Влияние погодных условий на полет летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Атмосфера представляет собой механическую смесь различных газов, водяного пара и твердых частиц. Она неоднородна по своему составу и неодинакова по своим свойствам. Свойства атмосферы изменяются в довольно широком диапазоне как во времени, так и в пространстве. А эти изменения оказывают определенное воздействие на помещенные в атмосферу предметы - аэростаты, радиозонды, космические аппараты, самолеты, вертолеты и т.п. В результате этого воздействия при выполнении полета ЛА изменяются аэродинамические силы, скорость полета, режим работы двигателей, расход топлива, а также показания различных аэронавигационных приборов. Неучет этого воздействия может привести к значительным ошибкам в определении параметров полета, что в свою очередь - к угрозе безопасности полета или невыполнению (срыву) полетного задания.

Методика учета влияния метеоусловий основана на введении в рассмотрение так называемой "стандартной атмосферы", позволяющей получать сравнимые между собой показания приборов, данные летных испытаний и результаты аэродинамических расчетов, а также геофизических и метеорологических наблюдений Стандартная атмосфера (СА) - это условное, заранее заданное и постоянное, "стандартное" распределение физических характеристик состояния атмосферы с высотой. Другими словами, если у земли параметры атмосферы заданы, то с высотой они изменяются по определенному (известному) закону, близкому к среднему распределению. Стандартная атмосфера не зависит от времени года и суток, места испытаний, всегда одинакова и неизменна.

Таким образом, в СА изменения метеовеличин происходят не так, как в реальной атмосфере. По мере изучения атмосферы, появления новых видов авиационной и космической техники, возрастания ее зависимости от состояния атмосферы, повышались требования к стандартной атмосфере. В настоящее время действует СА-81 (ГОСТ 4401-81), где определены средние значения параметров атмосферы в диапазоне от -2 до + 1200 км для широты 45°32ў33І. Стандартная атмосфера представляет собой сборник таблиц.

Таблицы параметров СА рассчитаны в предположении, что воздух представляет собой идеальный газ, и базируются на общепринятых для среднего уровня моря исходных значениях температуры, давления и плотности воздуха. Стандартная атмосфера широко применяется при решении научно-практических задач. Возникающие в полете аэродинамические силы, сила тяги двигателя, расход топлива, скорость и предельно допустимая высота полета а также показания некоторых аэронавигационных приборов могут значительно изменяться в условиях реальной атмосферы. Вследствие этого возникает необходимость решения задач трех видов: Приведение результатов летных испытаний к стандартным условиям Учет (оценка) влияния параметров атмосферы на полет летательного аппарата и показания аэронавигационных приборов. 3.Обработка результатов геофизических и метеорологических наблюдений.

В описаниях и инструкциях по эксплуатации летательных аппаратов все летные характеристики указываются для условий стандартной атмосферы, поэтому важно в случае отличия реальных условий от стандартных значений осуществлять так называемое приведение их к стандартной атмосфере. На практике наиболее часто применяется приведение результатов летных испытаний (полетов) к стандартным высотам, т.е. таким высотам, на которых атмосферные условия, наблюдаемые в момент испытания (полета), аналогичны условиям в стандартной атмосфере. Наиболее употребительны следующие виды стандартных высот:

1. Барометрическая высота Zp - высота в СА, на которой атмосферное давление равно фактическоу давлению на уровне полета (рст = pz).

2. Высота по плотности воздуха Zr - высота в СА, на уровне которой плотность воздуха равна фактической плотности на уровне полета (rст = rz).

Эта высота используется в расчетах летно-технических характеристик ЛА при взлете и посадке на горных аэродромах Выбор способа приведения зависит от характера решаемой заачи. При этом исходят из того, что значение некоторой заданной функции от давления и температуры F (P,Т) - должно быть одинаковым в реальных условиях и на условной высоте в СА, т.е. должно выполняться соотношение F (Pст, Tст) = F(Р,Т), где: Рст, Тст - давление и температура в СА; Р, Т - фактические давление и температура на уровне полета. В качестве функции F может быть выбран любой параметр, например, высота полета, скорость полета или подъемная сила Барометрический способ определения высоты полета Высота полета летательного аппарата является одной из важнейших летных характеристик. Высота полета - расстояние по вертикали от начального уровня до летательного аппарата основным прибором для определения высоты полета является барометрический высотомер (баровысотомер), представляющий из себя чувствительный барометр-анероид.

На практике одной из важнейших задач метеоподразделения является тесно связанное с барометрическим методом приведение давления к уровню ВПП. Известно, что атмосферное давление определяется в метеоподразделениях ежечасно и по мере необходимости с помощью ртутно-чашечного барометра. Измеряется давление в миллибарах (гектопаскалях) и затем переводится в мм.рт.ст. Именно это давление передается на борт ЛА дельтаh=8000/Pмп(1+ 0,004t ) Влияние давления и температуры воздуха на аэродинамические характеристики летательных аппаратов (ЛА) Атмосферное давление-сила,дейст. На единицу горизонтальной поверхности и равная весу столба воздуха,простирающегося от данной поверхности до верхней границы атмосферы.

В полете на ЛА действуют подъемная сила - Y; сила лобового сопротивления - Х; сила тяги - P, создаваемая двигателем; сила тяжести -- G величина аэродинамических сил прямо пропорциональна давлению и плотности воздуха и обратно пропорциональна температуре воздуха Влияние давления и температуры воздуха на показания указателя воздушной скорости. Для определения воздушной скорости, т.е. скорости движения самолета относительно воздуха, применяется прибор, называемый указателем скоростии работающий на принципе измерения разности между полным и статическим давлением воздуха в полете, т.е. динамического давления (скоростногО напора).На современных ЛА для определения воздушных параметров полета используются комплексные автоматические измерительные системы - система воздушных сигналов (СВС) и информационный комплекс высотно -скоростных параметров (ИКВСП).

