1.4. Атмосферное давление

Атмосферное давление Р – это сила, с которой атмосфера давит на единицу горизонтальной поверхности. Оно равно весу вышележащего столба воздуха с основанием, равным 1 см².

В качестве единиц измерения давления используются гектопаскали (гПа) и миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.)

В таблице 4 указаны среднемесячные значения давления в гПа за 4 срока, среднее, минимальное и максимальное давление за каждый месяц и за год.

Для анализа изменчивости атмосферного давления по данным таблицы 4 построю графики годового хода среднего, максимального и минимального давления за каждый месяц (все 3 кривые построю на одном графике).

Атмосферное давление представляет собой одну из наиболее важных физических характеристик атмосферы. Изменение давления в пространстве и времени тесно связано с развитием основных атмосферных процессов. В частности, неоднородность давления по горизонтали является непосредственной причиной возникновения воздушных течений.

Таблица 4

Атмосферное давление – Р (Гурьев, 1973 год)

Месяц	Сроки наблюдений				Сред. Р	Max P	Min P
	03	09	15	21
1	1027,0	1027,6	1026,5	1027,2	1027,0	1047,9	1006,2
2	1020,6	1021,2	1020,6	1021,3	1020,9	1041,8	1003,9
3	1022,7	1023,6	1022,8	1023,1	1023,0	1036,0	1008,6
4	1017,9	1018,9	1017,3	1018,2	1018,0	1030,6	1001,1
5	1015,8	1016,3	1015,5	1016,1	1015,9	1028,0	1000,0
6	1013,1	1013,8	1012,9	1013,2	1013,2	1028,3	999,3
7	1010,5	1011,5	1010,7	1010,8	1010,8	1019,4	1001,7
8	1015,5	1016,4	1015,1	1015,4	1015,6	1023,5	1004,7
9	1021,5	1022,3	1021,1	1021,4	1021,5	1038,9	1003,2
10	1024,1	1024,7	1023,4	1024,3	1024,1	1035,3	1011,7
11	1021,7	1022,5	1021,8	1022,4	1022,1	1039,7	1010,0
12	1025,0	1025,7	1025,2	1025,4	1025,3	1040,3	1011,4
год					1019,7	1047,9	999,3

Анализ изменчивости атмосферного давления в г.Гурьев

за 1973 год

Для анализа изменчивости атмосферного давления по данным таблицы 4 построю график годового хода среднего, максимального и минимального давления за каждый месяц (рис. 7).

Наибольшее давление в течение года наблюдалось в январе (1047,9 гПа), наименьшее – в июне (999,3 гПа).

Годовая амплитуда атмосферного давления составила 48,6 гПа.

Амплитуда изменения атмосферного давления по сезонам:

зима –44 гПа;

весна –36 гПа;

лето –29 гПа;

осень –36,5 гПа;

Наибольшая изменчивость атмосферного давления наблюдалась в зимний и осенний сезоны.

В таблице 4 указаны значения атмосферного давления на уровне аэродрома Гурьев. Используя барометрическую формулу Лапласа нужно привести к среднему уровню моря величину среднегодового, максимального и минимального давления.

Р_прив = Р_Н · 10 , где

Н − высота аэродрома над уровнем моря;

Р_Н − среднегодовое, максимальное или минимальное давление на уровне аэродрома;

t_ср − среднегодовая температура воздуха.

Н=-18 м , t_ср =9,0°С;

Р_{ср.прив}=1019,7*10 -^{18/18400(1+9,0/273)}= 1017,5гПа;

Р_max.прив=1047,9*10 -^{18/18400(1+9,0/273)}= 1045,6гПа;

Р_min.прив=999,3*10 -^{18/18400(1+9,0/273)}= 997,1гПа;

Приведенное среднее давление (1017,5 гПа) больше, чем давление на уровне моря стандартной атмосферы (1013,25 гПа). Поэтому в анализируемом году преобладала антициклоническая погода.

Влияние температуры и давления на летные и эксплуатационные характеристики ВС

Потребная скорость (V_потр). Потребная воздушная скорость установившегося горизонтального полета обратно пропорциональна корню квадратному из плотности воздуха.

