М. А. Черный, В. И. Кораблин самолетовождение

М. А. ЧЕРНЫЙ, В. И. КОРАБЛИН

УДК 629.656.7.052.001(075.3)

В книге рассматриваются основные вопросы теории и практики само­летовождения с использованием геотехнических и радиотехнических средств, основы авиационной картографии, навигационные элементы по­лета.

Большое внимание уделено подготовке, выполнению и обеспечению безопасности полетов по трассам, а также практическому использованию средств самолетовождения. Кроме того, рассмотрены вопросы теории де­виации магнитных компасов и радиодевиации, порядок выполнения девиационных и радиодевиационных работ, даны основные рекомендации по ведению визуальной ориентировки и особенностям самолетовождения в особых условиях полета и при .заходе на посадку по приборам.

Основные обозначения, применяемые в самолетовождении, даны по ГОСТ 1075-41 и НШС ГА-70.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для курсантов и слушателей летных училищ и школ гражданской авиации. Она может быть использована пилотами, штурманами и диспетчерами производственных подразделений гражданской авиации и слушателями учебно-тренировочных отрядов.

Рис. 217, табл. 25.

Введение и главы 1, 2, 5, 6, 8, 10, II, 17, 18, 19, 20, 21, 23 и 24 написа­ны М. А. Черным, главы 3, 4, 7, 9, 12, 13, 14, 15, 16, 22 и 25 —В. И. Кораблиным.

049(01 )-73

Техн. редактор Т. А. Гусева Корректоры: В. Я. Кинареевская и С. Н. Пафомова

Сдано в набор 19/ХП 1972 г. Подписано в печать 2/VII 1973 г. Формат бумаги 60Х90 ¹/₁₆ № 2. Печ. л. 23. Уч.-изд. л. 23,89. Тираж 25000. Зак. тип. 157.

Цена 90 коп. Изд. № 1—1—2/17 № 4026 Изд-во «Транспорт», Москва, Басманный туп., 6а.

Типография издательства «Волжская коммуна». г. Куйбышев, пр. Карла Маркса, 201.

<т

ВВЕДЕНИЕ
Самолетовождение — это наука о точном, надежном и безопасном вождении воздушных судов из одной точки земной поверхности в другую.

Под самолетовождением понимается также комплекс действий экипажа са­молета и работников службы движения, направленных на обеспечение безопас­ности, наибольшей точности выполнения полетов по установленным трассам (маршрутам) и прибытия в пункт назначения в заданное время.

Основными задачами экипажа самолета гражданской авиации при осуществ­лении самолетовождения являются:

1. Точное выполнение полета по установленной трассе (маршруту).

2. Определение навигационных элементов, необходимых для выполнения по­лета по установленному маршруту или поставленной специальной задачи (фото­графирование, сбрасывание груза и др.).

3. Обеспечение прибытия самолета к пункту назначения и выполнение по­садки на аэродроме в заданное время.

4. Обеспечение безопасности полета.

Для решения указанных задач экипаж использует современные технические средства самолетовождения, которые подразделяются по месту расположения, по характеру использования и по принципу действия.

По месту расположения технические средства делятся на самолетные (бортовые) и наземные, а по характеру использования — на автоном­ные и неавтономные. Автономными называются такие средства, применение которых не требует специального наземного оборудования. Неавтономны­ми называются средства, которые выдают информацию на основе их взаимодей­ствия с наземными устройствами.

По принципу действия технические средства самолетовождения делятся на четыре группы:

1. Геотехнические средства самолетовождения, основанные на измере­нии различных параметров естественных (геофизических) полей Земли. К этой группе относятся магнитные компасы, барометрические высотомеры, указатели воздушной скорости, термометры наружного воздуха, часы, гирополукомпасы, дистанционные гиромагнитные и гироиндукционные компасы, курсовые системы, авиагоризонты, указатели поворота, оптические визиры, навигационные индика­торы, инерциальные системы и др. Большинство из этих средств устанавливает­ся на всех самолетах и используется в любом полете; они применяются также при пользовании другими техническими средствами самолетовождения.

2. Радиотехнические средства самолетовождения, основанные на из­мерении параметров электромагнитных полей, излучаемых специальными уст­ройствами, находящимися на борту самолета или на земле. К ним относятся: са­молетные радиокомпасы и связные радиостанции, радиовысотомеры, самолетные радиолокационные станции, доплеровские измерители угла сноса и путевой ско­рости, наземные радиопеленгаторы, приводные и радиовещательные станции, ра­диомаяки, радиомаркеры и наземные радиолокаторы.

