Точка росы в авиации


Потолок — это самая низкая высота, где облака покрывают более половины неба. Это важно, потому что подъем на эту высоту означает, что вам, скорее всего, придется летать сквозь облака. Это усложняет навигацию , и пилоты должны пройти специальную подготовку для полетов в условиях плохой видимости. Если потолок слишком низкий, пилоты не могут одновременно находиться на безопасной высоте над землей и вне облаков. Низкие потолки также важны для посадки и могут потребовать от пилотов захода на посадку и посадки по приборам .

Время зулу относится к времени UTC, которое является универсальным координированным временем. Время Zulu или UTC полезно в качестве всемирного эталона в таких областях, как авиация, чтобы избежать проблем, таких как переход между местными часовыми поясами. ATIS будет содержать время зулу, которое было обновлено, чтобы пилоты знали, насколько свежая информация.

Точка росы относительно температуры дает пилотам информацию о влажности и может влиять на видимость.


ли точка росы близка к температуре, влажность высокая, что может вызвать помутнение или даже туман. Как и в случае с потолком, это может предупредить пилотов о возможных изменениях условий, из-за которых в полете будет труднее видеть землю или другой самолет. С точки зрения характеристик самолета точка росы также необходима для определения истинной высоты над уровнем моря , когда в сочетании с давлением и температурой . Высокая точка росы означает более высокую плотность высоты, что снижает летно-технические характеристики самолета.

Точка росы также очень важна в некоторых вертолетах с карбюраторами, таких как вертолеты Robinson R-22 и R-44, которые подвергается обледенению карбюратора даже во время взлета, потому что они используют только необходимую мощность, а не полный газ. В этом случае нагревание углеводов необходимо применять всякий раз, когда разброс температуры / точки росы составляет 15 ° C или менее. Вот цитата из R-22 POH :

Точка росы в авиации

Источник: smartvopros.site

  • Андикаев Сергей Павлович
  • Руководитель: Ирхина Елена Юрьевна

Цель работы: выяснить как физические явления в небе связаны с авиацией и узнать их значение и влияние.
Актуальность работы: работа авиации не осуществима без физических явлений.
Необходимо узнать все плюсы и минусы влияния этих явлений.

Задачи:
1. Изучить 3 взаимосвязанных физических явления.
2. Объяснить их с научной точки зрения.
3. Исследовать историю открытия явлений.
4. Провести анализ полученных данных.

Эти строки о Пёрышкине Александре Васильевиче – советском физике, кандидате педагогических наук, профессоре, авторе первого стабильного учебника физики для школы, созданного в 30-х годах прошлого века. Все поколения советских школьников учились и учатся «по Пёрышкину» — по книгам, написанным им лично или в соавторстве. Что за наука эта физика, которой Александр Васильевич посвятил всю свою жизнь?

Физика на сегодняшний день одна из самых древних наук естественно-научного цикла, упоминания о которой встречаются ещё у древнегреческого учёного Аристотеля (6 век до н. э.). Но в тоже время классические законы физики считаются основой всего современного естествознания.

Физику можно назвать наукой о природе в самом общем смысле этого слова. Она изучает вещество или материю, энергию, общие виды взаимодействия сил природы.

Оглянемся вокруг себя и поймём, что физические явления окружают нас с детства, что мы многие физические знания о мире приобретаем наряду с обычным житейским опытом.


Уже давно человек освоил землю, изучил океан и устремил свой взгляд в небо. А там великое множество чего-то нового, необычного: тучи и облака, радуга и северное сияние, солнце и луна, гром и молния. То есть там, в голубом небе, существуют всё те же физические явления: механические, тепловые, электрические, световые и другие. И очень хочется понять, связаны ли физические явления с авиацией?

Цель работы: выяснить как физические явления в небе связаны с авиацией и узнать их значение и влияние.

Актуальность работы: работа авиации не осуществима без физических явлений. Необходимо узнать все плюсы и минусы влияния этих явлений.

Задачи:

  1. Изучить 3 взаимосвязанных физических явления.
  2. Объяснить их с научной точки зрения.
  3. Исследовать историю открытия явлений.
  4. Провести анализ полученных данных.

