Барометрический альтиметр

Барометрический альтиметр — это прибор для измерения высоты полёта летательного аппарата или высоты над уровнем моря, основанный на зависимости атмосферного давления от высоты. Принцип действия барометрического альтиметра заключается в том, что с увеличением высоты атмосферное давление убывает, и по этой зависимости, зная текущее давление, можно определить высоту. Является одним из основных пилотажно-навигационных приборов, используемых в авиации, а также в альпинизме, парашютном спорте и метеорологии.

Принцип действия

Барометрический альтиметр измеряет статическое давление атмосферы, которое поступает в герметичный корпус прибора через приёмник статического давления (обычно расположенный на фюзеляже или крыле самолёта). Внутри прибора находится анероидная коробка — герметичная гофрированная металлическая капсула, из которой частично откачан воздух. При изменении внешнего давления анероидная коробка деформируется: при увеличении высоты (уменьшении давления) она расширяется, при снижении — сжимается. Эти деформации через систему рычагов и шестерён передаются на стрелку, указывающую высоту на шкале.

Зависимость давления от высоты не является линейной, а описывается барометрической формулой, которая учитывает температуру, влажность и ускорение свободного падения. В стандартных условиях (температура +15 °C, давление 1013,25 гПа, влажность 0 %) эта зависимость имеет определённый вид, однако в реальных условиях отклонения температуры и давления от стандартных приводят к погрешностям измерений.

Устройство и основные элементы

Типичный барометрический альтиметр состоит из следующих частей:

• Анероидная коробка — чувствительный элемент, реагирующий на изменение давления.
• Передаточный механизм — система рычагов, пружин и зубчатых колёс, преобразующая малые деформации анероидной коробки в перемещение стрелки.
• Шкала — циферблат с делениями, проградуированный в единицах высоты (метрах, футах) или в единицах давления (гектопаскалях, миллиметрах ртутного столба) для настройки.
• Кремальера — ручка для установки барометрического давления на шкале прибора, позволяющая ввести поправку на текущее атмосферное давление на уровне моря.
• Корпус — герметичный или частично герметичный корпус, защищающий механизм от пыли и влаги.

В современных авиационных альтиметрах (например, в системах электронной индикации) анероидная коробка заменена датчиком давления (пьезорезистивным, ёмкостным или резонансным), сигнал от которого обрабатывается микропроцессором и выводится на цифровой дисплей или на многофункциональный индикатор.

Классификация

Барометрические альтиметры классифицируются по нескольким признакам:

По типу индикации

• Аналоговые (стрелочные) — классические механические приборы с одной или несколькими стрелками. Однострелочные альтиметры показывают высоту с точностью до 10–20 метров, двухстрелочные — до 1 метра (одна стрелка — сотни метров, другая — тысячи).
• Цифровые — электронные устройства, отображающие высоту в цифровом виде на жидкокристаллическом или светодиодном дисплее.
• Комбинированные — аналоговые приборы с цифровым индикатором или с дополнительной шкалой давления.

По назначению

• Авиационные — устанавливаются на самолёты, вертолёты, планеры. Имеют высокую точность, широкий диапазон (от 0 до 15–20 км), часто оснащены функцией установки давления (QNH, QFE, QNE).
• Альпинистские и туристические — портативные приборы для измерения высоты в горах. Обычно имеют меньшую точность и диапазон (до 6–8 км).
• Парашютные — компактные цифровые альтиметры, используемые парашютистами для контроля высоты раскрытия парашюта.
• Метеорологические — используются для измерения давления на метеостанциях, часто входят в состав барографов.

По способу установки давления

• С ручной установкой — альтиметры, на которых пилот вручную устанавливает текущее давление на уровне моря (QNH) или на уровне аэродрома (QFE) с помощью кремальеры.
• С автоматической установкой — современные цифровые системы, которые получают данные о давлении от бортовых датчиков или по радиоканалу (например, от наземных станций).

Погрешности и поправки

Барометрический альтиметр имеет несколько источников погрешностей:

• Температурная погрешность — возникает из-за отклонения реальной температуры воздуха от стандартной (+15 °C). При более низкой температуре воздух плотнее, давление падает быстрее, и альтиметр показывает высоту меньше реальной (завышает показания). При более высокой температуре — наоборот. В авиации для учёта этой погрешности используются поправочные таблицы или автоматические коррекции.
• Инструментальная погрешность — связана с неточностью изготовления механизма, трением в осях, люфтами. У современных приборов она не превышает 1–2 % от измеряемой высоты.
• Погрешность установки давления — если пилот установил неверное значение QNH или QFE, все показания будут смещены на постоянную величину. Например, при ошибке в 1 гПа (0,75 мм рт. ст.) погрешность высоты составляет около 8–9 метров.
• Гистерезис — запаздывание реакции анероидной коробки при быстрых изменениях давления (например, при резком снижении).
• Влияние влажности — влажный воздух менее плотен, чем сухой, что приводит к дополнительной погрешности, обычно незначительной.

