Швидкість літака в польоті: види та особливості

Швидкість літака – одна із найбільш важливих характеристик літака в польоті. Швидше літак летить – більше відстані долає за менший час. Сьогодні поговоримо про те, як вимірюють швидкість, що таке трубка Піто, а також які відмінності між приладовою, відкорегованою, істинною та шляховою швидкостями. Окремо згадаємо про число Маха.

Коротка відповідь: у літака немає однієї «швидкості». Прилад у кабіні показує приладову швидкість (IAS) – її міряє трубка Піто, і саме за нею пілот тримає літак у повітрі. Істинна швидкість (TAS) – як швидко літак рухається відносно повітря, на висоті вона значно більша за IAS. Шляхова (GS) – швидкість відносно землі, тобто TAS плюс або мінус вітер. Її й показує GPS.

Трубка Піто

Трубка Піто (pitot tube) – L-подібна трубка, відкритий кінець якої направлений назустріч потоку повітря. Повітря в трубці гальмується, тиск у ній росте, і з цього тиску визначають швидкість (IAS).

Тиск повітря, який ми отримуємо в трубці – повний (total pressure), тобто це сума статичного і динамічного (dynamic pressure) тисків. Для швидкості потрібен лише динамічний тиск, тому від повного віднімають статичний. Його вимірюють окремо, через статичний отвір (static port) на фюзеляжі. Цей принцип описує NASA Glenn.

На цьому принципі працюють усі покажчики повітряної швидкості (airspeed indicator, ASI) в кабіні.

Як це працює всередині приладу

У корпусі покажчика швидкості стоїть тонка мембрана-коробочка. Усередину неї йде повний тиск із трубки Піто, а навколо неї – статичний тиск. Чим швидше летимо, тим сильніше мембрану роздуває, і механізм повертає стрілку. На землі без вітру обидва тиски однакові – прилад показує нуль. Так це описано в FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, розділ 8.

Що буде, якщо трубка Піто замерзне?

Прилад почне брехати. Якщо лід закрив вхід трубки, а дренажний отвір відкритий – швидкість поступово впаде до нуля. Якщо закрито і вхід, і дренаж – тиск у трубці «замкнений», і прилад поводиться як висотомір: у наборі показує більше, у зниженні менше, хоча реальна швидкість може бути зовсім іншою (за тим самим розділом FAA PHAK). Тому трубки Піто мають електропідігрів (pitot heat), а великі літаки – кілька незалежних трубок.

Види швидкості

IAS (Indicated air speed) – приладова швидкість

Відповідає динамічному тиску повітря («швидкісному напору»). Вираховується за допомогою уже згаданої вище трубки Піто, виведеної назовні та направленої по руху літака.

Що сильніший зустрічний потік, то більше роздувається мембрана і відхиляється стрілка, інформація відображається в кабіні екіпажу. Оскільки густина повітря на висоті нижча – приладова швидкість на немалому ешелоні буде значно нижчою, аніж істинна, про яку далі. Зате саме в IAS у посібнику до літака задана більшість обмежень: швидкість звалювання (stall), відриву, випуску закрилків (V-швидкості).

CAS (Calibrated airspeed) – відкорегована швидкість

CAS – відкорегована приладова швидкість з урахуванням похибок приладу та встановлення трубки Піто і статичного отвору (position error). Наприклад, на різних кутах атаки повітря обтікає трубку по-різному. Найбільша різниця – на малих швидкостях і великих кутах атаки.

Зазвичай для перерахунку використовують таблицю з pilot operating handbook (POH).

TAS (True air speed) – істинна швидкість в польоті

Фактична швидкість літака відносно повітря. Використовується переважно в навігації та розрахунках і показує справжню швидкість польоту літака. Наприклад, якщо приладова швидкість 500 км/год, то на висоті близько 10 км істинна буде близько 800-ста.

На рівні моря за стандартної атмосфери TAS дорівнює CAS, тобто якщо літак летить невисоко, швидкості будуть майже однаковими. Проте з висотою густина повітря падає, і при тій самій TAS прилад показує все меншу IAS. Тому TAS доводиться перераховувати.

Розраховується на основі CAS, тиску повітря та температури. На сучасних літаках це робить бортовий комп’ютер, а на легких – пілот за допомогою навігаційного калькулятора (E6B).