В этих приборов применяются вычисли- тельные устройства, с помощью которых по измеренным значениям динамического и статического давления и температуры заторможенного воздуха рассчитываются истинные значения скорости и высоты полета Влияние давления и температуры воздуха на силу тяги двигателя и расход топлива. Принято различать потребную силу тяги двигателя, которая необходима для преодоления лобового сопротивления и набора высоты, и располагаемую силу тяги, которую максимально может развить двигатель на данной высоте при допустимом режиме работы. При понижении давления и температуры часовой расход топлива уменьшается.В целом при повышении температуры на 10оС часовой расход топлива увеличится на 1,7-2,3%.

Влияние температуры и давления воздуха на взлет и посадку, скороподъемность и потолок летательных аппаратов взлетные и посадочные характеристики самолета (длина разбега, скорость отрыва при взлете, посадочная скорость, длина разбега при посадке и другие) в значительной степени зависят от физических характеристик состояния атмосферы. Для того, чтобы самолет смог взлететь, необходимо, чтобы величина подъемной силы стала равна весу самолета. Равновесие сил (подъемной и силы тяжести) наступает уже на минимальной скорости. Однако, отрыв самолета на минимальной скорости опасен по причине возможности потери устойчивости и управляемости самолета. Поэтому установлено, что скорость отрыва у самолета с турбовинтовыми двигателями на 10-15% больше минимальной. Значительные колебания температуры и давления воздуха вызывают существенные изменения скорости отрыва. В свою очередь изменение скорости отрыва влияет на длину разбега и всей взлетной дистанции.

Это особенно важно иметь в виду при взлете с аэродромов, имеющих ограниченной длины взлетные полосы, и при максимальных загрузках самолетов, а также в районах с жарким климатом и в горах. Например, повышение температуры воздуха на 10оС приводит к увеличению скорости отрыва на 1,75%, длины разбега на 13%. Это эквивалентно изменению взлетной массы самолета на 3,5% или примерно на 2000 кг.

Подводя итоги, можно еще раз указать : На взлете скорость отрыва зависит от температуры и давления воздуха, длина разбега от температуры воздуха. Длина разбега увеличивается на 7-13%, скорость отрыва на 1,8 % при положительном отклонении температуры от стандартной на 10оС. 25 При наборе высоты при том же условии вертикальная скорость уменьшается на 10-20%, время набора высоты увеличивается на 6-10 %.В горизонтальном полете дальность и продолжительность полета с ростом температуры уменьшаются, часовой расход топлива увеличивается на 1,7-2,3 % при повышении температуры на 10оС. Разгон самолета целесообразно выполнять в зоне наиболее низких температур, где время и путь разгона минимальны. Такие условия наблюдаются у нижней границы тропопаузы. Максимальная скорость при повышении температуры на 5оС уменьшается на 1 %. Потолок самолета с ростом температуры понижается. Длина пробега увеличивается в среднем на 3,5 % при положительном отклонении температуры на 10оС. Все вышесказанное свидетельствует о важности учета метеоусловий при обеспечении полетов авиации и необходимости для метеоспециалистов ясно понимать причины такого положения.

2. ПРГОНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА. 3.ПРОГНОЗ ШКВАЛОВ

Шквал -- кратковременное увеличение скорости ветра до значений, намного превышающих скорость градиентного ветра. Он представляет собой одно из проявлений интенсивной конвективной деятельности. Шквалы являются особо опасными явлениями погоды. Во-первых, они связаны с кучево-дождевой облачностью. Во-вторых, шквалы сопровождаются интенсивными ливневыми осадками и градом. Скорость ветра при шквале достигает разрушительной силы. Классификация шквалов по скорости ветра:

¦ слабые шквалы -- при скорости ветра 20 м/с;

¦ умеренные шквалы -- при скорости ветра 20--25 м/с;

¦ сильные шквалы -- при скорости ветра 25--30 м/с;

¦ особенно сильные шквалы -- при скорости ветра более 30 м/с.

Шквалы -- явление локальное. Иногда в одном пункте может наблюдаться целая серия шквалистых усилений ветра. Физические условия образования шквалов. Кучево-дождевые облака образуются в результате реализации больших запасов энергии неустойчивости атмосферы. В начальной стадии развития формируются преимущественно восходящие потоки воздуха, которые в процессе развития кучево-дождевых облаков усиливаются за счет дополнительного тепла, выделяющегося в облачном воздухе в процессе конденсации и кристаллизации водяного пара. Когда в облаках накапливается достаточное количество влаги и происходит укрупнение облачных элементов, некоторые объемы облачного воздуха начинают опускаться вниз под действием массы накопленной в облаке капельно-жидкой влаги, кристаллов и града. Накопление влаги происходит наиболее интенсивно на высотах, где температура воздуха составляет -10 °С и ниже, а восходящие потоки воздуха достигают максимальных скоростей. В процессе опускания объемов облачного воздуха вниз влага в них испаряется, что, в свою очередь, вызывает более ускоренное движение вниз.

Наиболее интенсивные потоки достигают поверхности земли и, пребразовываясь в горизонтальный поток, создают резкое усиление ветра. Это первое условие, вызывающее возникновение шквала. Вторым условием является возникновение мелкомасштабных волн падения и роста давления, что обусловливает очень большие барические градиенты давления. Причиной такого процесса являются мощные восходящие конвективные потоки в передней части облака и нисходящие в цен- тральной и тыловой частях облака. Восходящие потоки создают дефицит массы воздуха, что сопровождается резким падением давления, а нисходящие потоки определяют рост давления.

Наличие вертикальных потоков разного знака способствует образованию шквалистого ворота с горизонтальной осью впереди кучево-дождевого облака. Горизонтальная ось располагается в среднем на высоте 500--600 м впереди Cb за 1--2 км до сплошной завесы дождя. Шквалы, как правило, сопровождаются осадками в виде ливневого дождя и града. Время начала ливневого дождя и время начала шквала довольно близки. Особенно сильные шквалы наблюдаются в зоне ливневого дождя спустя 5--10 мин после его начала, если же шквал начинается до начала дождя, то он имеет умеренную интенсивность. Это обусловливается тем, что в этом случае нисходящий поток обгоняет ливень и теряет свою энергию. Аэросиноптические условия возникновения шквалов.