Поскольку плотность воздуха с высотой уменьшается, потребная скорость при прочих равных условиях с высотой возрастает. При полете на постоянной высоте скорость изменяется в зависимости от распределения температуры и давления на уровне полета. Так как в полете постоянная высота выдерживается по барометрическому высотомеру (p = const) скорость полета на эшелоне зависит только от температуры воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже атмосферное давление, тем больше должна быть потребная воздушная скорость горизонтального полета.

Скорость отрыва. Для взлета необходимо, чтобы подъемная сила была больше веса самолета, иначе говоря, чтобы скорость отрыва (V_отр) равнялась

V_отр = где, Су отр  коэффициент подъемной силы, соответствующий углу атаки, при котором самолет может безопасно оторваться от земли.

Полученное уравнение показывает, что увеличение температуры воздуха влечет за собой увеличение скорости отрыва, а рост давления  уменьшение скорости отрыва. Изменение скорости отрыва приводит к изменению длины разбега и взлетной дистанции. Это особенно важно иметь в виду при взлете с горных аэродромов. Например, при повышении температуры на 10°С по сравнению со стандартной у большинства реактивных самолетов при неизменных оборотах двигателя длина разбега увеличивается на 13%, а понижение температуры на 10°С уменьшает длину разбега на 10%.

Длина разбега. Длина разбега (Lразб) с учетом изменения плотности воздуха выражается следующей формулой:

Lразб = ,где

Lразб ст  длина разбега в стандартных условиях;

  относительная плотность воздуха, равная отношению фактической плотности к стандартной.

Согласно формуле, изменение плотности на аэродроме значительно сказывается на длине разбега. Это влияние особенно ощутимо на горных аэродромах. Если аэродром расположен на высоте 1000 м над уровнем моря, то здесь за счет изменения плотности воздуха при прочих равных условиях длина разбега самолета на 33% больше, чем на аэродроме, находящемся на уровне моря со стандартной плотностью воздуха. Влияние изменения плотности воздуха на длину разбега самолета с поршневыми двигателями меньше, чем для реактивного.

Посадочная скорость. Посадка самолета также зависит от атмосферных условий. Температура и давление сказывается на посадочной скорости (Vпос), длине пробега и посадочной дистанции самолета. Посадочная скорость выражается формулой:

Vпос = ,

где Су пос  коэффициент подъемной силы, соответствующий условиям безопасной посадки.

Чем выше температура воздуха и меньше атмосферное давление, тем больше посадочная скорость.

Располагаемая тяга ТРД. Располагаемая тяга (Рр) турбореактивных двигателей, под которой понимается наибольшая тяга, развиваемая двигателем на данной высоте при допустимом режиме работы, зависит от температуры и давления на уровне полета. С достаточной точностью ее можно выразить формулой:

Рр = тв (C­V), где

тв  масса воздуха, проходящая через двигатель за 1 сек.;

С  скорость истечения газов на срезе сопла;

V  воздушная скорость самолета.

Из данной формулы видно, что располагаемая тяга прямо пропорциональна расходу воздуха. Так как весовой расход воздуха зависит от его плотности, то повышение температуры или понижение давления приводит к уменьшению располагаемой тяги. При постоянном давлении располагаемая тяга зависит только от температуры воздуха на данной высоте. В случае положительного отклонения температуры воздуха от СА располагаемая тяга уменьшается, а в случае отрицательного  увеличивается.

С высотой располагаемая тяга уменьшается и зависит от величины вертикального температурного градиента. Чем больше вертикальный температурный градиент, тем меньше уменьшается плотность воздуха и медленнее падает располагаемая тяга. В слоях инверсии и изотермии плотность воздуха с высотой убывает быстрее. Это обуславливает более интенсивное уменьшение располагаемой тяги с высотой. Соответствующие зависимости силы тяги от температуры и давления и ее отклонения от стандартной для конкретных двигателей приводятся в руководствах по летной эксплуатации (РЛЭ) и других источниках.

Влажность воздуха также оказывает влияние на тягу газотурбинных двигателей. Это влияние проявляется двояко  через газовую постоянную и удельный вес воздуха. С возрастанием массовой доли водяного пара (удельной влажности) газовая постоянная увеличивается, работоспособность газа, и полезная работа термодинамического цикла становится выше, удельная тяга двигателя растет. Вместе с тем, водяной пар понижает удельный вес воздуха, уменьшая его весовой расход через двигатель, что приводит к падению тяги двигателя. В результате этого в жаркие дни во влажном воздухе тяга некоторых двигателей может уменьшится на 0,5%, а удельный вес и часовой расход топлива возрастает на 2%.