Однак існує спрощене правило, згідно з яким для вирахування TAS до CAS додають приблизно 2% на кожні 1000 футів висоти. Це правило великого пальця, а не точний розрахунок.

GS (Ground speed) – шляхова швидкість

Швидкість, з якою літак летить відносно земної поверхні, зазвичай саме про неї повідомляє капітан літака пасажирам. Розраховується на підставі даних про істинну швидкість з урахуванням швидкості вітру. Для визначення можна використати звичайний GPS.

Що буде з попутним вітром? Літак із TAS 800 км/год і попутним вітром 150 км/год має GS близько 950 км/год. Із зустрічним – близько 650. Тому рейс в один бік буває помітно коротшим, ніж назад.

Крейсерська швидкість

Крейсерська швидкість (cruise speed) – швидкість, з якою літак летить більшу частину маршруту. Її обирають як компроміс між витратою пального і часом у дорозі – у лайнерів цей баланс задає cost index. Поршневі літаки зазвичай летять на 65–75% потужності двигуна, а реактивні лайнери – близько 0.78–0.85 Маха. Конкретні цифри для різних типів – у статті про те, яка швидкість пасажирського літака.

Число М (Маха)

Число М, або Маха (Mach number) – відношення істинної швидкості літака до швидкості звуку в навколишньому повітрі. Швидкість звуку залежить від температури, тому на висоті, де холодніше, той самий M0.8 – це менше кілометрів на годину, ніж біля землі. Біля землі за стандартних умов звук летить приблизно 330 м/с, або близько 1200 км/год (NASA Glenn).

Число Маха в авіації показує, наскільки швидкість літака близька до швидкості звуку. Це важливо, адже за дозвукових, трансзвукових, надзвукових або гіперзвукових швидкостей по-різному поводиться потік: біля M1 з’являються ударні хвилі, різко росте опір, може змінюватися керованість. Тому на літаках окрема увага приділяється значенню числа М. А на великій висоті межа між звалюванням і перевищенням допустимого Маха стає зовсім вузькою – це coffin corner.

Навігаційний трикутник швидкостей

Навігаційний трикутник швидкостей (wind triangle) – векторний трикутник, утворений векторами TAS, вітру та GS. Кожен із цих векторів характеризується своїм напрямом та чисельним значенням.

На схемі вище літак летить по умовній траєкторії, а саме по лінії заданого шляху, напрям якої збігається із вектором шляхової швидкості. При цьому поздовжня вісь «нахилена» вліво – так літак компенсує знос від бокового вітру.

• Кут зносу (drift angle): кут між векторами повітряної та шляхової швидкостей. Поправку курсу, яку пілот бере, щоб компенсувати знос, називають wind correction angle (WCA).
• Кут вітру: кут між вектором шляхової швидкості та вектором вітру.
• Курс (heading, HDG): напрям, у якому спрямована поздовжня вісь літака.
• Шляховий кут (track, TRK): кут, відповідний напряму руху літака над землею.

Знаючи TAS і вітер, за правилами тригонометрії можна знайти GS і кут зносу. Детальніше про різницю між курсом і треком – в окремій статті.

Чи можна використати GPS для визначення швидкості польоту?

GPS надає інформацію про значення Ground Speed, тобто швидкість, яка є важливою для пасажирів та навігаційних розрахунків. Але повітряної швидкості GPS не бачить, бо нічого не знає про вітер. А крилу важливе саме повітря: звалювання залежить від IAS, а не від GS. Тому трубку Піто GPS не замінить.

FAQ

Яку швидкість показує екран у салоні?

Шляхову (GS). Тому з сильним попутним вітром там можна побачити цифри, більші за звичну крейсерську швидкість літака.

Чому на висоті IAS менша за TAS?

Бо повітря розріджене. Трубка Піто «ловить» менше повітря, динамічний тиск менший, і прилад показує меншу цифру, хоча літак насправді летить швидше.

Чому пілоти рахують швидкість у вузлах?

Вузол (knot) – одна морська миля на годину, тобто 1,852 км/год. Морська миля прив’язана до градусної сітки Землі, тому вузли зручні для навігації за картою.

Яка швидкість найважливіша для пілота?

Для керування – IAS, бо від неї залежить підйомна сила і звалювання. Для навігації – TAS і GS: з них рахують час польоту і пальне.