KURZUS: Légi közlekedés

MODUL: I. modul

3. lecke: Repülőgép műszerek és rendszerek

| Napjaink légiközlekedése folyamatosan fejlődik. A mobilitási igények növekedése és technológiák fejlődése egyre több ember számára teszi lehetővé a légi utazást, ill. a fuvarozók számára a légi áruszállítást. A forgalom növekedése megköveteli a különböző rendszerek egyre magasabb fokú automatizálását. A fejezetben bemutatásra kerül néhány légi közlekedésben használatos rendszer, melyek nélkül a repülőgépek közlekedése nehézkes vagy éppen nem lehetséges. Ezek elsősorban olyan rendszerek, melyek a közlekedés más területein nincsenek használatban.
A légi közlekedés az amerikai gyökerei miatt angolszász mértékegységeket használ. A magasságot lábban mérik (1 ft / feet = 0,34 m), a vízszintes távolságot tengeri mérföldben (1 nm / nautical mile = 1,852 km), a sebességet pedig csomóban mérik (1 kt / knot = 1,852 km/h).
1. Jármű közlekedését jellemző paraméterek
A repülés nem a földön, hanem a levegőben történik, így az egyik jellemző paraméter a magasság. A magasságmérés azonban akadályba ütközik, hiszen szükségünk van egy referencia pontra, amely minden repülőgép számára azonos. Emellett gondot jelent még a mérés végrehajtása, a mozgó járműből, mely alatt különböző domborzati elemek vannak. A megoldást a légnyomás mérése jelenti, amely viszonylag könnyen megoldható, ezért a módszert barometrikus magasságmérésnek nevezzük. A skála null pontja folyamatosan változik az időjárás függvényében. Adott ország területén érvényes értéket a tájékoztató szolgálat adja meg. Azért, hogy a terület felett átrepülő gépek biztonságosan közlekedhessenek, létrejött egy magassági elkülönítés. Ennek lényege, hogy az ún. átváltási rétegben repülőgépek folyamatosan nem haladhatnak. Ez alatt a tájékoztató szolgálat adja meg a null pontot, e felett a jármű az ún. szabványos műlégkör adatait használja, azonban ez nem jelzi a tényleges magasságot, de erre itt nincs is szükség. E magasság fölött a "Flight Level" a használatos megnevezés, az itt haladó gépek az ún. magaslégtérben repülnek.
Kis magasságokban (1 km alatt) jól alkalmazható a rádiómagasságmérő, amellyel földközelben akár 0,5m-es pontossággal is megállapítható a repülőgép magassága. Használható még műhold alapú magasságmérés is, mely a helyzetmeghatározásához használt műholdak adatait használja akár 2-3 m-es pontossággal. Fontos megjegyezni, hogy ezek tényleges magassági adatok, de a magas légtérben nem ez használatos.
A légi járművek mozognak, így egy másik jellemző paraméter a sebesség. A sebesség mérése szárazföldi járműveknél egyszerűbb, hiszen van viszonyítási pontunk, a pálya. Amit mérni lehet az a magasságméréshez hasonlóan a nyomás mérése, azonban amíg magasságmérésnél a nyomásmérő a jármű haladási irányára merőlegesen kerül elhelyezésre, a sebességméréshez egy haladási iránnyal párhuzamos elhelyezett mérőeszköz használatos. A nyomás nagysága arányos a sebességgel, azaz a környezethez képest már meghatározható a sebesség. A földfelszínhez viszonyított sebesség meghatározása, csak radarok útján vagy műholdas helymeghatározással lehetséges.
A sebesség meghatározása az előzőeket figyelembe véve történhet közvetlen, vagy közvetett módon történhet. Közvetlen módszernél a távolságot, vagy sebességet valamely erre szolgáló műszerrel mérjük, közvetett módszernél pedig valamely más mennyiség mérése (pl. radarhullám terjedési ideje) alapján kiszámítjuk.
A légi közlekedésben a sebesség mértékegysége a csomó, amely az egy óra alatt megtett mérföldek számát jelenti (1 csomó = 1 tengeri mérföld/óra). A repülőgép sebessége mellett csomókban adják meg a légáramlás sebességét és gyakran a szél sebességét is. A repülőgép sebessége alatt külön megjelölés nélkül általában a levegőhöz viszonyított sebességet kell érteni. Így pl. a 460 kts sebességgel haladó repülőgép 852 km/h vagy 529 mérföldes (szárazföldi mérföld az USA-ban) sebességgel halad.
A magasság, a sebesség mellett a mozgás iránya tudja egy adott pillanatban jellemezni a légi járművet
2. Földrajzi koordinátarendszer
A légi közlekedést kiszolgáló légi irányító rendszerek működéséhez elengedhetetlenül szükséges a járművek helyzetének pontos ismerete.