В зависимости от синоптических условий, при которых наблюдаются возникновение и развитие шквалов, различают внутримассовые и фронтальные шквалы. Фронтальные шквалы наблюдаются в 75 % случаев, а внутримассовые -- только в 25 % случаев. Внутримассовые шквалы обычно бывают умеренными или слабыми, наблюдаются с мая по август, как правило, во вторую половину дня. Внутримассовые шквалы связаны с кучево-дождевыми облаками, образующимися при термической конвекции в теплой неустойчивой воздушной массе, либо при термодинамической конвекции в холодной неустойчивой воздушной массе в тыловой части циклонов. Шквал перемещается вместе с порождающим его облаком, поэтому последствия шквала прослеживаются в пределах определенной полосы («след» шквала).

Иногда шквалы возникают вдоль «линий неустойчивости», которые в отличие от атмосферных фронтов существуют кратковременно и не прослеживаются на картах барической топографии. Синоптическая обстановка при возникновении шквалов характеризуется наличием слабых барических и термических градиентов как у поверхности земли, так и на высотах. Температура воздуха у поверхности земли имеет хорошо выраженный суточный ход с максимумом в 14--15 ч местного времени, причем значение максимальной температуры воздуха, как правило, выше 25 °С. Фронтальные шквалы являются наиболее опасными и чаще связаны с холодными атмосферными фронтами и холодными фронтами окклюзии. По синоптическим условиям исследованные фронтальные шквалы можно разделить на четыре типа. Первый тип фронтального шквала соответствует синоптической обстановке, при которой наблюдается хорошо выраженный в поле температуры малоподвижный холодный фронт с волнами. Волновые возмущения со скоростью 40--70 км/ч перемещаются вдоль линии фронта. Контрасты температуры воздуха в зоне фронта у поверхности земли превышают 10 °С.

Шквалы возникают вблизи вершины волновых возмущений преимущественно в теплом воздухе (в теплом секторе волны). Чаще всего такие шквалы возникают в дневное время. Они встречаются в 55 % случаев от общего числа фронтальных шквалов. Второй тип фронтального шквала наблюдается на быстродвижущемся холодном атмосферном фронте с большими (более 10 °С) контрастами температуры воздуха у поверхности земли. Шквалы на холодных атмосферных фронтах данного типа возникают весьма часто, но сильные шквалы наблюдаются сравнительно редко. Наличие в зоне холодного атмосферного фронта достаточно мощных упорядоченных вертикальных движений, обусловленных циклонической кривизной изобар, способствует развитию вынужденной конвекции. В зоне холодных атмосферных фронтов, располагающихся в глубоких барических ложбинах, такие вертикальные движения бывают наиболее интенсивными.

Третий тип фронтального шквала наблюдается вблизи точки окклюзии -- на стыке теплого и холодного атмосферных фронтов, хорошо выраженных в поле температуры воздуха Шквалы у точки окклюзии -- более редкое явление, чем шквалы первого типа. Скорость ветра у поверхности земли в 75 % случаев достигает 20--30 м/с, а в 25 % случаев превышает 30 м/с. Наиболее благоприятные условия для образования шквалов у точки окклюзии создаются в теплую половину года во второй половине дня (12--18 ч местного времени). Характерной особенностью шквалов данного типа является то, что они наблюдаются только при отрицательных барических тенденциях вблизи точки окклюзии, превышающих -- 3,0 гПа за 3 ч. Четвертый тип фронтального шквала наблюдается в тыловой части циклона в неустойчиво стратифицированной воздушной массе при прохождении вторичных холодных атмосферных фронтов.

Особенностью разработки прогноза шквалов является то, что кроме факта возникновения шквала необходимо также предсказать значение максимальной скорости ветра. Метод Г.Д. Решетова разработан для центральных районов европейской части России и позволяет прогнозировать шквал с заблаговременностью 9--12 ч. Исходными аэросиноптическими материалами являются: приземные синоптические и кольцевые карты погоды, карты барической топографии текущих суток, данные вертикального зондирования атмосферы за 3 ч для пункта прогноза и по территории. Прогноз шквала разрабатывается в два этапа. На первом этапе разрабатывается прогноз синоптического положения и, если оно благоприятно для возникновения шквала, производится расчет параметров, определяющих условия возникновения шквала. Прогноз шквала разрабатывается с помощью диаграммы. Если точка пересечения попадает в область «Шквалы», то следует ожидать его возникновения.

Расчет скорости ветра осуществляется по графику Метод Р.А. Ягудина разработан для прогноза шквала в районе Но- восибирска. Он позволяет прогнозировать факт возникновения шквала и максимальную скорость ветра при нем. Условия возникновения шквала обусловливаются достаточной энергией неустойчивости и достаточным значением влажности в нижнем и среднем слоях тропосферы.

3. ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ВЗЛЕТ И ПОСАДКУ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. СДВИГ ВЕТРА

На деятельность авиации существенное влияние оказывает ветер как в приземном слое, так и ветер на высотах. Приземный ветер влияет на взлет и посадку самолетов и вертолетов, а ветер на высотах - на их навигацию и боевое применение. Сильный ветер при взлете и посадке, кроме изменения взлетных и посадочных характеристик, может привести к летным происшествиям. Не учет или неправильный учет ветра при навигационных расчетах может привести к нарушению безопасности полетов или к невыполнению летного задания. Ветер представляет собой горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Основными его характеристиками являются направление и скорость Струйные течения и условия полетов в них СТ-узкие потоки воздуха со скоростью более 30 м/с.Возникают в областях значительных градиентов давления и температуры, воздуха, характерных для высотных фронтальных зон. Особенности метеорологических условий в зонах СТ обусловлены тем, что для них характерны большие скорости ветра, значительная турбулентность. Зоны максимальной интенсивности турбулентности связаны с максимальными скоростями ветра. Эти зоны имеют очаговый характер. Важное значение приобретает учет СТ в том случае, если направление ветра в нем не совпадает с направлением полета, а также когда необходимо на маршруте пересекать СТ. В первом случае полета в СТ следует избежать, а во втором - входить в область СТ целесообразно под меньшим углом. Взлет и посадка летательного аппарата являются исключительно важными и ответственными этапами полета. Каждый самолет имеет взлетные и посадочные характеристики, к которым относятся длина разбега, скорость отрыва при взлете, посадочная скорость и длина пробега при посадке.