В наше время авиация развивается всё более быстрыми темпами, поэтому в своей работе я хочу рассмотреть 3 наиболее распространенных физических явления, с которыми приходится иметь дело современным авиаторам – это подъёмная сила, конденсация и кристаллизация.

Подъёмная сила

На данный момент создано множество различных летательных аппаратов: самолеты, воздушные шары, планеры, аэропланы и др. Но условие для осуществления полета любых летательных аппаратов общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т. е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли.


Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивный, аэростатический и аэродинамический. Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки.

Исторический факт:

В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях» [Ссылка 4].

Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. Для этого крылу с помощью двигательной установки сообщают горизонтальную скорость, благодаря которой крыло и воздух начнут взаимодействовать с образованием подъёмной силы.

Тем не менее, величина подъёмной силы зависит не только от взаимодействия между крылом и воздухом. Она также зависит от угла, под которым воздух дует на крыло. Этот угол называется углом атаки и чем он больше, тем больше подъёмная сила. Однако, если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то помимо подъёмной силы, старающейся поднять пластину, возникает сила сопротивления, пытающаяся «сдуть» её назад.


Рисунок 1

Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса.

Также большое значение для величины подъёмной силы имеет форма крыла. Ещё очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Почему же так происходит? Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Однако, согласно закону Бернули давление газа, протекающего по поверхности, выше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Следовательно, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним, что и влечет появление подъёмной силы.


Рисунок 2

Вывод:

Подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов.

Конденсация

Конденсация паров — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного [Ссылка 5]. В авиации это физическое явление больше известно, как конденсационный след или эффект Прандтля-Глоерта.

Рисунок 3

Эффект Прандтля – Глоерта — явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях. Чаще всего наблюдается у самолётов. Эффект назван в честь немецкого физика Людвига Прандтля и английского физика Германна Глоерта [Ссылка 2].

Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-заэффекта Прандтля — Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает «звуковой барьер».


самом деле, проявление этого эффекта зависит не только от скорости самолёта, но и от температуры и влажности воздуха. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при скоростях, близких к скорости звука. В условиях очень высокой влажности эффект можно наблюдать и на намного более низких скоростях.

Сама конденсация происходит только при условии, что количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. Эти условия определяются точкой росы – температурой, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения при данной удельной влажности и постоянном давлении. Степень насыщения характеризуется относительной влажностью – процентным отношением количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству, которое требуется для насыщения. Кроме этих условий, необходимо еще и наличие центров конденсации.

Интересный факт:

При температуре до −30… −40 °C водяной пар при конденсации переходит в жидкую фазу, при температуре ниже −30… −40 °C водяной пар превращается сразу в ледяные кристаллы, минуя жидкую фазу.

Существуют две основные причины возникновения условий для конденсации и появления следа. Первая — повышение влажности воздуха, когда к атмосферному водяному пару добавляется водяной пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя в результате сгорания топлива.


о повышает точку росы в ограниченном объеме воздуха, за двигателями. Если точка росы становится выше температуры окружающего воздуха, то по мере остывания отработанных газов избыточный водяной пар конденсируется. Количество водяного пара, выбрасываемого двигателем, зависит от его мощности и режима работы. Вторая причина — понижение температуры воздуха в результате падения его давления над крылом и внутри вихрей, возникающих при обтекании различных частей самолета. Наиболее интенсивные вихри образуются на краях крыла и выпущенных закрылков. Если при этом температура опускается ниже точки росы — избыток атмосферного водяного пара конденсируется в области над крылом и внутри вихрей. Степень понижения давления и температуры зависят от таких параметров, как масса летательного аппарата, коэффициент подъемной силы, величина индуктивного сопротивления и др. Часто наблюдаются следы, образованные в результате комбинации этих двух причин. Образованию конденсационного следа также способствуют центры конденсации в виде частиц не сгоревшего или не полностью сгоревшего топлива.

Таким образом, возможность появления, вид, и время существования конденсационного следа зависят от влажности и температуры атмосферного воздуха. При низкой влажности и относительно высокой температуре след может отсутствовать вовсе, так как при таких условиях водяной пар не достигает состояния перенасыщения.


