Koks Yra Mažiausias Įmanomas Slėgis?

Šiame straipsnyje panagrinėsime, kas yra mažiausias įmanomas slėgis, kaip jis matuojamas ir kokią reikšmę jis turi įvairiose srityse, ypač aviacijoje. Aptarsime oro slėgio ypatumus, jo matavimo metodus ir standartinės atmosferos koncepciją.

Barometrinis aukščiamatis

Oro Slėgis ir Jo Ypatumai

Kiekvieną kūną slegia jį supantis oras. Oro slėgio dydį lemia atmosferos savybės. Jos kinta dėsningai, atsižvelgiant į aukštį, nors yra ne visai vienodos ir skirtingose Žemės vietose arba toje pat vietoje, tik kitu metu. Prie Žemės paviršiaus yra daugiau oro ir jo tankis - didesnis, todėl kuo kūnas yra aukščiau nuo Žemės, tuo oras yra retesnis ir slegia kūną mažiau. Kintant temperatūrai, kinta oro tankis, todėl oro slėgis priklauso ir nuo temperatūros. Prie Žemės paviršiaus, padidėjus aukščiui vienu kilometru, slėgis sumažėja daugiau negu pasikeitus aukščiui, pavyzdžiui, nuo 9 iki 10 kilometrų. Kūną supančio oro slėgis vadinamas statiniu slėgiu PS.

Nors Žemėje yra vietų, kurių paviršius yra žemiau jūros lygio (pavyzdžiui, Kaspijos jūros pakrantė), susitarta, kad nulinis aukštis yra jūros lygis ir kad šiame lygyje statinis slėgis yra didžiausias. Maždaug 5,5 km aukštyje šis slėgis sumažėja perpus. Kadangi oro tankis šiek tiek priklauso nuo jo temperatūros, tame pačiame aukštyje skirtingoje oro temperatūroje bus skirtingas ir statinis slėgis. Išmatuoti orlaivio aukštį galima vien tik žinant jį supančio oro slėgį (statinį slėgį). Skrendant maršrutu nėra labai svarbu tiksliai žinoti absoliutųjį skrydžio aukštį. Tyrimais nustatyta, kad, didėjant aukščiui, statinis slėgis kinta (mažėja) dėsningai.

Standartinė Atmosfera (ISA)

Oras nuolat juda, jo temperatūra ir tankis priklauso nuo paros ir metų laiko, nuo geografinės platumos, aukščio nuo Žemės paviršiaus ir kitų veiksnių. Siekiant palengvinti aukščio matavimus, sumažinti konstrukcijos skirtumus tarp įvairių rūšių aukščiamačių, pagerinti orlaivių valdymą ir navigaciją, pasaulyje naudojama standartinė atmosfera ISA (angl. International Standard Atmosphere), kuri rodo oro slėgio priklausomybę nuo aukščio.

Susitarta, kad jūros lygyje standartinės atmosferos:

• temperatūra T0 = +15 °C (288,15 °K),
• oro slėgis P0 = 101 325 Pa arba 1 013,25 hektopaskalių (760 mm Hg, arba 29,92 colių Hg, arba 1 013,25 milibarų),
• oro tankis ρ = 1,225 kg/m³.

Vidutinis oro temperatūros mažėjimas kylant aukštyn iki 11 000 m standartinėje atmosferoje įvertinamas temperatūriniu aukščio gradientu τ = 0,0065 ºC/m (arba 6,5 ºC/km), kuris rodo, kiek pakinta oro temperatūra pasikeitus aukščiui vienu metru (arba vienu kilometru). Pasikeitus aukščiui 1 000 pėdų, oro temperatūra pasikeičia 1,98 ºC. Nuo 11 km iki 33 km oro temperatūra yra 217 ºK. Kylant aukštyn, oro slėgis sumažėja 1 hPa (1 mb) kas 10 m (kas 30 pėdų).

Statinio Slėgio Matavimas Orlaiviuose

Skrendant oro balionu, išmatuoti statinį slėgį yra labai paprasta. Kituose orlaiviuose kyla sunkumų dėl to, kad apie juos visada atsiranda oro sūkurių, kurie sukelia paklaidą matuojant statinį slėgį. Tas labai priklauso nuo orlaivio dydžio, jo formos, skrydžio greičio ir kitų veiksnių. Tokiuose orlaiviuose jį supantis statinis oro slėgis paimamas skylučių formos statinio slėgio imtuvais. Skylutės būtinai turi būti ten, kur yra mažiausi oro sūkuriai. Jos neturi būti net truputį nukreiptos prieš oro srautą, nes tada į jas gali patekti papildomai oro dėl oro pasipriešinimo. Iš skylutės slėgis žarnele patenka į orlaivio pilnutinio/statinio slėgių sistemos prietaisus: prietaisinio greičio matuoklius ASI (angl. Air speed indicator), vertikalaus greičio matuoklius VSI (angl. Vertical speed indicator), aukščiamačius ALT (angl. Altimeter) ir kitus.

