Není výška jako výška
O rozdílu mezi výškou, hladinou, letovou hladinou a nadmořskou výškou jsme se již zabývali v článku V převodní vrstvě rovně nepoletíš!. Znalost těchto termínu a jejich správné používání je důležité zejména z hlediska řízení letového provozu a k zajištění bezpečnosti letu před srážkou s jiným letadlem. Nyní se zaměříme na fyzickou podstatu věci, která je stejně důležitá pro bezpečnost letu, jako ta předchozí. Konkrétně se budeme věnovat teplotě.
Princip funkce výškoměru instalovaném v letadle je indikace přibližné vzdálenosti mezi dvěma tlakovými rovinami. Stejně jako rychloměr, tak i výškoměr je tvořen aneroidem (membránou) měřícím statický tlak vzduchu v okolí letadla. Výškoměr je navíc vybaven otočným knoflíkem, kterým si posádka může nastavit referenční tlak. Vzdálenost mezi těmito dvěma tlakovými rovinami odpovídá hustotě vzduchu mezi nima. Jelikož tato hustota není ve většině případů známa vychází se standardní atmosféry, kde je hustota, tlak a teplota známa. Výškoměry všech letadel jsou tak kalibrovány stejně na standardní atmosféru a všechny tak ukazují stejně, i když neukazují úplnou pravdu. Pro zajištění vertikálních rozstupů mezi letadly se s tím asi spokojíme, ale co vertikální vzdálenosti od terénních překážek? Spokojíte se při letu nad pohořím Alp v mizerném počasí s komfortní indikací z výškoměru s „nějakou” výškou, nebo budete chtít znát, někdy hořkou, skutečnost o naší skutečné rezervě od překážky? Věřím, že všichni naši čtenáři chtějí létat bezpečně a dychtí po znalostech.
Dříve než se do toho ponoříme, uděláme si jasno v terminologii:
QFE - je tlak vzduchu redukovaný na výšku letiště s použitím korekce pro venkovní teplotu vzduchu. Výškoměr nastavený na QFE bude na letišti indikovat nulu.
QNH - je QFE redukovaný na střední hladinu moře za použití předpokládaných podmínek standardní atmosféry a nadmořské výšky letiště. QNH tedy nezahrnuje žádné opravy pro nestandardní podmínky. V letecké radiokomunikaci se tato výška hlásí jedině slovním spojením NADMOŘSKÁ VÝŠKA respektive ALTITUDE, nikoliv pouze slovem VÝŠKA (viz absolutní výška níže).
QFF - je QFE snížen na střední hladinu moře s ohledem na skutečnou teplotu venkovního vzduchu. Tento tlak se využívá pouze pro meteorologické účely - nikdy se nesmí používat jako nastavení výškoměru.
QNE - odpovídá standardnímu tlaku na střední hladině moře - 1013,25 hPa (760 mm Hg). Toto nastavení se používá nad převodní nadmořskou výškou (transition altitude) a poté je výška udávána v letových hladinách (Flight Level).
Absolutní výška - je výška letadla nad terénem, nad kterým letí. Označuje se také jako stopy/metry nad úrovní terénu (AGL). Absolutní výška je indikována například rádiovými výškoměry nebo elektronickými s údaji o výšce terénu. Zjednodušeně řečeno, absolutní výšku by indikoval analogický výškoměr, pokud by byl nastaven na QFE a letadlo, by se nacházelo nad letištěm. V letecké radiokomunikaci se absolutní výška hlásí slovem VÝŠKA.
Indikovaná výška - je údaj na výškoměru, když je výškoměr nastaven na místní barometrický tlak na střední hladině moře. Z toho plyne, že výškoměr indikuje indikovanou výšku, pokud je nastaven na QNH. V letecké radiokomunikaci se tato výška hlásí jedině slovním spojením NADMOŘSKÁ VÝŠKA respektive ALTITUDE.
