Заключительным этапом полета любого воздушного судна является заход на посадку. На этом этапе полета экипаж воздушного судна выводит его на предпосадочную прямую – глиссаду планирования[7, 8].
Выполнение этого этапа полета является самым ответственным и может, осуществляется как с использованием технических средств посадки (с использованием радионавигационного оборудования), так и визуально по естественным ориентирам на местности. В качестве ориентировки экипаж воздушного судна использует естественную линию горизонта и наблюдаемую взлетно-посадочную полосу (ВПП) [7, 8].
Следует отметить, что визуальный заход на посадку экипажу воздушного судна разрешают выполнить органы воздушного движения (ОВД) в случае установления визуального контакта ВПП [7, 8].
Главными факторами, оказывающими влияние на установление визуального контакта экипажа воздушного судна с ВПП, являются метеорологические величины (метеорологические минимумы). Значения метеорологических минимумов для каждого воздушного судна и конкретного аэродрома различны. Эти минимумы рассчитываются по специальным методикам для каждого аэродрома с учетом естественных и искусственных препятствий находящихся в непосредственной близости от аэродрома. Кроме того учитываются и особенности скоростного режима воздушного судна выполняющего заход на посадку [7, 8].В качестве примера приведем типичные значения метеорологических минимумов:
-
видимость 2-3 км, высота нижней границы облаков 150-300 метров – для визуального захода на посадку самолетов 4 класса (АН-2, вертолеты всех типов);
-
видимость 5 км, высота нижней границы облаков 600метров – для визуального захода на посадку самолетов 1-3 класса (АН 24 и все более тяжелые) [7, 8].
Целью работы – определение возможных отклонений воздушного судна относительно глиссады планирования (выше или ниже) при совершении экипажем воздушного судна визуальной посадки.
Материалы исследований. Метеорологические величины изменяются как во времени, так и в пространстве. Известно что, совокупность значений метеорологической величины во всём пространстве называют полем этой величины.
Слой атмосферы неоднороден и может быть разделен на приземный подслой (слой трения) и свободную атмосферу. В подслоях наблюдаются несколько еще более тонких слоев, отличающихся от соседних величиной показателя преломления[5].
К ним относятся: инверсии - слои с резким локальным падением температуры, слои повышенной влажности, слои с повышенным содержанием аэрозолей, облачные; наконец, такие локальные образования как пузыри и термики, также могут располагаться в воздухе слоями [5].
Количественной мерой изменения метеорологических величин в пространстве служат градиенты этих величин. Наибольший практический интерес представляют горизонтальный и вертикальный градиенты метеовеличины. Горизонтальный градиент всегда положителен[6,9].
Вертикальный градиент может быть как положительным, так и отрицательным. Справедливо следующее общее правило: если метеорологическая величина убывает, то вертикальный градиент положителен, если величина растет с высотой, то вертикальный градиент этой величины отрицателен. Наиболее важные в метеорологической практике – вертикальный и горизонтальный градиенты давления и температуры [6, 9].
Будем характеризовать слоистые неоднородности величиной градиента показателя преломления на их границах, т.е. в переходном слое. Здесь следует заметить, что количество слоев, находящихся одновременно на километровом интервале высоты неравномерно распределено по высоте. Так, например, на высотах 0,1-2 км в среднем слоев в два раза больше, чем на высотах 3-5 км [5].
В [4] были представлены восстановленные на основе данных температурно-ветрового зондирования атмосферы профили показателя преломления атмосферы. При определении величины показателя преломления использовалась зависимость последнего от абсолютной температуры (Т), атмосферного давления (р) и парциального давления водяного пара (е)
(1)
где сомножитель при 10-6 представляет собой показатель преломления атмосферы, выраженный в N - единицах [1, 2, 5].
В результате проведенных исследований в [2, 4] было установлено, что в атмосфере возникают сезонные и суточные изменения показателя преломления, которые способны приводить к искажениям траекторий визуального наблюдения в атмосфере. Для устранения ошибок при определении местоположения воздушного судна относительно ВПП необходимо учитывать возникающие в атмосфере изменения показателя преломления [4].
В качестве источника получения информации о показателе преломления служит фактическое состояние слоя атмосферы в районе ВПП, а именно температура, влажность воздуха и атмосферное давление.