Самолетное радионавигационное оборудование и наземные радиотехнические устройства образуют системы самолетовождения. По дальности дей­ствия последние делятся на системы дальней навигации (свыше 1000 км), ближ­ней навигации до 1000 и системы посадки самолетов.

Радиотехнические средства широко применяются при выполнении полетов на больших высотах, над морем, безориентирной местностью, в сложных метео­рологических условиях и ночью, а также при заходе на посадку.

3. Астрономические средства самолетовождения, основанные на ис­пользовании небесных светил. К этой группе средств относятся астрономические компасы, авиационные секстанты и астрономические ориентаторы.

Преимуществом астрономических средств является их автономность, помехо­защищенность и независимость точности их работы ни от дальности, ни от про­должительности полета. Они могут применяться в любое время суток и в любом месте Земного шара для выдерживания направления полета и определения ме­стонахождения самолета.

4. Светотехнические средства самолетовождения, основанные на использовании бортовых или наземных источников света. К этой группе средств относятся светомаяки, прожекторы, огни посадочных систем, пиротехнические (дымовые шашки, пирофакелы и др.), ориентирные бомбы и знаки. Они облег­чают ведение ориентировки и посадку самолетов в сложных метеорологических условиях и ночью.

Кроме рассмотренных технических средств, для самолетовождения экипаж использует полетные и бортовые карты, штурманские счетно-измерительные ин­струменты, различные графики и таблицы.

Современные самолеты оснащены такими техническими средствами самоле­товождения, которые обеспечивают выполнение полетов в различное время су­ток, над любой местностью и в любых метеорологических условиях.

В настоящее время средства самолетовождения развиваются по пути их автоматизации с максимально возможным освобождением экипажа от различ­ных операций и штурманских расчетов.

Разнообразные технические средства самолетовождения, имеющиеся в рас­поряжении экипажей самолетов гражданской авиации, при умелом их исполь­зовании позволяют выполнять полеты точно по заданному маршруту и обеспе­чивать прибытие самолета в пункт назначения в заданное время.

Основой успешного самолетовождения является комплексное применение технических средств, которое заключается в том, что самолетовождение осуществ­ляется с помощью не одного какого-либо средства, а нескольких. При этом ре­зультаты навигационных определений, полученные с помощью одних средств, уточняются с помощью других средств. Такое дублирование исключает возмож­ность допущения грубых ошибок, повышает точность и надежность самолетовож­дения.

Для решения задач самолетовождения штурман должен выбирать такое сочетание средств из имеющихся в его распоряжении, которое в данной навига­ционной обстановке обеспечит наибольшую точность и безопасность полета.

Для правильного решения вопросов комплексного применения технических средств самолетовождения необходимо знание принципов работы тех или иных средств, их возможностей и способов использования для решения различных навигационных задач.

Авиационная техника и технические средства самолетовождения непрерыв­но развиваются. Современные самолеты оснащаются автоматизированными на­вигационными комплексами, значительно повышающими точность, надежность и безопасность самолетовождения. Широкое применение получают системы для автоматического самолетовождения по маршруту и для автоматического захо­де на посадку.

Для эксплуатации современных самолетов и самолетов ближайшего буду­щего нужны высококвалифицированные пилоты и штурманы, глубоко знающие теорию и в совершенстве владеющие практикой самолетовождения.

Геоидом называется геометрическое тело, ограниченное ус­ловной (уровенной) поверхностью, которая является продолжени­ем поверхности океанов в их спокойном состоянии. Геоид не имеет простого математического выражения, поэтому производить точ­ные вычисления по его данным очень сложно. Для упрощения раз­личных вычислений геоид заменяют эллипсоидом вращения, кото­рый имеет правильную геометрическую форму и незначительно от­личается от геоида.

Эллипсоидом вращения называется геометрическое тело, образованное вращением эллипса вокруг его малой оси.

Впервые размеры Земли были определены в глубокой древности. Но они были приближенны. Поэтому на протяжении многих лет в ряде стран велись работы по уточнению размеров земного эллип­соида.

