ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕТРА

Для каждого конкретного полета и экипаж самолета и руко­водитель полетов имеют данные о силе и направлении постоянной составляющей ветра на аэродромах взлета и посадки. Эти дан­ные используются экипажем при расчете и выполнении взлета и посадки. Метеослужба сообщает также экипажу ориентировочные сведения о ветре на маршруте, которые уточняются экипажем в процессе полета при штурманских расчетах.

Однако часто возникает необходимость оценить влияние ветра на динамику не в конкретном полете, а для всех полетов, которые будут производиться самолетом данного типа во время его экс­плуатации. Эта задача стала особенно актуальной в связи с все более широким использованием систем автоматического управ­ления самолетом, для которых ветер является одним из основных возмущающих воздействий.

Для решения этой задачи в полном объеме необходимо рас­полагать некоторыми общими характеристиками распределения скорости и направления ветра в любой момент времени для каж­дой точки в рассматриваемом районе от уровня земли до предель­ных высот полета самолета. Поскольку, как указывалось в §1.1, движение атмосферы является турбулентным процессом, ско­рость и направление ветра в каждой точке и в каждый момент времени имеют случайный характер. В настоящее время полные характеристики поля скоростей ветра отсутствуют. Поэтому ниже будут приведены лишь некоторые характеристики средней ско­рости ветра, которые могут быть использованы при анализе дина­мики полета самолета.

Для тропосферы закономерно возрастание скорости ветра по мере увеличения высоты. Максимальное значение скорости ветра в тропосфере обычно наблюдается вблизи тропопаузы. Если над местом измерения вертикального профиля скорости ветра прохо­дит струйное течение, то максимум скорости ветра выражен очень резко. На рис. 1.1 приведена типичная зависимость скорости по­стоянной составляющей ветра U70 от высоты * уе при интенсивном
струйном течении [1]. Поскольку этот профиль состоит из отрез­ков прямых, для каждого из этих отрезков можно указать вели­чину вертикального градиента скорости ветра. Эти величины по­казаны на рис. 1.1 справа. Подчеркнем, что действительный вер­тикальный профиль скорости ветра меняется в широких пределах как в зависимости от географического положения данного пункта, так и от времени года и суток. Максимальные значения скорости ветра на оси струйного течения могут колебаться в пределах 30—200 м/сек. Нижний предел скорости ветра (30 м/сек) условно считается минимальным значением для струйных течений. Верх­ний предел (200 м/сек) близок к максимальным значениям ско­рости ветра, зарегистрированным при наблюдениях струйных те­чений. Средняя скорость тропосферных струйных течений на ос­новании данных, приведенных в [2], составляет 40—50 м/сек.

Высота струйного течения, т. е. высота, на которой ско­рость ветра максимальна, также колеблется в широких пределах. Так, например, над Москвой высота струйных течений изменяется в преде­лах от 5 до 17 км [2]. Зимой в тропосфере в умеренных широтах наблюдаются боль­шие скорости ветра, чем ле­том.

В нижней части страто­сферы скорость ветра умень­шается, причем летом эта скорость в умеренных широ­тах на высотах около 25 км падает до нуля. Последнее связано с переменой преоб­ладающего направления вет­ра с западного на восточное (обращение ветра). Начиная с вы­соты около 25 км скорость ветра увеличивается с увеличением высоты, достигая максимума на высотах 50—60 км. Среднее зна­чение скорости ветра на этой высоте составляет 80—100 м/сек зимой и 60—80 м/сек летом [2].

В стратосфере, как и в тропосфере, имеют место струйные течения, однако они изучены пока очень слабо.