Для компенсации этих погрешностей в авиации используются:

• Поправочные таблицы — для расчёта истинной высоты по показаниям альтиметра и температуре воздуха.
• Автоматическая коррекция — в электронных альтиметрах датчики температуры и влажности позволяют вносить поправку в реальном времени.
• Калибровка — периодическая проверка и настройка прибора на стенде.

Применение

В авиации

Барометрический альтиметр является основным прибором для контроля высоты полёта. В гражданской и военной авиации он используется для:

• Эшелонирования — разделения воздушного пространства по высоте для предотвращения столкновений. Все самолёты на одном маршруте летят на одинаковых эшелонах, установленных по стандартному давлению (QNE = 1013,25 гПа).
• Захода на посадку — пилот устанавливает давление аэродрома (QFE) или давление, приведённое к уровню моря (QNH), чтобы альтиметр показывал высоту относительно порога ВПП или уровень моря.
• Набора высоты и снижения — контроль вертикальной скорости и точное соблюдение заданных высот.

В альпинизме и туризме

Портативные барометрические альтиметры используются для определения высоты горных вершин, перевалов, а также для навигации в условиях плохой видимости. Они менее точны, чем GPS-приёмники, но не зависят от спутникового сигнала и работают в любых погодных условиях.

В парашютном спорте

Цифровые альтиметры с звуковой сигнализацией предупреждают парашютиста о достижении заданной высоты (например, 1000 м — сигнал к раскрытию основного парашюта, 500 м — к раскрытию запасного).

В метеорологии

Барометры-анероиды, являющиеся по сути альтиметрами, используются для измерения атмосферного давления на метеостанциях. Данные о давлении, приведённом к уровню моря, используются для составления синоптических карт и прогноза погоды.

История

Первые попытки измерить высоту по давлению были предприняты в XVII веке. В 1648 году французский физик Блез Паскаль провёл эксперимент на горе Пюи-де-Дом, показав, что давление уменьшается с высотой. Однако практические барометрические альтиметры появились только в XIX веке с развитием авиации.

В 1843 году французский инженер Люсьен Види изобрёл анероидный барометр, который стал основой для механических альтиметров. В 1910-х годах, с началом массового использования самолётов, альтиметры стали обязательным элементом пилотажного оборудования. Первые авиационные альтиметры были однострелочными и имели шкалу до 3000 метров.

В 1930-х годах появились двухстрелочные альтиметры, позволившие измерять высоту с точностью до 1 метра. В 1950-х годах началось внедрение электронных альтиметров, а в 1970-х — цифровых систем с автоматической коррекцией.

В современной авиации барометрические альтиметры постепенно вытесняются спутниковыми навигационными системами (GPS, ГЛОНАСС), однако из-за высокой надёжности и независимости от спутникового сигнала они остаются обязательным резервным прибором на всех воздушных судах.

Интересные факты

• Стандартное давление 1013,25 гПа (760 мм рт. ст.) было принято Международной организацией гражданской авиации (ICAO) в 1947 году для эшелонирования.
• При подъёме на высоту 5500 метров давление падает примерно вдвое — до 500 гПа.
• В авиации существует понятие «переходная высота» — высота, на которой пилот переключает альтиметр с QNH на QNE (стандартное давление). В России она обычно составляет 3000–6000 метров.
• Самый высокий барометрический альтиметр в мире установлен на самолёте-разведчике Lockheed SR-71 Blackbird, который поднимался на высоту более 25 км.
• В альпинизме барометрические альтиметры часто калибруют по известным высотам горных вершин или по данным GPS.

Источники

• Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учебник / под ред. В. А. Боднера. — М.: Машиностроение, 1985.
• ICAO Annex 2 — Rules of the Air. — International Civil Aviation Organization, 2005.
• Авиационная метеорология: учебное пособие / В. В. Баранов, В. А. Гущин. — М.: Транспорт, 1990.
• Барометрический альтиметр // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• Паскаль Б. О равновесии жидкостей и тяжести воздуха // Собрание сочинений. — М.: Наука, 1975.