Сегодня разбираем еще один запрос пользователя — Атмосферное давление, в котором нас просят вычислить атмосферное давление. В виду отсутствия дополнительной информации в запросе, я предположил, что нужно рассчитывать атмосферное давление в зависимости от высоты над уровнем моря.
Зависимость давления газа от высоты определяется так называемой барометрической формулой
,
где
— разность высот, м
— молярная масса воздуха, 29 г/моль (в расчете используется 0.029 кг/моль)
— универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/(мольК)
— ускорение силы тяжести, 9.81 м/(сс)
— температура воздуха (К)
Кстати, еще тема атмосферного давления развивается здесь Барометрическое нивелирование и здесь Зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря.
Ниже калькулятор — вводим давление на высоте уровня моря (можно оставить по умолчанию; 760 миллиметров ртутного столба — это нормальное атмосферное давление), температуру и высоту, получаем результат.
Зависимость давления от высоты над уровнем моря
Давление на уровне моря (мм.рт.ст.)
Температура воздуха (градусы Цельсия)
Высота над уровнем моря (метры)
Давление на заданной высоте (мм.рт.ст.)
Не все знают, что на разной высоте давление атмосферы отличается. Существует даже специальный прибор для измерения и давления, и высоты. Называется он барометр-альтиметр. В статье мы подробно изучим, как с высотой изменяется атмосферное давление и при чем тут плотность воздуха. Рассмотрим эту зависимость на примере графика.
Давление атмосферы на разных высотах
Атмосферное давление зависит от высоты. При ее увеличении на 12 м давление уменьшается на 1 мм ртутного столба. Этот факт можно записать с помощью такого математического выражения: ∆h/∆P=12 м/мм рт. ст. ∆h — это изменение высоты, ∆P — изменение атмосферного давления при изменении высоты на ∆h. Что из этого следует?
Из формулы видно, как с высотой изменяется атмосферное давление. Значит, если мы поднимемся на 12 м, то АД уменьшится на 12 мм ртутного столба, если на 24 м — то на 2 мм ртутного столба. Таким образом, измеряя атмосферное давление, можно судить о высоте.
Миллиметры ртутного столба и гектопаскали
В некоторых задачах давление выражается не в миллиметрах ртутного столба, а в паскалях или гектопаскалях. Запишем вышеприведенное соотношение для случая, когда давление выражено в гектопаскалях. 1 мм рт. ст. =133,3 Па =1,333 гПа.
Теперь выразим соотношение высоты и атмосферного давления не через миллиметры ртутного столба, а через гектопаскали. ∆h/∆P=12 м/1,333 гПа. После вычисления получим: ∆h/∆P=9 м/гПа. Выходит, что когда мы поднимаемся на 9 метров, то давление уменьшается на один гектопаскаль. Нормальное давление — это 1013 гПа. Округлим 1013 до 1000 и примем, что на поверхности Земли именно такое АД.
Если мы поднимаемся на 90 м, как с высотой изменяется атмосферное давление? Оно уменьшается на 10 гПа, на 90 м — на 100 гПа, на 900 м — на 1000 гПа. Если на земле давление в 1000 гПа, а мы поднялись на 900 м вверх, то атмосферное давление стало нулевым. Так что, получается что атмосфера заканчивается на девятикилометровой высоте? Нет. На такой высоте есть воздух, там летают самолеты. Так в чем же дело?
Связь плотности воздуха и высоты. Особенности
Как с высотой изменяется атмосферное давление вблизи поверхности Земли? На этот вопрос уже ответила картинка выше. Чем больше высота, тем меньше плотность воздуха. Покуда мы находимся недалеко от поверхности земли, изменение плотности воздуха незаметно. Поэтому на каждую единицу высоты давление уменьшается примерно на одно и тоже значение. Два записанные нами ранее выражения нужно воспринимать как правильные, только если мы находимся недалеко от поверхности Земли, не выше 1-1,5 км.
График, показывающий как атмосферное давление изменяется с высотой
Теперь перейдем к наглядности. Построим график зависимости давления атмосферы от высоты. При нулевой высоте P0=760мм рт. ст. Из-за того, что с ростом высоты давление уменьшается, атмосферный воздух будет менее сжат, его плотность станет меньше. Поэтому на графике зависимость давления от высоты не будет описываться прямой линией. Что это значит?
Как с высотой изменяется атмосферное давление? Над поверхностью земли? На высоте 5,5 км оно уменьшается в 2 раза (Р0/2). Оказывается, что если мы поднимемся еще на такую же высоту, то есть на 11 км, давление уменьшится еще вдвое и будет равно Р0/4 и т. д.
Соединим точки, и мы увидим, что график — это не прямая, а кривая. Почему, когда мы записывали соотношение зависимости, складывалось впечатление, что на высоте 9 км атмосфера заканчивается? Мы считали, что график является прямой на любых высотах. Это было бы так, если бы атмосфера была жидкой, то есть если бы ее плотность была постоянной.
Важно понимать, что этот график является лишь фрагментом зависимости на малых высотах. Ни на какой точке этой линии давление не снижается до нуля. Даже в глубоком космосе существуют молекулы газов, которые, правда, не имеют отношение к земной атмосфере. Ни в одной точке Вселенной не существует абсолютного вакуума, пустоты.