Часовой расход топлива. Влияние реального состояния атмосферы на часовой расход топлива можно выразить формулой:

Сч = Сч.ст * (Р/Рст) * √ Т/Тст, где (I) 

Сч и Сч.ст – фактический и стандартный часовой расход топлива; 

Р и Рст – фактическое и стандартное давление;

Т и Тст – фактическая и стандартная температура.

При полете на постоянной барометрической высоте эта формула упрощается, так как высота полета задается по барометрическому высотомеру от стандартного нулевого уровня и Р = Рст. Поэтому формула (І) будет иметь вид:

Сч = Сч.ст * √ Т/Тст. (II) 

Анализ формул (I) и (II) показывает, что при понижении давления и температуры часовой расход топлива уменьшается. При полетах на малых высотах, где температура и давление возрастают, расход топлива значительно увеличивается. Длина пробега. Изменение длины пробега по сравнению с ее стандартным значением выражается следующим образом:

Lпроб = Lпр.ст * Т/Тст. * Рст./Р, где

Lпроб и Lпр.ст – длина пробега при фактической температуре и стандартной температуре соответственно;

Р и Рст. – фактическое и стандартное атмосферное давление соответственно.

При повышении фактической температуры над стандартной на 10˚С длина пробега увеличивается на приблизительно 3,5%.

1.5. Ветер

Ветер представляет собой горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности.

Основные его характеристики – направление и скорость. Направление ветра выражается в градусах или румбах той части горизонта, откуда дует ветер. Градусы отсчитываются от северного направления географического меридиана по часовой стрелке от 0 до 360°. Направление ветра может также указываться по 16 румбам, для обозначения которых используются русские или латинские наименования (С, СВ, В и т.д.).

Условия эксплуатации самолетов на соответствующем аэродроме в значительной степени характеризуются особенностями режима приземного ветра. Взлет и посадку самолетов всегда стремятся осуществлять против ветра, так как при этом уменьшается скорость отрыва, посадочная скорость и длина разбега и пробега, улучшается устойчивость и управляемость самолета. Таким образом, анализ преобладающего направления и скорости ветра является необходимой климатической характеристикой аэропорта. С учетом преобладавшего направления ветра выбирают направление ВПП при проектировании аэродромов. Сильные ветры сказываются на безопасности полетов и регулярности движения воздушных судов.

Для анализа направления ветра построю розы ветров для каждого сезона и за год (рис. 8 – 12). В качестве исходных данных для построения розы ветров использую сведения о среднемесячной повторяемости (в %) ветров различных румбов – таблица 5. Ветры со скоростью, равной или меньше 3м/с, как мало влияющие на взлёт и посадку самолётов, обычно относят к штилевому состоянию.

В таблице 6 указаны среднемесячные значения скорости ветра за 4 срока, средняя и максимальная скорость ветра за каждый месяц и за год, а также повторяемость (в %) скорости ветра следующих градаций 0-5 м/с, 6-11 м/с, 12-15 м/с, более 15 м/с в течение каждого месяца и в течение года.

Таблица 5

Ветер (направление) (Гурьев, 1973 год)

