Beiträge zu physikalischen und verfahrenstechnischen Problemen der barometrischen Höhenmessung in der Luftfahrt

187 Pages·1966·5.919 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Edgar Rößger, Prof.-Doz. Dr. rer. nat. Gerhard Ränike (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1531
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Pranz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Prof. Dr.-lng. Edgar Rößger
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Gerhard Ränike
Institut für Flugführung und Luftverkehr der Technischen Universität Berlin
in Verbindung mit der Deutschen Gesellschaft
für Ortung und Navigation e. V., Düsseldorf
Beiträge zu physikalischen und
verfahrenstechnischen Problemen
der barometrischen Höhenmessung in der Luftfahrt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06215-8 ISBN 978-3-663-07128-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07128-0
Verlags-Nr.2011531
© 1966 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Kiiln und Opladen 1966
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Zusammenfassung
Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit verfolgte Hauptanliegen besteht in der
Bemühung, einen Weg zu finden, der zu einer verbesserten barometrischen
Höhenmessung an Bord des Flugzeuges und damit zu einer erhöhten Sicherheit
im Luftverkehr führt.
Eine solche erstrebte Verbesserung kann entweder von der meteorologischen
oder von der meßtechnischen Seite her erfolgen, wobei eine vollständige Ab
grenzung zwischen beiden Bereichen kaum möglich sein dürfte. In der Arbeit
wird im wesentlichen die meteorologische Seite des Problems untersucht. Eine
genauere Abgrenzung erfolgt im Abschnitt 1.
Die in der Atmosphäre anzutreffenden Voraussetzungen für die Höhenmessung
werden in den Abschnitten 2 und 3 dargestellt.
Der Abschnitt 4 betrifft die notwendige Untersuchung des gegenwärtig in der
Luftfahrt gebräuchlichen Verfahrens der Anpassung der Eichkurve des baro
metrischen Höhenmessers an die aktuellen meteorologischen Bedingungen.
Im Abschnitt 5 wird der nach der soeben genannten Anpassung noch verbleibende
Fehler behandelt, der als »meteorologischer Fehler« bezeichnet wird. Es werden
rechnerische und gerätetechnische Verfahren angegeben, wie dieser Fehler weit
gehend verkleinert werden kann.
Abschnitt 6 behandelt einige Instrumente und Verfahren zur Eichung und
Prüfung von Höhenmessern, wobei wegen der engen Verwandtschaft zwischen
den Geräten und V erfahren auch ein Variometerprüfgerät aufgenommen wurde.
Hieraus ergibt sich auch ein aufschlußreicher Vergleich der verlangten Genauig
keiten bei Höhenmessern und Variometern.
Abschnitt 7 gibt schließlich einen systematischen Überblick über die verschie
denen Ausführungsfo~men von Höhenmessern, wobei besonders die Eichung
der Höhenmesser-Subskala in Höhenwerten hervorzuheben ist. Sie könnte
- möglicherweise - zu einer erhöhten Sicherheit im Luftverkehr führen, da
hierbei im Gegensatz zum heute üblichen Verfahren der Pilot auch während des
Streckenfluges auf Flugflächen eine gewisse Information über seine Höhe über
NN hat.
Die Verfasser, die in den vergangeneu Jahren zu Fragen der vertikalen Naviga
tion verschiedentlich Stellung genommen haben [74], ... , [92], sind der Ansicht,
daß das Problem der vertikalen Staffelung von Flugzeugen in großen Höhen in
der nächsten Zeit gelöst werden muß; insbesondere im Zusammenhang mit der
Einführung von Überschall-Verkehrsflugzeugen.
Es spricht vieles dafür, daß auch in diesen großen Höhen - trotz der raschen
Zunahme der barometrischen Höhenstufe - ein Aneroiddosen-Instrument ver
wendet wird.
5
In einer Druckhöhe von 63 711 ft' herrscht ein Druck von 60 mb [12, S. 97], in
Meeresspiegelniveau ein solcher von 1013,250 mb. Der Meßbereich der Aneroid
dose beträgt somit rund 4 Oktaven. Damit ist - von den Fehlern im pitot
statischen System ganz abgesehen - dieses einfache mechanische Meßelement
weit überfordert.
Vermutlich werden in großen Höhen zwei barometrische Instrumente erforderlich
werden: ein konventioneller Feinhöhenmesser für Start, Landung und Strecken
flug in unteren und mittelhohen Flugflächen und ein spezielles barometrisches
Instrument für den Streckenflug in hohen und höchsten Flugflächen. Eine solche
Vorhaltung von zwei barometrischen Höhenmessern erwähnt - allerdings nicht
im Zusammenhang mit dem Überschall-Luftverkehr-W. H. CouLTHARD [43].
Die Verfasser dankenden Herren Priv.-Doz. Dr.-Ing. R. BERNOTAT und Priv.-Doz.
Dr.-Ing. H. ZEHLE für vielfache Hinweise, die dem Fortgang und dem Gelingen
der Arbeiten dienlich waren.
