Ветер и его характеристики. Эквивалентный ветер.

Воздушные массы атмосферы практически всегда находятся в движении, которое вызвано различием температуры и давления в различных районах земной поверхности. Причины и характер такого движения изучает метеорология.

Воздушные массы перемещаются как в горизонтальном направлении параллельно земной поверхности, так и в вертикальном, меняя свою высоту. Конечно, и вертикальное перемещение воздуха имеет для авиации важное значение и может быть опасным. Например, попадание ВС в нисходящий воздушный поток (опускающуюся воздушную массу) может привести к резкой потере высоты ВС и столкновению с земной поверхностью («воздушная яма»). Но аэронавигация рассматривает главным образом горизонтальное перемещение воздуха и влияние его на траекторию ВС.

Ветер(wind) – это горизонтальное перемещение воздушных масс. В каждой точке пространства в данный момент времени имеется определенное направление (direction) и скорость (velocity) ветра, которые образуют вектор ветра, обозначаемый U или u. Скорость ветра u, то есть модуль вектора U, в авиации принято измерять при полете по маршруту в километрах в час (км/ч), а при заходе на посадку и при вылете – в метрах в секунду (м/с).

Направление ветра можно характеризовать одной из следующих двух взаимосвязанных величин.

Навигационное направление ветра (δ _н или НВ) – угол, заключенный между северным направлением меридиана и направлением перемещения воздушной массы (куда дует ветер).

Таким образом, НВ – это просто направление вектора U. В приведенном определении не указан вид меридиана, поскольку в общем случае навигационное направление может отсчитываться от любого из используемых в навигации меридианов (истинного - δ _{н. и}, магнитного δ _{н. м}, опорного δ _{н. о}) – как удобно штурману или пилоту. Но чаще всего под навигационным направлением ветра понимают направление, измеряемое от магнитного меридиана, поскольку путевые углы участков маршрута на карте, посадочные путевые углы и многие другие величины являются магнитными. В данном учебном пособии под δ _н по умолчанию будет пониматься именно такое магнитное направление, если не оговорено иное.

Метеорологическое направление ветра δ – угол, заключенный между северным направлением истинного меридиана и направлением, откуда перемещается воздушная масса (откуда дует ветер). Очевидно, что это направление противоположно направлению вектора U. Оно отсчитывается только от истинного меридиана. Нетрудно запомнить, почему это именно так. Ведь метеорологов не интересует, куда движется воздушная масса, для них важнее откуда она пришла и что несет с собой (тепло из Африки или холод из Арктики). И когда по радио мы слышим, что «ветер южный», это означает, что воздушная масса движется с юга на север. А от истинного меридиана это направление измеряют потому, что это обычный географический меридиан. Прочих, чисто навигационных меридианов (магнитных, опорных и т.п.), метеорологи знать не обязаны (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Навигационное и метеорологическое направления ветра

Направления куда и откуда дует ветер, являются геометрически противоположными. Но значения навигационного и метеорологического направлений ветра не различаются ровно на 180°, ведь они отсчитываются от разных меридианов. Эти два направления (см. рис. 3.1) связаны следующими формулами:

δ ₌ δ _н ± 180˚ + Δ М; (3.1)

δ _{н =} δ ± 180˚ – Δ М. (3.2)

На практике вместо этих формул удобнее пользоваться правилом учета поправок: при переходе от приборных величин (в данном случае от навигационного направления, являющегося магнитным) к истинным величинам (метеорологическому направлению, измеряемому от истинного меридиана) магнитное склонение прибавляется, а при переходе от метеорологического направления к навигационному – вычитается. Разумеется, надо не забыть еще «развернуть» направление на 180˚.

Если у земли ветер обычно бывает порывистым, может резко менять скорость и направление, то с подъемом на высоту перемещение воздушной массы становится все более плавным и регулярным. Это связано с тем, что нерегулярность ветра сказывается лишь в так называемом слое трения, простирающемся примерно до высоты 1000 м над землей, где на движение воздушной массы влияют рельеф, неравномерный нагрев земной поверхности и другие факторы. На больших высотах изменение скорости и направления ветра становится более плавным. Скорость ветра с высотой, как правило, увеличивается, а его направление поворачивает вправо. Но в конкретной метеорологической обстановке может быть любой другой характер его изменения.

В большинстве случаев скорость ветра на высотах, на которых выполняются полеты, составляет 40…120 км/ч, но, конечно, бывает и больше, и меньше. При очень маленьких скоростях ветер характеризуется как «неустойчивый», поскольку и его направление может непредсказуемо меняться. Вблизи тропопаузы, разделяющей тропосферу и стратосферу, иногда наблюдаются струйные течения – воздушные потоки шириной несколько сотен километров, а длиной до нескольких тысяч. В струйных течениях скорость ветра может составлять 200-300 км/ч и более. Отмечались отдельные случаи, когда она была 700-800 км/ч.

Самолёт полностью опирается на воздушную массу и перемещается вместе с ней, если она движется. Подобно воздушному шару, неподвижному относительно воздуха и перемещающемуся вместе с ним, полностью повторяют движение воздушной массы и самолет, и вертолет. Но у них, в отличие от воздушного шара, имеется еще и скорость движения относительно воздуха вследствие наличия тяги, создаваемой двигателями.

