УДК 551.506.7:551.507.35+551.510.532(98)
Опыт исследования термодинамики стратосферы высоких широт Северного полушария на самолете-лаборатории М-55 "Геофизика"
Г. Н. Шур*, В. А. Юшков*, А. В. Дрынков**, Г. В. Фадеева*, Г. А. Потертикова*
Приведены результаты анализа материалов измерений термодинамических параметров атмосферы, полученных с помощью разработанного авторами автономного термодинамического комплекса ТДК, установленного на стратосферной летающей лаборатории М-55 "Геофизика", в одном из полетов в высоких широтах Северного полушария. Обнаружены упорядоченные вихревые структуры в поле скорости ветра в стратосфере предположительно динамического происхождения.
1. Введение
Процессы, протекающие в атмосфере, в том числе и в стратосфере, существенно влияют на условия жизнедеятельности людей, во многом определяют экологическую обстановку на Земле. Измерения основных термодинамических характеристик в свободной атмосфере с 1930-х годов производились с помощью радиозондов. С появлением самолетов-метеолабораторий стало возможным измерять in situ не только средние значения температуры, скорости ветра и влажности, но также исследовать мезо- и микроструктуру неоднородностей этих величин. Появилась возможность измерять концентрации активных и консервативных примесей, исследовать структуру облачных частиц и аэрозолей. С появлением реактивных исследовательских самолетов-лабораторий эти исследования стали производиться и за пределами тропопаузы.
В настоящее время имеются два самолета, способные поднять исследовательские комплексы до высоты, превышающей 20 км, — это российский М-55 "Геофизика" ЭМЗ им. Мясищева и американский NASA ER-2.
Начиная с 1998 г. на самолете М-55 "Геофизика" при участии ученых России, Германии, Италии, Франции и Швейцарии по программам и при финансовой поддержке Европейского сообщества были выполнены экспериментальные исследования в основном по проблеме озона в полярных (в Арктике и Антарктике) и в тропических широтах [8].
Самолет М-55, являясь по существу стратосферной летающей платформой, на которой размещались научные измерительные комплексы участни-
* Центральная аэрологическая обсерватория.
** Экспериментальный машиностроительный завод им. В. М. Мясищева.
ков международных экспериментов, в то же время с помощью штатной научной аппаратуры измерял основные термодинамические параметры внешней среды и навигационные данные полета. С помощью штатной самолетной аппаратуры были впервые получены экспериментальные данные о мезомасштабной структуре полей ветра и температуры в стратосфере низких широт в районе Сейшельских островов [2, 5] и в высоких широтах Южного полушария [6].
Для получения высокоточных данных о термодинамических параметрах атмосферы на уровне полета, а также для исследования структуры неодно-родностей полей ветра и температуры в 2001 г. было принято решение о разработке и изготовлении автономного термодинамического комплекса с энергонезависимой памятью, работающего в интерактивном режиме со штатными (в том числе и навигационными) системами самолета. Ниже будет дано краткое описание этого комплекса и приведены некоторые результаты выполненных с его помощью исследований.
2. Автономный термодинамический комплекс ТДК
В 2003 г. на самолете М-55 "Геофизика" был введен в эксплуатацию разработанный в ЦАО и ЭМЗ им. Мясищева автономный термодинамический комплекс ТДК.
Входящий в комплекс блок сбора, обработки и регистрации, работающий в интерактивном режиме со штатными измерительными и навигационными системами самолета, осуществляет сбор информации, введение поправок, вычисление физических значений термодинамических параметров атмосферы по рабочим формулам и их регистрацию в энергонезависимой памяти.
Основным поставщиком информации о давлении и температуре наружного воздуха, а также об истинной воздушной скорости, необходимой для вычисления скорости и направления ветра, является преобразователь воздушных сигналов Яо8етоиП МЛБТ2014. С помощью датчиков также фирмы "Яо8ешоип1:", вынесенных в невозмущенный (или мало возмущенный) воздушный поток, он измеряет статическое р5 и полное р1 давление и температуру торможения Т. Остальные параметры вычисляются микропроцессором МЛБТ по алгоритмам [3]:
число Маха М для дозвукового полета
М =
Г \27
Р
- 1
температура наружного воздуха Т
Т=
1 + 0,2гМ2
(1)
(2)
где Т и Т — температура в К, г = 0,9985 — коэффициент восстановления; истинная воздушная скорость (км/ч)
Уг = 72,17 М^Т". (3)
/
Барометрическая высота Н вычислялась по стандартной атмосфере
США 1962 г.
В состав ТДК входят два преобразователя малых разностей давлений RMT 1221F2. Они преобразуют разность давлений от двух пар отверстий, расположенных на передней полусфере датчика углов потока RMT858AJ. Вертикальная пара отверстий реагирует на изменение угла атаки а, горизонтальная пара — на изменение угла скольжения р. При отклонении направления набегающего на датчик потока от его оси возникают перепады давления Ар:
Apjq = 4 sin 2а sin290, (4)
АРр /q = 4sin2p эш2ф 0, (5)
где ф0 — угол расположения отверстий на сфере;
q = Pt - Р^ (6)
(7)
q 4V3 АРв 1
Р = — (8)
q 4V3
ф0 = 30°, а и р в радианах.