Tlaková výška - je nadmořská výška nad standardní referenční rovinou tlaku vzduchu (typicky 1013,25 hPa nebo 29,92 inHg a 15°C). Tlaková výška a indikovaná výška jsou stejné, pokud je výškoměr nastaven na 1013,25 hPa. Tlakovou výšku nám výškoměr indikuje pokud máme nastaveno na QNE a to znamená, že je výška udávána v „letových hladinách”.
Skutečná výška - je přesná vertikální vzdálenost letadla nad střední hladinou moře. Skutečná výška se od indikované liší, pokud existuje odchylka v teplotě od ISA a nastavení výškoměru se liší od hodnoty QNH přímo pod letadlem.
Opravená (přibližně skutečná) výška - je hodnota, kterou získáme, pokud indikovanou výšku opravíme o teplotní a tlakovou odchylku. V našem případě takto nazýváme „skutečnou výšku”, což není úplně správné, protože ve většině případu se jedná o hrubé odhady distribuce teploty mezi letadlem a zemí.
Výškoměr by tedy na detektoru lži obstál pouze při jedné instanci - pokud by bylo všechno standardní. To je však v našem vesmíru docela vyjímečná situace, proto by pro letce a letkyně měl být převod mezi indikovanou výškou (indicated altitude), tlakovou (pressure altitude) a skutečnou výškou (true altitude) denní chleba.
Výška mezi rovinou s referenčním tlakem (QHN) a rovinou se statickým tlakem (hladina, ve které se nachází letadlo), závisí na střední teplotě vrstev mezi těmito dvěma rovinami a na velikosti tlaku. Skutečná výška se bude v porovnání s indikovanou výškou vždy zvyšovat, pokud se bude zvyšovat i teplota vrstev. Naopak s klesající teplotou vrstev se bude skutečná výška snižovat. Platí tedy následující tvrzení:
V atmosféře CHLADNĚJŠÍ než ISA (standardní) letíš NÍŽE než indikuješ;
V atmosféře TEPLEJŠÍ než ISA (standardní) letíš VÝŠE než indikuješ;
Jako mnemotechnická pomůcka se zde přímo naskytuje několik přirovnání. Můžete se například pomoct tím, co dělá mužské přirození ve studené a teplé vodě. Vodu pak jen vyměníte za vzduch, délku za výšku a je to.
Pro náročnější povahy je vysvětlení následující: S klesající teplotou se zvyšuje hustota vrstev. Vyšší hustota vede k tomu, že výškový rozdíl mezi dvěma tlakovými plochami se zmenšuje. Jestliže za normálních okolností je rozdíl mezi tlakovým polem 1020 hPa a 1019 hPa roven 27 ft (8 m), tak při teplotě NIŽŠÍ než ISA bude tato vzdálenost nižší, například pouhých 7 m. Výškoměr, který přes ozubený převod kalibrovaný na ISA indikuje při stoupání o 1 hPa změnu výšky o 8 m, bude indikovat v tomto případě nesprávně, protože statický tlak se v okolí letadla sice změnil o 1 hPa, ale výška se změnila pouze o 7 m. Kvůli vyšší hustotě atmosféry se snížil totiž krok na 1 hPa a skutečná výška teda bude nižší než indikovaná výška (o 1 metr v našem případě). Naopak to funguje pokud je teplota vyšší než ISA.
Oprava potom představuje 1 % výšky na 2,5 °C (4 % na 10 °C) rozdílu teploty od standardní atmosféry.
Poznámka
Rozdíl mezi QNH a QFE se může trochu měnit, ale jakmile máte nastavené QNH na výškoměru, máte co dočinění s teplotní chybou plus s potenciálními chybami spojenými s letadlem, jako je například rychlostní chyba atd. Takové informace by měly být k dohledání v technickém popisu letadla.