Didesniuose orlaiviuose statinio slėgio imtuvai (skylutės) dažniausiai yra toliau nuo orlaivio priekio, lygioje sklandmens dalyje, simetriškai abiejuose orlaivio šonuose. Simetriškas išdėstymas sumažina paklaidas orlaiviui darant posūkius. Jam sukantis į išorinio šono imtuvą patenka šiek tiek daugiau oro ir slėgis jame būna šiek tiek didesnis. Vidinis orlaivio šonas yra tarsi oro srauto šešėlyje ir į jo imtuvą patenka mažesnio slėgio oras. Sujungus abiejų šonų skylutes tarpusavyje žarnelėmis, slėgio vidurkis bus vienodesnis. Žarnelėmis slėgis tiekiamas į kabinos prietaisus ir kitus įrenginius, matuojančius aukščius ar greičius. Tokių prietaisų (statinio slėgio naudotojų) yra daug, todėl ir statinio slėgio imtuvų, t. y. skylučių orlaivio šonuose ir jas jungiančių žarnelių, yra taip pat daug. Jų visuma vadinama orlaivio statinio slėgio sistema.

Pilnutinio Slėgio Sistema

Kita orlaivio sistema, tiekianti lauko orą į prietaisus, vadinama pilnutinio slėgių sistema. Kuo greičiau kūnas juda, tuo labiau oras jam priešinasi. Ši savybė taikoma matuojant orlaivio skrydžio greičius. Oro pasipriešinimo dydis yra proporcingas statinio slėgio PS prieaugiui, atsirandančiam judant orlaiviui. Statinis slėgis su šiuo prieaugiu vadinamas pilnutiniu slėgiu PP. PD = PP - PS.

Iš lauko pilnutinis slėgis į prietaisus patenka pro vamzdelio formos oro imtuvus, jie vadinami pilnutinio slėgio imtuvais arba Pito vamzdeliais. Priekinis vamzdelio galas yra atviras ir nukreiptas prieš oro srautą, o galinis galas - uždaras. Vamzdelis orientuojamas lygiagrečiai su orlaivį aptekančiu oro srautu, tada vamzdelyje susidaro oro slėgis, proporcingas orlaivio skrydžio greičiui. Suslėgtasis oras (pilnutinis slėgis) iš imtuvo žarnelėmis tiekiamas į orlaivio prietaisus. Pilnutinio slėgio naudotojų dideliame orlaivyje yra daug, todėl pilnutinio slėgio imtuvų yra du, trys ar dar daugiau. Kai kurių pilnutinio slėgio imtuvų šonuose yra statinio slėgio skylutės, su prietaisais tokie imtuvai sujungiami atskiromis statinio ir pilnutinio slėgio žarnelėmis. Visi pilnutinio slėgio imtuvai ir juos su prietaisais jungiančios žarnelės vadinamos pilnutinio slėgio sistema.

Skrendant pilnutinio slėgio imtuvai gali labai greitai apledėti, todėl jie nuolat šildomi elektros srove, kaitinant viduje esančią spiralę. Šildymas įjungiamas prieš skrydį net teigiamoje temperatūroje ne anksčiau kaip 5 min. iki kilimo ir išjungiamas ne vėliau kaip 2 min. po nutūpimo. Į statinio ir pilnutinio slėgių sistemos vidų nuolat patenka oras. Statinio ir pilnutinio slėgių sistemos labai reikalingos orlaivių navigacijai ir juos valdant, todėl orlaiviuose yra pagrindinės ir atsarginės sistemos (pagrindiniai ir atsarginiai statinio ir pilnutinio slėgių imtuvai ir žarnelės). Apledėjus ar užsiteršus pagrindinės sistemos imtuvams, orlaivio prietaisai nuo pagrindinės sistemos prie atsarginės perjungiami vožtuvais, valdant juos rankenėle kabinoje.

Aukščio Matavimas

Kitaip negu automobilis, orlaivis juda trimatėje erdvėje. Aukščiamatis yra pagrindinis vertikaliosios navigacijos prietaisas, nuo jo veikimo priklauso skrydžio sauga. Orlaivio skrydžio aukštis pagal nusistovėjusią tradiciją matuojamas pėdomis (1 pėda lygi 0,305 metro). Lengvuosiuose orlaiviuose yra tik barometriniai aukščiamačiai. Didesnieji lėktuvai ir sraigtasparniai turi ir barometrinius, ir radijo aukščiamačius, o taip pat - palydovines ir inercines navigacijos sistemas, kurios taip pat gali matuoti aukštį.