🚚 🚁 Збираємо на пікап та ремонт дрона аутел
⛑ 🛡 🥾 Шоломи, форма, взуття
§ 31.
Атмосферное давление
Вспомните из курса природоведения, что называют
атмосферным давлением.
Понятие
об атмосферном давлении. Воздух невидимое и легкое. Однако и оно, как и всякая
вещество, имеет массу и вес. Поэтому оно оказывает давление на земную поверхность и на все
тела, на ней находятся. Это давление определяется весом столба воздуха
высотой с всю атмосферу — от земной поверхности до самой ее верхней границы.
Установлено, что такой столб воздуха давит на каждый 1 см2 поверхности с
силой в 1 кг 33 г (соответственно на 1 м2 — Более 10 т!) Итак, атмосферное давление — Это сила, с которой
воздух давит на земную поверхность и на все предметы на ней.
Поверхность тела человека составляет в среднем 1,5 м2.
Согласно воздуха давить на нее весом в 15 т. Такое давление способно раздавить
все живое. Почему же мы его не ощущаем? Это связано с тем, что внутри
человеческого организма также существует давление — внутренний, и он равно атмосферному.
Если это равновесие нарушается, человек чувствует себя плохо.
Измерение
атмосферного давления. Атмосферное давление измеряют с помощью
специального прибора — барометра. В переводе с греческого это слово означает
«Измеритель тяжести».
На метеостанциях используют ртутный барометр. Основная его часть — стеклянная трубка длиной 1
м, запаянная с одного конца. В нее налито ртуть — тяжелый жидкий металл. Открытым
концом трубка погружена в широкую чашу, также заполненную ртутью. При переворачивании
ртуть из трубки вылилась только до определенного уровня и остановилась. Почему же она
остановилась, а не вылилась вся? Потому что воздух оказывает давление на ртуть в чаше и не
выпускает ее всю из трубки. Если атмосферное давление уменьшается, то ртуть в трубке
опускается и наоборот. По высоте столба ртути в трубке, на которую нанесена шкала,
определяют величину атмосферного давления в миллиметрах.
На параллели 450 на уровне моря при
температуре воздуха 0 0С под давлением воздуха столбик ртути
поднимается в трубке на высоту 760 мм. Такое давление воздуха считается нормальным атмосферным давлением. Если
столб ртути в трубке поднимается выше 760 мм, то давление повышенный, Ниже — снижен.
Следовательно, давление столба воздуха всей атмосферы уравновешивается весом столба ртути
высотой 760 мм.
В походах и экспедициях пользуются более удобным
прибором — барометром-анероид.
«Анероид» в переводе с греческого означает «безридинний«:
в нем нет ртути. Главной его частью является металлическая упругая коробочка, из которой
скачали воздуха. Это делает ее очень чувствительной к изменениям давления извне. При
повышенные давления она сжимается, при снижении — расширяется. Эти колебания
через особый механизм передаются стрелке, которая указывает на шкале величину
атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.
Зависимость
давления от высоты местности и температуры воздуха. Атмосферное давление зависит от высоты местности. Чем выше уровня
моря, тем давление воздуха меньше. Он снижается, так как с поднятием уменьшается
высота столба воздуха, который давит на земную поверхность. Кроме того, с высотой давление
падает еще и потому, что уменьшается плотность самого воздуха. На высоте 5 км
атмосферное давление снижается наполовину по сравнению с нормальным давлением на уровне
моря. В тропосфере с подъемом на каждые 100 м давление уменьшается примерно на 10
мм рт. ст.
Зная, как изменяется давление, можно вычислить и
абсолютное и относительное высоту места. Существует и особый барометр — высотомер, В котором наряду со шкалой
атмосферного давления, есть и шкала высот. Итак, для каждой местности будет
характерен свой нормальное давление: на уровне моря — 760 мм рт.
века, в горах в зависимости от высоты — ниже. Например, для Киева, лежащей
на высотах 140-200 м над уровнем моря, нормальным будет среднее давление 746 мм рт. ст.
Атмосферное давление зависит и от температуры воздуха.
При нагревании объем воздуха увеличивается, оно становится менее плотным и легким.
За этого уменьшается и атмосферное давление. При охлаждении происходят обратные
явления. Следовательно, с изменением температуры воздуха непрерывно меняется и давление.
В течение суток он дважды повышается (утром и вечером) и дважды снижается
(После полудня и после полуночи). Зимой, когда воздух холодный и тяжелое, давление
выше, чем летом, когда оно более теплое
и легкое. Итак, за изменением давления можно предсказать изменения погоды. Снижение давления
указывает на осадки, повышение — на сухую погоду. Изменение атмосферного давления влияет
и на самочувствие людей.
Распределение
атмосферного давления на Земле. Атмосферное
давление, как и температура воздуха, распределяется на Земле полосами: различают
пояса низкого и высокого давления. Их образование связано с нагревом и
перемещением воздуха.