В рамках поставленной задачи в [3] было сделано предположение о том, что земная поверхность является плоской, т.е. ее кривизной можно пренебречь. Атмосфера здесь представляется как совокупность тонких слоев с постоянными, в пределах слоя, значениями показателя преломления (n0, n1, ….ni), т.е. слои расположены параллельно земной поверхности, причем n0 <ni[1]. Для удобства рассмотрения вертикальная ось направлена вниз к земной поверхности.
В [3] были получены аналитические выражения определяющие положение воздушного судна в пространстве относительно глиссады планирования.
Так выражение (2) позволяет определить проекцию на земную поверхность траектории наблюдения через i-слой атмосферы с учетом вертикального градиента показателя преломления атмосферы γn [1, 3].
(2)
где 
Траектория визуального определения местоположения ВПП может сильно отличаться от прямолинейной и зависит от вертикального профиля показателя преломления атмосферы [3]. Так, ВПП может наблюдаться как ближе, так и дальше своего истинного местоположения. При этом величина ошибок определения горизонтальной дальности ВПП будет зависеть от величины вертикального градиента показателя преломления атмосферы, мощности слоев, в которых наблюдаются эти градиенты, а также величины угла наблюдения ВПП по отношению к горизонту [2, 4].
Следует также заметить что, прежде чем воздушное судно достигнет точки, находящейся от начала ВПП на расстоянии 4 км допускаются определенные отклонения от глиссады. После этого о любых отклонениях от глиссады воздушному судну орган ОВД сообщает конкретное расстояние (в метрах) выше или ниже глиссады.
При отклонениях воздушного судна от курса и глиссады на участке траектории полета за пределы, превышающие предельно допустимые, орган ОВД дает команду его экипажу об уходе на второй круг [7].
В данной работе предпринята попытка в рамках граничных условий описанных в [3], учитывая вертикальный профиль показателя преломления провести расчет возможных отклонений воздушного судна выше или ниже относительно глиссады планирования.
Пусть ВС находится в точке А на высоте h0 от земной поверхности (рис.1). Горизонтальная дальность ВПП от ВС определяется проекцией траектории наблюдения из точки А до ВПП на ось ОХ, направленную вдоль поверхности земли. Наблюдение ВПП осуществляется под углом φ0 относительно нормали к земной поверхности в направлении АВ, т.е. глиссады планирования. Вертикальные изменения показателя преломления атмосферы приводят к изменению траектории наблюдения АО′ и величину угла φ0 [3].
Рис. 1. Реальное и кажущееся положение воздушного судна относительно глиссады снижения
Из треугольников АОВ и А′О′В (рис.1) имеем
(3)
Выразив А′О′ИЗ (3) получим:
(4)
Заменив в (4) стороны треугольников АОВ и А′О′В через их соответствующие значения (см. рис. 1) и с учетом того что
и
окончательно получим:
(5)
Известно, что на границе раздела соседних слоев с различными значениями показателя преломления выполняется известное соотношение:
(6)
где n0, n1 – показатели преломления на границе раздела соседних слоев; j0, j1 – угол падения и преломленный угол относительно нормали к границе раздела двух соседних слоев с показателями преломления n0 и n1соответственно.
Из рис. 1, в случае n1>n0 видно, что отклонение прямолинейной траектории АВ к виду АО′, приводит к отклонению горизонтальных проекций соответствующих траекторий на земную поверхность и вызывает ошибку в определении положения ВПП, проекции Lкаж и Lтек соответственно [3].
Вывод формулы для Lтек – проекции на земную поверхность траектории наблюдения через i-й слой атмосферы достаточно подробно представлен в [1] и в этой статье не приводится.
Подставляя в выражение (5) выражение для расчета Lтеки проведя соответствующие преобразования в общем виде получим:
(7)
Заключение. Подставляя в полученное выражение данные о фактическом состоянии вертикального профиля метеорологических элементов и величин их градиентов можно рассчитать величину возможных ошибок и определить случайное положение воздушного судна относительно глиссады планирования при совершении экипажем визуального захода на посадку.
Рецензенты:
Сумин В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры управления и информационно-технического обеспечения, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», г. Воронеж;
Ирхин В.П., д.т.н., доцент, профессор кафедры основ радиотехники, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», г. Воронеж.