м выше влажность и ниже температура, тем больше водяного пара конденсируется, и тем медленнее происходит испарение, следовательно — след насыщеннее и длиннее. А при относительной влажности, близкой к 100 % и низкой температуре, конденсируется наибольшее количество водяного пара, а поскольку высокая влажность препятствует испарению частиц следа, то это влечет образование конденсационных следов, которые могут существовать в течении большого отрезка времени, нередко превращаясь в перистые или перисто-кучевые облака.

Вывод:

В современной авиации явление конденсации является едва ли не самым распространённым, потому что большинство самолётов совершают полёты на скоростях, близких к сверхзвуковым. Единственное, что требуется для появления конденсационного следа – это подходящие погодные и климатические условия.

Кристаллизация

Кристаллизация — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол [Ссылка 5]. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара.


В авиации явление кристаллизации наиболее ярко представлено таким процессом, как обледенение. Обледенение — отложение льда на обтекаемых частях самолета, силовых установках и внешних деталях его специального оборудования при полете в воздухе, содержащем переохлажденные капли воды [Ссылка 3]. Всего существует 3 вида обледенения:

Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит превращения водяных паров в лёд на поверхности обшивки летательного аппарата, минуя жидкую фазу. Обычно это происходит, когда воздушные массы, насыщенные влагой, контактируют с сильно охлажденными поверхностями. Это, например, возможно, если на поверхности уже имеется лед, либо, если самолет быстро теряет высоту, перемещаясь из более холодных верхних слоев атмосферы в более нагретые нижние, сохраняя тем самым низкую температуру обшивки. Образовавшиеся в этом случае кристаллы льда непрочно держатся на поверхности и быстро сдуваются набегающим потоком [Ссылка 1].

Второй тип — так называемое сухое обледенение. Это оседание уже готового льда, снега или града при пролете самолета через кристаллические облака, которые охлаждены настолько, что влага в них содержится в замороженном или кристаллическом виде. Такой лед обычно на поверхности не удерживается, а сразу сдувается и не приносит вреда.

Третий тип — обледенение, при котором капли воды замерзают непосредственно на обшивке летательного аппарата. Этот вид наиболее часто встречается, и, сам по себе, наиболее опасен для эксплуатации летательных аппаратов.

Рисунок 4

Однако, для того, чтобы вода все-таки замерзла, то есть кристаллизовалась, кроме необходимой температуры нужна дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации. Эта энергия берется за счет дополнительного охлаждения воды, иначе говоря ее переохлаждения. То есть вода уже становится переохлажденной с температурой ощутимо ниже нуля. Теперь образование центров кристаллизации и, в конечном итоге, превращение ее в лед, может произойти либо самопроизвольно, либо при наличии в воде примесей, либо при каком-нибудь внешнем воздействии, например, сотрясении.

Вывод:

Несмотря на огромный скачок в развитии авиации явление кристаллизации, а именно обледенение, все ещё представляет опасность для самолётов, ведь зачастую лёд может образовываться на механизмах, поломка которых может привести к крушению самолёта.

Таким образом:

  1. Подъемная сила, необходимая для компенсации силы тяжести самолета, определяется разностью сил гидродинамического давления на верхнюю и нижнюю поверхность крыла;
  2. При проектировании самолета выбор формы крыла (кривизны его поверхности) определяется величиной скорости обтекания поверхности воздухом, а также, углом его атаки;
  3. По конденсационному следу самолета, зная его скорость, можно судить о температуре воздуха на высоте перемещения самолета;
  4. При эксплуатации самолета необходимо принимать меры по разрушению центров кристаллизации воды на его поверхности.

Источник: rosuchebnik.ru

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Состояние атмосферы и процессы, происходящие в ней, характеризуются рядом метеорологических элементов: давлением, температурой, видимостью, влажностью, облаками, осадками и ветром.

Авиационная метеорология 2

Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах (1 мм рт. ст. — 1,3332 мб). За нормальное давление принимают атмосферное давление, равное 760 мм. рт. ст., что соответствует 1013,25 мб. Нормальное давление близко к среднему давлению на уровне моря. Давление непрерывно изменяется как у поверхности земли, так и на высотах. Изменение давления с высотой можно характеризовать величиной барометрической ступени (высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мм рт. ст., или на 1 мб).

