Höhenmesser und Höhe
Ein Höhenmesser ist ein Instrument, das verwendet wird, um die Höhe des Flugzeugs über einem vorbestimmten Niveau, wie beispielsweise dem Meeresspiegel, oder im Fall eines Funk-/Radar-Höhenmessers die Höhe des Geländes unter dem Flugzeug anzuzeigen. Die gebräuchlichste Art, diese Entfernung zu messen, wurzelt in Entdeckungen, die Wissenschaftler vor Jahrhunderten gemacht haben. Arbeiten aus dem 17. Jahrhundert, die bewiesen, dass die Luft in der Atmosphäre Druck auf die Dinge um uns herum ausübt, führten Evangelista Torricelli zur Erfindung des Barometers. Ebenfalls in diesem Jahrhundert konnte Blaise Pascal mit dem Konzept dieses ersten atmosphärischen Luftdruckmessgeräts zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen Höhe und Luftdruck besteht. Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab. Der Betrag, um den es abnimmt, ist messbar und konsistent für jede gegebene Höhenänderung. Daher wird durch Messen des Luftdrucks
Höhenmesser, die die Höhe des Flugzeugs messen, indem sie den Druck der atmosphärischen Luft messen, werden als Druckhöhenmesser bezeichnet. Ein Druckhöhenmesser wird hergestellt, um den Umgebungsluftdruck an einem beliebigen Ort und in einer bestimmten Höhe zu messen. In Flugzeugen ist es über Schläuche im Pitot-Statik-System mit der (den) statischen Entlüftung(en) verbunden. Das Verhältnis zwischen dem gemessenen Druck und der Höhe wird auf dem in Fuß kalibrierten Zifferblatt angezeigt. Diese Geräte sind direkt anzeigende Instrumente, die den absoluten Druck messen. Ein Aneroid oder Aneroidbalg ist das Herzstück des Innenlebens des Druckhöhenmessers. An dieser abgedichteten Membran sind die Verbindungen und Zahnräder angebracht, die sie mit dem Anzeigezeiger verbinden. Statischer Luftdruck tritt in das luftdichte Instrumentengehäuse ein und umgibt den Aneroid. Auf Meereshöhe, der Höhenmesser zeigt Null an, wenn dieser Druck von der Umgebungsluft auf das Aneroid ausgeübt wird. Wenn der Luftdruck verringert wird, indem der Höhenmesser höher in die Atmosphäre bewegt wird, dehnt sich der Aneroid aus und zeigt die Höhe auf dem Instrument an, indem der Zeiger gedreht wird. Wenn der Höhenmesser in die Atmosphäre abgesenkt wird, steigt der Luftdruck um den Aneroid und der Zeiger bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung.
Das Zifferblatt oder Zifferblatt eines analogen Höhenmessers wird ähnlich wie eine Uhr abgelesen. Während sich der längste Zeiger um das Zifferblatt bewegt, registriert er die Höhe in Hunderten von Fuß. Eine vollständige Umdrehung dieses Zeigers zeigt eine Höhe von 1.000 Fuß an.
Der zweitlängste Punkt bewegt sich langsamer. Jedes Mal, wenn es eine Ziffer erreicht, zeigt es 1.000 Fuß Höhe an. Einmal um das Zifferblatt herum entspricht dieser Zeiger 10.000 Fuß. Wenn der längste Zeiger das Zifferblatt einmal vollständig umrundet, bewegt sich der zweitlängste Punkt nur um die Distanz zwischen zwei Ziffern – was anzeigt, dass 1.000 Fuß Höhe erreicht wurden. Bei entsprechender Ausrüstung registriert ein dritter, kürzester oder dünnster Zeiger die Höhe in Schritten von 10.000 Fuß. Wenn dieser Zeiger eine Ziffer erreicht, wurden 10.000 Fuß Höhe erreicht. Manchmal wird auf der Vorderseite des Instruments ein schwarz-weißer oder rot-weißer schraffierter Bereich angezeigt, bis die Höhe von 10.000 Fuß erreicht ist.