В Советском Союзе группа ученых под руководством члена-кор­респондента Академии наук СССР профессора Ф. Н. Красовского (1878—1948 гг.) произвела многочисленные измерения на огром­ной территории Земли и в результате обработки полученных дан­ных определила более точные размеры земного эллипсоида. Этот эллипсоид¹ положен в основу всех топогеодезнческих и

<sup>__________

1</sup>Его называют референц-эллипсоидом Ф. И, Красовского.
картографических работ на территории СССР и других социалистических стран Ев­ропы и Азии. Он имеет следующие характеристики (рис. 1.1):

большая полуось (экваториальный радиус) а = 6378,245 км;

малая полуось (полярный радиус) b = 6356,863 км;

полярное сжатие = = 0,00335233.

Величина сжатия Земли у полюсов является незначительной. Она составляет всего лишь 21,382 км. Следовательно, форма Земли мало отличается от шара. Поэтому для упрощения решения многих задач самолетовождения сжатием Земли пренебрегают и принимают Землю условно за шар (сферу), радиус которого R=6371 км.

Максимальные ошибки от замены эллипсоида шаром не превышают ±0,5% в определении расстояния и ±12' в определении углов.

Эта ось пересекается с поверхностью Земли в двух точках, ко­торые называются географическими полюсами: один Се­верным (С), а другой Южным» (Ю). Северным называется тот по­люс, в котором, если смотреть на него сверху, вращение Земли на­правлено против хода часовой стрелки. Противоположный полюс называется Южным.

Через любую точку на земном шаре можно провести боль­шой и малый круги. Большим называется круг, образован­ный на земной поверхности плоскостью сечения, проходящей через центр Земли.

Малым называется круг, образованный на земной поверхности плоскостью сечения, не проходящей через центр Земли.

Большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси вра­щения Земли, называется экватором. Экватор делит земной шар на Северное и Южное полушария.

Малый круг, плоскость которого параллельна плоскости эква­тора, называется параллелью. Через каждую точку на земной поверхности можно провести только одну параллель, которая называется параллелью места.

Большой круг, проходящий че­рез полюсы Земли, называется географическим, или истин­ным, меридианом. Через ка­ждую точку на земной поверхности, кроме полюсов, можно провести только один меридиан, который на­зывается меридианом места. Ме­ридиан, проходящий через Грин­вичскую астрономическую обсерва­торию, находящуюся в Англии вблизи Лондона, принят по между­народному соглашению в качестве начального, или нулевого, меридиана. Начальный меридиан делит земной шар на Восточное и Западное полушария.

Плоскость экватора и плоскость нулевого меридиана являются начальными плоскостями, от которых производится отсчет географических координат.
3. Географические координаты
Географические координаты — это угловые величины, которые определяют положение данной точки на земной поверхности. Гео­графическими координатами являются широта и долгота места (рис. 1.3).

Широтой места φ называется угол между плоскостью эк­ватора и направлением на дан­ную точку М из центра Земли или длина дуги меридиана, выра­женная в градусах, между эква­тором и параллелью данной точ­ки. Широта измеряется в граду­сах. Отсчет ведется от экватора к полюсам от 0 до 90°. Широта, отсчитываемая к северу, называ­ется северной и считается поло­жительной. Широта, отсчитывае­мая к югу, называется южной и считается отрицательной. Все точки, лежащие на одной парал­лели, имеют одинаковую широту. Долготой места λ назы­вается двугранный угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана данной точки М или длина дуги экватора, выраженная в градусах, между начальным меридианом и меридианом данной точки. Долгота из­меряется в градусах. Отсчет ведется от начального меридиана к востоку и западу от 0 до 180°. Долгота, отсчитываемая на восток, называется восточной и считается положительной. Долгота, отсчи­тываемая на запад, называется западной и считается отрицатель­ной. Все точки, лежащие на одном меридиане, имеют одну и ту же долготу.

Меридиан, имеющий долготу 180°, по международному согла­шению принят в качестве линии смены дат и начала междуна­родной разграфки карт.

Долгота места, кроме угловых величин, может измеряться в единицах времени (часах, минутах и секундах). Она отсчитывается от начального меридиана к востоку и западу от 0 до 12 ч. Изме­рение долготы в единицах времени основано на суточном вращении Земли. Такое выражение долготы бывает необходимым при реше­нии некоторых задач самолетовождения.

Определив длину большого круга, можно рассчитать, чему рав­на длина дуги меридиана (экватора) в 1° или в 1´:

Решение. Находим: 1) l_экв = 111 км·4 = 444 км; 2) cos 60° = 0,5; 3) l_пар = l_экв cosφ= 444 км·0,5 = 222 км.