Величина барометрической ступени определяется по формуле

Температура воздуха характеризует тепловое состояние атмосферы. Температура измеряется в градусах. Изменение температуры зависит от количества тепла, поступающего от Солнца на данной географической широте, характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.

В СССР и большинстве других стран мира принята стоградусная шкала. За основные (реперные) точки в этой шкале приняты: 0° С — точка плавления льда и 100° С— точка кипения воды при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Промежуток между этими точками разбит на 100 равных частей. Этого промежутка носит название «один градус Цельсия» — 1° С.

Видимость. Под дальностью горизонтальной видимости у земли, определяемой метеорологами, понимается то расстояние, на котором еще можно обнаружить предмет (ориентир) по форме, цвету, яркости. Дальность видимости измеряется в метрах или километрах.

Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе, выраженное в абсолютных пли относительных единицах.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара в граммах на 1 лс3 воздуха.

Удельная влажность — количество водяного пара в граммах на 1 кг влажного воздуха.

Относительная влажность — отношение количества содержащегося в воздухе водяного пара к тому количеству, которое требуется для насыщения воздуха при данной температуре, выраженное в процентах. Из величины относительной влажности можно определить, насколько данное состояние влажности близко к насыщению.

Точка росы—температура, при которой воздух достиг бы состояния насыщения при данном влагосодержании и неизменном давлении.

Разность между температурой воздуха и точкой росы называется дефицитом точки росы. Точка росы равна температуре воздуха в том случае, если его относительная влажность равна 100%. При этих условиях происходит конденсация водяного пара и образование облаков и туманов.

Облака — скопление взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, возникших в результате конденсации водяного пара. При наблюдениях за облаками отмечают их количество, форму и высоту нижней границы.

Количество облаков оценивается по 10-балльной шкале: 0 баллов означает отсутствие облаков, 3 балла — три четверти неба закрыто облаками, 5 баллов — половина неба закрыта облаками, 10 баллов — все небо закрыто облаками (сплошная облачность). Высота облаков измеряется при помощи светолокаторов, прожекторов, шар-пилотов и самолетов.

Авиационная метеорология 3

Все облака в зависимости от расположения высоты нижней границы делятся на три яруса:

Верхний ярус — выше 6000 м, к нему относятся: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые.

Средний ярус — от 2000 до 6000 м, к нему относятся: высококучевые, высоко-слоистые.

Нижний ярус — ниже 2000 м, к нему относятся: слоистокучевые, слоистые, слоисто-дождевые. К нижнему ярусу относятся также и облака, простирающиеся на значительном расстоянии по вертикали, но нижняя граница которых лежит в нижнем ярусе. К таким облакам относятся кучевые и кучеводождевые. Эти облака выделяются в особую группу облаков вертикального развития. Облачность оказывает наибольшее влияние на деятельность авиации, так как с облаками связаны осадки, грозы, обледенение и сильная болтанка.

Осадки — водяные капли или ледяные кристаллы, выпадающие из облаков на поверхность земли. По характеру выпадения осадки разделяются на обложные, выпадающие из слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков в виде капель дождя средней величины или в виде снежинок; ливневые, выпадающие из кучево-дождевых облаков в виде крупных капель дождя, хлопьев снега или града; морося- щ и е, выпадающие из слоистых и слоисто-кучевых облаков в виде очень мелких капель дождя.

Полет в зоне осадков затруднен вследствие резкого ухудшения видимости, снижения высоты облаков, болтанки, обледенения в переохлажденном дожде и мороси, возможного повреждения поверхности самолета (вертолета) при выпадении града.

Ветер — движение воздуха по отношению к земной поверхности. Ветер характеризуется двумя величинами: скоростью и направлением. Единица измерения скорости ветра— метр в секунду (1 м/сек) или километр в час (1 км/ч). 1 м/сек = = 3,6 км/ч.

Направление ветра измеряется в градусах, при этом следует учитывать, что отсчет ведется от северного полюса по часовой стрелке: северное направление соответствует 0° (или 360°), восточное — 90°, южное— 180°, западное — 270°.

Направленне метеорологического ветра (откуда дует) отличается от направления аэронавигационного (куда дует) па 180°. В тропосфере скорость ветра с высотой увеличивается и достигает максимума под тропопаузой.