Při letu na QNH nás tedy zajímá hlavně chyba způsobená odchylkou teploty od standardní atmosféry. Ovšem pokud je stupnice výškoměru nastavena na QNE (1013,25 hPa), musíme také počítat s tlakovým rozdílem od QNH a s odlišnou výškou při kontrole vertikální vzdálenosti od překážek.
Pokud je QNH v oblasti, kterou přelétáme, NIŽŠÍ než 1013 hPa, je indikovaná výška NIŽŠÍ než tlaková.
Pokud je QNH VYŠŠÍ než 1013 hPa, je indikovaná výška VYŠŠÍ než tlaková.
Opět můžeme využít jednu z mnemotechnických pomůcek, která zní HIGH TO LOW, LOOKOUT BELOW. Jejíž význam je takový, že pokud letíme z oblasti vysokého tlaku do oblasti nízkého tlaku, musíme počítat s tím, že výškoměr bude indikovat stále vyšší výšku (klesá tlak, což simuluje stoupání), přestože se skutečná výška nemění. Podíváme-li se na tento jev z opačného pohledu, ke kterému v praxi dochází mnohem častěji, tak při letu z oblasti s vyšším tlakem do oblasti s nižším tlakem, bude posádka udržovat konstantní indikovanou výšku, ale skutečná výška letadla bude klesat, a letadlo se tak bude přibližovat zemskému povrchu.
Pro výpočet úpravy QNH je dobré znát, jaká výška odpovídá 1 hPa. V předchozím odstavci jsem si již uvedli, že 1 hPa odpovídá 27 ft. To platí v rozmezí od MSL do výšky 2 000 ft AMSL. Pro praktické použití lze však s touto skutečností počítat až do výšky 5 000 ft AMSL. Jelikož atmosférický tlak s výškou klesá exponenciálně, tak ve vyšších hladinách bude 1 hPa odpovídat větší výšce a to přibližně následovně:
Je potřeba mít na paměti, že když letíte přes pohoří (nebo jakoukoliv překážku) a udržujete letovou hladinu (1013,25 hPa) a potřebujete se ujistit, že vaše skutečná výška je dostatečná k překonání překážky (ujištění, zda letíte v minimální bezpečné výšce nebo nad ní), můžete předpokládat, že budete na bezpečné straně (vaše indikovaná výška bude nižší než skutečná nadmořská výška), když je teplota stejná nebo vyšší než ISA a když je místní QNH rovna nebo vyšší než 1013 hPa. V ostatních případech raději proveďte výpočty skutečné výšky, abyste se ujistili, že máte dostatečnou skutečnou výšku k překonání překážky pod vámi s dostatečnou bezpečnou rezervou. Při výpočtu minimální použitelné letové hladiny pro bezpečné překonání překážky (pro udržení MSA) musíte vzít v úvahu nejvyšší zápornou teplotní odchylku od ISA (největší odchylka od ISA se zápornou předponou) a nejnižší hodnotu QNH pod 1013 hPa = tyto podmínky definují nejnebezpečnější situaci = záporná odchylka teploty ISA a velmi nízké QNH způsobí, že vaše skutečná výška bude nižší než indikovaná.
Suma sumárum platí následující tvrzení:
• Let do oblasti s nižším tlakem -> výškoměr (bez přenastavení) bude indikovat vyšší výšku (skutečná výška bude nižší než indikovaná);
• Let do oblasti s vyšším tlakem -> výškoměr (bez přenastavení) bude indikovat nižší výšku (skutečná výška bude vyšší než indikovaná);
• Let do oblasti s nižší teplotou (teplota nižší než ISA) -> výškoměr bude indikovat vyšší výšku (skutečná výška bude nižší než indikovaná);
• Let do oblasti s vyšší teplotou (teplota vyšší než ISA) -> bude výškoměr indikovat nižší výšku (skutečná výška bude vyšší než indikovaná).