Viele Höhenmesser enthalten auch Verbindungen, die einen numerischen Zähler drehen, zusätzlich zum Bewegen von Zeigern um das Zifferblatt. Dieses Schnellreferenzfenster ermöglicht dem Piloten, die numerische Höhe in Fuß einfach abzulesen. Die Bewegung der rotierenden Ziffern oder des Trommelzählers während des schnellen Steigens oder Sinkens macht es schwierig oder unmöglich, die Zahlen zu lesen. Es kann dann auf die klassische Anzeige im Uhrenstil verwiesen werden. Abbildung zeigt das Innenleben hinter dieser Art mechanischer Digitalanzeige der Druckhöhe.
Echte digitale Instrumentendisplays können die Höhe auf vielfältige Weise anzeigen. Die Verwendung einer numerischen Anzeige anstelle einer Reproduktion des Ziffernblatts vom Uhrtyp ist am weitesten verbreitet. Oft wird eine digitale numerische Anzeige der Höhe auf der elektronischen primären Fluganzeige in der Nähe der künstlichen Horizontdarstellung angezeigt. Eine lineare vertikale Skala kann auch dargestellt werden, um diesen harten numerischen Wert ins rechte Licht zu rücken.
Eine genaue Höhenmessung ist aus zahlreichen Gründen wichtig. Die Bedeutung wird bei Instrumentenflugregeln (IFR)-Bedingungen verstärkt. Beispielsweise hängt die Vermeidung von hohen Hindernissen und ansteigendem Gelände von einer präzisen Höhenanzeige ab, ebenso wie das Fliegen in einer vorgeschriebenen Höhe, die von der Flugsicherung (ATC) zugewiesen wird, um Kollisionen mit anderen Flugzeugen zu vermeiden. Die Höhenmessung mit einem Druckmessgerät ist mit Komplikationen behaftet. Es werden Schritte unternommen, um die Anzeige der Druckhöhe zu verfeinern, um Faktoren zu kompensieren, die eine ungenaue Anzeige verursachen können.
Ein Hauptfaktor, der Druckhöhenmessungen beeinflusst, sind die natürlich auftretenden Druckschwankungen in der gesamten Atmosphäre aufgrund von Wetterbedingungen. Unterschiedliche Luftmassen entwickeln und bewegen sich über der Erdoberfläche, jede mit inhärenten Druckeigenschaften. Diese Luftmassen verursachen das Wetter, das wir erleben, insbesondere an den Grenzbereichen zwischen Luftmassen, den sogenannten Fronten. Dementsprechend steigt und fällt der Luftdruck auf Meereshöhe, selbst wenn die Temperatur konstant bleibt, wenn Luftmassen des Wettersystems kommen und gehen. Die Werte in Abbildung sind daher Durchschnittswerte für theoretische Zwecke.
Um die Genauigkeit des Höhenmessers trotz variierendem atmosphärischen Druck aufrechtzuerhalten, wurde ein Mittel zum Einstellen des Höhenmessers entwickelt. Eine einstellbare Druckskala, die auf der Vorderseite eines analogen Höhenmessers, bekannt als barometrisches oder Kollsman-Fenster, sichtbar ist, ist so eingestellt, dass sie den vorhandenen atmosphärischen Druck anzeigt, wenn der Pilot den Knopf an der Vorderseite des Instruments dreht. Diese Einstellung ist durch Zahnräder im Inneren des Höhenmessers verbunden, um auch die Höhenanzeigezeiger auf dem Zifferblatt zu bewegen. Indem der aktuell bekannte Luftdruck (auch Höhenmessereinstellung genannt) in das Fenster eingetragen wird, zeigt das Instrument die tatsächliche Höhe an. Diese Höhe, bereinigt um atmosphärische Druckänderungen aufgrund von Wetter- und Luftmassendruckinkonsistenz, ist als angezeigte Höhe bekannt.
Es muss beachtet werden, dass bei Flügen unterhalb von 18.000 Fuß die Höhenmessereinstellung geändert wird, um sie an die der nächstgelegenen verfügbaren Wetterstation oder des nächstgelegenen Flughafens anzupassen. Dadurch bleibt der Höhenmesser während des Fluges genau.