Обычно длину дуги параллели определяют с помощью навига­ционной линейки.

При использовании указанных единиц измерения расстояний следует знать соотношение между ними, а именно:

1 ММ = 1' дуги меридиана =1852 м= 1,852 км;

1АМ=1,6км;

1 фут=30,48 см; 1 м = 3,28 фута.

Перевод одних единиц измерения расстояний в другие произво­дится по формулам:

Азимутом, или истинным пеленгом, ориентира назы­вается угол, заключенный между северным направлением мериди­ана, проходящего через данную точку, и направлением на наблю­даемый ориентир (рис. 1.4, а). Азимут (пеленг) ориентира отсчиты­вается от северного направления меридиана до направления на ориентир по часовой стрелке от 0 до 360°.

Для выполнения полета из одного пункта в другой их сое­диняют на карте линией, кото­рая в самолетовождении назы­вается линией заданного пути (ЛЗП). Чтобы выпол­нить полет по ЛЗП, необходи­мо знать направление полета, которое определяется задан­ным путевым углом (ЗПУ). ЗПУ — это угол, зак­люченный между северным направлением меридиана и линией заданного шути (рис. 1.4, б). Он отсчитывается от северного направления меридиана до направления ли­нии заданного пути по часовой стрелке от 0 до 360°.
7. Ортодромия и локсодромия
Путь самолета между двумя за­данными точками на карте может быть проложен по ортодромии или локсодромии. Выбор способа прок­ладки пути зависит от оснащенности самолета навигационным обору­дованием. Каждая из указанных линий пути имеет определенные свойства.

Ортодромией называется дуга большого круга, являющаяся кратчайшим расстоянием между двумя точками А и В на поверх­ности земного шара (рис. 1.5).

Ортодромия обладает следующими свойствами:

1) является линией кратчайшего расстояния между двумя точ­ками на поверхности земного шара;

2) пересекает меридианы под различными, неравными между собой углами вследствие схождения меридианов у полюсов.

Экватор и меридианы являются частными случаями ортодро­мии. Через две точки на земной поверхности, расположенные не на противоположных концах прямой, проходящей через центр Зем­ли, можно провести только одну ортодромию. Условились путь са­молета по ортодромии называть ортодромическим, а направ­ление полета по ортодромии указывать ортодромическим путевым углом (ОПУ), заключенным между северным направ­лением меридиана и линией заданного пути в начальной точке ортодромии. В частном случае, когда ортодромия совпадает с ме­ридианом или экватором, ортодромический путевой угол остается постоянным и равным в первом случае 0 или 180°, а во втором — 90° или 270°.

Полет по ортодромии с помощью магнитного компаса выпол­нить нельзя, так как в этом случае необходимо было бы изменять направление полета самолета от меридиана к меридиану, что осу­ществить практически невозможно. Поэтому такой полет выполня­ется с помощью специальных курсовых приборов — гирополукомпаса или курсовой системы.

На полетных картах, составленных в видоизмененной поликони­ческой проекции, ортодромия между двумя пунктами, расположен­ными на расстоянии до 1000—1200 км, прокладывается прямой ли­нией, а на больших расстояниях — кривой линией, обращенной выпуклостью к полюсу. В первом случае ОПУ и длина пути по ортодромии измеряется по карте. Во втором случае ортодромия наносится на карту по промежуточным точкам, а ОПУ и длина пу­ти по ортодромии рассчитываются по специальным формулам.

В качестве исходных данных для математического расчета ОПУ и длины ортодромии служат географические координаты ее исход­ного и конечного пунктов. Эти координаты определяются с точно­стью до минуты по соответствующим справочникам или снимаются непосредственно на полетной карте.

Длина пути по ортодромии между двумя точками рассчитыва­ется по формуле

cos S_орт = sinφ₁ sinφ₂ + cosφ₁ cosφ₂cos (λ₂ — λ₁),

где S_орт — длина пути по ортодромии в градусах дуги; φ₁ и λ₁— координаты исходной точки ортодромии; φ₂ и λ₂ — координа­ты конечной точки ортодромии.

Чтобы получить длину пути ортодромии в километрах, нужно полученный по формуле результат выразить в минутах дуги и ум­ножить на 1,852 км.

Ортодромический путевой угол (направление ортодромии в ис­ходной точке маршрута) рассчитывается по формуле

ctgα = cosφ₁ tgφ₂ cosec (λ₂ — λ₁)— sinφ, ctg(λ₂ — λ₁).