Ветер не «сдувает» воздушное судно как человека, а полностью переносит его в ту же сторону и с такой же скоростью, с какой перемещается воздушная масса. Большой и маленький, легкий и тяжелый самолет переносятся воздушной массой одинаково. Пассажиры воздушного шара не ощущают никакого ветра, даже если шар уносит ураганом. Точно так же равномерный ветер не создает никаких сил, действующих на самолет. Разумеется, он влияет на траекторию его движения относительно земли, но это влияние носит не динамический, а чисто кинематический характер: движение ВС относительно земли геометрически складывается из его движения относительно воздушной массы и движения самой воздушной массы (ветра).

Для решения некоторых навигационных задач удобно использовать понятие эквивалентного ветра.

Эквивалентный ветер U_экв – это условный ветер, направление которого совпадает с линией пути, а скорость его такова, что он создает такую же путевую скорость, что и реальный ветер в данном районе полетов.

Если реальный ветер является строго попутным (встречным), то он увеличивает (уменьшает) скорость перемещения ВС относительно земли по сравнению с воздушной скоростью ровно на величину своей скорости. Но, как правило, реальный ветер дует под углом к линии пути. Тем не менее, он также изменяет путевую скорость, но на меньшую величину, зависящую от угла ветра. Например, если скорость реального ветра U=100, но дует он под углом ε =60°, то он увеличивает W по сравнению с V примерно на 50 км/ч. Вот эта величина увеличения (уменьшения) скорости и называется эквивалентным ветром. Действительно, если бы ветер был строго попутным, то чтобы создать такую же путевую скорость, он должен иметь скорость 50 км/ч. Тогда бы он был равнозначным (эквивалентным) реальному ветру с точки зрения влияния на путевую скорость.

Таким образом, эквивалентный ветер это просто разность путевой и истинной воздушной скоростей:

U_экв = W – V.

Эквивалентный ветер – это скалярная величина. Очевидно, что она имеет знак «плюс» при попутном ветре и «минус» при встречном.

Значение эквивалентного ветра для авиации обусловлено тем, что с его помощью легко определить путевую скорость. Действительно, если известен U_экв, то зная истинную скорость, можно сразу определить:

W=V+ U_экв.

Графически величину эквивалентного ветра можно проиллюстрировать с помощью навигационного треугольника скоростей (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Эквивалентный ветер

Чтобы графически получить разность W и V, необходимо совместить эти два вектора. Если считать, что они представляют собой стержни, скрепленные в точке О, то можно вращать V до наложения его на W. Тогда разность длин двух отрезков и будет являться U_экв.

Эквивалентный ветер отличается от продольной составляющей ветра U_пр (см. рис. 3.15), но разность их невелика, поскольку угол сноса обычно мал и сама V не сильно отличается по величине от своей проекции.

Величина эквивалентного ветра может быть рассчитана по формуле:

(3.16)

Первый член в правой части этой формулы представляет собой продольную составляющую ветра U_пр, то есть проекцию ветра на линию пути. Второй член обычно мал по величине и им часто пренебрегают. В этом случае:

.

Как видно из формулы (3.16), эквивалентный ветер зависит не только от скорости реального ветра U и угла ветра ε, под которым дует ветер к линии пути, но также и от истинной скорости воздушного судна V. Это означает, что если через одну точку пространства в одном и том же направлении последовательно пролетят два ВС с разными истинными скоростями, то эквивалентный ветер у них будет разный. Чем меньше истинная скорость, тем больше будет «прибавка» путевой скорости по сравнению с истинной.

Таким образом, в одной и той же точке пространства при одном и том же реальном ветре может существовать бесконечно много эквивалентных ветров. Во-первых, в зависимости от направления полета (угла ветра), а во-вторых, в зависимости от истинной скорости ВС, пролетающего через эту точку.

Хотя эквивалентный ветер зависит от трех величин (U, ε, V), но его зависимость от истинной скорости слабая, так как V входит в тот член формулы (3.16), который сам по себе мал по сравнению с другим членом. Поэтому на практике для определения эквивалентного ветра составляют таблицы, по которым можно определить U_экв в зависимости от U и ε. Таблицы рассчитывают для определенного значения V, но они пригодны и для других близких скоростей. Диапазон скоростей, для которого пригодна таблица, указывают в ее заголовке (табл.3.1 и 3.2).

Эквивалентный ветер используется при решении таких задач подготовки и выполнения полетов, в которых имеет значение не столько направление ветра, сколько его влияние на путевую скорость, время полета по маршруту. Например, при определении количества топлива, необходимого для выполнения полета, учитывается средний эквивалентный ветер U_экв.ср по участкам маршрута. Ведь даже при постоянном реальном ветре на каждом i-ом участке маршрута эквивалентный ветер U_экв.i будет различным, поскольку различаются заданные путевые углы и следовательно углы ветра.

При определении среднего эквивалентного ветра необходимо учитывать, что длина участков может быть существенно разной и следовательно различным будет влияние разных U_экв.i на среднюю путевую скорость по маршруту.

Точный расчет среднего по маршруту эквивалентного ветра может быть выполнен по формуле:

где S_i – длина i-го участка;

S_общ – общая длина маршрута, то есть сумма длин участков.

Для упрощенного расчета по этой формуле в уме длину одного из коротких участков можно принять за условную единицу.

При составлении расписания полетов учитывается средний эквивалентный ветер по каждому маршруту в зависимости от сезона (весна, лето, зима, осень). Он рассчитывается с использованием статистических метеорологических данных. С учетом этого эквивалентного ветра по истинной скорости ВС рассчитывается средняя путевая скорость, а по ней определяется среднее время полета по маршруту. Оно и указывается в расписании полетов. Это же время используется и для других целей, например, планирования закупок авиатоплива авиакомпанией.