Над экватором воздух хорошо прогревается. От этого
оно расширяется, становится менее плотным, а потому легче. Легче воздуха поднимается
вверх — происходит восходящее движение воздуха. Поэтому там у поверхности Земли
течение года устанавливается пояс низкого давления. Над полюсами, где в течение года температуры низкие, воздух
охлаждается, становится более плотным и тяжелым. Поэтому оно опускается —
происходит нисходящее движение воздух — и увеличивается давление. Поэтому у
полюсов образовались пояса высокого
давления. Воздух, поднявшееся над экватором, растекается
к полюсам. Но, не доходя до них, на высоте оно охлаждается, становится тяжелее
и опускается на параллелях 30-350 в обоих полушариях. Как следствие — там
образуются пояса
высокого давления. В умеренных широтах, на параллелях 60-650обоих полушарий образуются пояса низкого давления.
Таким образом, наблюдается тесная зависимость атмосферного
давления от распределения тепла и температур воздуха на Земле, когда восходящие и
нисходящие движения воздуха обуславливают неравномерное нагревание земной поверхности.
Вопросы и задания
1. Определите, сколько весит воздух, находящийся
в классе, если его длина 8 м, ширина 6 м, высота 3 м.
2. Почему атмосферное давление уменьшается с высотой?
3. Почему изменяется давление в одном и том же
месте? Как влияет на это изменение температуры воздуха?
4. Определите, примерно относительная высота горной
вершины, если у подошвы горы барометр показывает 720 мм, а на вершине — 420 мм.
5. Как распределяется атмосферное давление на Земле?
6. Вспомните, какая абсолютная высота вашей
местности. Вычислите, который атмосферное давление можно считать нормальным для вашего
местности.
§ 28. ДАВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Атмосферный воздух всем своим весом оказывает давление на землю. Атмосферное давление можно измерять простейшим прибором — стеклянной трубкой, наполненной ртутью. Эта трубка представляет собой V-образную форму с запаянным сверху длинным коленом и открытым коротким коленом (рис. 81). Внутри запаянного колена нет воздуха (Торичеллиева пустота).
Рис. 81. Измерение величины атмосферного давления высотой ртутного столба
На рис. 81 показано, что тяжелая ртуть не выливается из трубки. Какая-то сила давит на ртуть в открытом колене трубки и удерживает высокий столб ртути. Эта сила называется атмосферным давлением. Чем больше атмосферное давление, тем выше поднимается ртуть в трубке, и наоборот, с уменьшением атмосферного давления уровень ртути в высоком колене будет понижаться.
За меру атмосферного давления принимают высоту столба ртути в миллиметрах. Нормальным атмосферным давлением условно принято считать давление в 760 мм рт. ст. Давление воздуха, уравновешиваемое столбом ртути в 760 мм при температуре +15 °C и плотности воздуха, равной 1,225 кг/м3, будет составлять 1033 г/см2. Это давление называется еще давлением в 1 физическую атмосферу нормального дня (стандартной атмосферой).
§ 29. ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПО ВЫСОТАМ
По мере увеличения высоты давление и плотность атмосферы уменьшаются. Давление с высотой понижается неравномерно. На высотах до 4000 м подъем на каждые 100 м высоты соответствует уменьшению давления на 7–9 мм рт. ст. В практике принято считать, что при изменении высоты на каждые 100 м давление изменяется на 10 мм рт. ст. У земли давление атмосферы приблизительно равно 760 мм рт. ст., на высоте 11 км, у нижней границы стратосферы, оно будет около 170 мм рт. ст. На высоте 3000 м давление атмосферы равно 526 мм рт. ст. (рис. 82). Давление атмосферы зависит не только от высоты, но и от температуры воздуха. В холодном воздухе убывание давления с высотой будет проходить быстрее, чем в теплом.
Рис. 82. Вертикальный разрез атмосферы до высоты 60 км
§ 30. ТЕМПЕРАТУРА И ПЛОТНОСТЬ АТМОСФЕРЫ
Температура является очень важной характеристикой атмосферы. От температуры в значительной степени зависит плотность воздуха. По давлению и температуре воздуха в данном месте можно всегда определить и плотность.
С увеличением температуры воздух расширяется, становится более легким и поднимается вверх, плотность его уменьшается; при понижении температуры плотность воздуха увеличивается. Температура в атмосфере распределяется неравномерно из-за того, что земля неравномерно нагревается солнцем. Воздух, находящийся над более нагретыми участками земли, окажется более нагретым и более легким.
Температура в атмосфере не одинакова, претерпевает часто быстрые изменения, поэтому атмосфера находится всегда в движении.
Существует определенная закономерность понижения температуры воздуха с высотой. В теплое время года летом в насыщенном воздухе содержится больше пара, чем зимой. При охлаждении пара происходит более обильная конденсация и выделяется большое количество тепла. В результате поднимающийся воздух охлаждается не так сильно, как зимой. По этой причине в теплое время года вертикальный температурный градиент равен 0,6° на 100 м, а в холодное время — около 0,4° на 100 м. Эти цифры обычно и берутся для приближенных расчетов при определении температуры на высотах. На высоте около 11 км падение температуры прекращается и она (зимой и летом) равна 55–60 °C ниже нуля.
Плотность атмосферы является очень важным фактором для полета самолета. От нее зависят скорость самолета и мощность двигателя.
Плотность атмосферы зависит от давления и от температуры. При сохранении давления постоянным плотность атмосферы все же будет изменяться, если изменяется температура атмосферы.
