Навигационные и пилотажные элементы

Пилотажные элементы. Навигация и пилотирование являются процессами управления движением ВС. Чтобы описывать это движение, используются величины, называемые навигационными и пилотажными элементами.

Пилотажные элементы – это скалярные величины, характеризующие угловое положение ВС в пространстве.

Поскольку пространство трехмерно, ВС, как и любое тело, можно вращать вокруг трех перпендикулярных осей. Поэтому угловое положение ВС характеризуют три величины: крен, тангаж и курс (рис.2.23).

Крен (roll) χ – это угол между горизонтальной плоскостью и поперечной осью ВС.

Тангаж(pitch) – угол между горизонтальной плоскостью и продольной осью ВС. Если он положителен, «нос» ВС поднят вверх, а если отрицателен – опущен вниз.

Рис. 2.23. Пилотажные элементы

Курс (heading) γ – угол в горизонтальной плоскости, заключенный между направлением, принятым за начало отсчета и проекцией на эту плоскость продольной оси ВС.

Если продольная ось ВС горизонтальна (тангаж равен нулю), то можно сказать проще, что курс – это угол, между направлением, принятым за начало отсчета, и продольной осью самолета.

Измеряется курс, как и пеленг, по часовой стрелке от 0° до 360º. В качестве направления начала отсчета используется северное направление меридиана – истинного, магнитного или любого другого.

К пилотажным элементам можно отнести и производные крена, курса и тангажа, то есть угловые скорости их изменения, но они нам не понадобятся.

Навигационные элементы. Навигационные элементы – скалярные величины, характеризующие положение и перемещение ВС в пространстве. Соответственно они разделяются на навигационные элементы положения и навигационные элементы движения.

Навигационные элементы положения – это величины, которые показывают, в какой точке пространства находится ВС. Очевидно, что навигационные элементы положения это не что иное как координаты ВС в любой системе координат.

Навигационные элементы движения характеризуют, как перемещается ВС в пространстве. Это величины, описывающие скорость и ускорение ПМС. Правда, скорость и ускорение – величины векторные, то есть имеют модуль и направление. А ведь навигационные элементы в соответствии с приведенным определением должны являться скалярами. Однако понятно, что вектор можно описать двумя скалярными величинами: модулем и углом, характеризующими его направление, либо компонентами (составляющими) вектора по осям координат.

Сами понятия движения и покоя относительны. Человек, летящий в самолете, относительно него неподвижен, а относительно Земли движется. Точно так же движение самолета можно рассматривать относительно воздушной массы, в которой выполняется полет и на которую ВС опирается, либо относительно Земли.

Истинная воздушная скорость V_и – это скорость перемещения ВС относительно воздушной массы. По-английски эта скорость обозначается TAS (true airspeed).

Одним из навигационных элементов движения является модуль (абсолютная величина) этой скорости, который на большинстве этапов полета принято измерять в километрах в час, а при заходе на посадку – в метрах в секунду.

Другим навигационным элементом движения, связанным с этим вектором скорости, является угол, характеризующий его направление относительно меридиана. У самолетов истинная скорость направлена туда же, куда направлен вектор тяги двигателей (ведь именно из-за этой тяги самолет движется), то есть примерно по направлению продольной оси ВС.

На самом деле из-за несимметричности тяги направление истинной скорости не совсем совпадает с продольной осью ВС, составляя с ней угол, называемый аэродинамическим углом сноса (в аэродинамике используется термин «угол скольжения»). Но для самолетов этот угол на установившихся режимах полета мал и составляет доли градусов, поэтому в аэронавигации обычно не учитывается. Другое дело для вертолетов. У них истинная скорость создается не непосредственно двигателями, а горизонтальной составляющей тяги несущего винта. Она в принципе может быть направлена в любую сторону – ведь вертолет может лететь и боком, и хвостом вперед. У вертолета даже в установившемся полете по маршруту вследствие особенностей обтекания его воздухом аэродинамический угол сноса может достигать 4−5°, а при транспортировке груза на внешней подвеске и больших значений. В полете его необходимо определить и учитывать во всех навигационных расчетах.

Таким образом, можно считать, что вектор истинной воздушной скорости у самолета направлен по его продольной оси. Но это направление, отсчитанное от меридиана, есть не что иное как курс самолета. Следовательно, курс является для самолета как пилотажным, так и навигационным элементом (рис.2.24).

Рис. 2.24. Истинная воздушная скорость и магнитный курс

Перемещение самолета относительно Земли характеризуется вектором полной скорости W_п (рис.2.25). В общем случае он направлен к горизонту под углом, называемым углом наклона траектории q (vertical path angle).

Вектор полной скорости принято раскладывать на вертикальную и горизонтальную составляющие. Вертикальная составляющая называется вертикальной скоростью и обозначается V_в или V_у. Заметим, что вертикальное перемещение ВС относительно воздуха и относительно Земли практически одинаково, если, конечно, самолет не попал в восходящий или нисходящий поток воздуха, что бывает не так часто.

На английском языке используются термины rate of climb (вертикальная скорость набора высоты) и rate of descent (вертикальная скорость снижения).

Рис.2.25. Полная, вертикальная и путевая скорости

Вертикальная скорость измеряется в метрах в секунду, а за рубежом иногда в футах в минуту (1 м/с = 197 ф/мин). Величина горизонтальной составляющей W_п.гор практически совпадает с величиной полной скорости, поскольку для гражданских самолетов q обычно не превышает 5−7°.

Для характеристики перемещения ВС относительно Земли в горизонтальном направлении обычно используется скорость, называемая путевой.

Путевая скорость W (ground speed, GS) − это скорость перемещения МС по земной поверхности.

Самолет (ПМС) движется в пространстве, соответственно перемещается и его проекция на земную поверхность (МС). Строго говоря, путевая скорость не совпадает с горизонтальной составляющей полной скорости W_п.гор из-за кривизны Земли, поскольку МС перемещается по Земле, а ПМС – на высоте. Но разница эта для всех высот, на которых выполняются полеты в авиации, совершенно незначительна и ею можно смело пренебречь. Можно считать, что путевая скорость это и есть скорость горизонтального движения ВС относительно Земли.

Направление вектора путевой скорости относительно меридиана называется фактическим путевым углом b_ф (ФПУ). В зависимости от выбранного меридиана можно использовать фактический магнитный путевой угол (ФМПУ), фактический истинный путевой угол (ФИПУ) и другие его виды. Измеряются путевые углы, как курсы и пеленги, по часовой стрелке от 0º до 360º (рис. 2.26).

По-английски ФПУ – это actual track angle, то есть дословно – угол фактической линии пути. На практике это выражение часто используют в сокращенном виде – actual track или просто track (TK). Таким образом, слово track, обозначающее саму линию пути, может использоваться и в значении путевого угла, характеризующего направление этой линии пути.

Рис. 2.26. Фактический путевой угол

Очевидно, что вектор путевой скорости W направлен по направлению ЛФП в данной точке. Если ЛФП кривая, за ее направление принимается направление касательной к ней. Действительно, ведь за счет W место самолета и перемещается, описывая ЛФП. Поэтому ФПУ можно определить также как угол, заключенный между северным направлением меридиана и направлением ЛФП в данной точке.