При большой протяженности ортодромия наносится на карту по промежуточным точкам. Координаты φ и λ этих точек рассчи­тываются по формуле

tgφ₁= Аsin(λ — λ₁) + Вsin(λ₂ — λ), tgφ₂


При этом обычно задаются долготой λ (через 10—20°) и опреде­ляют широту φ каждой промежуточной точки. Коэффициенты А и В для всех промежуточных точек остаются неизменными. Чтобы обеспечить высокую точность конечных результатов, расчет по ука­занным формулам ведется по пятизначным таблицам тригономет­рических функций. По вычисленным координатам наносят проме­жуточные точки на карте, а затем через эти точки проводят орто­дромию в виде плавной кривой линии (рис. 1.6) или в виде отрез­ков прямых, соединяющих вычисленные точки ортодромического пути.

Математический расчет орто­дромии дает хорошую точность, но связан с громоздкими вычис­лениями. Поэтому иногда ортод­ромию наносят на полетную кар­ту при помощи навигационного глобуса или сетки, составлен­ной в центральной полярной про­екции, на которой ортодромия для любых расстояний изображается прямой линией. Используя это свойство сетки, можно произвести графический расчет ортодромии. Для этого на сетке соединяют начальную и конечную точки ортодромии прямой линией. На этой прямой намечают промежуточные точки. Затем по координатам переносят их на полетную карту и через полученные на по­летной карте точки проводят ортодромию.

Полет из одной точки в другую по магнитному компасу удобно выполнять с постоянным путевым углом, т. е. по локсодромии.

Локсодромией называется линия, пересекающая меридианы под одинаковыми путевыми углами. Путь самолета по локсо­дромии называется локсодромическим. Постоянный угол, под которым локсодромия пересекает меридианы, называется локсодромическим путевым углом.

На поверхности земного шара локсодромия имеет вид прост­ранственной логарифмической спирали, которая огибает земной шар бесконечное число раз и с каждым оборотом постепенно прибли­жается к полюсу, но никогда не достигает его (см. рис. 1.5). Путь по локсодромии всегда длиннее пути по ортодромии. Только в ча­стных случаях, когда полет происходит по меридиану или по эква­тору, длина пути по локсодромии и ортодромии будет одинаковой.

Если пункты перелета не очень удалены друг от друга, то раз­ность пути по ортодромии и локсодромии незначительна. Разность также мала и при больших расстояниях полета, если маршрут про­ходит под углом не более, 20° по отношению меридиана. При боль­ших расстояниях между пунктами перелета и особенно при на­правлении маршрута, близком к 90 или 270°, разность между рас­стояниями по ортодромии и локсодромии достигает больших зна­чений. При большой протяженности маршрута путь по ортодромии значительно сокращает расстояние, уменьшает продолжительность полета и расход Топлива, что повышает полезную нагрузку самоле­та. Поэтому полеты сверхзвуковых транспортных самолетов выпол­няются по спрямленным воздушным трассам, совпадающим с ор­тодромиями.

Локсодромия обладает следующими свойствами:

1) пересекает меридианы под постоянным углом и на поверхно­сти земного шара своей выпуклостью обращена в сторону эква­тора;

2) путь по локсодромии всегда длиннее пути по ортодромии, за исключением частных случаев, когда полет происходит по меридиа­ну или по экватору. Параллели являются частными случаями лок­содромии.

При полетах на большие расстояния разностью пути по орто­дромии и локсодромии пренебрегать нельзя. Поэтому маршрут дальнего полета, если его промежуточные точки не определены за­данием, должен прокладываться по ортодромии. В практике поле­тов по утвержденным воздушным линиям, Для которых установле­ны определенные правила, маршрут не является прямой от пункта вылета до пункта посадки, а имеет ряд изломов. Отрезки прямых выбирают с таким расчетом, чтобы разность в путевых углах в начале и конце участка не превышала 2°. При таком выборе длины участков ЛЗП прокладывается на полетной карте в виде прямой, которую принимают за локсодромию, если направление полета бу­дет выдерживаться по магнитному компасу, или за ортодромию, если направление полета будет выдерживаться с помощью специ­альных курсовых приборов. В этом случае локсодромический путь будет незначительно отклоняться от прямой линии, и для отрезков 200—250 км практически будет совпадать с ЛЗП, проложенной на карте.