Эти характеристики зависят от метеорологических условий на данном аэродроме. Для устойчивого полета взлет и посадку необходимо осуществлять против ветра. Полеты с попутным ветром запрещаются Значительно осложняется взлет и посадка при боковом ветре, когда управление самолетом затруднено возникновением дополнительных аэродинамических сил. Под действием дополнительных аэродинамических сил возникают кренящий и разворачивающий моменты, сильно усложняющие пилотирование ЛА. Поэтому инструкцией для каждого типа ЛА устанавливается предельно допустимая скорость бокового ветра (боковая составляющая), при которой возможен взлет и посадка.

Зависит она от особенностей конструкции и веса ЛА, состояния поверхности ВПП и т.п. Для современных самолетов боковая составляющая составляет от 6 до 15 м/с, и оценивается с помощью формулы Uб = U. Sina, где Uб - боковая составляющая; a - угол между направлением ветра и направлением ВПП, а также составленным по этим спискам графикам, таблицам или планшетам. Ограничения полетов по ветру важно учитывать в ходе метеообеспечения полетов, причем в совокупности с влиянием других метеоусловий (выпадение осадков, низкая облачность высокие температуры воздуха и т.п.). Особое внимание на взлете и посадке уделяется не только скорости и направлению ветра, но их изменениям в пространстве.

Резкие изменения направления или скорости ветра в двух точках пространства, отнесенные к расстоянию между этими точками называют сдвигом ветра. Величина сдвига ветра - векторная. Различают горизонтальные, вертикальные и боковые сдвиги ветра. Интенсивность Сдвиг ветра, м/с на 30 м Слабый 0-2 м/с умеренный 2-4 сильный 4-6 очень сильный >6. Для авиации сдвиг ветра более 4 м/с на 30 м считается опасным. Сдвиг ветра как правило возникает вблизи и под кучево-дождевыми облаками, в зоне атмосферных фронтов, при наличии инверсии у поверхности Земли, а также в горной местности и в прибрежных районах.

4. ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ПУТЕВУЮ СКОРОСТЬ и НАПРВЛЕНИЕ ПОЛЕТА. УГОЛ СНОСА

В неподвижном воздухе направление движения самолета относительно земной поверхности совпадает с направлением его продольной оси, а ско рость перемещения равна воздушной скорости (скорости относительно воздуха). Ветер, представляющий горизонтальное движение воздушной массы относительно земли, обусловливает снос самолета вместе с этой воздушной массой. Скорость полного движения самолета представляет собой геометрическую сумму двух векторов: вектора воздушной скорости и вектора ветра.

Построенный на этих векторах треугольник получил название навигационного треугольника скоростей Влияние ветра на путевую скорость, то есть на скорость движения самолета относительно земли, и на величину угла сноса зависит от скорости и направления ветра и оценивается с помощью взаимосвязи между элементами навигационного треугольника величина угла сноса прямо пропорциональна отношению скорости ветра к скорости самолета и синусу угла ветра sinфи=u/v*sine. При e = 0 или 180°, что соответствует попутному или встречному ветру, угол сноса равен нулю (j = 0). При e = 90° (боковой ветер) угол сноса максимальный.

Для учета влияния ветра на величину путевой скорости введено понятие «эквивалентный ветер». Под эквивалентным ветром понимают некоторый всегда направленный вдоль маршрута расчетный ветер, который оказывает такое же влияние на значение путевой скорости, как и фактический ветер. Использование понятия «эквивалентного ветра» позволяет применить статистический подход в реше- нии задач, связанных с необходимым для полета запасом топлива, при оценке времени прибытия ЛА в конечный пункт, при составлении расписания пере- дач и т.п. Таким образом, введение понятия эквивалентного ветра позволяет с небольшой ошибкой заранее, привлекая для расчетов кинематических данных о ветре на интересующих высотах и различные варианты заданного ветра получить таблицы и графики. С их помощью определить расход топлива, продолжительность полета, время прибытия в конечный пункт маршрута, рассчитать скорость полета по маршруту и т.п.

5. ХАРАКТЕРИСТИКА ТУРБУЛЕНТНЫХ ЗОН В ТРОПОСФЕРЕ И СТРАТОСФЕРЕ

Одним из характерных свойств атмосферы является турбулентность.Она представляет собой неупорядоченное, хаотическое движение воздуха. Основными причинами возникновения турбулентности в атмосфере являются градиенты температуры и скорости ветра. В свою очередь такие градиенты наблюдаются при следующих процессах: - неравномерный нагрев подстилающей поверхности; - взаимодействие воздушных масс между собой или с земной поверхностью; - интенсивное облакообразование; - деформация воздушных течений горными препятствиями. Очевидно, что эти процессы могут проявляться в различных сочетаниях и действовать одновременно или наоборот разнесенными по времени. Однако в большинстве случаев одни атмосферные процессы преобладают над другими и, учитывая это, турбулентность можно подразделять на термическую, динамическую и механическую. Термическая турбулентность - возникает при неравномерном нагреве подстилающей поверхности или в результате адвекции холодного воздуха на теплую подстилающую поверхность. Характерным проявлением этого является возникновение конвективных облаков. Термическая турбулентность имеет хорошо выраженный суточный ход (максимум - днем, минимум - ночью) и существенно зависит от количества облаков (при № 3 = 3-5 баллов - турбулентность максимальная). Термическая турбулентность может проявляться во всей толще тропосферы. Динамическая турбулентность обусловлена существованием значительных вертикальных и горизонтальных сдвигов ветра, возникающих при взаимодействии воздушных масс с разными характеристиками (например,различные скорости воздушных масс приводят к трению одной воздушной массы о другую). Динамическая турбулентность проявляется на всех высотах,но большая повторяемость наблюдается в зоне струйных течений. Механическая турбулентность образуется в результате взаимодействия воздушного потока с поверхностью земли или деформации воздушного потока орографическими препятствиями (в частном случае говорят об орографической турбулентности). Этот вид турбулентности, как правило, наблюдается в приземном слое, однако в горной местности проявляется и на больших высотах (толщина зон турбулентности превышает высоту препятствий в 3-4 раза).

