Скорость полёта

Скорость самолета относительно окружающего воздуха

Указатель воздушной скорости — это прибор для измерения воздушной скорости. Этот указатель воздушной скорости имеет стандартизированную маркировку для многомоторного самолета .

Самолеты оснащены трубками Пито для измерения скорости полета.

В авиации воздушная скорость — это скорость самолета относительно воздуха , через который он летит (который сам по себе обычно движется относительно земли из-за ветра). Точную воздушную скорость самолета (истинную воздушную скорость) измерить сложно, но другие меры воздушной скорости , такие как приборная воздушная скорость и число Маха, дают полезную информацию о возможностях и ограничениях летно-технических характеристик самолета. Обычные меры воздушной скорости: ^[1]

• Приборная воздушная скорость (IAS) — это показания указателя воздушной скорости, подключенного к системе воздушного давления .
• Калиброванная воздушная скорость (CAS), индицируемая воздушная скорость, скорректированная с учетом положения системы Пито и ошибки установки.
• Истинная воздушная скорость (TAS) — это фактическая скорость, с которой самолет движется в воздухе. В сочетании с ветрами на высоте она используется для навигации.
• Эквивалентная воздушная скорость (EAS) — это истинная воздушная скорость, умноженная на корневое отношение плотности. Это полезный способ расчета аэродинамических нагрузок и летных характеристик самолета на низких скоростях, когда поток можно считать несжимаемым.
• Число Маха — это мера того, насколько быстро летит самолет относительно скорости звука.

Измерение и индикация воздушной скорости обычно выполняется на борту самолета с помощью указателя воздушной скорости (ИСС), подключенного к системе Пито-статики . Система Пито-статики состоит из одного или нескольких зондов Пито (или трубок), обращенных к набегающему потоку воздуха, для измерения давления Пито (также называемого давлением стагнации , полным или лобовым давлением) и одного или нескольких статических портов для измерения статического давления в воздушном потоке. Эти два давления сравниваются ИСС для получения показаний IAS. Указатели воздушной скорости предназначены для определения истинной воздушной скорости при давлении на уровне моря и стандартной температуре . Когда самолет поднимается в менее плотный воздух, его истинная воздушная скорость больше, чем воздушная скорость, указанная на ИСС.

Калиброванная воздушная скорость обычно находится в пределах нескольких узлов от приборной скорости, в то время как эквивалентная воздушная скорость немного уменьшается от CAS по мере увеличения высоты полета самолета или на высоких скоростях.

Единицы

Скорость полета обычно указывается в узлах (kn). С 2010 года Международная организация гражданской авиации (ICAO) рекомендует использовать километры в час (км/ч) для скорости полета (и метры в секунду для скорости ветра на взлетно-посадочных полосах), но допускает использование фактического стандарта узлов и не имеет установленной даты, когда следует остановиться. ^[2]

В зависимости от страны-производителя или эпохи в истории авиации, индикаторы скорости полета на приборных панелях самолетов настраиваются на считывание данных в узлах, километрах в час, милях в час. ^[3] В полете на большой высоте для сообщения о скорости полета иногда используется число Маха .

Приборная скорость полета

Приборная скорость (IAS) — это показания указателя скорости полета (ASIR), не скорректированные на ошибки прибора, положения и другие ошибки. Согласно текущим определениям EASA: приборная скорость полета означает скорость самолета, показанную на его статическом указателе скорости Пито, откалиброванном для отражения стандартного атмосферного адиабатического сжимаемого потока на уровне моря, не скорректированную на ошибки системы измерения скорости полета. ^[4]

Индикатор воздушной скорости — это дифференциальный манометр, показания давления которого выражаются в единицах скорости, а не давления. Воздушная скорость определяется разницей между давлением набегающего потока воздуха из трубки Пито, или давлением застоя , и статическим давлением . Трубка Пито устанавливается лицом вперед; статическое давление часто обнаруживается в статических портах с одной или обеих сторон самолета. Иногда оба источника давления объединяются в один зонд, трубку Пито-стата . Измерение статического давления подвержено ошибкам из-за невозможности разместить статические порты в положениях, где давление является истинным статическим давлением при всех воздушных скоростях и положениях. Коррекция этой ошибки — коррекция ошибки положения (PEC), которая различается для разных самолетов и воздушных скоростей. Дальнейшие ошибки в 10% и более являются обычным явлением, если самолет летит в «нескоординированном» полете.