Während es in der frühen Starrflügelfliegerei wenig Bedarf an exakten Höhenmessungen gab, lieferte die Kenntnis der eigenen Höhe dem Piloten nützliche Referenzen beim Navigieren in den drei Dimensionen der Atmosphäre. Als der Flugverkehr zunahm und der Wunsch, bei jedem Wetter zu fliegen, zunahm, wurde die genaue Höhenmessung immer wichtiger und der Höhenmesser wurde verfeinert. 1928 erfand Paul Kollsman die Mittel zum Einstellen eines Höhenmessers, um Abweichungen des Luftdrucks vom normalen atmosphärischen Druck widerzuspiegeln. Bereits im nächsten Jahr machte Jimmy Doolittle seinen erfolgreichen Flug und demonstrierte die Machbarkeit des Instrumentenflugs ohne visuelle Referenzen außerhalb des Cockpits mit einem empfindlichen Höhenmesser von Kollsman.
Der Begriff Druckhöhe wird verwendet, um die Anzeige zu beschreiben, die ein Höhenmesser liefert, wenn 29,92 im Kollsman-Fenster eingestellt ist. Beim Fliegen im US-Luftraum über 18.000 Fuß mittlerer Meereshöhe (MSL) müssen Piloten ihre Höhenmesser auf 29,92 einstellen. Da sich alle Flugzeuge auf dieses Standarddruckniveau beziehen, sollte eine vertikale Trennung zwischen Flugzeugen, die von ATC verschiedenen Höhen zugewiesen wurden, sichergestellt werden. Dies ist der Fall, wenn alle Höhenmesser ordnungsgemäß funktionieren und die Piloten ihre zugewiesene Höhe einhalten. Beachten Sie, dass die wahre Höhe oder tatsächliche Höhe eines Flugzeugs über dem Meeresspiegel nur bei normalen Tagesbedingungen mit der Druckhöhe übereinstimmt. Andernfalls könnten alle Flugzeuge mit Höhenmessern, die auf 29,92 "Hg eingestellt sind, wahre Höhen haben, die höher oder niedriger als die angezeigte Druckhöhe sind. Dies liegt daran, dass der Druck in der Luftmasse, in der sie fliegen, über oder unter dem Standardtagesdruck (29,92) liegt. Die tatsächliche oder wahre Höhe ist weniger wichtig, als zu verhindern, dass Flugzeuge kollidieren, was von allen Flugzeugen über 18.000 Fuß erreicht wird, die sich auf das gleiche Druckniveau (29,92 "Hg) beziehen.
Auch die Temperatur beeinflusst die Genauigkeit eines Höhenmessers. Die in Höhenmessern verwendeten Aneroidmembranen bestehen üblicherweise aus Metall. Ihre Elastizität ändert sich, wenn sich ihre Temperatur ändert. Dies kann insbesondere in großen Höhen bei sehr kalter Umgebungsluft zu einer Fehlanzeige führen. In viele empfindliche Höhenmesser ist ein Bimetall-Kompensationsgerät eingebaut, um Temperaturschwankungen auszugleichen. Abbildung zeigt ein solches Gerät auf einem Trommel-Höhenmesser.
Die Temperatur beeinflusst auch die Luftdichte, was einen großen Einfluss auf die Leistung eines Flugzeugs hat. Obwohl dies nicht dazu führt, dass der Höhenmesser fehlerhafte Messwerte liefert, müssen sich Flugbesatzungen darüber im Klaren sein, dass sich die Leistung mit Temperaturschwankungen in der Atmosphäre ändert. Der Begriff Dichtehöhe beschreibt die Höhe, die um nicht standardmäßige Temperatur korrigiert ist. Das heißt, die Dichtehöhe ist die Standard-Tageshöhe (Druckhöhe), bei der ein Flugzeug eine ähnliche Leistung erfahren würde, wie es an dem gerade erfahrenen Nicht-Standard-Tag der Fall wäre. Beispielsweise ist die Luft an einem sehr kalten Tag dichter als an einem normalen Tag, sodass ein Flugzeug so arbeitet, als befände es sich in einer geringeren Höhe. Die Dichtehöhe ist an diesem Tag geringer. An einem sehr heißen Tag ist das Gegenteil der Fall, und ein Flugzeug verhält sich so, als befände es sich in einer höheren Höhe, wo die Luft weniger dicht ist. Die Dichtehöhe ist an diesem Tag höher.