При полетах на большие расстояния определяют режим полета по плотности атмосферы, а также наивыгоднейшую высоту полета по специальным графикам.
§ 31. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫСОТ
Для правильного пилотирования и для решения ряда задач самолетовождения необходимо знать высоту полета самолета. Так, например, чтобы избежать при полете возможного столкновения с различными естественными и искусственными препятствиями на земной поверхности или правильно произвести посадку самолета на аэродром, нужно в каждый данный момент знать высоту полета и высоту препятствий в районе полета.
Из сказанного следует, что самолет должен быть оборудован прибором, с помощью которого можно в любое время определить расстояние между самолетом и земной поверхностью по вертикали, т. е. высоту полета.
В зависимости от точки, относительно которой производится измерение, различают:
— абсолютную высоту — высоту относительно уровня моря; эта высота не зависит от рельефа местности, над которой пролетает самолет;
— относительную высоту — высоту относительно аэродрома взлета;
— истинную высоту — высоту над пролетаемой местностью; эта высота зависит от рельефа местности, над которой совершают полет (рис. 83).
Основным средством определения высоты полета является барометрический высотомер, основанный на измерении атмосферного давления, которое, как известно, не остается постоянным, а убывает по определенному закону.
Рис. 83. Абсолютная, истинная и относительная высоты полета
§ 32. ПРИНЦИП РАБОТЫ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО ВЫСОТОМЕРА
Барометрические высотомеры построены на принципе измерения статического давления (давление воздуха, окружающего самолет). Метод барометрического измерения высоты основан на законе падения давления воздуха с увеличением высоты.
Чувствительным упругим элементом высотомера, реагирующим на изменения статического давления воздуха, являются металлические мембраны — анероидные коробки (рис. 84). Они представляют собой герметичное соединение обычно двух мембран в коробке.
Рис. 84. Гофрированная мембрана
Для уменьшения влияния изменения температуры на точность работы упругого элемента из внутренней полости коробки воздух откачан.
Остаточное давление воздуха в коробках обычно доводится до 0,1–0,3 мм рт. ст., что вполне обеспечивает необходимую точность работы высотомера.
Чувствительным упругим элементом высотомера, реагирующим на изменения статического давления воздуха, является батарея из двух анероидных коробок, соединенных последователь- но (рис. 85).
Рис. 85. Батарея из двух анероидных коробок
На анероидную коробку действуют две силы: сила атмосферного давления, стремящаяся сжать коробку, и сила упругости мембраны коробки, препятствующая этому сжатию (рис. 86).
Рис. 86. Силы, действующие на анероидную коробку
На поверхности земли, где атмосферное давление имеет наибольшую величину, анероидная коробка сжата, или, иными словами, имеет максимальный прогиб. При поднятии такой коробки над поверхностью земли по мере уменьшения атмосферного давления под действием упругих сил мембран коробка будет расширяться. Расширение коробки будет пропорционально уменьшению давления: чем меньше давление, тем больше будет расширяться коробка и тем меньше будет прогиб мембран.
Расширение коробки прекратится тогда, когда прекратится изменение давления. Обычно прогиб мембран бывает невелик (2–3 мм).
С помощью специального передающего механизма фиксируется малейшее изменение прогиба мембран. Кроме того, поступательное движение центра коробки превращается во вращательное движение, которое передается на стрелку, указывающую высоту полета по циферблату.
Простейшая принципиальная схема барометрического высотомера состоит из четырех основных узлов: чувствительного элемента, передающего механизма, фиксирующего механизма и корпуса прибора (рис. 87). Из этой схемы видно, что при поступательном движении жесткого центра коробки 1 тяга 2 будет поворачивать стрелку 3.
Рис. 87. Принципиальная схема барометрического высотомера:
1 — анероидная коробка; 2 — тяга; 3 — стрелка; 4 — шкала; 5 — корпус; 6 — штуцер
§ 33. УСТРОЙСТВО ДВУСТРЕЛОЧНОГО ВЫСОТОМЕРА
Двустрелочный высотомер представляет собой прибор, состоящий из корпуса и шкалы высот. Шкала высот рассчитана на 10 000 м. Цена деления шкалы высот для большой стрелки — 10 м, а для малой — 100 ж (рис. 88).
Рис. 88. Двустрелочный высотомер
На шкале имеются две подвижные стрелки — большая и малая: первая делает один оборот за 1000 м высоты, вторая — один оборот за 10 000 м. В нижней части шкалы имеется вырез, через который читают давление атмосферы. В нижней части корпуса имеется кремальера, с помощью которой устанавливается давление атмосферы на аэродроме взлета или аэродроме посадки. С помощью кремальеры можно также переводить стрелку высотомера, не передвигая шкалы давления атмосферы.
В качестве чувствительного элемента поставлена двойная анероидная коробка.
Механизм прибора (рис. 89) состоит из шарнирной передачи, сектора с трибкой, пары цилиндрических шестерен и перебора из четырех цилиндрических шестерен.
