Prędkość samolotu – jak jest mierzona?

Zaskakujące może być stwierdzenie, że prędkościomierz lotniczy jest w istocie różnicowym manometrem ciśnienia dynamicznego wyskalowanym w węzłach. Jego działanie opiera się na zasadzie pomiaru różnicy między ciśnieniem całkowitym a ciśnieniem statycznym.

• Ciśnienie całkowite (total pressure): suma ciśnienia statycznego i dynamicznego. Jest ono mierzone przez rurkę Pitota jako ciśnienie spiętrzenia (stagnation pressure) w punkcie, w którym przepływ jest lokalnie zatrzymany. Równość ciśnienia spiętrzenia i ciśnienia całkowitego zachodzi w warunkach przepływu nieściśliwego (patrz kolejny punkt).
• Ciśnienie statyczne (static pressure): ciśnienie otoczenia mierzone przez otwory statyczne (static ports) lub układ ciśnienia statycznego. Są to precyzyjnie rozmieszczone otwory na kadłubie, w miejscach o możliwie najmniej zaburzonym przepływie powietrza – otwory te są umieszczane w miejscach minimalizujących błąd pozycji (position error) wynikający z aerodynamicznego zakłócenia przepływu.

Różnica między tymi dwoma ciśnieniami nazywa się ciśnieniem dynamicznym. To właśnie ciśnienie dynamiczne jest bezpośrednio związane z szybkością samolotu. Im prędkość jest większa, tym większe ciśnienie dynamiczne.

Rurka Pitota (Pitot tube) to urządzenie służące do pomiaru ciśnienia spiętrzenia (stagnation pressure / pitot pressure), które w warunkach przepływu nieściśliwego (Ma < 0,3) jest równoważne ciśnieniu całkowitemu (total pressure). Jest to podgrzewana rurka skierowana przeciw kierunkowi napływającego powietrza, z otworem czołowym. Ciśnienie statyczne jest natomiast mierzone za pomocą statycznych otworów ciśnieniowych (static ports) umieszczonych na kadłubie.

Podstawowe równanie pozwalające zrozumieć, jak działa wskaźnik szybkości w samolocie, to:

q=½ ​ρV²

gdzie:

• ρ to gęstość powietrza [kg/m³],
• V to prędkość samolotu względem powietrza [m/s].

Z powyższego wzoru wynika, że ciśnienie dynamiczne (mierzone w Pascalach [Pa]) zależy nie tylko od prędkości poruszania się obiektu, ale również od gęstości powietrza.

Na większych wysokościach, przy tej samej wartości IAS, TAS jest wyższa, co oznacza, że statek powietrzny porusza się szybciej względem ziemi, mimo identycznego wskazania prędkościomierza.

• IAS (Indicated Airspeed) – prędkość wskazana przez prędkościomierz w samolocie, zależna od ciśnienia dynamicznego.
• TAS (True Airspeed) – rzeczywista prędkość statku powietrznego względem powietrza, obliczana na podstawie IAS z uwzględnieniem wysokości i temperatury.
• GS (Ground Speed) – prędkość statku powietrznego względem ziemi. Jest ona wypadkową wektora TAS i wektora wiatru – zależy więc zarówno od prędkości i kierunku wiatru, jak i od TAS.

W dużych samolotach dane nawigacyjne, w tym GS, dostarcza system odniesienia inercjalnego IRS (Inertial Reference System), oparty na żyroskopach i akcelerometrach. GPS dostarcza GS niezależnie od IRS i jest wykorzystywany do aktualizacji pozycji inercjalnej w systemie FMS, kompensując narastający błąd dryfu IRS  Piloci w komunikacji z pasażerami zazwyczaj podają GS, ponieważ ta wartość lepiej odzwierciedla rzeczywistą prędkość przemieszczania się względem ziemi, co jest bardziej intuicyjne dla lecących.

Prędkość dźwięku w powietrzu zależy przede wszystkim od temperatury; wraz ze wzrostem wysokości i spadkiem temperatury maleje również prędkość dźwięku.  Samoloty pasażerskie eksploatowane są z prędkościami znacznie poniżej Ma 1,0, zazwyczaj w zakresie Ma 0,8–0,9, gdyż na niektórych częściach skrzydła mogłyby powstawać lokalne obszary przepływu ponaddźwiękowego, co może prowadzić do powstawania fal uderzeniowych, wzrostu oporu falowego (wave drag), drgań struktury (buffet) oraz niestabilności lotu.

Chociaż nowoczesne systemy nawigacyjne dostarczają coraz dokładniejszych danych, prędkościomierz ciśnieniowy nadal pozostaje podstawowym przyrządem pilota, dostarczającym bezpośredniej informacji o prędkości względem powietrza.