A navigáció alapja földrajzi koordináta rendszer. A repülőgépek (és általában bármely jármű) pálya menti helyzete abszolút, vagy relatív módon adható meg. Az abszolút helyzetmegadás esetén a jármű helyét egy koordináta rendszer definiálja. A relatív helyzetmegadáskor a repülőgép helyét egy ismert ponthoz viszonyítják, vagy egy ismert pálya (pl. egy légi folyosó) meghatározott pontjaként azonosítják. A légi navigációban mindkét helyzetmegadási mód használatos.
A földrajzi koordinátarendszert a következő ábra szemlélteti. A Föld valóságos geofizikai alakját (geoid) - illetve az ezt matematikailag legjobban megközelítő forgási ellipszoidot - gömbbel helyettesítjük.
A Föld forgástengelye a felszínt két pontban, az északi- (P N ) és a déli pólusban ( P S ) metszi. A forgástengelyre merőleges és a Föld középpontján átmenő síknak a felszínnel alkotott metszésvonala a földi egyenlítő (Q-Q'). Az Egyenlítő a Földet északi és déli féltekére (félgömbre) osztja.
A földrajzi koordinátarendszer
12. ábra
Az Egyenlítővel párhuzamos körök a szélességi körök. Az Egyenlítő síkjára merőleges síkban fekvő és a pólusokon átmenő körök a hosszúsági körök (meridiánok). A meridiánok közül a Greenwich - i csillagvizsgáló kupoláján áthaladót kezdő meridiánnak nevezzük. A földrajzi koordinátarendszer alapkörei az egyenlítő és a kezdő meridián. Az egyenlítő és a meridiánok legnagyobb gömbi körök, úgynevezett főkörök. A földrajzi koordináták a földrajzi szélesség ( ϕ) és a földrajzi hosszúság ( λ).
Egy pont földrajzi szélessége a pont meridiánjának a ponton átmenő párhuzamos kör és az egyenlítő közé eső íve, illetve az ahhoz tartozó középponti szög fokokban kifejezve. A szélességet az egyenlítőtől északra és délre 000°-tól 090°-ig mérjük. Légi közlekedésben a földrajzi fokokat három számjeggyel adják meg a félreértések elkerülése miatt. Az északi szélesség előjele pozitív (N; North = Észak) a déli szélesség negatív (S; South = Dél). A földrajzi hosszúság az egyenlítőnek a kezdő meridián és a ponton átmenő meridián közé eső íve, fokokban kifejezve. A hosszúság azonos a kérdéses ívhez tartozó középponti szöggel. A hosszúságot a kezdő meridiántól keletre és nyugatra 0°-tól 180°-ig mérjük. A keleti hosszúság pozitív (E; East = Kelet), a nyugati hosszúság negatív (W; West = Nyugat).
Az útvonal egyetlen, vagy egy sorozat útirány, amelyekben a repülő egy út megtétele során haladni szándékozik. Ha a repülő a Föld felszínén két pont között egy állandó útirányba halad - vagyis a meridiánokat állandó szögben metszi - akkor útvonala egy loxodróma, amely matematikailag a pólus köré csavarodó spirális görbe. A legrövidebb távolság a két pont között azonban az azokon átmenő főkör mentén, az úgynevezett főköríven (ortodrómán) van.
Főkör (Great Circle) elhelyezkedése a földgömbön
13. ábra
A kiindulási és a célpontot összekötő fő kör határozza meg a repülőgép számára a legrövidebb utat. A következő ábrán látszólag a pirossal jelölt útvonal lényegesen rövidebb, mint a kékkel jelzett.
Útvonal Moszkva és Vancouver között síktérképen
14. ábra
A valóság ezzel szemben éppen ellentétes. A széles körben használt térképek a földgömböt sík térképként próbálják ábrázolni. Ez csak különböző vetületi rendszerek segítségével lehetséges, azonban ezt eredményezi, hogy a térképek torzak lesznek. Ez kisebb országok pl. Magyarország esetén nem jelent problémát, de nagy területű országok esetén pl. Kanada, USA, Oroszország már problémát jelenthet.
Útvonal Moszkva és Vancouver között a földgömbön
15. ábra
Földgömbön vizsgálva az előző útvonalat, jól látszik, hogy a kék útvonal nem hogy hosszabb, hanem rövidebb, mint a piros. A légi közlekedés a technika fejlődésével ma már jól ki tudja ezt használni. Korábban a repülőgépek csak olyan útvonalon repülhettek, ahol megadott távolságon belül volt kitérő repülőtér, ahova probléma esetén a repülőgép le tudott szállni. A technika fejlődésével ez a távolság egyre nagyobb lett, így lehetővé vált a legrövidebb útvonalak használata.