В тропосфере толщина турбулентных зон составляет 400-800 м, в стратосфере - несколько меньше - 200-3--м. Следует учитывать, что с уменьшением широты вырастает повторяемость больших толщин турбулентных зон. В конкретных метеорологических условиях могут наблюдаться значительные отклонения от указанных выше, в некоторых случаях их толщина достигает нескольких тысяч метров. Турбулентные зоны имеют различную горизонтальную протяженность: от нескольких километров до нескольких сотен (400-500 км), а иногда тысяч километров. Однако чаще всего (около 70% случаев) для умеренных широт РФ горизонтальная протяженность составляет менее 100 км, и только в 4%случаев - больше 400 км.Горизонтальная и вертикальная структура турбулентных зон очень сложна. Турбулентные зоны могут быть сплошными, а также прерывистыми,состоящими из нескольких турбулентных участков.

Продолжительность существования турбулентных зон может изменяться в больших пределах. Как правило, она составляет в 75% случаев - около 5 часов. В частных случаях отмечалась следующая повторяемость: в 80-90% случаев на высотах 8-12 км около 1 часа, в 60-75% - в течение 1,5-6,0 часов. Особое место в изучении турбулентных зон принадлежит турбулентности при ясном небе (ТЯН), являющейся разновидностью динамической турбулентности. ТЯН отмечается в умеренных широтах примерно в 10%, а в южных в 15-20% от общего числа полетов самолетов. В стратосфере ТЯН наблюдается еще реже (около 1%).Интенсивность ТЯН не превышает умеренной, горизонтальные размеры в 89% случаев не превышают 140-170 км. в тропосфере в 90% случаев не более 1000 м, в стратосфере около 350 м. Следует учитывать, что характеристики зон ТЯН могут измениться в довольно широких пределах и иногда существенно отличаться от вышеприведенных значений. Атмосферная турбулентность оказывает значительное воздействие на динамику полета самолетов и вертолетов, вызывая их болтанку.

6. ПЕРЕГРУЗКА И БОЛТАНКА, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПОЛЕТЕ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ

Степень влияния турбулентности на полет ЛА зависит от размеров облачных вихрей и скорости ветра в них и проявляется через болтанку ЛА. При этом болтанка обусловливается главным образом вихрями, размеры которых соизмеримы с размерами самолета (вертолета). Таким образом, для каждого ЛА можно выделить спектр размеров турбулентных вихрей, которые оказывают воздействие на его полет. Очевидно, что вихри, вызывающие болтанку, например самолеты, и наоборот.Вместе с тем влияние турбулентности на полет зависит только от часто- ты изменения направления турбулентного вихря, воздействующего на самолет. При медленных изменениях воздушного потока самолет переносится вместе с ним, а высокочастотные изменения оказывают столь кратковременное воздействие, что практически незаметны.

С увеличением скорости полета спектр частот изменения турбулентных вихрей, оказывающих влияние на полет данного типа ЛА, смещается в сторону более низких частот. Например, на полет самолета с дозвуковыми скоростями оказывают влияние вихри длиной от 10-20 км до 3-4 км (тяжелых самолетов - 6-7 км), а при полете со сверхзвуковой скоростью на высотах 20 км и выше - длиной до 15-20 км. В авиационных расчетах используются главным образом данные о величине и повторяемости так называемой эффективной скорости вертикальных порывов воздуха Wэф. Приращение перегрузки - ускорение, которое имеет ЛА при полете в турбулентной зоне, выраженное в долях ускорения свободного падения q. В зависимости от величины n удобнее оценивать интенсивность болтанки летательных аппаратов.

Шкала для оценки интенсивности болтанки. Интенсивность болтанки Диапазон Скорость одиночного порыва, м/с Характеристика поведения самолета.

1. Слабая (n) 0,5 10 Толчки, покачивание. Режим по- лета сохраняется. Не требуется вмешательство в управление. Пассажиры переносят хорошо.

2. Умеренная 0,5 (n) 1 10 - 15 Отдельные броски (Н20 м/с), крены, рыскание изменение скорости (до 20 км/ч). вмешательство в управление. Изменяется режим полета. Переносится удовлетворительно. 3. Сильная (n) 1 15 Исключительно резкие броски, большие перегрузки, резкие изменения по высоте (до 40 м и бо- лее) и скорости (более 40 км/ч). Переносится плохо. Требует изменения параметров полета.

Поэтому при попадании ЛА в зону интенсивной болтанки прежде всего рекомендуется уменьшить скорость полета до безопасной. Важное значение при этом имеет значение метеорологических и синоптических условий, вызывающих болтанку летательных аппаратов.

7. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДУШНЫХ МАСС

Название Пути движения ВМ Погода в ВМ летом зимой Арктический воздух морской (МАВ) Приходит в северную часть Атлантики и Европу Развитие кучево-дождевых облаков, дожди, грозы, похолодание. Прозрачность хорошая, ветер порывистый Кучево-дождевые облака и ливневые дожди над океаном и в прибрежной Европе. Прозрачность хорошая Арктический воздух континентальный (КАВ) Приходит в Азию и Северную Америку В очаге формирования и в северных районах континента туманы и низкие облака. Вызывает похолодание, ветер несильный Ясная погода, хорошая прозрачность. Над открытыми от льда водами часто образуются туманы, испарения Воздух умеренных широт морской (МУВ) Приходит на континенты Европы и Северной Америки Развитие кучевых и кучево-дождевых облаков, ливни, грозы, похолодание. Прозрачность хорошая. Ветер порывистый.

На Тихоокеанском побережье туманы, низкая облачность, похолодание Слоистая облачность, моросящие дожди, нередко туманы. Прозрачность пониженная Воздух умеренных широт континентальный (КУВ) Над континентами всего полушария Возможны кучевые облака, грозы, ночью возможны туманы, дымка Ясная погода, слабая прозрачность, низкие температуры Тропический воздух морской (МТВ) Чаще вторгается в северные части Атлантического и Тихого океанов, реже -- в Европу и Азию В северных широтах океанов слоистые облака, туманы, потепление, прозрачность пониженная Над океанами характер погоды летний. Над материками возможны туманы и слоистая облачность Тропический воздух континентальный (КТВ) Поступает на побережье океанов, в Европу и Азию Над океанами и морями ясная погода, пониженная прозрачность, устойчивые ветры Над океанами характер погоды летний, над материками возможны туманы н слоистая облачность Экваториальный воздух (ЭВ) Перемещается вдоль экватора в зоне 15° северных и южных широт Бурное развитие кучево-дождевых облаков, гроз и ливней То же, что и летом.

8. ОБЛАЧНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОГО ФРОНТА

Структура теплого фронта такова, что он наклонен к поверхности земли под небольшим углом в сторону холодного воздуха, то есть в ту сторону, куда он движется. Поэтому, когда над нами находится клин теплого фронта на высоте, внизу у поверхности земли еще холодная воздушная масса. Вся облачность системы теплого фронта идет перед ним, осадки выпадают также перед фронтом - также из-за его наклона. Если воздух, поступающий за фронтом, имеет положительные значения на высоте, где образуются осадки, выпадает дождь. Эта ситуация зимой наиболее опасна при прохождении теплого фронта. Есть два варианта ее развития. 1. Образовавшийся в теплом воздухе дождь, выпадая на поверхность земли, проходит через нижний холодный слой воздуха с отрицательной температурой, замерзает и превращается в ледяной дождь. Если слой не очень большой, то капли покрываются тонкой корочкой льда, внутри ещё остаётся жидкая вода. Когда они достигают земли, наружная корка раскалывается и вода вытекает на поверхность, где тут же замерзает. В таком случае получается гололед с шероховатой поверхностью.

Если слой с отрицательной температурой достаточный для того, чтобы капли замерзли полностью, то падая на поверхность, капли гололед не образуют. Гололед в результате ледяного дождя 2. Выпадающий дождь, проходя слой холодного воздуха под теплым фронтом не замерзает, а переохлаждается - температура капель становится ниже температуры замерзания. В этом случае слой холодного воздуха относительно тонкий и расположен у самой поверхности земли (как вариант - такая ситуация возможна рядом с основанием фронта). Тем не менее, охлаждаясь, сами капли не замерзают. Достигая поверхности земли (капотов авто, линий передач или веток деревьев) и ударяясь, переохлажденные капли замерзают и образуют гололед, всегда сопровождающий переохлажденный дождь. Температура поверхности, на которую они падают в этом случае, равна или ниже температуре замерзания. Гололед от переохлажденного дождя (более ровный по структуре) В комбинации с ветром эти явления особенно неприятны, а фронт, как бароклинная система (где все элементы испытывают разрыв), чаще всего сопровождается порывистым ветром.

9. ОБЛАЧНЫЕ СИСТЕМЫ ХОЛОДНЫХ ФРОНТОВ 1-ГО И 2-ГО РОДА

Холодными называются атмосферные фронты, перемещающиеся в сторону более тёплой воздушной массы. За холодным фронтом движется холодная воздушная масса.

* Холодные фронты 1-го рода. На холодных фронтах 1-го рода преобладает упорядоченное поднятие тёплого воздуха над клином холодного воздуха. Холодный фронт 1-го рода является пассивной поверхностью восходящего скольжения. К этому типу принадлежат медленно движущиеся или замедляющие свое движение фронты, преимущественно на периферии циклонических областей в глубоких барических ложбинах. Облачность холодного фронта 1-го рода, образующаяся вследствие восходящего скольжения вдоль его поверхности вытесняемого холодным клином тёплого воздуха, является как бы зеркальным отражением облачности тёплого фронта.

Она начинается с Ns, а заканчивается Cs-Ci. При этом облака расположены главным образом за линией фронта. Отличие от облачности тёплого фронта всё же существует. Вследствие трения поверхность холодного фронта в нижних слоях становится крутой. Поэтому перед самой линией фронта вместо спокойного и пологого восходящего скольжения наблюдается более крутой (конвективный) подъём тёплого воздуха. Благодаря этому, в передней части облачной системы иногда возникают мощные кучевые (Cu cong.) и кучево-дождевые (Cb) облака, растянутые на сотни километров вдоль фронта, с ливнями летом, снегопадами зимой, грозами, градом и шквалами. Над вышележащей частью фронтальной поверхности с нормальным наклоном в результате восходящего скольжения тёплого воздуха облачная система представляет равномерный покров слоистообразных облаков As-Ns.

Ливневые осадки перед фронтом после прохождения фронта сменяются более равномерными обложными осадками. Наконец, появляются перисто-слоистые и перистые облака. Вертикальная мощность системы As-Ns и ширина облачной системы и области осадков при этом будет почти в 2 раза меньше, чем в случае тёплого фронта. Верхняя граница системы As-Ns находится примерно на высоте 4-4.5 км. Под основной облачной системой могут возникать слоистые разорванные облака (St fr), иногда образуются фронтальные туманы. Продолжительность прохождения холодного фронта 1-го рода через пункт наблюдения составляет 10 ч. и более.

* Холодные фронты 2-го рода. Этому типу принадлежит большая часть быстро движущихся холодных фронтов в циклонах. Здесь происходит вытеснение тёплого воздуха нижних слоев вверх продвигающимся вперед холодным валом. Поверхность холодного фронта в нижних слоях располагается очень круто, образуя даже выпуклость в виде вала. Быстрое перемещение клина холодного воздуха вызывает вынужденную конвекцию вытесняемого тёплого воздуха в узком пространстве у передней части фронтальной поверхности. Здесь создается мощный конвективный поток с образованием кучево-дождевой облачности, усиливающийся в результате термической конвекции.

Предвестниками фронта являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые распространяются перед ним на удалении до 200 км. Возникающая облачная система имеет небольшую ширину (50-100 км) и представляет собой не отдельные конвективные облака, а непрерывную цепь, или облачный вал, который иногда может быть не сплошным. На картах обычного масштаба Cb и ливневые осадки, град и грозы не всегда могут быть выявлены. В тёплую половину года верхняя граница кучево-дождевых облаков распространяется до высоты тропопаузы. На холодных фронтах 2-го рода наблюдается интенсивная грозовая деятельность, ливни, иногда с градом, шквалистые ветры. В облаках сильная болтанка и обледенение. Ширина зоны опасных явлений погоды составляет несколько десятков километров.