Dank gebührt Herrn Dipl.-Ing. H.-J. BRUNS für seine Mithilfe bei der redak
tionellen Gestaltung.
Dem Landesamt für Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen gebührt Dank
für die Unterstützung dieser Arbeiten durch Bereitstellung von Mitteln.
Ferner möchten an dieser Stelle die Verfasser der Deutschen Gesellschaft für
Ortung und Navigation e. V., Düsseldorf, für ihre unermüdliche, tatkräftige
Unterstützung, die sie den Verfassern nicht nur im Zusammenhang mit der
Arbeit an dem vorliegenden Bericht zuteil werden ließ, sehr herzlich danken.
Berlin, im Juni 1964
EnGAR RössGER
GERHARD RÄNIKE
6
Inhalt
1. Einführung in die Probleme der Höhenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1 Meßprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Anwendungen des Höhenmessers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Der vertikale Passierabstand während des Streckenfluges
(vertical separation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Die Bodenfreiheit (terrain clearance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Höhenmesserfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. Der geopotentielle Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Die physikalisch-meteorologischen Eigenschaften der Atmosphäre . . . . . 26
3.1 Die Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Die Druckhöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 Die polytrope Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 Die isotherme Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Eine einheitliche Gleichung für die polytrope und die isotherme
Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.4 Die barometrische und die arithmetische Mitteltemperatur . . . . 28
3.2.5 Die ICAO-Normalatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Die Dichtehöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4. Verfahrensmäßige Probleme der Höhenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1 Barometrische Höhenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.1 Die vorkommenden aktuellen Druckverteilungen . . . . . . . . . . . 36
4.1.2 Konstruktive Vorkehrungen zur Durchführung der senkrechten
Verschiebung der Eichkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.3 Die verschiedenen Subskala-Einstellwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3.1 Subskala-Einstellwert QFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3.2 Subskala-Einstellwert QFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3.3 Subskala-Einstellwert QNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.3.4 Subskala-Einstellwert 1013,250 mb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.3.5 QNE .................................................. 42
7
4.1.4 Einige Beziehungen im Höhen-Druck-Diagramm . . . . . . . . . . . 43
4.1.5 Die Vorteile und Nachteile der verschiedenen Subskala-
Einstellwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.6 V erfahren und Instrumente zur Ermittlung des QNH . . . . . . . . 46
4.1.6.1 Rechnerische Ermittlung des QNH aus dem QFE . . . . . . . . . . . 46
4.1.6.2 Ermittlung des QNH mit Hilfe einer Tafel der ICAO-Normal-
atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.6.3 Ermittlung des QNH mit Hilfe eines Flugzeughöhenmessers 48
4.1.6.4 Messung des QNH mit einem QNH-Indikator (Umkehrung
des Flugzeughöhenmessers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.6.5 Ermittlung des QNH mit Hilfe eines Bergsteigerhöhenmessers 49
4.1.6.6 Ein konstruktiv einfacher QNHJQFE-Indikator (Umkehrung
des Bergsteigerhöhenmessers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.6.7 Ermittlung des QNH mit Hilfe eines Nomogrammes . . . . . . . . 53
4.1.6.8 Ein Rechenstab zur Ermittlung des QNH aus dem QFE und Hel 53
4.1.7 Die Subskala-Einstellungen QNH und 1013,250 mb in der
flugbetrieblichen Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.8 Hilfsmittel zur Veranschaulichung der meteorologisch-flug
betrieblichen Parameter in der Umgebung eines Flughafens 57
4.1.8.1 Modell mit verschiebbaren Schablonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.8.2 Maßstab mit verschiebbaren Zungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.9 Ein Rechenstab zur Ermittlung der richtigen Flugfläche für
Streckenflüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Dichtehöhe und vertikale Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5. Der meteorologische Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Temperatur- und Druckkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1 Das Korrekturverfahren mit Hilfe einer Temperaturmessung 68
5.2.1.1 Sonderfall po = pon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1.2 Allgemeiner Fall po =!= pon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.2 Das Korrekturverfahren mit Hilfe einer Reihe von Temperatur-
messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.3 Das Korrekturverfahren mit Hilfe einer Radarhöhenmessung 76
5.2.4 Diskussion der Korrekturfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.5 Vergleich der Korrekturfaktoren und an Hand von
lXI IXa
berechneten Modellatmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Ermittlung der meteorologischen Fehler aus den Auswertungen
von Radiosondenaufstiegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8
5.3.1 Die Auswertung der Radiosondenaufstiege . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 Die Berechnung der meteorologischen Fehler aus den Aus