3. A radar rendszerek működése
A radar szó a radio detection and ranging kifejezés kezdőbetűinek összevonásából ered és ilyen értelemben céltárgyak rádióhullámok segítségével történő felderítésére, irányuk és távolságuk meghatározására szolgáló eljárást jelent. Egyben radarnak nevezzük azt az elektronikus berendezést is, amely ennek az eljárásnak a megvalósítására alkalmas. A radarnak - mint eljárásnak, és mint berendezésnek - analóg kifejezései a rádiólokáció és a rádiólokátor.
A radart a légi közlekedésben helymeghatározásra, összeütközés elhárítására és az időjárás előrejelzéséhez alkalmazzák.
A radar helymeghatározásra mind a levegőben levő járművek, mind a repülőtéren mozgó járművek esetén alkalmazható. Bár repülőterek esetén a vizuális észlelés is alkalmazható, azonban a repülőterek egyre nagyobb területe miatt, rossz látási körülmények között nem biztosít kellő biztonságot.
A radar alkalmazásának alapvető előnye az összeütközés elhárításában van, mert erre a célra - rossz láthatósági viszonyok között - más berendezés, illetve eljárás nem áll a repülés rendelkezésére. A radarképernyőn a környező repülőgépek mozgása figyelemmel kísérhető és megfelelő módszerekkel útirányuk, sebességük meghatározható, az összeütközés veszély megállapítható és a szükséges elkerülő manőver megtervezhető. Az erre szolgáló grafikus eljárást, szerkesztést nevezzük plottolásnak.
A radar visszhang elven működik: a berendezés által kibocsátott és egy céltárgyról visszaérkező jel kibocsátása és visszaérkezése között eltelt időtartam (t) megméréséből a céltárgy távolsága (d) a d= c⋅t 2 összefüggés alapján meghatározható, ahol c a fénysebesség. Elsődleges vagy passzív radar esetében a visszaérkező jel visszavert jel, vagyis a kibocsátott jelnek valamely céltárgyról való visszaverődéséből származik. Másodlagos vagy aktív radar esetében a visszaérkező jel válaszadó (transponder) által visszaadott jel, amelyet az eredeti kibocsátott jel old ki.
A radar működése az elektromágneses hullámok irányíthatóságán, különböző tárgyakról való visszaverődésén és ismert terjedési sebességén (c = 300.000 km/s) alapul. A légi közlekedésben alkalmazott radarberendezések a centiméteres, úgynevezett mikrohullám sávban (10 cm - 1 cm, 3 GHz - 30 GHz) impulzus rendszerben üzemelnek. Ebben a sávban a hullámok a fényhez hasonlóan normál atmoszférikus viszonyok között egyenes vonalban terjednek és ködön, esőfüggönyön minimális veszteséggel áthatolnak. A radar funkcionális tömbvázlatát a következő ábra szemlélteti.
A radar funkcionális tömbvázlata
16. ábra
A berendezés fő funkcionális részei: a tápegység, a vezérlő egység, az adó, az antenna rendszer, a vevő és az indikátor egység (képegység).
A légi közlekedés különböző feladatokra több radart is alkalmaz. A légi irányítás elsődleges és másodlagos radart alkalmaz általában egybeépítve, ahogy a következő ábrán látszik.
Radartorony
17. ábra
A parabola formájú vevő antenna, egy fajta rácsszerkezet. Ez előtt található az adó egység. A másodlagos radar vevőegysége a fő antenna felett található. A vevő antenna mozgásából adódóan nem csak távolság, hanem irány mérésére is alkalmas.
A másodlagos radarrendszer esetén a földről érkező radarjelet érzékeli a légi jármű, és erre válaszul a saját adatait közli. A légi irányítás megjelenítőin ezen adatok egy része a következő ábra szerinti formában jelenik meg.
Radarcimke (Forrás: Hungarocontoll)
18. ábra
A földihez hasonló radarrendszer biztosítja a repülőgépek "előrelátását" is, mellyel meghatározható a repülőgép előtti terület időjárási helyzete.
4. Telepített rádióadók
A polgári légi közlekedésben fontos szerep jut a telepített rádió adóknak. Ezek az adók előre meghatározott frekvencián a saját kódjukat sugározzák az egyes irányoknak megfelelően
VOR adó Győr-Sashegyen
19. ábra
A Győr-Sashegyen található VOR (Very High Frequency (VHF) Omni-Directional Range) azaz nagyfrekvenciás körsugárzó rádió irányadó rendszer szerkezete a következő ábrán látható. A rendszer kör-körösen folyamatosan sugározza az előre rögzített kódot, ami ebben az esetben GYR. A kör különböző pontjain azonban, fáziseltolás miatt egy picit más jel kerül kibocsátásra. A repülőgép fedélzeti rendszere folyamatosan veszi az előre megadott VOR adó adatait és egy megjelenítő műszeren mutatja a pilóta számára, hogy helyes irányba halad-e a repülőgép.