Tím jsme si popsali, co se kdy děje a jak to vypadá. Nyní trochu přitopíme a vyzkoušíme si teorii na praktickém příkladu.
Praktický příklad
Je krásný zimní den a vy máte v plánu letět z Plzně do italského Trieste. Poletíte napřímo přes Alpy a při pohledu do mapy zjistíte, že nejvyšší překážka, se kterou se můžete na trati setkat, má 13 000 ft. Za normálních okolností byste volili minimální výšku 1 000 ft nad nejvyšší překážkou, protože ale ten den je v této oblasti uváděna rychlost větru nad 20 kt, rozhodnete se letět minimálně 2 000 ft nad nejvyšší překážkou. Plánujete tedy let nad pohořím ve skutečné výšce 15 000 ft AMSL. Vzduch je v průměru o 15 °C chladnější než ISA, tlak na hladině moře je 1003 hPa. Jakou tlakovou výšku by měl ukazovat výškoměr (nastavení 1013 hPa)?
Na úvod si ujasníme, co máme a co chceme. Hledáme v jaké tlakové výšce máme letět, aby naše skutečná výška byla 2 000 ft na nejvyšší překážkou. Všechny potřebné údaje máme, tak může začít.
Prvním krokem je, že vypočítáme naši indikovanou výšku. K tomu dojdeme ze známé hodnoty QNH.
Pokud je QNH nižší než 1013 hPa (QNE), indikovaná výška je nižší než tlaková.
Pokud je QNH vyšší než 1013 hPa, indikovaná výška je vyšší než tlaková.
V našem případě je QNH 1003 hPa, což je o 10 hPa nižší než 1013 hPa =>
10 hPa × 46 ft = 460 ft.
V tomto případě bude indikovaná výška o 460 ft nižší než tlaková.
Poznámka
1 hPa = 27 ft na úrovni MSL a 50 ft v 18 000 ft AMSL. Hodnota 46 ft byla získána interpolací. Ačkoliv se rozdíl vertikální vzdálenosti na 1 hPa mění exponenciálně a ne lineárně, tak je to to nejlepší, co dokážeme snadno a rychle získat.
Druhým krokem je úprava teplotní odchylky od ISA. Obecně víme, že je třeba použít korekci 4 % na každou odchylku 10 °C od ISA (1 % za každou odchylku 2,5 °C od ISA).
Pokud je teplota nižší než ISA, je skutečná výška nižší než indikovaná.
Pokud je teplota vyšší než ISA, je skutečná výška vyšší než indikovaná.
V tomto případě máme podmínky ISA -15°C, proto víme, že skutečná výška bude nižší než indikovaná. Také dokážeme spočítat, že skutečná výška je o 6 % nižší než indikovaná, respektive že skutečná výška představuje 94 % indikované. Indikovanou výšku získáme použitím následujícího výpočtu:
(15 000 ft / 94) * 100 = 15 957 ft (indikovaná výška)
Konečný výpočet minimální požadované hodnoty na výškoměru (tlaková výška) pro dosažení skutečné výšky 15 000 ft tedy bude:
Tlaková výška = Indikovaná výška + tlakový rozdíl (QNE-QNH)
15 957 ft + 460 ft = 16 417 ft
Tlaková výška = FL 164
To znamená, že abychom v takovým podmínkách dodrželi vzdálenost 2 000 ft od překážky, musíme mít na výškoměru alespoň FL 164 (při nastaveném QNE). To ale není všechno. Existují také hladiny, ve který může dané letadlo letět v závislosti na magnetickém směru trati a pravidel letu. Pokud bychom tedy letěli za VFR a na trati s magnetickým kurzem 180°-359° mohli bychom letět ve FL 165, ale pro tratě 000°-179° museli bychom volit FL 175 a to už chce výkonnější letadlo.