Рис. 89. Кинематическая схема двустрелочного высотомера:
1 — анероидные коробки; 2 — вилка с биметаллической пластинкой; 3 — тяга; 4 — биметаллическая пластинка; 5 — валик; 6 — сектор; 7 — трибка; 8 — большая шестерня; 9 — малая шестерня; 10 — ось; 11 — пружинный противовес; 12 — кремальера; 13 — основание; 14 — шкала барометрического давления
При уменьшении внешнего давления (с подъемом на высоту) анероидная коробка 1 расширяется и посредством тяги 3 поворачивает валик 5 с сектором 6. Сектор вращает трибку 7 с большой шестерней 8, сцепленной с малой шестерней 9. На оси малой шестерни 9 укреплена большая стрелка. Малая стрелка укреплена на полой оси 10, связанной с осью большой стрелки через прибор с передаточным числом 1:10. Механизм снабжен температурными компенсациями.
Для устранения ошибок, связанных с влиянием наклонов и вибраций, служит пружинный противовес 11, уравновешивающий анероидную коробку 1.
Для перевода стрелок служит кремальера 12, поворачивающая основание 13. Одновременно поворачивается шкала барометрического давления 14.
На шкале барометрического давления нанесены деления в диапазоне от 630 до 790 мм рт. ст.; цена деления равна 1 мм рт. ст.
Корпус высотомера делается герметичным, т. е. непроницаемым для воздуха. В задней части корпуса имеется штуцер, который при помощи трубопровода соединяется со статической камерой приемника воздушных давлений. Этим обеспечивается давление в корпусе, соответствующее атмосферному давлению на высоте полета.
Отсчет показаний высотомера. Точность отсчета показаний высотомера зависит от натренированности летчика в отсчетах высоты по прибору. Следует помнить, что отсчет производится вначале по большой стрелке в том случае, если малая стрелка не дошла по шкале от 0 до 1 (рис. 90). Отсчет показания по большой стрелке надо начинать с сотен метров и переходить на десятки метров. Одно большое деление при отсчете по большой стрелке равно 100 м, а малое деление 10 м.
Рис. 90. Отсчет высоты по большой стрелке
Пример. Между 0 и 1 десять малых делений, острый конец большой стрелки находится (от 0) на девятом делении, значит высотомер показывает высоту 90 м. Если малая стрелка находится между делениями 2 и 3, это значит, что высота полета больше 2000 м и меньше 3000 м. По длинной стрелке отсчитывают высоту до 1000 м. В данном примере длинная стрелка показывает высоту 600 м. Таким образом, высота полета, показываемая высотомером, равна 2600 м (рис. 91). Отсчет барометрического давления производится против индекса на шкале. В данном примере барометрическое давление равно 760 мм рт. ст.
Рис. 91. Отсчет высоты по малой и большой стрелкам
§ 34. ПЕРЕВОД СТРЕЛОК ВЫСОТОМЕРА И УСТАНОВКА БАРОМЕТРИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ВЫСОТОМЕРЕ
Для того чтобы обеспечить безопасный выход на аэродром посадки и выполнение посадки, необходимо на высотомере устанавливать давление, равное давлению на аэродроме взлета (посадки).
Во время предполетного осмотра пилотажно-навигационного оборудования летчик обязан поставить обе стрелки высотомера (длинную и короткую) на «0» шкалы высотомера; при этом давление высотомера должно быть равно давлению атмосферы аэродрома взлета.
Установка стрелок высотомера в нулевое положение достигается поворотом кремальеры в соответствующую сторону до совпадения стрелок с «0» шкалы (рис. 92).
Рис. 92. Установка стрелок высотомера на «0» шкалы
После того как стрелки высотомера будут установлены на «0» шкалы, давление на шкале высотомера не должно расходиться с давлением аэродрома больше чем на 3 мм рт. ст.
Если давление высотомера больше или меньше на 3 мм давления аэродрома, то следует повернуть стопорную гайку кремальеры на несколько оборотов влево и освободить ее от стопорения продольного перемещения кремальеры (рис. 93).
Рис. 93. Установка давления на шкале высотомера
При оттягивании кремальеры на себя шестерни кремальеры расцепляются с промежуточной шестерней, что дает возможность вращаться одной шкале давления. Давление устанавливается против индекса на шкале, равное давлению аэродрома взлета.
После этого завертывают вправо до упора стопорную гайку кремальеры.
§ 35. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОШИБКИ БАРОМЕТРИЧЕСКИХ ВЫСОТОМЕРОВ
Методических ошибок у барометрических высотомеров насчитывается три:
— ошибка от изменения атмосферного давления;
— температурная методическая ошибка высотомера;
— ошибка, возникающая вследствие изменения рельефа местности.
Ошибка, возникающая вследствие изменения атмосферного давления, заключается в том, что чувствительный элемент высотомера реагирует на изменение атмосферного давления. Атмосферное давление у поверхности земли не всегда одинаково и меняется в среднем в пределах 730–790 мм рт. ст. В один и тот же момент времени в различных точках земного шара наблюдается различное атмосферное давление. Это обстоятельство имеет серьезное значение при полетах на большие расстояния.
Предположим, что перед летчиком поставлена задача совершить перелет из точки А в точку В на высоте 1000 м. В момент вылета давление у земли в точке А (аэродром взлета) было 760 мм рт. ст., а в точке В, находящейся от А на расстоянии нескольких сот километров, — 730 мм рт. ст. (рис. 94).