В холодную половину года вершины кучево-дождевых облаков достигают 4 км. Ширина зоны снегопада составляет 50 км. С этой облачностью связаны сильные снегопады, метели при видимости менее 1000 м, резкое усиление скорости ветра, болтанка. Облака холодного фронта 2-го рода имеют ярко выраженный суточный ход. Ночью облака Cb могут размываться. Днем усиливаются конвективные движения воздуха в связи с прогреванием подстилающей поверхности и развитием турбулентных движений.

10. ОБЛАЧНЫЕ СИСТЕМЫ ФРОНТОВ ОККЛЮЗИЙ

Скорость перемещения холодных участков фронтов более значительна, чем скорость перемещения теплых участков фронтов. Это приводит к тому, что холодный фронт настигает теплый, в результате чего происходит их слияние. Образуется сложный фронт -- фронт окклюзии. Место, где начинается смыкание холодного фронта с теплым, называется точкой окклюзии. В процессе окклюдирования теплый воздух постепенно вытесняется вверх, а его место занимает холодный воздух. Рост давления начинает преобладать над падением давления; происходит заполнение циклона. Циклон вступает в последнюю стадию своего развития--стадию заполнения.

В заполняющемся окклюдированном циклоне наблюдаются сложные метеорологические явления. Если за холодным фронтом располагается менее холодный воздух, чем перед теплым фронтом, то при окклюдировании образуется окклюзия по типу теплого фронта. Окклюзии по типу теплого фронта над ЕТС и другими континентальными районами чаще всего встречаются в холодное время года. Облачность в холодное время года имеет слоистообразный характер. В облаках и осадках может наблюдаться сильное обледенение. Небольшая высота нижней границы облаков и плохая горизонтальная видимость в зоне осадков значительно усложняют условия полета при пересечении фронта окклюзии. Иногда холодный воздух в тылу циклона имеет более низкие температуры по сравнению с температурой воздушной массы, лежащей перед теплым фронтом. При их соприкосновении тыловая масса играет роль холодной ВМ 15 по отношению к массе воздуха, расположенной перед теплым фронтом. Такой сложный атмосферный фронт получил название холодного фронта окклюзии ' (фронт окклюзии по типу холодного).

Над ЕТС холодные фронты окклюзии наиболее часто встречаются в теплое время года, когда воздух, "поступающий с океана на континент, оказывается холоднее континентального. Возможны и такие случаи, когда холодный воздух, лежащий перед теплым фронтом, имеет температуру, равную температуре холодного воздуха, располагающегося за холодным фронтом. В этом случае фронт окклюзии называют нейтральным.

Рис. 4.2. Схема облачности в зон окклюзии по типу холодного фронта Такой фронт разрушается у 'земли, и фронтальная поверхность обнаруживается только>на высотах (рис. 4.2). Контраст между-воздушными массами по мере продвижения фронта к востоку может увеличиваться, и тогда фронт окклюзии может принять характер обычного холодного фронта с хорошо развитой зоной фронтальных осадков, грозовой деятельностью и шквалами. В теплое время года во время полетов пересечение таких фронтов над континентом представляет серьезную опасность, особенно в послеполуденные и вечерние часы, когда грозовая деятельность наиболее активна. За фронтом окклюзии иногда может наблюдаться образование вторичных холодных фронтов. Рис. 4.3. Нейтральный фронт окклюзии На одном атмосферном фронте обычно наблюдается серия циклонов, которая на всех стадиях своего развития в свою очередь способствует сближению ВМ, приводя к увеличению контрастов температур в зоне фронтов.

11. ПРОГНОЗ ВНГО

Очень часто за нижнюю границу низких облаков принимается уровень конденсации, для определения которого можно воспользоваться аэрологической диаграммой. Высоту нижней границы облачности можно оценить и по ожидаемому характеру погоды синоптико-статистическим методом. Установлено, что для средних широт Европейской части России при осадках и дымке, ухудшающих видимость до 4 км, высота нижней границы облачности обычно не превышает 100 -200 м; при видимости 1,5 - 4,0 км высота облачности колеблется в пределах 60 - 100 м, а при видимости менее 1,5 км - 30 - 60 м. Облака нижнего яруса (высота основание ниже 2 км) 1. Слоисто-кучевые -- Sс.( облака серого цвета с темными полосами -- облачными валами. Осадки из этих облаков, как правило, не выпадают. Толщина слоисто-кучевых облаков -- 200--800 м.)

2. Слоистые -- St.( представляют собой однородный серый покров, низко нависший над землей. Из слоистых облаков могут выпадать слабые моросящие осадки. Толщина облаков -- 200--800 м. Иногда наблюдаются разорванно-слоистые облака 51 имеющие вид клочьев, свисающих вниз лохмотьев. Высота нижней границы таких облаков подвержена быстрым изменениям.)

3. Слоисто-дождевые -- Ns.( низкие, плотные, темно-серые облака, из которых выпадают осадки. Толщина облаков -- 2--3 км, иногда до 5 км на атмосферных фронтах в центральной части циклопов. Под слоисто-дождевыми облаками зачастую наблюдаются низкие разорванно-дождевые облака Fr nb. (Термин разорванно-дождевые облака относится к разорванно-слоистым и разорваино-кучевым облакам, если они наблюдаются под слоисто-дождевыми облаками в зоне выпадающих осадков).

12. ПРОГНОЗ ТУМАНОВ

Туманом называется такое метеорологическое явление, при котором за счет конденсации водяного пара в нижнем слое атмосферы видимость уменьшается до значений менее 1000 м, то становится очевидным, что процессы в атмосфере сначала должны привести к тому, что воздух у земли станет насыщенным. Затем должна начаться конденсация водяного пара и ухудшение видимости, приводящее к возникновению тумана. Процессов, приводящих к возникновению тумана несколько.

Основными из них являются радиационное выхолаживание воздуха, и как следствие - возникновение радиационного тумана. Вторым по значимости можно считать процесс, при котором теплый и влажный воздух начинает поступать на холодную подстилающую поверхность. Над холодной поверхностью воздух охлаждается, водяной пар начинает конденсироваться, и в результате образуется адвективный туман.