Использование приборной скорости полета

Приборная скорость полета является лучшим показателем требуемой мощности и доступной подъемной силы, чем истинная скорость полета. Поэтому IAS используется для управления самолетом во время руления, взлета, набора высоты, снижения, захода на посадку или посадки. Целевые скорости для лучшей скороподъемности, лучшей дальности и лучшей выносливости указаны в терминах приборной скорости. Конструктивный предел скорости полета, за пределами которого силы на панелях могут стать слишком высокими или может возникнуть флаттер крыла, часто указывается в терминах IAS.

Калиброванная воздушная скорость

Калиброванная воздушная скорость (CAS) — это измеренная воздушная скорость, скорректированная с учетом погрешностей прибора, погрешности определения местоположения (из-за неправильного давления в статическом порту) и ошибок установки.

Калиброванные значения воздушной скорости, меньшие скорости звука на стандартном уровне моря (661,4788 узлов), рассчитываются следующим образом:

${\displaystyle V_{c}=a_{0}{\sqrt {{\bigg (}{\frac {2}{\gamma -1}}{\bigg )}{\Bigg [}{\bigg (}{\frac {q_{c}}{p_{0}}}+1{\bigg )}^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}-1{\Bigg ]}}}}$исправление ошибок положения и установки минуса.

где

${\displaystyle V_{c}\,}$это калиброванная воздушная скорость,

${\displaystyle a_{0}\,}$это скорость звука на стандартном уровне моря

${\displaystyle \gamma \,}$это отношение удельных теплоемкостей (1,4 для воздуха)

${\displaystyle q_{c}\,}$это ударное давление , разница между полным давлением и статическим давлением

${\displaystyle p_{0}\,}$статическое давление воздуха на стандартном уровне моря

Это выражение основано на форме уравнения Бернулли, применимого к изоэнтропическому сжимаемому потоку. CAS совпадает с истинной скоростью воздуха в стандартных условиях на уровне моря, но становится меньше относительно истинной скорости воздуха по мере того, как мы поднимаемся в область более низкого давления и более холодного воздуха. Тем не менее, он остается хорошей мерой сил, действующих на самолет, то есть скорости сваливания можно вызывать на индикаторе скорости воздуха. Значения для и соответствуют ISA , т. е. условиям, при которых калибруются индикаторы скорости воздуха. ${\displaystyle p_{0}}$ ${\displaystyle a_{0}}$

Истинная воздушная скорость

Истинная воздушная скорость ( TAS ; также KTAS , для knots true airspeed ) самолета — это скорость самолета относительно воздуха, в котором он летит. Истинная воздушная скорость и направление самолета составляют его скорость относительно атмосферы.

Использование истинной воздушной скорости

Истинная воздушная скорость — важная информация для точной навигации самолета. Чтобы сохранять желаемую траекторию полета в движущейся воздушной массе, пилот самолета должен использовать знание скорости ветра, направления ветра и истинной воздушной скорости для определения необходимого курса. См. треугольник ветра .

TAS — это подходящая скорость для использования при расчете дальности полета самолета. Это скорость, которая обычно указывается в плане полета, также используется при планировании полета , до учета влияния ветра.

Измерение истинной воздушной скорости

Механический указатель скорости полета для самолета, показывающий IAS в узлах (внутренняя шкала на черном фоне) и милях в час (внешняя шкала на черном фоне). Пилот устанавливает барометрическую высоту и температуру воздуха в верхнем окне с помощью ручки; стрелка показывает истинную скорость полета в нижнем левом окне (белый фон).

Истинная воздушная скорость рассчитывается на основе калиброванной воздушной скорости следующим образом ^[1]

${\displaystyle V=V_{c}{\sqrt {\theta {\frac {(1+q_{c}/p)^{(\gamma -1)/\gamma }-1}{(1+q_{c}/p_{0})^{(\gamma -1)/\gamma }-1}}}}}$

где

${\displaystyle V\,}$истинная воздушная скорость

${\displaystyle \theta \,}$это отношение температур, а именно локальная температура над стандартной температурой на уровне моря, ${\displaystyle T/T_{0}}$

Некоторые индикаторы скорости полета включают шкалу TAS, которая устанавливается путем ввода температуры наружного воздуха и барометрической высоты. В качестве альтернативы TAS можно рассчитать с помощью калькулятора полета E6B или эквивалента, учитывая вводные данные CAS, температуры наружного воздуха (OAT) и барометрической высоты.

Эквивалентная воздушная скорость

Эквивалентная воздушная скорость (EAS) определяется как воздушная скорость на уровне моря в Международной стандартной атмосфере, при которой (несжимаемое) динамическое давление равно динамическому давлению при истинной воздушной скорости (TAS) и высоте, на которой летит самолет. То есть, она определяется уравнением

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho _{0}{V_{e}}^{2}={\frac {1}{2}}\rho V^{2}}$

где

${\displaystyle V_{e}\,}$эквивалентна скорости полета

${\displaystyle V\,}$истинная воздушная скорость

${\displaystyle \rho \,}$плотность воздуха на высоте, на которой в данный момент летит самолет;

${\displaystyle \rho _{0}\,}$— плотность воздуха на уровне моря в международной стандартной атмосфере (1,225 кг/м ³ или 0,00237 слаг/фут ³ ).