Месяц	N	Штиль (0­3м/с)		СВ		В		ЮВ		Ю		ЮЗ		З		СЗ		С
		n	P	n	P	n	P	n	P	n	P	n	P	n	P	n	P	n	P
1	124	47,0	37,90	7,0	5,65	12,5	10,08	4,0	3,23	3,0	2,42	18,5	14,92	19,5	15,73	7,0	5,65	5,5	4,44
2	112	36,0	32,14	6,0	5,36	29,0	25,89	14,0	12,50	4,0	3,57	14,5	12,95	7,5	6,70	0,0	0,00	1,0	0,89
3	124	43,0	34,68	7,0	5,65	12,0	9,68	18,5	14,92	4,0	3,23	10,0	8,06	9,0	7,26	12,0	9,68	8,5	6,85
4	120	32,0	26,67	11,0	9,17	37,0	30,83	13,5	11,25	1,5	1,25	5,0	4,17	7,0	5,83	6,0	5,00	7,0	5,83
5	124	55,0	44,35	4,0	3,23	8,0	6,45	13,5	10,89	4,0	3,23	13,5	10,89	10,5	8,47	11,0	8,87	4,5	3,63
6	120	64,0	53,33	13,0	10,83	7,0	5,83	3,0	2,50	2,0	1,67	5,5	4,58	9,0	7,50	11,5	9,58	5,0	4,17
7	124	81,0	65,32	1,5	1,21	2,0	1,61	3,5	2,82	2,0	1,61	15,0	12,10	8,0	6,45	9,5	7,66	1,5	1,21
8	123	65,0	52,85	10,0	8,13	5,5	4,47	3,0	2,44	2,5	2,03	5,5	4,47	8,0	6,50	19,0	15,45	4,5	3,66
9	120	57,0	47,50	1,5	1,25	2,5	2,08	7,0	5,83	5,5	4,58	17,5	14,58	12,5	10,42	9,5	7,92	7,0	5,83
10	124	52,0	41,94	1,0	0,81	13,5	10,89	24,0	19,35	5,5	4,44	11,0	8,87	7,0	5,65	6,0	4,84	4,0	3,23
11	120	62,0	51,67	4,5	3,75	0,5	0,42	13,0	10,83	6,0	5,00	11,5	9,58	6,5	5,42	3,0	2,50	13,0	10,83
12	124	54,0	43,55	0,5	0,40	6,5	5,24	24,0	19,35	7,0	5,65	11,0	8,87	10,5	8,47	10,0	8,06	0,5	0,40
год	1459	648,0	44,41	67,0	4,59	136,0	9,32	141,0	9,66	47,0	3,22	138,5	9,49	115,0	7,88	104,5	7,16	62,0	4,25

N – общее количество наблюдений;

n – количество случаев;

P − повторяемость в %.

Используя сведения о среднемесячной повторяемости ветров различных румбов которые указаны в таблице 5, рассчитаю среднюю повторяемость штилей и среднюю повторяемость ветров этих румбов за каждый сезон года. Полученные данные запишу в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Повторяемость ветров разных направлений

Сезоны года	Штиль (0-3м/с)	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	С
Зима	37,9	3,8	13,7	11,7	3,9	12,3	10,3	4,6	1,9
Весна	35,2	6,0	15,7	12,4	2,6	7,7	7,2	7,9	5,4
Лето	57,2	6,7	4,0	2,6	1,8	7,05	6,8	10,9	3,0
Осень	47,0	1,9	4,5	12,0	4,7	11,01	7,2	5,07	6,6

Анализ направления ветра в г.Гурьев за 1973 г.

Проанализировав розы ветров, сделаю выводы о преобладающем направлении ветра по месяцам:

Январь – запад (Р=15,73%);

Февраль – восток (Р=25,89%);

Март – юго-восток (Р=14,92%);

Апрель – восток (Р=30,83%);

Май – юго-восток (Р=10,89%), юго-запад (Р=10,89%);

Июнь – северо-восток (Р=10,83%);

Июль – юго-запад (Р=12,10%);

Август – северо-запад (Р=15,445%);

Сентябрь – юго-запад (Р=14,58%);

Октябрь – юго-восток (Р=19,35%);

Ноябрь – юго-восток (Р=10,83%), север (Р=10,83%);

Декабрь – юго-восток (Р=19,35%).

Таким образом, преобладающее направление ветра зимой - в восточном направлении (Р=13,7%); максимальная скорость ветра в зимний период наблюдалась в январе месяце, что составляло 24м/с, средняя скорость ветра в данный период времени года равна 5,2м/с. Весной – в юго-восточном направлении (Р=12,4%); максимальная скорость ветра в весенний период наблюдалась в марте и мае месяце, что составляло 20м/с, средняя скорость ветра в данный период времени года равна 5,23м/с. Летом – в северо-западном направлении (Р=10,9%); максимальная скорость ветра в летний период наблюдалась в июле и августе месяце, что составляло 20м/с, средняя скорость ветра в данный период времени года равна 3,5м/с. Осенью - в юго-восточном направлении (Р=12%); максимальная скорость ветра в осенний период наблюдалась в сентябре месяце, что составляло 20м/с, средняя скорость ветра в данный период времени года равна 4,03м/с.

Для определения целесообразного направления ВПП проанализируем розу ветров за год. Наибольший процент повторяемости ветров был в направлении восток – запад 17,2%, что превосходит другие суммарные показатели по направлению.