В зависимости от степени ухудшения видимости туманы подразделяются на слабые (видимость 500-1000 м), умеренные (видимость 200-500 м), сильные (видимость 50-200 м) и очень сильные (видимость менее 50 м).

По своей вертикальной мощности (ДН) туманы подразделяются на поземные (ДН<2 м), низкие (2<ДН<10 м), средние (10<ДН<100 м) и высокие (ДН >100 м). Совершенно очевидно, что чем меньше видимость в тумане и чем больше его вертикальная мощность, тем более негативное воздействие он оказывает на различные отрасли народного хозяйства, в большей или меньшей степени зависящие от тумана.

Прогноз тумана сводится, в принципе, к прогнозу двух температур: температуры туманообразования (Тт), минимальной температуры воздуха (Тмин) и их сравнению. В тех случаях, когда температура туманообразования оказывается выше минимальной температуры, в прогнозах погоды нужно указывать туман. Прогноз радиационных туманов. Радиационный туман образуется над сушей при безоблачном небе и слабом ветре в результате охлаждения воздуха, когда его температура становится ниже температуры туманообразования.

Наиболее часто благоприятные условия для возникновения радиационных туманов создаются в антициклонах, их отрогах, барических гребнях и седловинах, реже и главным образом летом - в поле пониженного давления с небольшими барическими градиентами. Радиационный туман в большинстве случаев возникает при штиле или слабом ветре со скоростью до 3 м/с. Для образования тумана благоприятно слабое увеличение скорости ветра с высотой. Такие условия способствуют турбулентному переносу продуктов конденсации от земной поверхности вверх и их поддержанию во взвешенном состоянии в приземном слое воздуха.

В процессе перемешивания толщина слоя тумана увеличивается. Если воздух совершенно неподвижен, то перенос влаги обусловлен только молекулярными процессами, и туман может не возникнуть. Вертикальная мощность радиационных туманов обычно не превышает 200-300 м. Радиационный туман, как правило, образуется в приземном подынверсионном слое. Таким образом, при прогнозе радиационных туманов необходимо учитывать продолжительность ночного выхолаживания, характер облачного покрова (прогноз), скорость и направление ветра (прогноз), исходные значения температуры и влажности воздуха, характер и стратификацию воздушной массы. Прогноз адвективных туманов. Адвективный туман следует ожидать в том случае, когда по прогнозу синоптического положения существуют условия для адвекции теплого и влажного воздуха на холодную подстилающую поверхность. Эти туманы могут наблюдаться в любое время суток. Адвективные туманы возникают, как правило, зимой или в переходные сезоны года при заметном потеплении. При прогнозе адвективных туманов следует учитывать перемещение уже имеющихся зон тумана, адвективные изменения температуры и точки росы в приземном слое, возможность снижения облаков до поверхности земли, а также охлаждение воздуха в процессе ночного радиационного выхолаживания. Общими условиями возникновения адвективных туманов являются:

Дефицит температуры точки росы у земли должен быть небольшим (при Dо>3°С туманы, как правило, не возникают);

Скорость ветра у земли должна быть меньше 8 м/с (при большей скорости ветра происходит разрушение приземной инверсии и, как правило, разрушение тумана). Прогноз туманов испарения и фронтальных туманов. Над водной поверхностью, температура которой значительно выше температуры окружающего воздуха (Тв-Т ?10°С), при относительной влажности воздуха R?70% возникают туманы испарения. Туманы испарения образуются обычно над открытым морем в тылу циклонов за холодными фронтами, но они могут возникнуть и в глубине континентов над влажной почвой или заболоченными районами. Наиболее известный в России район, где зимой часто возникают туманы испарения - северное побережье Кольского полуострова. Физически этот процесс объясняется очень просто. Более холодный воздух с поверхности суши, над водной, сравнительно теплой поверхностью, быстро достигает насыщения. Такие процессы наблюдаются не только зимой над арктическими морями, но и, особенно осенью, над реками и озерами суши. Представляет интерес также прогноз фронтальных туманов. Как правило, фронтальные туманы образуются перед медленно смещающимися теплыми фронтами или за малоподвижными холодными фронтами в холодную половину года.

Основной причиной образования этих туманов является испарение капель дождя или мороси, которое будет тем сильнее, чем больше разность температур на верхней границе фронтальной инверсии и у земной поверхности (Тинв - Т). Физический смысл возникновения фронтальных туманов заключается в следующем. Капли осадков (дождя или мороси) выпадают из более теплого воздуха и попадают на землю в тот район, где еще находится холодный воздух. Здесь они быстро испаряются, воздух достигает насыщения, и возникает фронтальный туман. Обычно эти туманы возникают в тех случаях, когда наклон фронтальной поверхности не превышает 1/300, и на стационарных фронтах туманы чаще возникают ночью.

Прогноз туманов при отрицательной температуре воздуха. При низких температурах воздуха (-30°С и ниже) на аэродромах и в населенных пунктах могут образовываться туманы, которые обычно называют морозными или ледяными. Эти туманы возникают за счет смешения холодного атмосферного воздуха с теплым и влажным воздухом выхлопных и топочных газов. При определенных условиях смешения воздух может достичь состояния насыщения, что вызывает конденсацию или сублимацию водяного пара. Этот вид тумана следует ожидать в населенных пунктах при развитии антициклона или отрога, в котором создаются условия для застоя и сильного выхолаживания воздуха. При слабом ветре и наличии инверсии в приземном слое продукты сгорания топлива не рассеиваются по большой площади. Если относительная влажность в окружающем воздухе выше некоторого критического для данной температуры значения, то возникает пересыщение воздуха по отношению ко льду, зародышевые капли воды замерзают и быстро растут, что и приводит к образованию ледяного тумана.

13. ПРОГНОЗ ОБЛЕДЕНЕНИЯ

Обледенением называется отложение льда на обтекаемых частях самолетов и вертолетов, а также на силовых установках и внешних деталях специального оборудования при полете в облаках, тумане или мокром снеге. Обледенение возникает в том случае, если в воздухе на высоте полета имеются переохлажденные капли, а поверхность воздушного судна имеет отрицательную температуру.