НАВИГАЦИЯ. ЧАСТЬ 1. ОТ ОБЩЕГО К ЧАСТНОМУ.
Немного истории
Ориентироваться в пространстве древним мореплавателям помогало расположение небесных тел на небосводе. В Северном полушарии главным путеводным ориентиром служила наиболее яркая точка ночного неба — Полярная звезда. В дневное время суток судоходы сверялись с небесным расположением Луны и Солнца. Но небо не всегда было ясным, плотные облака и туманы сильно ограничивали такой способ навигации.
Компас был изобретён в Китае и изначально использовался для указания направления движения по пустыням. Древние китайцы заметили, что мелкие осколки магнитной руды всегда поворачиваются в одном направлении по отношению к сторонам света. Если кусочек руды в виде стрелки закрепить на пробковой дощечке, и поместить её в плошку с водой или маслом, то он всегда будет указывать в одном направлении. Впервые о «магнитном приспособлении для определения сторон света в дневное время суток» упоминается в книге Цзэн Гунляна «Собрание важнейшего из военных канонов», датируемой 1044 годом. Один из видов компаса, представленных в этой книге, описывается как «указывающая юг игла» (намагниченная, посредством трения о магнит, игла). Впоследствии иглу заменили на магнитную стрелку.
Европа появлению магнитного компаса обязана путешественнику Марко Поло, который в 1291 году вернулся домой в Венецию из своего семнадцатилетнего путешествия по Китаю и рассказал об этом изобретении.
Простейший магнитный компас дал начало «инструментального ориентирования», именно он заложил основы независимой от погодных условий инструментальной морской навигации и, впоследствии, воздушной.
Навигационный базис
Наша планета представляет собой гигантский магнит, вокруг которого существует естественное магнитное поле. Магнитные полюсы земли не совпадают с географическими, более того, располагаются не на её поверхности, а в глубине. Северный магнитный полюс, который ранее находился на территории Северной Канады, но за двести лет сместился к оси вращения Земли, обладает южным магнетизмом и притягивает северный конец магнитной стрелки компаса. Соответственно, южный магнитный полюс, находящийся на территории Антарктиды, в свою очередь, обладает северным магнетизмом и притягивает южный конец магнитной стрелки.
Как известно из школьного курса физики, магнитные линии идут из южного магнитного полюса к северному магнитному полюсу. Таким образом, свободно закреплённая магнитная стрелка занимает положение вдоль таких линий. Именно этим свойством и пользовались китайцы, когда Марко Поло подсмотрел их «штурманское ноу-хау».
Истинный (географический) и магнитный полюсы, как уже указывалось ранее, – не совпадают и лежат на некотором расстоянии друг от друга. Более того, магнитный полюс нестабилен и постоянно мигрирует на 50-60 км в год (в данный момент в сторону полуострова Таймыр), против 5-7 км в год сто лет назад. Также существуют местные магнитные аномалии, которые, по различным причинам, тоже меняются со временем.
Note: В Шереметьево до 2016 года магнитный курс составлял 066° градусов в одну сторону и 246° в другую, соответственно номера ВПП были 07/25. Но со временем магнитный курс «уплыл» к нынешним 064° и 244° (соответственно ВПП 06/24), и продолжает «двигаться» в этом направлении.
По расчётам учёных магнитный полюс должен достичь полуострова Таймыр к 2050 году.
Именно ввиду разности расположения полюсов, в навигации используется магнитный полюс. Это вполне резонно и логично, так как стрелка занимает положение вдоль магнитных линий, следовательно указывает не на истинный, а на магнитный полюс. Воображаемая линия, вдоль которой устанавливается свободно подвешенная магнитная стрелка, называется магнитным меридианом. Ввиду того, что полюсы (истинный и магнитный) располагаются в разных местах, истинный меридиан может не совпадать с магнитным.
На планете, фигурально выражаясь, есть три типа мест: 1) там, где истинный и магнитный меридианы совпадают (истинный полюс находится в том же направлении, что и магнитный, просто дальше), 2) там, где меридианы образуют определённый угол и 3) там, где разница между полюсами – 180° (есть такие «волшебные» места на Земле, – об одно из них будет рассказано ниже, где компас покажет «север» в одном направлении, а истинный северный полюс будет в другом). Угловая разница между истинным и магнитным меридианами называется магнитным склонением. Если её нет – полюсы расположены на одной линии, если есть – её необходимо учитывать. Магнитное склонение по маршруту следования, по причинам, описанным выше, не является константой и его значение меняется. Если в пункте вылета склонение было, например 4°, то в пункте прилёта оно может быть, 7°, – на авиационном жаргоне такая разница, в данном примере 3°, получила название «штурманской вилки».