Говоря иначе, ^[5]

${\displaystyle V_{e}\equiv V{\sqrt {\sigma }}}$

где

${\displaystyle \sigma }$это отношение плотности, то есть ${\displaystyle {\frac {\rho }{\rho _{0}}}}$

Использование эквивалентной воздушной скорости

EAS — это мера воздушной скорости, которая является функцией несжимаемого динамического давления. Структурный анализ часто проводится в терминах несжимаемого динамического давления, поэтому эквивалентная воздушная скорость является полезной скоростью для структурных испытаний. Значение эквивалентной воздушной скорости заключается в том, что при числах Маха ниже начала волнового сопротивления все аэродинамические силы и моменты на самолете пропорциональны квадрату эквивалентной воздушной скорости. Таким образом, управляемость и «ощущение» самолета, а также аэродинамические нагрузки на него при заданной эквивалентной воздушной скорости очень близки к постоянным и равны таковым на стандартном уровне моря независимо от фактических условий полета.

При стандартном давлении на уровне моря CAS и EAS равны. До 200 узлов CAS и 10 000 футов (3 000 м) разница незначительна, но на более высоких скоростях и высотах CAS расходится с EAS из-за сжимаемости.

число Маха

Число Маха определяется как ${\displaystyle M}$

${\displaystyle M={\frac {V}{a}}}$

где

${\displaystyle V\,}$истинная воздушная скорость

${\displaystyle a\,}$это локальная скорость звука

Число Маха и скорость звука можно вычислить, используя измерения ударного давления , статического давления и температуры наружного воздуха .

Использование числа Маха

Для самолетов, которые летают близко, но ниже скорости звука (т.е. большинство гражданских самолетов), предел скорости сжимаемости указывается в терминах числа Маха. За пределами этой скорости может возникнуть бафт Маха, сваливание или складывание.

Смотрите также

• Рекомендации ИКАО по использованию Международной системы единиц
• Сокращения и аббревиатуры в авионике
• Пилотажные приборы
• Скорость относительно земли
• Скорость маневрирования
• V-скорости

Ссылки

1. McCormick, Barnes (1995). Аэродинамика, воздухоплавание и механика полета (Второе издание). John Wiley & Sons. стр. 38–39. ISBN 0-471-57506-2.
2. Международная организация гражданской авиации - Международные стандарты и рекомендуемая практика - Единицы измерения, используемые в воздушных и наземных операциях - Приложение 5 к Конвенции о международной гражданской авиации
3. Справочник специалиста по техническому обслуживанию авиации — планер самолета. Университет Пердью: Федеральное управление гражданской авиации / Aviation Supplies & Academics, Incorporated. 2012. стр. G-2. ISBN 978-1-56027-950-1. Получено 2 декабря 2023 г. . Этот перепад давления отображается в милях в час, узлах или километрах в час.
4. «Определения и сокращения, используемые в спецификациях сертификации для продуктов, деталей и приборов» (PDF) . EASA. 5 ноября 2003 г.
5. Эйкен, Уильям (сентябрь 1946 г.). «Стандартная номенклатура скоростей полета с таблицами и диаграммами для использования при расчете скорости полета» (PDF) . Национальный консультативный комитет по аэронавтике . NACA TN 1120.

Библиография

• Глауэрт Х. (1947). "2". Элементы теории аэродинамического профиля и воздушного винта . Cambridge University Press. ISBN 9781139241953.
• Уильям Грейси (май 1980 г.). Измерение скорости и высоты полета самолета (PDF) . NASA.
• Знакомство с летно-техническими характеристиками (PDF) . Поддержка полетов и линейная помощь. Airbus Customer Services. Январь 2002 г.

Внешние ссылки

• Кевин Браун. «Истинные, эквивалентные и калиброванные скорости полета». MathPages .

Калькуляторы

• Дэн Исраэль Мальта. "MaltApplication". Аэронавигационный и атмосферный калькулятор, приложения для Windows и Android.
• Луис Монтейру. "Высотометрия". Калькуляторы учитывают сжимаемость, нагрев из-за трения и другие переменные.
• Луис Монтейру. "Ветер и время - Скорость - Расстояние". Учитывайте изменения плотности топлива из-за температуры.
• Барух Кантор. "Атмосферный калькулятор". NewByte Flight Dynamics.