Umrechnungsfaktoren und Diagramme wurden erstellt, damit Piloten die Dichtehöhe an einem bestimmten Tag berechnen können. Die Einbeziehung von nicht standardmäßigem Luftdruck aufgrund von Wettersystemen und Feuchtigkeit kann ebenfalls berücksichtigt werden. Während also die Auswirkungen der Temperatur auf die Flugzeugleistung nicht dazu führen, dass ein Höhenmesser falsch anzeigt, kann eine Höhenmesseranzeige in Bezug auf die Flugzeugleistung irreführend sein, wenn diese Auswirkungen nicht berücksichtigt werden.
Andere Faktoren können eine ungenaue Höhenmesseranzeige verursachen. Skalenfehler ist ein mechanischer Fehler, bei dem die Skala des Instruments nicht so ausgerichtet ist, dass die Zeiger des Höhenmessers korrekt anzeigen. Regelmäßige Tests und Anpassungen durch geschulte Techniker mit kalibrierten Geräten stellen sicher, dass Waagenfehler auf ein Minimum reduziert werden.
Der Druckhöhenmesser ist mit dem Pitot-Statik-System verbunden und muss eine genaue Probe des Umgebungsluftdrucks erhalten, um die korrekte Höhe anzuzeigen. Positionsfehler oder Installationsfehler sind Ungenauigkeiten, die durch die Position der statischen Entlüftung verursacht werden, die den Höhenmesser versorgt. Während alle Anstrengungen unternommen werden, um statische Belüftungsöffnungen in ungestörter Luft zu platzieren, ändert sich der Luftstrom über der Flugzeugzelle mit der Geschwindigkeit und Fluglage des Flugzeugs. Der Betrag dieses Luftdruckerfassungsfehlers wird in Testflügen gemessen, und eine Korrekturtabelle, die die Abweichungen zeigt, kann dem Höhenmesser zur Verwendung durch den Piloten beigefügt werden. Normalerweise wird die Position der statischen Belüftungsöffnungen während dieser Testflüge so eingestellt, dass der Positionsfehler minimal ist. Positionsfehler können durch den ADC in modernen Flugzeugen entfernt werden, sodass sich der Pilot nicht um diese Ungenauigkeit kümmern muss.
Statische Systemlecks können den statischen Lufteingang zum Höhenmesser oder ADC beeinflussen, was zu ungenauen Höhenmesseranzeigen führt. Aus diesem Grund beinhaltet die statische Systemwartung alle 24 Monate Dichtheitsprüfungen, unabhängig davon, ob eine Abweichung festgestellt wurde. Weitere Informationen zu dieser obligatorischen Prüfung finden Sie im Abschnitt Instrumentenwartung am Ende dieses Kapitels. Es versteht sich auch, dass analoge mechanische Höhenmesser mechanische Geräte sind, die sich oft in einer feindlichen Umgebung befinden. Die erheblichen Schwankungen im Vibrations- und Temperaturbereich, denen die Instrumente und das Pitot-Statik-System (dh die Schlauchverbindungen und -fittings) ausgesetzt sind, können manchmal Schäden oder ein Leck verursachen, was zu einer Fehlfunktion des Instruments führt. Die richtige Pflege bei der Installation ist die beste vorbeugende Maßnahme.
Die mechanische Natur der Membrandruckmessvorrichtung des analogen Höhenmessers hat Beschränkungen. Die Membran selbst ist nur so elastisch, wenn sie auf Änderungen des statischen Luftdrucks reagiert. Hysterese ist der Begriff dafür, wenn sich das Material, aus dem die Membran besteht, während langer Horizontalflugperioden verformt. Wenn eine abrupte Höhenänderung folgt, verzögert sich die Anzeige oder reagiert langsam, während sie sich während einer schnellen Höhenänderung ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Einschränkung ist zwar vorübergehend, führt jedoch zu einer ungenauen Höhenanzeige.
Es sei darauf hingewiesen, dass viele moderne Höhenmesser so konstruiert sind, dass sie in Flugsteuerungssysteme, Autopiloten und Höhenüberwachungssysteme integriert werden können, wie sie beispielsweise von ATC verwendet werden. Der grundlegende Druckerfassungsbetrieb dieser Höhenmesser ist derselbe, aber ein Mittel zum Übertragen der Informationen wird hinzugefügt.