Как этим пользоваться на практике?
Для обозначения положения самолёта в горизонтальной плоскости используется такое понятие как курс. Курс самолёта – это угол между северным направлением меридиана, проходящего через самолёт и осевой линией самолёта (читай – куда нос самолёта направлен). Начальной точкой отсчёта считается направление севера. Иными словами, отметка «строго на север» – это 000° (или 360°). Отсчёт ведётся по часовой стрелке: 000° – Север, 090° – Восток, 180° – Юг, 270° – Запад, 360° – Север (произносится и обозначается именно «360»). Следует особо отметить, что курс можно отмерять от разных меридианов: магнитного (магнитный курс) и истинного (истинный курс). В классической навигации ещё есть «компасный меридиан», учитывающий ошибку компаса – девиацию, – то есть отклонение стрелки компаса, которое возникает под действием магнитного поля воздушного судна (ВС). Угол этого отклонения изменяется в зависимости от расстояния между компасом и электрическим оборудованием, величины тока в линиях, магнитного поля местности, материалов, из которых изготовлено воздушное судно.
Почему возникает девиация?
Фюзеляж, оборудование воздушного судна, двигатели изготавливают из различных металлов и стальных сплавов. Эти материалы обладают магнетизмом. Также на воздушное судно влияет магнитное поле Земли, в котором оно движется. Под действием всех этих сил компасная стрелка отклоняется от магнитного меридиана, по которому она устанавливается вне воздушного судна. Ещё девиация компаса возникает при полёте ВС в условиях повышенной электрической активности атмосферы и попадании в него молнии.
С проблемой девиации впервые столкнулись мореходы ещё в XIX веке, когда морские суда стали строить из стали. В процессе эксплуатации таких судов выяснилось, что это столь сильно влияет на компас, что ошибки в его показаниях неизбежны. Чтобы устранить девиацию, слева и справа от компаса стали размещать массивные железные шары, которые можно было передвигать и закреплять на нужном расстоянии от компаса. Внутри нактоуза – ящика, в который вмонтирован судовой компас, стали помещать целый набор магнитов, которые также можно было передвигать и фиксировать. Изменение взаимного расположения этих шаров и магнитов почти полностью устраняло девиацию.
Тема девиации компаса «бэсконечна», а этот пост не учебник для штурманов, поэтому остановимся лишь на магнитном и истинном курсах.
Большинство аэронавигационных карт содержат информацию о магнитных курсах. Истинный «север» используется в районах Крайнего Севера, из-за больших значений магнитного склонения – 15-22° и там, где имеют место магнитные аномалии, как например в районе Курской магнитной аномалии, где магнитное склонение достигает 40°. Ещё, например, истинный меридиан используется в качестве опорного в северной половине воздушного пространства Канады из-за находящейся там мощной магнитной аномалии. В остальном – в авиации используются магнитные курсы.
Note: На границе Канады и Аляски, под шельфом моря Бофорда имеется русло большой мантийной реки. При ее очень широком русле создается огромная площадь взаимодействия мантии и земной коры, что резко увеличивает электрическое поле, которое и усиливает магнитное поле. Соседствуя с южным геомагнитным полюсом, Канадская аномалия притягивает его местоположение к себе, поэтому магнитный полюс постоянно как бы «раскачивается» (дрейфует) у берегов Канады. Поистине «волшебное» зрелище. В связи с этим, Канада на 12-й аэронавигационной конференции Международной организации гражданской авиации ICAO в 2012 году представила рабочий документ с предложением изучить вопрос о целесообразности перехода на использование в гражданской авиации истинного значения курсов вместо магнитного. На следующей, 13-й аэронавигационной конференции ICAO в 2018 году эта же страна предложила осуществить глобальный переход на истинное значение курсов к марту 2030 года.