Скорость вертикального порыва ветра W (м/с) вычисляется по формуле
w' = - (а - 0 )V* + g J Anydt. (9)
Здесь V — истинная воздушная скорость по ТДК в м/с, 0 — угол тангажа от инерциальной навигационной системы (ИНС), An = n - 1 — приращение перегрузок в долях ускорения силы тяжести g, gJ Anydt — вертикальная скорость самолета в инерциальной системе координат от ИНС.
Параметры горизонтального ветра вычисляются в штатной научной аппаратуре по общепринятым алгоритмам с использованием для решения навигационного треугольника скоростей информации о путевой скорости и путевом угле от системы спутниковой навигации GPS, угле курса от инерциальной системы и об истинной воздушной скорости от MADT ТДК:
Un = Vcosy - Wcosn,,, (10)
Ue = V*siny - Wsinny, (11)
где UN — меридиональная (северная) составляющая скорости ветра в м/с, UE — зональная (восточная) составляющая скорости ветра в м/с, у — угол курса от инерциальной системы, W — путевая скорость в м/с от GPS, Пу — путевой угол от GPS,
и = VU NN + и e2, (12)
U — скорость ветра в м/с,
Ud = arctg Ue-, (13)
Un 45
Ud — направление ветра в град.
Конструктивно ТДК выполнен в виде подвесного подкрыльного контейнера. Внутри контейнера размещены преобразователи и микропроцессорные блоки обработки информации и памяти. Снаружи контейнера расположены приемники температуры и давлений. На рис. 1 представлена фотография ТДК на самолете М-55 "Геофизика".
Общая погрешность самолетных измерений складывается из инструментальной погрешности прибора, которая может быть определена в лабораторных стендовых испытаниях, и аэродинамической погрешности, зависящей от места установки датчиков, конкретного типа самолета и условий полета, так как в полете может меняться конфигурация самолета. Датчики и преобразователи фирмы "Rose-mount" сертифицированы по материалам лабораторных и стендовых испытаний, и в технической документации, выпущенной "BF Goodrich Aerospace 1пс.", представлены инструментальные погрешности по всем измеряемым параметрам в их рабочих диапазонах.
Инструментальная погрешность ТДК приведена по данным для уровня моря, M = 0,5 и температуры наружного воздуха 20оС.
Для того чтобы в реальных измерениях реализовать инструментальную точность приборов "Rosemount", на самолете "Геофизика" необходимо было ввести аэродинамические поправки в данные измерений воздушных давлений.
Для определения аэродинамических поправок в полетах по программе EUPLEX в Кируне (Швеция) в январе — феврале 2003 г. были выполнены специальные тестовые режимы. Полученные по результатам тестовых измерений полиномы внесения аэродинамических поправок были введены в алгоритмы вычисления статического давления и температуры наружного воздуха в ТДК.
Данные о точности измерений ТДК представлены в табл. 1. Погрешности измерений скорости и направления ветра приведены для скоростей ветра >10 м/с.
3. Анализ результатов термодинамических измерений в полете 28 февраля 2003 г.
Ниже будут рассмотрены результаты анализа данных термодинамического комплекса ТДК по материалам полета М-55 28 февраля 2003 г. в Кируне (Швеция), выполненного по проекту "ENVISAT Validation".
На рис. 2 представлена карта района полета. Сплошной линией показан
Рис. 1. Термодинамический комплекс на самолете М-55 "Геофизика".
Таблица 1 Точность измерений ТДК
Единица измерения Погрешность
Параметр Диапазон средняя квадратическая максимальная
Статическое давление р5 гПа 40—1050 0,1 ±0,3
Полное давление р, гПа 40—1050 0,1 ±0,3
Температура торможения Т °С -99...200 0,17 ±0,5
Число Маха М 0,1—1,0 0,0003 ±0,001
Высота Н м -500...25000 1,0 ±3,0
Температура наружного воздуха Т °С -99...60 0,2 ±0,6
Истинная воздушная скорость ¥<г км/ч 150—900 0,33 ±1,0
Скорость ветра и м/с 0—100 1,0 ±3,0
Направление ветра ил град -180...180 2,0 ±6,0
Скорость вертикальных порывов т' м/с ±10 0,1 0,3
горизонтальный режим на максимальной высоте 19 540 м. Пунктирными стрелками показано направление ветра, которое мало менялось на всех высотах. Этот полет выбран нами в основном по соображениям наличия некоторых характерных особенностей в аэрологической ситуации в этот день. Ветер был направлен поперек Скандинавского хребта, и его скорость на уровне вершин составляла около 20 м/с. Направление ветра с высотой практически не менялось. Ось струйного течения располагалась под тропопаузой, скорость ветра на оси достигала 50 м/с. Стратосфера была очень устойчиво стратифицирована.
На рис. 3 представлена временная диаграмма полета: по оси X указано время в секундах, отсчитываемое с 0 с по среднеевропейскому времени, по оси У — давление, высота, температура, истинная воздушная скорость, скорость ветра и метеорологическое направление ветра.
В табл. 2 приведены параметры горизонтальных режимов этого полета, а на рис. 4 представлены вертикальные распределения температуры и скорости ветра, измеренные на режимах набора высоты и снижения.
Было
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.