Vraťme se však k pouhém výsledku našeho výpočtu a pro kontrolu si můžeme zjistit skutečnou výšku z tlakové výšky FL 164 při stejných podmínkách:
16 417 - 10 * 46 = 15 957 ft (indikovaná výška)
6 % z 15 957 ft = 957 ft
15 947 ft - 957 ft = 15 000 ft (skutečná výška)
Nyní si představme, že bychom žádnou korekci neprovedli a letěli bychom za stejných podmínek ve FL150. Naše skutečná výška by potom byla:
15 000 ft - 10 * 46 ft = 14 540 ft (indikovaná výška)
1 % na každých 2,5 °C -> pro 15 °C to jsou 6 %
0,06 * 14 540 ft = 872 ft
Z poučky “V atmosféře CHLADNĚJŠÍ než ISA letíš NÍŽE než indikuješ” vyvodíme, že skutečná výška bude nižší než indikovaná, proto teplotní korekci odečteme.
14 540 ft - 872 ft = 13 668 ft (skutečná výška)
Uznejte, že v tomto případě nejsou použity žádné nereálné hodnoty a že let za větrného počasí v „pouhých” 762 ft nad překážkou, nebude úplně to, co byste chtěli při letu zažít. Navíc jsme se rozhodli pro bezpečnostní rezervu 2 000 ft. Pokud bychom tak neudělali, byl by let ještě dramatičtější.
Výpočet za pomoci pilotního počítadla
Ne každý letec či letkyně je odborníkem na matematiku a fyziku a pro někoho je pamatování si vzorečků a dosazování do rovnic noční můrou ze střední školy. Nejen pro takové aviatiky existuje pilotní počítadlo, díky kterému můžete velmi rychle určit tlakovou, skutečnou výšku nebo spoustu dalších neznámých. Níže si proto ukážeme postup pro výpočet předchozího příklad za pomoci pilotního počítadla CR-3.
Výpočet je velmi snadný a stačí k němu jen několik kroků. Nicméně výsledek je kvůli nepřesnosti tisku a hrubému čtení méně přesný než matematický výpočet, i když náš postup je trochu zjednodušený. Pro většinu praktických řešení je však výsledek dostatečný a navíc si téměř vždy můžeme zvýšit vlastní bezpečnou rezervu.
Na počítadle CR-3 si nejprve najdeme chlíveček označený jako „TRUE ALTITUDE” a zde proti sobě nastavíme skutečnou teplotu a tlakovou výšku. Budeme počítat příklad podle podmínek zadaných výše jen začneme tím, že známe tlakovou výšku ve které letíme (FL150) a chceme znát naši skutečnou výšku.
Tlaková výška = FL150
Víme, že teplota vzduchu je v průměru o 15°C chladnější, ale nevíme jaká teplota vzduchu je ve výšce FL150, teda aspoň zatím. Uvažujeme-li standardní pokles teploty s výškou, tak každých 1 000 ft klesne teplota o 2°C. Pokud je v nulové výšce standardní teplota 15°C, tak v FL150 by ve standardní atmosféře byla teplota:
15 000 ft / 1 000 ft = 15
15 * 2 = 30
15°C - 30°C = -15°C
Jelikož je ale zadáno, že teplota je o 15°C chladnější, tak se dostaneme na skutečnou teplotu -30°C.
V chlívku „TRUE ALTITUDE” si proti sobě tedy nastavíme FL150 a -30°C.
Nyní se přesuneme na rozhraní vnějšího a vnitřního kola. Na vnějším kole najdeme hodnotu indikované výšky, tedy:
15 000 ft - 10 * 46 ft = 14 540 ft (indikovaná výška)
a proti ní čteme na vnějším kole skutečnou výšku přibližně
13 650 ft.
Jak můžeme porovnat, tak klasickým výpočtem jsme se dobrali hodnoty 13 668 ft a s použitím počítadla CR-3 13 650 ft, což je docela uspokojující výsledek.