Отличие курса от путевого угла (вектора)
Следующим важным параметром является «заданный путевой угол». Путевой угол – это угол между северным направлением меридиана и направлением движения, то есть вектором объекта. Иными словами, когда теннисный мячик летит в определённом направлении, для оценки его движения правильно использовать термин «путевой угол», а не курс. Суть проста: если вы возьмёте модель самолётика за правое крыло и бросите её в горизонтальной плоскости как бумеранг, то направление, куда будет лететь модель – и есть путевой угол (относительно меридиана), то есть вектор её движения. При этом вращаясь вокруг своей оси, модель самолёта всё время будет менять курс. Если путевой угол отсчитывается от истинного меридиана – это заданный истинный путевой угол (ЗИПУ), если от магнитного меридиана – заданный магнитный путевой угол (ЗМПУ). Нетрудно догадаться, что в одной и той же точке, для одного и того же самолёта – разница между двумя этими углами есть магнитное склонение.
Влияние ветра на курс воздушного судна и его путевой угол (вектор)
Как известно, ветер – это перемещение воздушных масс относительно земли из одной точки в другую, и любое воздушное судно, находящееся в полёте, перемещается внутри этой воздушной массы. Поэтому, помимо перемещения с собственной скоростью относительно воздушной массы (воздушная скорость), самолет будет перемещаться относительно земли еще и со скоростью движения этой воздушной массы (путевая скорость). Учитывая то, что скорость ветра на высотах может достигать значений 200 км/ч и более, становится очевидно, что учет ветра в полете крайне важен. Несложно посчитать, что если при таком ветре (предположим строго боковом) выполнять полет по маршруту, например, в течение часа и при этом не учитывать ветер, то в итоге через час самолет окажется в 200 км в стороне от маршрута.
На рабочем месте диспетчера (в «Альфе-5») в параметрах трека можно увидеть, передаваемые самолётным ответчиком, работающем в режиме «S», фактические значения магнитного курса (MagneticHeading) и магнитного путевого угла (TrackAngle). Если в настройках «Вектора прогноза» (вектора экстраполяции) отключить режим «использовать план», то можно увидеть, что значение «TrackAngle» из параметров трека совпадает с направлением вектора экстраполяции. В этом можно убедиться, используя измеритель. Магнитный путевой угол также можно включить в настройках формуляра сопровождения, активировав вкладку «Трек». Но важно помнить, что значение МПУ в формуляре и вектор экстраполяции формируется автоматизированной системой по результатам экстраполирования координатной информации от локаторов (если отключен режим «использовать план»), а не от полученных от самолётного ответчика данных, так как режим «S» есть не на всех ответчиках.
Note: В аэронавигации различают два вида ветра: навигационный и метеорологический, их направления различаются, во-первых на 180 градусов и, во-вторых, на магнитное склонение. В авиации принято все расчеты выполнять от магнитного меридиана, в то время как в метеорологии для начала отсчёта пользуются истинным меридианом (в «Альфе-5» отображается метеорологический, прогностический ветер, значение в градусах показывает откуда дует ветер).
Навигационный треугольник скоростей
Как известно, скорость величина векторная. Векторы воздушной скорости самолёта, ветра, и путевой скорости самолёта образуют так называемый навигационный треугольник скоростей (НТС) – основу аэронавигации. Применяя общие правила геометрии и тригонометрии, можно вычислить все величины и углы, зная направление и величину всего двух векторов.
Как видно на рисунке ниже, полет самолета проходит по определенной траектории – линии заданного пути, которая соответствует вектору путевой скорости. Однако курс воздушного судна, который является продолжением продольной оси самолета, и соответствует вектору воздушной скорости, скорректирован с учётом направления и скорости ветра так, чтобы компенсировать угол сноса.
Таким образом, зная величину угла сноса - УС (по-английски WCA – wind correction angle или drift angle) автопилот или штурман корректирует в соответствии с этой величиной, курс воздушного судна так, чтобы полёт проходил по линии заданного пути, то есть по маршруту, без отклонений. Со стороны это выглядит так, будто самолёт «летит боком». Для наглядности посмотрите в интернете ролики как самолётики заходят на посадку «боком» при сильном боковом ветре.
Как видно из навигационного треугольника скоростей (на рисунке ниже), Путевой Угол равняется Курсу, взятому с учётом Угла Сноса (ПУ = К+УС), соответственно Магнитный Путевой Угол равняется Магнитному Курсу, взятому с учётом Угла Сноса (МПУ = МК+УС).