Для анализа динамики взлета и посадки самолетов следует более подробно рассмотреть имеющиеся данные о скорости ветра в приземном слое атмосферы. Вследствие трения потока воздуха о земную поверхность и местные предметы скорость ветра на малых высотах (начиная с 100—200 м) резко падает при умень­шении высоты. Это обстоятельство иллюстрируется рис. 1.2, на котором приведены усредненные за год профили ветра на малых

высотах в районе Ленинграда [3]. Эти графики показывают, что на очень малых высотах ветер днем оказывается большим, чем ночью. Выше точки, которая для данной местности лежит на вы­соте около 50 м, ветер в ночное время становится большим, чем в дневное. Хотя приведенный профиль скорости ветра на малых высотах и является типичным по форме, но нужно иметь в виду, что все характеристики таких профилей в очень сильной степени зависят от метеорологических условий в приземном слое. Суще­ствует большое число различных формул для аналитического расчета этого профиля [4]. Однако все эти формулы требуют знания различных параметров, зависящих от метеоусловий. Очевидно, что та­кого рода формулы непригодны для общей оценки влияния ветра на ди­намику самолета, который непрерыв­но проходит через районы с изменя­ющимися метеоусловиями. Для ре­шения этой задачи нужны осреднен — ные статистические характеристики ветра на малых высотах, полученные в результате обработки эксперимен­тальных данных.

В ряде работ показано, что вер­тикальный профиль постоянной со­ставляющей скорости ветра на ма­лых высотах может быть приближен­но описан степенным законом:

=W’

Ул /

где №0 — математическое ожидание постоянной составляющей ветра;

у8 — высота над земной поверхностью; п—показатель степени, величина которого зависит от метеоусловий.

Индексом «1» отмечены опорные значения высоты и скорости ветра, на базе которых строится профиль.

Наибольшая высота, для которой можно использовать выра­жение (1.1), ограничена значениями yg — 300—500 м.

Величины показателя степени п, по данным работы [5], заклю­чены в пределах 0,145—0,77, а по данным работы [6] — в преде­лах 0,1—0,4. В результате обработки значительного количества экспериментальных данных установлено, что среднее значение п лежит в пределах 0,15—0,2. Для опорной высоты t/gi = 10 м реко­мендуется принимать значение математического ожидания сред­него ветра ^0|=3—4 м/сек. Профиль среднего ветра на малых
высотах, получаемый на основании (1.1) при л=0,2 и ИР<н = =4 м/сек (ygі=10 м), показан на рис. 1.3.

Как указывалось выше, постоянная составляющая скорости ветра является случайной величиной. В связи с этим для анализа влияния этой составляющей на полет самолета необходимо знать вероятность встречи самолета с ветром той или иной скорости. Экспериментальные данные по распределению вероятности по­стоянной составляющей модуля скорости ветра для определенной высоты над земной поверхностью достаточно хорошо согласуются

с распределением Релея. Плотность распределения Релея для этого случая определяется выражением

f(W)==fih е~~^ * (і-2)

где W — значение постоянной составляющей модуля скорости ветра, вероятность встречи которого в полете на высоте yg определяется;

W0 — среднее значение скорости ветра для полета на высоте yg, получаемое на основании (1.1).

По плотности распределения (1.2) может быть получена функ­ция распределения, показывающая вероятность встречи самоле­та, летящего на высоте уе, с ветром, постоянная составляющая скорости которого превышает заданный уровень. Эта функция описывается выражением

« ГУГ 2

F(W)=e 4v*/. (1’3)

На рис. 1.4 приведен график функции распределения вероят­ности, построенный на основании (1.3). Он может применяться для оценки условий большого (в пределе бесконечно большого) числа полетов. Значения F(W) можно интерпретировать так же, как отношение суммарной длительности тех участков полетов, для которых скорость ветра превышает заданный уровень, к об­щему времени полетов, если это время очень велико.

Использование распределения Релея равносильно допущению о равной вероятности для направления ветра, что не* может силь­но противоречить действительности, если иметь в виду, что рас­сматриваются осредненные на большой территории характеристи­ки направления ветра. Следует, однако, оговориться, что если эти осредненные характеристики ветра в приземном слое использу­ются для оценки динамики взлета и посадки, то применение рас­пределения Релея приводит к существенным погрешностям. Это обусловлено тем, что взлетно-посадочные полосы ориентируются по преобладающему направлению наиболее сильных ветров в районе аэродрома.