Рис. 94. Ошибка барометрического высотомера, возникающая при изменении давления у земли
Перед вылетом стрелку высотомера летчик установил на нуль, затем взлетел и набрал высоту 1000 м; атмосферное давление на этой высоте над аэродромом (точка А) равно 674,1 мм рт. ст. Заданную высоту 1000 м летчик выдерживает по высотомеру. Вследствие того, что давление атмосферы над пролетаемой местностью меньше давления аэродрома вылета, самолет фактически будет лететь не по горизонтальной линии, а с непрерывным постепенным снижением, т. е. по линии равного давления (674,1 мм рт. ст.).
Таким образом, при полете от высокого атмосферного давления на поверхности земли к низкому высотомер будет показывать высоту с завышенным показанием на величину барометрической поправки (ΔНбар). При полете от низкого давления в сторону высокого прибор будет показывать высоту больше действительной на величину ΔНбар, т. е. самолет будет лететь с набором высоты.
Величина ошибки Hбар будет тем больше, чем больше разница в температуре воздуха над пролетаемой местностью и в пункте вылета.
Во избежание ошибок летчик должен знать атмосферное давление над пролетаемой местностью и устанавливать его на высотомере. Это давление определяется по синоптическим картам или же запрашивается летчиком в полете по радио. Без учета возможных ошибок высотомера от понижения давления атмосферы в условиях плохой видимости может произойти столкновение самолета с землей.
Температурная методическая ошибка высотомера заключается в том, что температура по земной поверхности распространяется не равномерно: в один и тот же момент времени в различных точках на земле температура различна. Предположим, что летчику предстоит выполнить перелет из точки А в точку Б.
На рис. 95 видно, что температура над пролетаемой местностью не одинакова: в районе аэродрома взлета температура в точке А равна +15°, а в точке Б +30°.
Рис. 95. Температурная ошибка высотомера
Допустим, что в этих точках давление равно 760 мм рт. ст. Если самолет из точки А (аэродром вылета) перемещается в точку Б и летчик выдерживает заданную высоту по прибору 1000 м, то самолет будет лететь по наклонной линии с набором высоты.
Таким образом, если по маршруту полета температура воздуха у земли будет повышаться, самолет будет перемещаться по наклонной линии, все время набирая высоту. Если же по маршруту полета температура воздуха у земли будет понижаться, самолет будет перемещаться по наклонной линии, все время приближаясь к земле. Учет температурной методической ошибки производится с помощью навигационной линейки.
Ошибка, возникающая вследствие изменения рельефа местности. При полете над земной поверхностью, как известно, барометрический высотомер не учитывает рельефа местности. Высотомер всегда будет показывать одну и ту же высоту независимо от того, летит ли самолет над ровной местностью или над гористой.
Например, летчик, выполняя полет по маршруту из точки А (аэродром взлета), выдерживает заданную высоту полета 1000 м, но истинная высота самолета меняется. Когда самолет пролетает над местностью ниже уровня аэродрома взлета, истинная высота больше показания высотомера, и наоборот, когда самолет пролетает над местностью, превышающей уровень аэродрома взлета, истинная высота меньше показания высотомера (рис. 96).
Рис. 96. Ошибка показания высотомера при изменении рельефа местности
Отсюда становится очевидным, что для избежания столкновения самолета с землей при полете над гористой местностью необходимо учитывать высоту гор. Эта высота определяется по топографическим картам маршрута. Определенная по карте высота местности (ΔHР) должна вычитаться из показаний высотомера (Hпр — ΔHР).
Если самолет пролетает над местностью, расположенной ниже точки взлета, то для определения истинной высоты величину впадин ΔHР надо прибавлять к показанию высотомера (Hпр + ΔHР).
Инструментальные ошибки барометрических высотомеров. Кроме методических ошибок, высотомер имеет инструментальные, которые вызываются недостатками конструкции измерительного прибора и неточностью его изготовления из-за несовершенства технологического процесса. Инструментальные ошибки для соответствующих показаний высотомера определяются и заносятся в график поправок показаний высотомера.
Для определения величины инструментальных ошибок прибор периодически (через три месяца) проверяют на специальных установках. Величину инструментальных ошибок записывают, заносят в специальные графики и укрепляют их в кабине самолета.
Проверка высотомеров может быть лабораторная, когда высотомер снимают с самолета и проверяют на специальном приспособлении, или самолетной переносной установкой.
При помощи самолетного приспособления создается равное давление в герметическом корпусе проверяемого и эталонного высотомеров. Разность отсчетов показаний самолетного высотомера с эталонным позволяет определить инструментальную поправку проверяемого высотомера (рис. 97). Эти поправки и заносятся в график, который крепится на борту самолета.
Рис. 97. Схема приспособления для проверки высотомера на самолете:
1 — проверяемый высотомер; 2 — эталонный высотомер; 3 — форвакуумный баллон; 4 — ручной насос; 5 — клапаны; 6 — тройники; 7 — резиновые шланги; 8, 9 — зажимы
Пользование графиком поправок высотомера в полете. Если высотомер показывает высоту полета без учета инструментальной ошибки, то такую высоту принято называть приборной высотой полета — Hпр. Для того чтобы исправить высоту на инструментальную ошибку прибора ΔHпр, необходимо к показанию высотомера алгебраически прибавить инструментальную поправку, взятую из графика (рис. 98).