Pokud by nastala opačná situace, tedy situace kdy bychom pro známou skutečnou výšku hledali indikovanou, tak bychom se na vnějším kole přesunuli k hodnotě 15 000 ft, reprezentující skutečnou výšku, a oproti ní bychom četli 16 000 ft, což reprezentuje indikovanou výšku. K této bychom přičetli rozdíl tlaku (460 ft) a dostaneme hodnotu tlakové výšky 16 460 ft, tedy FL165.
Když opět srovnáme hodnotu získanou klasickým výpočtem - 16 417 ft a hodnotu získanou počítadlem CR-3 - 16 460 ft, můžeme prohlásit, že jsou téměř totožné.
S hodnotou v chlívečku „TRUE ALTITUDE” nic neděláme, protože nám stále platí podmínky atmosféry -15°C od ISA.
Když to tedy ještě jednou stručně shrneme, tak začneme tím, že:
Zjistíme, jaká teplota by byla ve standardní atmosféře v dané výšce a započítáme aktuální rozdíl teploty od té standardní, případně známe aktuální teplotu okolního vzduchu v dané výšce;
Nastavíme tlakovou výšku proti okolní teplotě vzduchu v chlívečku „TRUE ALTITUDE”;
Přesuneme se na rozhraní kol a na vnitřním si najdeme indikovanou výšku (tlaková opravena o rozdíl QNH od QNE);
Na vnějším kole čteme skutečnou výšku.
Pokud víme v jaké skutečné výšce chceme letět, tak:
Nastavení v chlívečku „TRUE ALTITUDE” neměníme;
Přesuneme se na rozhraní kol a na vnějším si najdeme skutečnou výšku;
Na vnitřním kole čteme indikovanou výšku.
Na závěr si doplníme ještě jednu skutečnost. Případy, kdy by bylo QNH zadané ze stanice na hladině moře jsou spíše výjimečné. Většinou se člověk setká s případy, kdy je meteorologická stanice výše a někdy až na vrcholcích hor. Nadmořská výška takové stanice hraje důležitou roli ve výpočtech skutečné výšky, protože teplotní korekce se aplikuje pouze na výšku mezi letadlem a meteorologickou stanicí.
Pokud by tedy opět platily stejné podmínky jako v našem příkladu, pouze s tím rozdílem nastavené QNH bylo naměřeno nedalekou meteorologickou stanicí, která je ve výšce 5 200 ft. Postup bude následovný.Zjistíme jaká je vertikální vzdálenost mezi naší skutečnou výškou a meteorologickou stanicí:
15 000 ft - 5 200 ft = 9 800 ft
A výpočet teplotní korekce provedeme na tuto výšku nad stanicí:
(9 800 ft / 94) * 100 = 10 426 ft
K této výšce přičteme výšku meteorologické stanice a tím získáme indikovanou výšku:
10 426 ft + 5 200 ft = 15 626 ft (indikovaná výška)
Na závěr přičteme tlakový rozdíl (QNE-QNH):
15 626 ft + 460 ft = 16 086 ft (tlaková výška)
Tlaková výška = FL 161
Výpočet na počítadle CR-3 pak bude taky pozměněn a to tak, že:
Nastavíme si hodnoty v chlívečku „TRUE ALTITUDE”;
Na vnitřním kole najdeme hodnotu reprezentující vertikální vzdálenost mezi stanicí a naší indikovanou výškou (9 800 ft);
Oproti tomu přečteme na vnějším kole hodnotu 10 460 ft
Přičteme výšku stanice nad mořem -> 10 480 ft + 5 200 ft = 15 660 ft (indikovaná výška)
Dostali jsme se k rozdílu 34 ft, což by se dalo v takové výšce považovat za irelevantní.
Pokud bychom znali indikovanou výšku a hledali bychom skutečnou výšku, tak si stačí uvědomit, které kolo na počítadle ukazuje jakou výšku (vnější skutečnou, vnitřní indikovanou) a výsledek máte lusknutím prstu.