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.