Barometriniai aukščiamačiai matuoja skrydžio aukščius nuo pasirinktojo (atraminio) slėgio lygio, jį nustato lakūnai. Į šiuos aukščiamačius tiekiamas tik statinis orlaivį supančio oro slėgis. Barometriniai aukščiamačiai matuoja orlaivio skrydžio aukštį nuo -1 000 iki +50 000 pėdų (nuo -300 m iki 15 km ar net daugiau). Jie yra vieni seniausių aviacijos prietaisų, nėra dideli, todėl juos galima įtaisyti lakūnų kabinos prietaisų lentoje. Ilgoji prietaiso rodyklė skalėje rodo aukštį šimtais pėdų, storesnioji rodyklė - tūkstančiais pėdų. Yra aukščiamačių, kur trečioji rodyklė ar indeksas rodo dešimtis tūkstančių pėdų.

Kintant laikui ir orlaivio vietai erdvėje, kinta jį supančio oro statinis slėgis. Kuo slėgis mažesnis, tuo aukštis didesnis. Skirtingose vietose ant Žemės paviršiaus (arba toje pačioje vietoje, tik kitu metu) oro slėgis gali būti nevienodas, todėl barometrinis aukščiamatis turi ne tik aukščio, bet ir atraminio slėgio skalę (ar būgnelį). Prietaiso priekyje yra atraminio slėgio nustatymo rankenėlė. Ją sukdamas, lakūnas atraminio slėgio skalėje ar būgnelyje nustato atraminį slėgio lygį, kurio atžvilgiu bus matuojamas aukštis. Kai į prietaisą patenka toks statinis slėgis, koks jame nustatytas atraminis slėgis, tada aukščiamatis rodo nulinį aukštį. Pakilus aukščiau, barometrinis aukščiamatis rodo aukštį, kuris nesikeičia orlaiviui skrendant virš žemės paviršiaus nelygumų.

Prieš skrydį ir skrendant lakūnai gali keisti vieną atraminį slėgio lygį kitu. Tai daroma todėl, kad visi orlaiviai naudotų vienodą skrydžio aukščio atskaitos lygį atitinkamuose skrydžio etapuose. To reikia pirmiausia ne todėl, kad visi orlaiviai skraidytų vienodame aukštyje, o todėl, kad tarp skirtinguose aukščiuose skrendančių orlaivių būtų išlaikytas saugus vertikalaus atstumo tarp jų intervalas. Nustatytos griežtos aukščiamačių atraminio slėgio nustatymo taisyklės. Skrydžio vadovai praneša lakūnams, kokį atraminį slėgį reikia nustatyti atsižvelgiant į konkrečią skrydžio atkarpą.

Klasikinis barometrinis aukščiamatis savo konstrukcija beveik nesiskiria nuo kambarinio barometro. Statinis slėgis PS, atitinkantis orlaivio aukštį, iš imtuvo žarnele patenka į hermetišką aukščiamačio korpusą ir deformuoja jame esančią aneroidinę kapsulę. Iš kapsulės išsiurbtas beveik visas oras, todėl ant žemės oras ją labai suspaudžia. Kylant aukštyn statinis slėgis mažėja, kapsulė plečiasi ir per alkūnines pavaras, dantračius ir svirteles perduoda judesį pagrindinei prietaiso ašiai, kuri suka rodykles. Kapsulės skersmuo yra apie 5 centimetrai. Jos judančiojo centro poslinkis X yra vos pusė centimetro, todėl sunku pagaminti prietaisą, rodantį aukštį dešimties pėdų tikslumu. Naudojant dvi ar tris nuosekliai sujungtas kapsules, poslinkis X yra didesnis ir toks prietaisas - tikslesnis. Tiesinė priklausomybė tarp rodyklių posūkio kampo ir matuojamo aukščio gaunama naudojant kapsules su logaritmine slėgio charakteristika, kuri gaunama atitinkamai profiliuojant kapsulės sieneles.

Aukščiamačiai (barometriniai ir radijo) orlaivyje gali rodyti skirtingus aukščius. Tai priklauso nuo paviršiaus lygio, kurio atžvilgiu tas aukštis matuojamas:

