Движение воздуха относительно земной поверхности

§ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Движение самолета происходит в общем случае под действием следующих сил: тяги двигателя, силы тяжести и аэро­динамических сил, обусловленных взаимодействием самолета с воздушной средой. Точки приложения, величины и направления этих сил определяют как траекторию центра тяжести самолета, так и угловые движения его относительно центра тяжести. На тягу двигателя и аэродинамические силы оказывает существенное влияние распределение по траектории полета самолета таких метеорологических факторов как ветер, температура, давление, плотность и влажность воздуха. Чтобы прогнозировать метеоус­ловия по маршрутам полетов, на метеостанциях производится периодическое измерение основных метеорологических факторов, а также ряда других параметров (облачность, осадки, дальность видимости), знание которых необходимо для обеспечения полетов.

Из всех метеорологических факторов на динамику полета наи­большее влияние оказывает ветер. Ветром, в широком смысле слова, называется любое движение воздуха относительно земной поверхности. Движение воздуха вызывается отличием действи­тельного распределения давления в атмосфере от гипотетического распределения, соответствующего неподвижной атмосфере. Пер­вопричиной, вызывающей нарушение равновесного состояния атмосферы, является неравномерный нагрев различных частей атмосферы прямым и отраженным солнечным излучением. Сле­довательно, движение атмосферы поддерживается за счет энергии солнечной радиации. Это движение имеет турбулентный, т. е. хаотический, случайный характер. Однако некоторые составляю­щие этого движения характеризуются настолько большими мас­штабами, что с точки зрения динамики полета их можно рассмат­ривать как движение с постоянной скоростью. К таким дви­жениям, несомненно, .можно отнести глобальное движение воздушных масс, в котором среднее значение скорости ветра сохраняется постоянным или почти постоянным в течение полета самолета на расстояние в сотни километров. К подобного же

рода движениям относятся струйные течения. Струйными тече­ниями называются горизонтальные потоки воздуха в верхней тропосфере или в стратосфере, имеющие на определенной высоте четко выраженный максимум скорости. Длина струйных течений исчисляется тысячами, а ширина — сотнями километров. Толщи­на струйного течения невелика и обычно лежит в пределах 2— 5 км.

Движения воздуха очень больших масштабов происходят над ограничивающей их земной поверхностью. Поэтому среднее на­правление ветра в вертикальной плоскости практически совпа­дает в данной точке с горизонтальным направлением. Эти гори­зонтальные и постоянные (с точки зрения воздействия на само­лет) скорости движения воздуха оказывают существенное влия­ние на решение навигационных задач [1]. Кроме того, сильный ветер значительно осложняет, а иногда делает невозможным взлет и посадку самолета.

Описанным крупномасштабным движениям атмосферы всегда сопутствуют движения воздуха значительно меньшего масштаба, называемые турбулентностью. Под турбулентностью атмосферы с точки зрения практики полетов самолетов принято понимать такое ее состояние, когда в определенной области имеют место порывы ветра, случайные как по величине, так и по направлению, протяженностью в несколько километров и меньше. Ниже будут рассмотрены различные виды турбулентности атмосферы. Здесь же ограничимся кратким перечнем задач, три решении которых необходимо учитывать динамику полета самолета в турбулент­ной зоне.

Полет в турбулентной атмосфере связан с появлением пере­грузок, линейных колебаний центра тяжести самолета и угловых колебаний относительно центра тяжести («болтанка»). При высо­кой интенсивности турбулентности перегрузки могут достигать настолько значительной величины, что самолет теряет управляе­мость, а в исключительных случаях — разрушается. Поэтому ме­тоды динамики полета, позволяющие достаточно точно опреде­лить перегрузки, которые действуют в центре тяжести в других точках конструкции самолета при полете в турбулентной атмос­фере, представляют несомненный интерес.

Линейные и угловые колебания самолета, вызываемые поле­том «в болтанку», оказывают существенное влияние на качество работы устанавливаемого на некоторые современные самолеты оборудования: фотоаппаратуры, радиолокационных станций и прецизионных приборов. Когда самолетом управляет летчик, в силу случайного характера его воздействий на органы управления при полете в болтанку, аналитические расчеты указанных колеба­ний весьма затруднительны и обычно для этой цели использова­лись экспериментальные данные. В настоящее время в связи с широким использованием автопилота для управления самолетом возникла возможность аналитически определять линейные и угло­вые колебания самолета в турбулентной атмосфере на большин­стве этапов полета.

Ниже приводятся некоторые экспериментальные данные, ха­рактеризующие движение воздуха относительно земной поверх­ности, и аналитические зависимости, полученные путем аппрокси­мации этих экспериментальных данных.