Сравнительно узкие зоны сильных ветров (скоростью от 100 км/ч и выше) в верхней тропосфере и нижней стратосфере на высотах, близких к тропопаузе, называются струйными течениями. Часть струйного течения, где скорость ветра достигает максимального значения, называется осью струйного течения.

По своим размерам струйные течения простираются на тысячи километров в длину, сотни километров в ширину и несколько километров в высоту.

Источник: avia.pro

Скорость современных истребителей может в разы превосходить аналогичный показатель для звука в воздухе. А на таких скоростях иногда могут возникать явления, о которых в обычных земных условиях мало кто подозревает.

Источник изображения: Lockheedmartin.com

Большой популярностью в мировой паутине пользуются фотографии, когда истребитель как бы вылетает из конуса плотного водяного пара. Поскольку для простого обывателя все необычное связанное со скоростными полетами ассоциируется со звуковым барьером, то появилось распространенное заблуждение, что конус водяного пара появляется в момент, когда летательное судно достигает скорости звука.

Источник изображения: onsizzle.com

Но это не более чем распространенное заблуждение, поскольку для проявления эффекта Прандтля-Глоерта (явление получило название в честь двух физиков описавших его в середине первой половины 20 века независимо один от другого) большой важностью обладает не только скорость тела, но и относительная влажность. Конечно, у самолетов скорость велика, поэтому наиболее эффектные кадры появляются именно после полетов истребителей.

Эффект Прандтля-Глоерта во время движения болида Формулы-1. Источник изображения: butak.it

Однако, хотя и менее заметные, конусы водяного пара могут возникать за отдельными элементами болидов Формулы-1, когда они несутся на предельных скоростях в очень влажную погоду. Правда, видны они практически исключительно на фотографиях.

Попробуем разобраться, почему за быстро движущемся телом появляется конус водяного пара.

Для этого нам придется ввести пару определений из физики, которые многие помнят еще со школьной скамьи. Адиабатическим процессом называется термодинамический процесс, в котором происходит изменение системы без теплообмена с внешней средой. Точкой росы воздуха называется такая температура, при охлаждении ниже которой воздух перестает удерживать находящийся в нем водяной пар.

Источник изображения: indiamart.com

Итак, быстро движущееся тело, для простоты будем рассматривать самолет, пробивая воздух, уплотняет его впереди себя, создавая область повышенного давления. А вот сзади самолета находится область пониженного давления, которая согласно физическим законам начинает заполняться окружающим воздухом. Однако вследствие довольно высокого показателя инерции воздушных масс поначалу область пониженного давления заполняется только близлежащим воздухом.

Заполнение области пониженного давления близлежащими массами окружающего воздуха происходит настолько быстро, что есть все основания считать этот процесс адиабатическим. Но если объем близлежащих воздушных масс увеличивается, то неминуемо должна падать температура этих воздушных масс. При падении температуры воздух может охладиться ниже точки росы, и содержащийся в нем водяной пар начнет стремительно концентрироваться, превращаясь в туман. Чем выше была изначально относительная влажность воздуха, тем легче воздушным массам охладиться ниже точки росы, и тем плотнее будет образующийся туман.

Источник изображения: rcuniverse.com

С другой стороны, чем выше скорость самолета, тем сильнее он создает разрежение воздуха за своим фюзеляжем. А чем сильнее разрежение воздуха, тем с большей скоростью устремляются соседние массы воздуха при адиабатическом процессе. Значит падение температуры будет большим, и конденсация воздушного пара будет происходить быстрее.

Таким образом, идеальным сочетанием для визуального наблюдения проявления эффекта Прандтля-Глоерта является высокоскоростной пролет самолета в условиях высокой влажности окружающих его плотных слоев воздуха.

Живет подобное облако примерно секунду, затем давление внутри него сравнивается с окружающим, температуры выравниваются, точка росы оказывается пройденной в обратную сторону и сконденсированный водяной пар снова может удерживаться окружающим воздухом. Однако поскольку самолет летит на высокой скорости, не останавливаясь, то и появление новых облаков водяного пара происходит непрерывно. Со стороны это выглядит, будто самолет летит на облаке.

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: zen.yandex.ru


Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.