Точность навигации и помощь экипажу (векторение)
На современных воздушных судах все аэронавигационные вычисления выполняет бортовой компьютер. Для выдерживания заданных путевых углов между контрольными точками на маршруте полёта, курс, с учётом угла сноса, корректирует автопилот. На воздушных судах советского производства, не прошедших модернизацию пилотажно-навигационного комплекса, этой работой на борту занимается штурман (в основном это воздушные суда госавиации, «Туполя», «Аны», «Илы», «Яки»). Поэтому, когда вы видите, что какой-нибудь Ил-76 или Ту-134А, который должен следовать на какую-либо точку сам, или выполняя ваше указание, например на ABAGI, уклоняется в сторону от маршрута на 10-15 км и более, помните о том, что штурман, скорее всего, не учитывает ветер (или возможно возникли неисправности в курсовой системе). В таком случае нужно обязательно помочь экипажу, то есть проинформировать его о стороне и величине отклонения (в км) от оси маршрута и, заранее воспользовавшись измерителем, сообщить ему на сколько градусов нужно взять поправку в ту или иную сторону (влево или вправо). При выходе ВС на линию заданного пути, проинформируйте об этом экипаж и сообщите ему, заранее воспользовавшись измерителем, магнитный путевой угол следования на конкретную точку. Такие действия с вашей стороны, во-первых, облегчат работу штурману, во-вторых, положительный результат будет достигнут гораздо быстрее. Если по каким-либо причинам у штурмана (экипажа) возникли проблемы с взятием поправки и выходом на маршрут следования, необходимо переходить к векторению.
В приказе Минтранса России от 31.07.2009 N 128 (ред. от 29.05.2023) "Об утверждении Федеральных авиационных правил "Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации" (Зарегистрировано в Минюсте России 31.08.2009 N 14645), в п.3.83 сказано, что: Векторение обеспечивается посредством указания пилоту конкретных курсов, позволяющих экипажам воздушных судов выдерживать необходимую линию пути. И, там же: Векторение воздушного судна прекращается органом ОВД после возобновления пилотом самостоятельного самолетовождения на основании выданного диспетчером ОВД указания, содержащего информацию о местонахождении воздушного судна, точке выхода на заданный маршрут, магнитном путевом угле и расстоянии до нее.
То есть заканчивая векторение, экипажу воздушного судна помимо МВС, нужно сообщить точку, на которою ВС должно следовать, магнитный путевой угол к ней и, расстояние до неё. И если, исходя из практики, экипажи Бобингов и Арабасов как правило в этой информации не очень нуждаются, то штурману или в целом экипажу какой-нибудь условной «Тушки» она сильно облегчит работу. У нас, диспетчеров, на такой случай на рабочем месте есть замечательный инструмент «измеритель», который «в две секунды» поможет разрешить эту задачу.
Чем будет заниматься штурман если вы ему не поможете (смотреть на будильники), пример:
(чтобы не утомлять сложными вычислениями, ниже приведена максимально простая методика для расчётов в уме)
Найти Угол Сноса, если МПУ = 130°, навигационный ветер на данной высоте 190°, скорость ветра: U = 86 км/ч. Истинная скорость ВС: V = 635 км/ч.
1) Находим курсовой угол ветра: КУВ = НВ – МПУ = 190° - 130° = 60°
2) Находим максимальный угол сноса: УСmax = (60*U)/V = (60*86)/635 = 8°
3) Определяем коэффициент: К = sin(КУВ) = sin(60°) = 0,8
4) Получаем Угол Сноса: УС = УСmax*K = (+)8°*0,8 = 6,4° ≈ 6°
Ответ: чтобы выдерживать МПУ = 130°, необходимо выдерживать Магнитный Курс (с учётом угла сноса) равный 124°.
Как вы поняли, по прошествии тысячи лет, устройство, изобретённого китайцами магнитного компаса (даже в самолётах последнего поколения), принцип работы которого основан на взаимодействии поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, принципиально не изменилось. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, – вот и весь китайский «фокус».
Когда ЖК-экраны гаснут, из приборов остаётся два-три энергонезависимых «будильника», а «курсометр» вместо магнитного курса начинает показывать курс доллара, на помощь должен прийти диспетчер.