Почему существует разница между скоростью GPS и скоростью индикатора?

Индикатор скорости в кабине показывает заданную скорость полета . Указанная воздушная скорость обычно отличается от скорости GPS из-за ветра и аэродинамических эффектов.

Скорость GPS — это ваша скорость относительно земли. Если вы стоите на твердой земле, это будет 0. Если это 100 узлов, вы будете в 100 морских милях от того места, где вы сейчас находитесь, через один час, если вы продолжаете лететь по прямой линии.

Воздушная скорость – это скорость самолета относительно окружающего воздуха. Итак, если вы стоите на твердой земле, и вам в лицо дует ветер со скоростью 20 узлов, ваша скорость полета будет 20 узлов. Если вы путешествуете со скоростью 100 узлов против встречного ветра в 20 узлов, ваша путевая скорость составит 80 узлов. Если вы развиваете скорость 100 узлов при попутном ветре 20 узлов, скорость по GPS будет 120 узлов.

Но даже при спокойном ветре показания индикатора воздушной скорости будут отличаться от скорости по GPS. Это связано с тем, как измеряется скорость полета.

Скорость полета измеряется трубкой Пито. Трубка Пито имеет два порта для измерения давления. Тот, который измеряет общее давление$P_t$. Этот порт обращен к входящему воздушному потоку. Другой измеряет статическое давление$P$и расположен перпендикулярно потоку воздуха. Разница между двумя давлениями называется ударным давлением (рост давления из-за воздействия воздушного потока на трубку Пито) и обозначается$q_c$.

Ударное давление связано со скоростью воздушного потока, воздействующего на трубку Пито. Если поток считается несжимаемым (что является приемлемым приближением для скоростей до 200 узлов), ударное давление может быть получено из уравнения Бернулли.

$q_c = \frac{1}{2}\rho V^2$

• $q_c$ударное давление в Па
• $\rho$плотность в кг/м ³
• $V$истинная скорость полета в м/с

Индикатор воздушной скорости откалиброван для стандартных условий на уровне моря, где$\rho$составляет 1,225 кг/м ³ . В действительности самолет будет лететь на высоте, поэтому фактическая плотность воздуха ниже. Поэтому и указанная скорость полета будет ниже. Например, если самолет летит со скоростью 75 м/с (около 146 узлов) на высоте 6000 футов, плотность будет составлять 1,02393 кг/м ³ .

$q_c = \frac{1}{2} 1.02393 \cdot 75 ^2 = 2879.8 \textrm{ Pa}$

Эквивалентная скорость полета на уровне моря для того же$q_c$является:

$V_{EAS} = \sqrt{\frac{2 q_c}{\rho_0}} = \sqrt{\frac{2 \cdot 2879.8}{1.225}} = 68.6 \textrm{ m/s}$

Ваш индикатор воздушной скорости будет показывать только 68,6 м/с (133 узла), несмотря на то, что вы движетесь со скоростью 75 м/с (146 узлов) по отношению к воздуху.

Преобразование истинной воздушной скорости в эквивалентную воздушную скорость может быть выполнено непосредственно следующим образом:

$V_{EAS} =V\cdot \sqrt{\frac{\rho}{\rho_0}}$

• $V_{EAS}$эквивалентная скорость полета (м/с)
• $V$истинная скорость полета (м/с)
• $\rho$фактическая плотность воздуха (кг/м ³ ).
• $\rho_0$плотность при стандартных условиях на уровне моря (1,225 кг/м ³ )

Влияние более низкой плотности на индикатор воздушной скорости становится более выраженным, чем выше вы поднимаетесь. Как только вы начинаете двигаться со скоростью выше 100 м/с, эффекты сжимаемости больше нельзя игнорировать, и вышеизложенное больше не применяется. Индикаторы воздушной скорости корректируются с учетом эффектов сжимаемости и, следовательно, не используют эквивалентную воздушную скорость , а вместо этого используют калиброванную воздушную скорость для калибровки.