С+Ю=4,25+3,22=7,47%

СВ+ЮЗ=4,59+9,49=14,08%

В+З=9,32+7,88=17,2%

ЮВ+СЗ=9,66+7,16=16,82%

Следовательно, целесообразное направление ВПП будет в направлении восток – запад (90° - 270°).

Таблица 6

Ветер (скорость − м/с) (Гурьев, 1973 год)

Месяц	Сроки наблюдений				Средняя скорость	Максимальная скорость	Повторяемость скорости ветра различных градаций
							N	0­5м/с		6­11м/с		12­15м/с		 15м/с
	03	09	15	21				n	P	n	P	n	P	n	P
1	5,3	5,0	6,0	5,3	5,4	24	124	75	60,48	32	25,81	16	12,90	1	0,81
2	5,7	6,2	5,8	5,7	5,8	20	112	55	49,11	47	41,96	9	8,04	1	0,89
3	5,1	6,0	6,5	5,2	5,7	20	124	66	53,23	40	32,26	14	11,29	4	3,23
4	4,7	6,2	7,4	3,8	5,5	16	120	57	47,50	59	49,17	4	3,33	0	0,00
5	3,2	5,0	5,6	3,8	4,3	20	124	76	61,29	42	33,87	5	4,03	1	0,81
6	2,8	4,6	5,6	3,2	4,0	18	120	83	69,17	28	23,33	9	7,50	0	0,00
7	1,7	3,0	4,3	2,1	2,7	20	124	103	83,06	21	16,94	0	0,00	0	0,00
8	2,9	3,8	5,4	3,4	3,8	20	124	97	78,23	21	16,94	5	4,03	1	0,81
9	3,1	4,8	6,1	2,9	4,2	20	120	87	72,50	29	24,17	4	3,33	0	0,00
10	3,6	4,4	5,5	3,1	4,1	16	124	88	70,97	35	28,23	1	0,81	0	0,00
11	3,5	3,7	4,8	3,3	3,8	18	120	89	74,17	27	22,50	4	3,33	0	0,00
12	4,9	4,1	4,3	4,5	4,4	18	124	83	66,94	35	28,23	6	4,84	0	0,00
год	3,8	4,7	5,6	3,8	4,4	24	1460	959	65,68	416	28,49	77	5,27	8	0,55

Анализ скорости ветра в г.Гурьев за 1973 г.

Для анализа изменчивости скорости ветра по данным таблицы 6 построю два графика:

- годового хода средней и максимальной скорости ветра (рис.13);

- годового хода повторяемости (в %) скорости ветра градаций 0-5м/с, 6-11м/с, 12-15м/с, более 15м/с (рис.14).

Средняя скорость за год – 4,4 м/с. Максимальная скорость ветра за год– 24 м/с. Ветер с такой скоростью наблюдался в январе.

В 1973 году преобладал ветер со средней скоростью 0-5 м/с. Минимальная повторяемость этого ветра наблюдалась в апреле (47,50%), максимальная – в июле (83,06%), повторяемость за год – 65,68%.

Ветры со скоростью 6-11 м/с наблюдались весь год (28,49%). Наибольший процент повторяемости этих ветров был в апреле (49,17%), наименьший – в июле и августе (16,94%).

Ветры со скоростью 12-15 м/с в июле не наблюдались. Наибольший процент повторяемости в январе (12,90%), повторяемость за год – 5,27%.

Ветер со скоростью более 15 м/с наблюдался в январе, феврале, марте, мае и августе. Наибольший процент повторяемости в марте ( 3,23%), повторяемость за год 0,55%.

Зимой преобладали ветра восточного направления со скоростью 0-5 м/с (средняя скорость – 5,2 м/с; максимальная скорость – 24 м/с в январе), весной – юго-восточного направления со скоростью 0-5 м/с (средняя скорость – 5,2 м/с; максимальная скорость – 20 м/с в мае), летом – ветра в северно-западном направлении со скоростью 0-5 м/с(средняя скорость – 3,5 м/с; максимальная скорость – 20 м/с в июле и августе), а осенью - ветра юго-восточного направления со скоростью 0-5 м/с (средняя скорость – 4,0 м/с; максимальная скорость – 20 м/с в сентябре).