VOR rendszer megjelenítő műszere a repülőgép fedélzetén
20. ábra
Az útvonali VOR rendszer hatótávolsága 200 mérföld, míg a repülőtereken használt rendszer a TVOR (Terminal VOR) csak 2,5 mérföld hatótávolságú. A VOR rendszer elődje az NDB (Non-Directional Beacon) nem irányított adó csak egy féle jelet sugárzott. Navigációs pontatlansága miatt, ma már nem alkalmazzák.
Amíg a VOR rendszer biztosítja az irány meghatározását, addig a vele együttműködő DME (Distance Measuring Equipment) rendszer a távolság meghatározását szolgálja. A DME rendszer egy válaszjeladó, mely a repülőgép által sugárzott kódot visszaküldi a járműre, így a jel terjedési idejéből megállapítható, hogy milyen messze van a jármű a kiválasztott DME adótól. A DME adó általában a VOR adó rendszerrel együtt, annak közepén kerül elhelyezésre. A pilótáknak figyelembe kell azonban venni azt, hogy ez a távolság nem földi távolság, hanem a repülőgép és az adótorony közötti légvonalban mért távolság. Ahhoz, hogy ténylegesen megtett távolságot kaphasson a pilóta, figyelembe kell vennie a magasságot is.
5. Műszeres leszállító rendszer
Az ILS (Instrumental Landing System) műszeres leszállító rendszer két fő részből áll. Az egyik rész a repülőtéren a kifutópályánál kerül elhelyezésre a másik része a rendszernek a repülőgép fedélzetén található.
ILS leszállító rendszer (Forrás: heatrow.com)
21. ábra
A rendszer antennáit, a kifutópálya kezdete előtt helyezik el, ahogy az előző képen látható. Az antennák folyamatosan jeleket sugároznak a siklópálya irányába.
A jeleket a repülőgépen elhelyezett egység veszi és az előző ábrán látható műszeren megjeleníti.
A siklópálya egy olyan útvonal melyen a repülőgép megközelíti a kifutópályát. Elképzelni úgy lehet, mint egy tölcsért melybe berepülnek a repülőgépek, és a kifolyócső a kifutópálya. A siklópálya biztosítja, hogy a repülőgépek az ereszkedés során optimális módon süllyedjenek, és azon a viszonylag szűk területen érjék el a kifutópályát, ami biztosítja, hogy elegendő hely álljon rendelkezésre a jármű lefékezéséhez.
ILS leszállító rendszer fedélzeti műszere
22. ábra
Műszeres leszállítás esetén a pilóta feladata, hogy a műszeren megjelenő sárga keresztet a fehér pontokon tartsa. Egy-egy pont általában 2 foknyi eltérést jelent az ideális iránytól.
A műszeres leszállás mellett természetesen van mód vizuális megközelítésre és leszállásra is. Ebben az esetben a kifutópályán és előtte, ill. mellette elhelyezet fények segítik a pilótát a leszállásban.
Mint a leírtakból látható a repülőgép számtalan adatot küld, ill. fogad automatikus módon. Emellett a pilóták is kommunikálnak a légi irányítással. Ehhez rádió kommunikáció szükséges, melyet ma már nem ritkán műholdak tesznek lehetővé. Tengeren túli járatok esetén a kommunikációnak különleges jelentősége van, mert a rádióhullámok terjedése nagyban függ az időjárástól, ill. a légköri viszonyoktól.
6. Fedélzeti műszerek
A fedélzeti műszerek száma, melyeket a pilótának figyelnie kell folyamatosan csökken, azzal arányba, ahogy egyre inkább számítógépek felügyelik a repülőgép működését. Ennek ellenére az előzőekben említett műszerek mellett, biztos, hogy megtalálható a repülőgép műszerfalán a magasságmérő, az üzemanyag mennyiség kijelzője, és a ún. mű horizont ami tájékoztatást ad a repülőgép pillanatnyi helyzetéről.
Irodalom
[1] Federal Aviation Administration : Repülőtéri berendezések https://www.faa.gov/air_traffic/publications/atpubs/aim_html/chap1_section_1.html
[2] D. Schmitt, V. Gollnick: Air Transport System, Springer-Verlag 2016. ISBN 978-3-7091-1880-1 (9. fejezet)
[3] M. S. Nolan: Fundamentals of Air Traffic Control, Cengage Learning Products, Canada 2011. ISBN-13: 978-1-4354-8272-2 (2. fejezet)
[4] CAE Oxford Aviation Academy: Radio Navigation CAE Oxford Aviation Academy (UK) Limited 2014

| Ellenőrző kérdések
Milyen fő paraméterekkel jellemezhető a repülőgép mozgása? Hogyan mérhető egy repülőgép sebessége? Mit jelent a VOR alapú repülés?