1. Absoliutųjį aukštį HA arba aukštį nuo žemės paviršiaus (lauko, kalvos, daubos) iki orlaivio. Jei orlaivis skrenda virš kalvotos vietos, atitinkamai kinta ir HA. Tiksliausiai šį aukštį matuoja radijo aukščiamačiai. Lakūnai dažnai absoliutųjį aukštį naudoja platesne prasme, kai jį matuoja barometriniu aukščiamačiu nuo kokio nors pasirinkto atraminio lygio, pavyzdžiui, nuo kilimo ir tūpimo tako (KTT) paviršiaus. Pavyzdžiui, Kauno tarptautinio aerodromo aukštis nuo jūros lygio yra 256 pėdos, o Vilniaus aerodromo - 646 pėdos (197 m). Nustačius aukščiamatyje atraminį KTT paviršiaus slėgį, kuris tuo metu yra, aukščiamatis rodys nulį.
2. Tikrąjį aukštį HT. Laikant Žemę elipsoidu, šiuo metu nustatyti atstumai nuo jo centro iki bet kurios jo paviršiaus vietos. Mažiausias atstumas yra iki jūros lygio. Jei Žemės paviršiuje būtų tik vanduo, Žemės forma būtų minėtas elipsoidas. Sausuma iškyla virš vandens. Geodeziniais matavimais labai tiksliai nustatyti atstumai nuo jūros lygio iki bet kurios sausumos paviršiaus vietos. Tikrasis aukštis HT yra atstumas nuo jūros lygio iki kokio nors paviršiaus, taip pat ir iki orlaivio. Oro uostų KTT ir kitų paviršių ar oro keliuose esančių kliūčių aukščiai žemėlapiuose nurodyti tikraisiais aukščiais. Kadangi po sausumos paviršiumi jūros nėra, jos lygis dažnai vadinamas tariamuoju arba vidutiniu jūros lygiu MSL (angl. Mean Sea Level). Meteorologai praneša skrydžio valdytojams, o jie - lakūnams, koks tuo metu toje vietoje yra oro slėgis jūros lygyje, nes jis priklauso nuo oro sąlygų ir per kelias valandas gali šiek tiek pasikeisti. Nustačius šį atraminį slėgį skrendančio ar stovinčio lėktuvo aukščiamatyje, jis rodys aukštį nuo jūros lygio. Pavyzdžiui, stovint orlaiviui prie pat jūros kranto aukščiamatis rodys nulinį aukštį, o stovint Kauno KTT take rodys 256 pėdas. Atėmus iš tikrojo aukščio (kurį rodo aukščiamatis) aerodromo KTT aukštį, sužinosime, koks yra absoliutusis skrydžio aukštis aerodromo atžvilgiu. Matuojant tikrąjį skrydžio aukštį tupiant, orlaivis palies taką, kai aukščiamatis rodys tako aukštį nuo jūros lygio. Tupiant Kaune tai bus 256 pėdos, o Vilniuje - 646 pėdos.
3. Standartinį aukštį HS arba aukštį pagal standartinės atmosferos slėgį (angl. Pressure Altitude). Standartinis aukštis HS matuojamas nuo lygio, kuriame +15 °C temperatūroje yra 1013,25 hektopaskalių (760 mm Hg ar 29,92 colių Hg) oro slėgis. Oro slėgis ir temperatūra faktiniame jūros lygyje kinta ir nebūna visada lygūs standartiniam slėgiui, todėl nulinis standartinis lygis gali būti ir žemiau, ir aukščiau faktinio jūros lygio. Praktiškai labai retai būna, kad, esant 1013,25 hektopaskalių oro slėgiui, būtų standartinė +15 °C temperatūra, todėl kuo daugiau oro temperatūra skiriasi nuo standartinės, tuo daugiau kinta oro tankis ir didėja standartinio aukščio matavimo paklaidos. Kylant, ties pereinamuoju aukščiu (Lietuvoje jis lygus 1500 m arba 5000 pėdų) lakūnai tikrąjį ar absoliutųjį atraminį barometrinio aukščiamačio lygį keičia į standartinį ir orlaiviams nurodoma, kuriame skrydžio lygyje reikia skristi. Žemėjant ir kertant viršutinę pereinamojo skrydžio lygio ribą vėl nustatomas tikrasis ar absoliutusis atraminis lygis. Nustačius atraminį standartinį slėgį, lakūnui nebereikia kiekvieną kartą suderinti atraminio slėgio, skrendant iš/į skirtingų oro sąlygų zonas. Skrydžio aukštis tada nebepriklauso nuo konkretaus oro slėgio ir temperatūros aerodrome. Tačiau visiems orlaiviams atraminis slėgio lygis bus vienodas ir jiems skrendant nevienoduose aukščiuose (užimant nurodytą skrydžio lygį FL) galima išlaikyti saugų vertikalų atstumą tarp jų. Standartinį aukštį nuo atraminio standartinio lygio barometrinis aukščiamatis gali matuoti visada, nes jis šiam aukščiui suderintas dar gamykloje. Lakūnui reikia tik sukalibruoti aukščiamatį, nustatant skalėje ar būgnelyje standartinį atraminį 1013,2 hPa (760 mm Hg ar 29,92 colių Hg) slėgį.
4. Aukštį pagal oro tankį (angl. Density Altitude). Gaminant barometrinius aukščiamačius sudėtinga juose įtaisyti temperatūros korekcijos mechanizmą, todėl aukštis matuojamas neatsižvelgiant į temperatūrą.

tags: #koks #gali #but #maziausias #spaudimas