Например, высотомер показывает 1500 м, инструментальную ошибку находим в графике против высоты 1500 м, которая отсчитывается по внешней вертикальной колонке (вверх — с плюсом, вниз — с минусом). Ошибка прибора летчика для этой высоты равна плюс 90 м. Следовательно, исправленная высота на инструментальную поправку равна 1500 + 90 = 1590 м.
Рис. 98. График поправок высотомера
§ 36. НАВИГАЦИОННАЯ СЧЕТНАЯ ЛИНЕЙКА
Навигационная счетная линейка НЛ-8 представляет собой логарифмическую линейку, на которой нанесены шкалы для решения основных штурманских задач (рис. 99).
Рис. 99. Счетная навигационная линейка:
А — лицевая сторона; Б — обратная сторона; 1, 2, 3 и т. д. — шкалы линейки
Линейка обеспечивает решение следующих задач:
— расчет путевой скорости по пройденному расстоянию и времени полета;
— расчет пройденного расстояния по путевой скорости и времени полета;
— расчет времени полета по расстоянию и путевой скорости;
— расчет поправки в курс по пройденному и оставшемуся расстоянию и боковому уклонению;
— расчет исправленной высоты полета по показанию высотомера;
— расчет исправленной воздушной скорости по показанию указателя воздушной скорости;
— расчет угла сноса и путевой скорости по воздушной скорости, скорости ветра и углу ветра;
— умножение и деление чисел на синус и тангенс;
— определение значений синуса и тангенса заданного угла;
— умножение и деление чисел;
— период скоростей, выраженных в км/час, в м/сек и обратно.
§ 37. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТИННОЙ И ПРИБОРНОЙ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА
Для определения истинной высоты полета прежде всего надо исправить показание высотомера на инструментальную поправку прибора (ΔHпр).
Hбар = Нпр + (±ΔHпр)
По температуре воздуха на высоте полета определить на линейке относительную (исправленную) высоту полета по ключу (рис. 100). Затем прибавить поправку на топографический рельеф, если пролетаемая местность ниже аэродрома взлета, или вычесть, если местность выше.
Рис. 100. Ключ расчета относительной высоты на НЛ-8
Пример 1. Показание высотомера 1000 м, инструментальная поправка высотомера ΔHпр — 30 м. Показание термометра на высоте +10°. Местность ниже аэродрома вылета на 200 м. Определить истинную высоту полета на НЛ-8.
Решения: 1. Показание высотомера исправляем на инструментальную поправку, получаем H’ = 1000 + (—30) = 970 м.
2. На шкале линейки «Для H» против высоты в км устанавливаем температуру на высоте + 10°.
Против исправленной на инструментальную поправку высоты Hбар на шкале «Высота и скорость по прибору» читаем относительную (исправленную) высоту: Hотн = 1000 м.
3. Полученную высоту исправляем на топографический рельеф, получаем истинную высоту полета. Hист = 1000 + 200 = 1200 м.
Пример 2. Hпр = 2000 м, tн = +15°, ΔHпр находим в графике инструментальных поправок высотомера: +80 м.
Местность выше аэродрома на 450 м. Определить истинную высоту полета.
Решения: 1. Показание высотомера исправляем на инструментальную поправку, получим H’ = 2000 + (+80) = 2080 м.
2. На НЛ-8 определяем относительную (исправленную) высоту, читаем на шкале: Hотн = 2190 м.
3. Полученную высоту исправляем на топографический рельеф, получаем истинную высоту полета: Нист = 2 190–450 м = 1740 м.
Определение показания высотомера для полета на заданной (истинной) высоте полета производится в следующем порядке.
Прибавить поправку на топографический рельеф к заданной (истинной) высоте, если местность выше аэродрома, или вычесть поправку, если местность ниже аэродрома. Определить температуру воздуха на высоте полета, если она неизвестна, по вертикальному температурному градиенту (для лета 6°, а для зимы 4° на 1000 м высоты).
Определить высоту по прибору счетной линейкой. Учесть инструментальную поправку с обратным знаком.
Пример 1. Заданная истинная высота полета Нист = 1000 м. Местность выше аэродрома взлета на 300 м. Температура воздуха на высоте tн = —10.
Инструментальная поправка высотомерa +80 м.
Определить показание высотомера для полета на заданной (истинной) высоте по НЛ-8 (рис. 101).
Рис. 101. Ключ расчета высоты по прибору по заданной (истинной) высоте на НЛ-8
Решения: 1. К заданной высоте прибавляем поправку на топографический рельеф, получаем: 1000 + 300 = 1300 м.
2. На шкале линейки «Температура на высоте для Н» находим деление, соответствующее температуре воздуха —10°, и совмещаем его с делением 1 на шкале «Высота в км для Н» (1 = 11000 м).
3. На шкале «Исправленная высота и скорость» находим деление 130, соответствующее высоте 1300 м, и против него на шкале «Высота и скорость по прибору» получаем высоту 1395 м.
4. Прибавляем инструментальную поправку высотомера с обратным знаком, получаем высоту по прибору.
Hпр = 1395 — (+ 80) = 1315 м.
