1. Ветровые возмущения, возникающие при сдвиге ветра

Турбулентное состояние атмосферы -- состояние, при котором наблюдаются неупорядоченные вихревые движения различных масштабов и различных скоростей. Основной причиной турбулентности являются возникающие в атмосфере контрасты в поле ветра и температуры.

При пересечении вихрей воздушное судно подвергается воздействию их вертикальных и горизонтальных составляющих, представляющих собой отдельные порывы, в результате чего нарушается равновесие аэродинамических сил, действующих на воздушное судно. Возникают добавочные ускорения, вызывающие траекторные возмущения, которые могут приводит к опасной потере высоты и, как следствие, к столкновению с земной поверхностью.

Резкое изменение скорости или направления ветра или одновременно скорости и направления возможно как в горизонтальном направлении (горизонтальный сдвиг ветра), так и в вертикальном (вертикальный сдвиг ветра). Вертикальным сдвигом называется изменение скорости и (или) направления ветра с изменением высоты полета. Различают сдвиг ветра не только по направлению (вертикальный и горизонтальный), но и по интенсивности (Табл. 1).

Таблица 1. Критерии интенсивности сдвига ветра

Вертикальный сдвиг ветра (включая восходящие и нисходящие потоки), равный 4-6 м/с и более, в слое 30 м высоты относится к опасным для полетов метеорологическим условием в районе аэродрома. Взлет и заход на посадку летательного аппарата в условиях сильного сдвига ветра запрещаются.

Вертикальный сдвиг ветра нелинейно зависит от толщины слоя, для которого проводится его оценка, в толще слоя могут быть разные по значению восходящие и нисходящие потоки.

В настоящее время нет достаточно надежных способов как обнаружения, так и прогнозирования сдвигов ветра на глиссаде снижения и взлетной траектории. Сегодня используются данные шаров-пилотов, ветровых приборов, установленных на имеющихся вблизи аэродрома высоких зданиях, на телевизионных мачтах или с помощью специального оборудования (доплеровского радиолокатора и др.), а при отсутствии этих данных в информации необходимо иметь прогностический ветер. Изучается возможность обнаружения сдвигов ветра с помощью лазерной техники.

Летный состав во время предполетной подготовки должен учитывать синоптические условия, благоприятные для возникновения сильных сдвигов ветра при взлете и посадке воздушного судна, так как сдвиги ветра относятся к опасным условиям, являются невидимыми и возникают неожиданно.

самолет сдвиг ветер вывод

1.1 Моделирование сдвига ветра (нисходящий порыв)

В данной работе будем рассматривать нисходящий порыв, представляющий наибольшую опасность для летательных аппаратов, движущихся на небольшой высоте, а также совершающих взлет, посадку.

В работе [ Zhao Y. A Simplified Ring-Vortex Downburst Model. //AIAA Paper. №580, 1990, pp. 1-11] приведены данные идентификации параметров на основании измеренных профилей ветра в ситуациях, приведших к катастрофам самолетов В-727 на взлете в Нью-Орлеане в 1982 году и L-1011 на посадке в городе Даллас в 1985 году.

Графики вертикальной Wy и горизонтальной составляющих Wx профиля ветра в зоне микропорыва на высоте (Н = 200, 400 м.).

Данное ветровое возмущение можно описать с помощью математической модели, в которой область микропорыва ветра формируется течением вокруг вихревого кольца, расположенного над плоской поверхностью (М. Ivan. A Ring-Vortex Downburst Model for Flight Simulations. J. Aircraft, vol.23. №3. March 1986.) . Тогда все характеристики потока можно выразить через функцию тока трехмерного безвихревого течения несжимаемой жидкости, индуцируемого вихревым кольцом, которая описывается выражением

Геометрические соотношения показаны на рисунке.

где Г- циркуляция, R- радиус вихревой нити кольца, r₁, r₂ - наименьшее и наибольшее расстояния от текущей точки (x,z,h) до вихревой нити кольца, Rc- эффективный радиус ядра вихревого кольца, л = (r2-r1)/(r2+r1), K(л) и E(л) - полные эллиптические интегралы первого и второго рода.

Поле скоростей, индуцированное кольцевой вихревой нитью, определяется пятью параметрами: положением центра кольца (X,Z,H), циркуляцией Г и радиусом R. Параметры X,Z,H оказывают влияние на относительное положение, а не на форму распределения скоростей, Г дает линейный эффект, a R служит коэффициентом масштаба. Параметры для модели Zhao Y. приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры модели

Для упрощения вычислений M. Ivan в своей работе «A Ring-Vortex Downburst Model for Flight Simulations» предложил аппроксимировать выражения с эллиптическими интегралами следующим образом :

, где 0 ? ? 1

Упрощая таким образом выражение для функции тока, выразим компоненты скорости ветра в трехмерном пространстве (x,y,z) в зоне микропорыва следующим образом :

, где

Сравним полученную модель ветровых возмущений с экспериментальными данными из работы Zhao Y.

Графики профилей скорости ветра, сравнение модели и эксперимента

Высота 200 м.

Высота 400 м.

Сплошными линиями на графиках показаны скорости, рассчитанные по модели вихревого кольца с аппроксимацией M. Ivana, точками -- экспериментальная модель Zhao Y.

Сравнивая графики профилей видно, что модель вихревого кольца с аппроксимацией M.Ivana достаточно хорошо описывает ветровые возмущения, возникающие при сдвиге ветра.

2. Разработка алгоритма бортовой системы обнаружения сдвига ветра

Ввиду тех условий, что сверхлегкие самолеты могут совершать полеты с полей, грунтовых дорог, заброшенных аэродромов, где нет метеослужб, а следовательно нет и никакой информации о сдвиге ветра, учитывая тот факт, что не все легкие самолеты не оборудованы метеолокатором, способным обнаружить сдвиг ветра, встает вопрос: - Как, имея только систему воздушных сигналов (СВС), курсовертикаль и датчики перегрузок, определить, что летательный аппарат попал в условия сдвига ветра?

Основная идея, предлагаемая в данной работе для обнаружения попадания в сдвиг ветра, состоит в том, что при попадании самолета в порыв, приборная скорость из-за действия встречного ветра на СВС будет возрастать, самолет же под действием встречного ветра будет тормозиться. Таким образом, нам нужно следить за рассогласованием показаний приборной скорости и расчетной скорости, определяемой путем интегрирования показаний, полученных из датчиков акселерометров. По сигналам датчиков перегрузок и курсовертикали можно определить расчетную скорость

Но в значении расчетной скорости из-за накопления ошибки интегрирования будет нарастать ошибка. Поэтому введем коррекцию расчетной скорости по воздушной скорости по следующей схеме :

Что аналогично следующей системе уравнений

=

здесь - расчетная скорость, - воздушная скорость, полученная из приемников воздушного давления (ПВД), - вектор ускорения в скоростной системе координат, Т - характерное время коррекции расчетной скорости (обуславливается характеристиками акселерометров и чувствительностью приемника воздушного давления).

Таким образом, наблюдая за разностью скоростей и при превышении заданного значения, обуславливаемым чувствительностью ПВД, мы можем сказать, что самолет попал в условия, связанные со сдвигом ветра и информировать летчика (экипаж) об этом.