wertungen der Radiosondenaufstiege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.3 Diskussion der Fehler und Mittelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.4 Vergleich der Korrekturfaktoren a1 und a3 an Hand aktueller
Atmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Praktische Ausführung der Temperatur- und Druckkorrektur
in einem Höhenmesser (Höhenmesser mit verschiebbarer sowie
in der Steigung veränderlicher Eichkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6. Eich- und Prüfgeräte für Höhenmesser und Variometer . . . . . . . . . . . . . . 100
6.1 Barometer und Prüfgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.1.1 Quecksilberbarometer nach WrLn-FuEss ................... 100
6.1.2 Stationsbarometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.1.3 Bryans-Mastermanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1.4 Bryans-Variometer-Prüfgerät ............................. 103
6.2 Der Meßfehler infolge vom Normalwert abweichenden
spezifischen Gewicht des Quecksilbers und seine Korrektur 105
6.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1O S
6.2.2 Quecksilberbarometer und Bryans-Mastermanometer ........ 106
6.2.3 Bryans-Variometer-Prüfgerät ............................. 107
6.2.3.1 Zwei systematische Fehler ............................... 107
6.2.3.2 Einfluß der systematischen Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2.3.3 Größenordnung der systematischen Fehler ................. 109
6.2.3.4 Möglichkeiten zur Beseitigung der systematischen Fehler ..... 112
6.3 Relative Eichung von Höhenmessern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7. Die verschiedenen Möglichkeiten der Meß-und Einstellwerte-Darstellung
auf den Skalen barometrischer Höhenmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2 Höhenmesser mit in Höhenwerten kalibrierter Hauptskala .... 114
7.2.1 Eichung der Subskala in Druckwerten ..................... 114
7.2.2 Eichung der Subskala in Höhenwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.2.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.2.2 Vorteile bei der Eichung der Subskala in Höhenwerten ...... 125
7.2.2.3 Verfahren und Instrumente zur Bestimmung der dem QNH
entsprechenden geopotentiellen Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.2.4 Umbau von Höhenmessern mit Druckwerte-Subskalen auf
Höhenwerte-Subskalen .................................. 130
9
7.2.2.4.1 Umbau eines Höhenmessers mit nichtdigitaler Subskala ...... 130
7.2.2.4.2 Umbau eines Höhenmessers mit digitaler Subskala .......... 132
7.2.2.5 Die Aufnahme der Eichkurve und des Kennlinienfeldes des
Höhenmessers Jaeger Typ 212.1, No. 11 081 ............... 134
7 .2.3 Vergleich von Höhenmessern mit in Druckwerten und in
Höhenwerten kalibrierten Subskalen an Hand von Dreizeiger-
Höhenmessern ......................................... 138
7.3 Höhenmesser mit in Druckwerten kalibrierter Hauptskala .... 151
7.3.1 Einführung ............................................ 151
7 .3.2 Die Übertragung des gegenwärtig in der Flugsicherung üblichen
Systems der Höhenstaffelung während des Streckenfluges sowie
der Start- und Landekontrolle auf Höhenmesser mit in Druck-
werten kalibrierter Hauptskala ............................ 155
7.3.3 Einige Ausführungsformen von Höhenmessern mit in Druck-
werten kalibrierter Hauptskala ............................ 158
7.3.3.1 Trommelhöhenmesser mit in Druckwerten kalibrierter digitaler
Subskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3.3.2 Trommelhöhenmesser mit in Höhenwerten kalibrierter digitaler
Subskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3.3.3 Trommelhöhenmesser mit Einstellmarken .................. 158
7.3.3.4 Trommelhöhenmesser mit drehbarer Ringskala ............. 158
7.4 Hybridische Höhenmesser ............................... 162
7.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.4.2 Zwei Ausführungsformen hybridischer Höhenmesser ........ 162
7.4.2.1 Trommelhöhenmesser mit in Druckwerten kalibrierter Haupt
skala und in Höhenwerten kalibrierter drehbarer Ringskala
(hybridischer Höhenmesser 1. Art) ........................ 162
7.4.2.2 Trommelhöhenmesser mit in Höhenwerten kalibrierter Haupt
skala und in Druckwerten kalibrierter drehbarer Ringskala
(hybridischer Höhenmesser 2. Art) ........................ 165
7.5 Problematik und Entwicklungstendenzen .................. 167
7.5.1 Vollständige oder teilweise Umstellung des gegenwärtig
gebräuchlichen Systems .................................. 167
7.5.2 Feststehende oder bewegliche Skala ....................... 167
7.5.3 Vertikale Navigation nach Höhenwerten oder Druckwerten .. 167
7 .5.4 Proportionale oder nichtproportionale Wiedergabe von V er
tikalgeschwindigkeiten durch die Winkelgeschwindigkeit des
Höhenmesserzeigers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.5 Beschränkter oder unbeschränkter Wertebereich für Start und
Landung .............................................. 168
10
7.5.6 Gleiche Skala oder getrennte Skalen für Höhenanzeige und
Einstellwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.7 Der Gradientenfehler .................................... 168
7.5.8 Irrtümerfreie, schnelle, eindeutige und anschauliche Ables-
barkeit der Meß- und Einstellwerte ........................ 169
7.5.9 Unbegrenztes Ausmaß der senkrechten Verschiebung der
Eichkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8. Navigation und Meßwertdarstellung 173
Formelzeichen .................................................... 175
Literaturverzeichnis ................................................ 181
11