Пример 2. Нист = 2000 м, местность ниже аэродрома на 100 м, tн = —30°. Инструментальную поправку высотомера находим по графику для Н = 2000 м + 80 м.
Определить показание высотомера для полета на заданной высоте.
Решения: 1. К Нист алгебраически прибавляем поправку на рельеф, получаем: 2000 — 100 = 1900 м.
2. По НЛ-8 определяем высоту против Нист = 2000 м, ставим tн = —30° и против высоты 1900 м читаем высоту 2150 м.
3. Прибавляем ΔHпр с обратным знаком, получим высоту по прибору ΔHпр = 2150 — (+ 80) = 2070 м.
§ 38. БЕЗОПАСНАЯ ВЫСОТА ПОЛЕТА
Безопасной высотой полета принято считать такое расстояние от самолета до земли, которое исключает всякую возможность столкновения самолета с землей или водной поверхностью и с препятствиями на ней при ограниченной видимости. Для этого рассчитывается безопасная высота полета.
Например, при полете по маршруту из пункта А (аэродром взлета) требуется определить безопасную высоту при соответствующих условиях полета (рис. 102).
Рис. 102. Заданная безопасная высота полета
Безопасная высота полета рассчитывается по формуле
Hбез = Hист. без + ΔHр + ΔHпреп + ΔHбар.
где Hбез — безопасная высота полета (истинная);
ΔHр — поправка на топографический рельеф относительно аэродрома;
ΔHпреп — высота искусственных препятствий, т. е. местных предметов в районе полета (башни, вышки, трубы и т. д.);
ΔHбар — поправка на изменение барометрического давления; она равна на 1 мм рт. ст. 10 м высоты.
Если давление ниже, чем на аэродроме вылета, поправка имеет знак +, если выше — знак —;
Hист. без — заданная истинная высота полета по маршруту.
Пример. Местность по маршруту выше аэродрома взлета ΔHр = 250 м, высота препятствий в районе полета ΔHпреп = 50 м.
Барометрическое давление относительно аэродрома взлета ΔHбар ниже на 10 мм. Заданная безопасная истинная высота полета 300 м, tи = +50°. Инструментальная поправка высотомера ΔHпр = 50 м. Определить безопасную высоту полета по приведенной выше формуле.
Решения: 1. Hбез = 250 + 50 + 100 + 300 = 700 м.
2. Определяем показание высотомера на навигационной линейке, получаем 670 м.
3. Прибавляем инструментальную поправку с обратным знаком, получаем безопасную высоту показания высотомера:
ΔHпр. без = 670 + 50 = 720 м.
Округляем в большую сторону. Таким образом, безопасную высоту полета по прибору летчик обязан держать не меньше 800 м.
§ 39. ОСМОТР ВЫСОТОМЕРА ПЕРЕД ПОЛЕТОМ
Перед полетом высотомер осматривается с целью определения годности и безотказности его эксплуатации в полете. В результате осмотра высотомера летчик должен убедиться в надежности крепления прибора к приборной доске, во внешней исправности высотомера, целости стекла, наличии стрелок и безотказности работы механизма кремальеры. Для этого следует поворотом кремальеры установить стрелки высотомера на нуль шкалы прибора, а если она стоит на нуле, то, вращая в любую сторону кремальеру, проследить за вращением стрелок и шкалы барометрического давления.
Шкала барометрического давления должна быть установлена на давление, равное давлению атмосферы аэродрома; при этом стрелки высотомера должны находиться в нулевом положении шкалы. Если стрелки не совпадут с нулем шкалы, то следует поступать, как было сказано выше.
§ 40. БОРТОВОЙ ТЕРМОМЕТР НАРУЖНОГО ВОЗДУХА
Бортовой термометр наружного воздуха позволяет измерять температуру для целей расчета истинной воздушной скорости и высоты полета и контроля режима работы винтомоторной группы.
Принцип действия прибора основан на закручивании или раскручивании биметаллической ленты при изменении температуры воздуха (рис. 103).
Рис. 103. Биметаллический термометр наружного воздуха ТНВ-45:
1 — биметаллическая цилиндрическая спираль; 2 — ось указательной стрелки; 3 — стрелка; 4 — неподвижная втулка, к которой приварен неподвижный конец биметаллической спирали; 5 — корпус теплочувствительного элемента; 6 — втулка, предохраняющая ось 2 от прогиба; 7 — циферблат (может быть повернут вокруг втулки 8 для установки шкалы на нуль); 8 — втулка; 9 — пружинящее кольцо крепления циферблата; 10 — стекло
Угол поворота биметаллической ленты передается стрелке прибора, которая указывает температуру в градусах Цельсия. Шкала прибора оцифрована от +50° до —60 °C. При скорости самолета свыше 300 км/’час требуется вводить поправку (вычитать) к показанию термометра, так как приемник воздушного термометра помещен в воздушном потоке, вследствие чего происходят сжатие воздуха перед приемником и повышение температуры за счет сжатия.
Нагреванию приемника способствует также трение воздуха о поверхность приемника. Практически при скоростях 300–500 км/час поправка равна —4°.
Показание температуры наружного воздуха на высоте полета летчику важно знать для того, чтобы предотвратить обледенение самолета, которое бывает наиболее опасным при температуре воздуха от 0 до —6°.