централизованные системы, которые измеряют (получая сигналы давления непосредственно от ПВД), обрабатывают и вычисляют (с учетом всех воздушных особенностей и поправок) параметры полета и окружающей воздушной обстановки. Все эти данные затем передаются на указатели в кабине (те, которые необходимы в полете) и в бортовые комплексы специализированного оборудования, обеспечивая их правильное функционирование.
Тоже ТУ-154, те же высотомеры плюс под буквой «В» указатель высоты УВО-15М1б (от системЫ СВС-ПН-15-4Б).
По требованиям ICAO все воздушные суда должны передавать в автоматическом режиме данные о своей высоте. Если эти данные не формируются системой СВС (если ее нет на борту), то на борту должен быть высотомер (так называемый диспетчерский), который кроме визуальных показаний на циферблате также преобразует измерения барометрической высоты в электрический сигнал, который потом через самолетный ответчик получает диспетчер и видит у себя на экране воздушной обстановки.
Такого рода высотомеры используются сейчас на некоторых самолетах (в основном малой авиации), а также в качестве парашютных высотомеров для спортивных прыжков с парашютом. Однако, широкой практикой это на стало, потому что для вычисления нужно время (около секунды) и выдаваемый сигнал на больших скоротях спуска уже не соответствует действительному (несмотря на введение коррекции на скорость).
Вернемся, однако, к началу :-). Высота полета самолета… С одной стороны романтика, а с другой очень важный параметр, как с технической стороны, так и для безопасности. Высотомер – прибор, без которого не обходится ни один самолет.
Правда, на современных лайнерах пилотские кабины ощутимо изменились :-). Они теперь все стали «гладкие», простых циферблатов практически не увидишь, сплошные экраны, так сказать, «голая цифра». Удобно это с точки зрения эксплуатации или нет – не мне судить :-). Тем более, что принципы полетов остались такими же. Все те же высоты и эшелоны, все те же давления. И высотомеры все теже, быть может с несколько измененным внешним видом.
Кабина А320-214. Гладкая.
А вот это кабина ИЛ-86. Все по-старому.
Пожалуй, на сегодня все. Надеюсь всем все было понятно. Если есть какие-то неясности, пишите, обязательно разберемся :-).
В заключение два видео ролика. В первом общий рассказ о высотомерах, а во втором показана работа реального радиовысотомера в комплекте с авиасимулятором. По-моему довольно эффектно и понятно :-).