$V_{CAS}=a_{0}\sqrt{5\left[\left(\frac{q_c}{P_{0}}+1\right)^\frac{2}{7}-1\right]}$

• $V_{CAS}$откалиброванная воздушная скорость
• $a_{0}$- скорость звука при стандартных условиях на уровне моря (340,3 м / с).
• $P_0$- статическое давление воздуха при стандартных условиях на уровне моря (101325 Па).
• ${q_c}$ударное давление

Давление удара также немного сложнее для сжимаемого потока:

$\;q_c = P\left[\left(1+0.2 M^2 \right)^\tfrac{7}{2}-1\right]$

• $P$статическое давление
• $M$число Маха

По сути, чем выше и быстрее вы поднимаетесь, тем больше разница между указанной воздушной скоростью и истинной воздушной скоростью. Например, 0,8 Маха на высоте 40 000 футов при отсутствии ветра даст скорость по GPS 489 узлов , но калиброванную воздушную скорость всего 242 узла , что меньше половины.

Поэтому на больших высотах и ​​скоростях указанная воздушная скорость будет ниже, чем путевая скорость / скорость GPS, если только у вас не сильный встречный ветер.

Вот очень простой график того, что вы могли видеть:

_{(источник: cadblog.net )}

И именно поэтому мы приземляемся против встречного, а не попутного ветра, поскольку в противном случае мы приземлились бы на более высокой скорости и потребовали бы больше взлетно-посадочной полосы для остановки.

GPS измеряет скорость относительно земли или абсолютную скорость. Трубка Пито на самолете будет измерять скорость относительно воздушного потока вокруг самолета.

Вот несколько полезных графиков от НАСА по относительной скорости :

Сноска: как демонстрирует Ratchet Freak в своем уравнении, вы, конечно, должны помнить, что это упрощает его, поскольку он летит прямо против ветра и не принимает во внимание направление ветра.

Другие ответы о ветре верны, но это не то, что вы видите в своей симуляции. На самом деле вы видите разницу между истинной воздушной скоростью и указанной воздушной скоростью .

Истинная воздушная скорость — это фактическая скорость самолета по воздуху. Без ветра это то же самое, что и скорость самолета относительно земли. Это то, что показывает ваш GPS.

Индикатор воздушной скорости, с другой стороны, на самом деле просто датчик «динамического давления». Он работает путем измерения давления набегающего воздушного потока. Но, как мы знаем, по мере того, как вы поднимаетесь в атмосферу, воздух становится тоньше, менее плотным и с более низким давлением. Это приводит к тому, что показания индикатора airspeer ниже истинной воздушной скорости.

Причина, по которой это сделано таким образом, заключается в том, что все важные аэродинамические вещи, которые могут произойти с самолетом (например, сваливание), на самом деле связаны с динамическим давлением, а не с истинной воздушной скоростью.

Постараюсь дать как можно более простой ответ, но скорость в авиации требует немного времени, чтобы понять....

Индикатор воздушной скорости в кабине (ASI) измеряет указанную воздушную скорость или IAS, измеряемую в узлах. Но технически IAS это вообще не скорость. Его можно рассматривать как измерение давления молекул воздуха, обтекающих крыло.

IAS - самая важная скорость, потому что, если давление молекул воздуха, проходящих через крыло, слишком низкое, вы потеряете подъемную силу и свалитесь. Однако большая скорость означает большее давление.

На большой высоте молекул воздуха меньше, поэтому давление на крыло меньше. Следовательно, чтобы сохранить то же давление на крыло (т.е. сохранить тот же IAS), вам нужно лететь быстрее. Истинная воздушная скорость (TAS) измеряет, насколько быстро вы на самом деле движетесь. В полете она будет выше ИАС. TAS не волнует давление над крылом - это скорость по воздуху.

Путевая скорость (GS) — это просто TAS с добавленным эффектом ветра. Наземный скорость — это скорость самолета относительно земли. Если у вас есть TAS 200 узлов и попутный ветер 50 узлов, ваша скорость над землей будет 250 узлов. Это скорость, которую покажет GPS.

Указанная воздушная скорость является приблизительной скоростью самолета в воздухе. Ветер может привести к тому, что истинная скорость полета будет отличаться от скорости относительно земли (что показывает GPS).

Чтобы преобразовать его в путевую скорость, вам нужно знать скорость ветра и добавить их.