Meteoroloogia

Meteoroloogia osa mehitamata õhusõiduki käitamises

Peatükk koosneb kolmest teemast õppevideo ning lugemismaterjalidega, milles igaühes käsitletakse ilma mõjusid mehitamata õhusõiduki käitamisele. Ning täiendavast neljandast teemast, kus on toodud viited lehekülgedele, kust saab koguda lennuettevalmistuse jaoks ilmainfot.

Esimese teema märksõnadeks on: tuul, tuulenihe, turbulents, linnaefekt, õhutemperatuur, sademed ja pilved.

Teise teema märksõnadeks on: õhurõhk, õhutihedus, õhuniiskus, nähtavus.

Kolmanda teema märksõnadeks on: jäätumine, jäätumise ohud, jäätumise liigid.

Peatüki lõpust leiate ka enesekontrollitesti, mis on abiks õpitu kinnistamisel. 

Ilmastikunähtused

  

  

Tuul, tuulenihe ja turbulents

Mehitamata õhusõidukite kasutusjuhendis on enamasti toodud lubatud maksimaalne tuulekiirus, mille juures ohutus on veel tagatud.

Igal õhusõidukil on oma tuuletaluvus, mis on tootja poolt määratud. Lendamine väljaspool lubatud hälvet, põhjustab probleeme navigeerimisel ning seadmel ei pruugi olla piisavalt jõudu tuuletakistuse ületamiseks või saavutatakse väga kiiresti äärmuslikud kiirused ning võib tekkida varisemine.

Tuule jälgimise juures on oluline arvestada ka tuule suuna ja kiiruse muutustega kõrgustes. Tuule kiirus kasvab kõrguse lisandudes ning võib oluliselt erineda maapinnalähedasest tuulest. Ettevaatlik tuleb olla ka külgtuulega, mis võib õhusõiduki trajektoori muuta selliselt, et kaob otsenähtavus ning halveneb raadioühendus seadmega.

Tuulenihe on definitsiooni kohaselt tuule suuna ja/või kiiruse muutus ning võib esineda nii horisontaalselt kui vertikaalselt. See tähendab, et esineb tuule nii ühe kui mitme komponendi (tuule suund, tuule kiirus) muutus ühel horisontaalsel tasapinnal (mida mõõdaksime samal kõrgusel paiknevate anenomeetritega saades erinevad suuna ja/või väärtused) või kõrguse suunas (mida mõõdaksime erinevatel kõrgustel paiknevate anenomeetritega saades erinevad suuna ja/või kiiruse väärtused).

Joonis 1. Turbulents (allikas: The Comet programm).

Teades lennu kestel valitsevaid tuuli on võimalik selle mõjuga arvestada:

vastutuule korral pikeneb lennuaeg, taganttuule mõjul võib kiirus kasvada üle lubatud piiride. 

Kõiki neid faktoreid tuleb arvestada lennu planeerimisel. Tuule puhul tuleb silmas pidada selle suunda ja kiirust nii reaalajas kui ka lähemate tundide jooksul.

Linnaefekt

Soojussaared linnades on inimtegevuse tagajärjel tekkinud ümbritsevast oluliselt soojemad alad. Temperatuurierinevused on suurimad öösiti ning on eriti märgatavad tuulevaikuses. Soojussaarte mõjusid täheldatakse enim suvel ja talvel. Ehitised, teed ja muud taristu osad neelavad ja kiirgavad suuremal hulgal soojust kui looduslikud pinnad nagu metsad ja veekogud ning tõusev soe õhuvool tekitab õhu keeriselist liikumist, mis tekitab õhusõidukitele turbulentsi.

Õhutemperatuur

Kui Päike soojendab maapinda, see soojeneb ja maapind omakorda soojendab vahetult selle kohal olevat õhku. Mida kõrgemale tõusta, seda jahedam on õhk. Rusikareegel on, et iga tuhande jala kohta jahtub õhk umbes 2 kraadi. Seega kui maapinnal on õhu temperatuur 20 kraadi, siis 1000 jala (ehk umbes 300 meetri) kõrgusel on see 18 kraadi. 

Joonis 2. Õhu soojenemine (allikas: https://www.weather.gov/jetstream/heat)

Seda teades, saab hinnata õhusõidukit ümbritseva õhu temperatuuri ja pidada kinni sellele määratud temperatuurivahemikust. 

Enamik kasutatavaid akusid on temperatuurist oluliselt mõjutatud ning seeläbi on mõjutatud ka seadme lennuaeg. Madalatel temperatuuridel on akude eluiga lühem, seetõttu tuleks kasutada vaid täielikult laetud akusid ning jälgida akude laetuse taset kogu lennu vältel.

Ööpäeva lõikes on madalaimad temperatuurid tavaliselt päikesetõusu ajal, mil maapind on enim jahtunud. Kuna aga õhk on halb soojusjuht, siis selgetel tuulevaiksetel öödel võib maapinnast kõrgemal tekkida inversioon. See on olukord, kui kõrguste suunas, vastupidiselt tavapärasele, temperatuur hoopis kasvab. Seda täheldatakse enim sügisel ja talvel ning inversioonikihi alla võivad tekkida udu ja madalad pilved. 

Külmal ajal, kui õhutemperatuur langeb nullilähedaseks, tuleb valmis olla jäätumiseks. Vesi võib ka alla 0-kraadistes oludes olla vedel ning siis jäätub see kokkupuutel külmema pinnaga hetkega. Seetõttu tuleb eriti hoolikalt jälgida ilmaprognoose ning vältida jahedal ajal vihmaseid olusid. 

Joonis 3. Lennumeteoroloogiline info (allikas: http://www.lennuilm.ee/opmet/)

Kõrgeimad temperatuurid on tavaliselt pealelõunasel ajal, mil maapind on päikesekiirguse mõjul enim soojenenud. See aga võib õhus oleva piisava niiskuse olemasolul kaasa tuua rünkpilvede arengu. Rünkpilvedes tõusvates õhuvooludes esineb tuulenihet ja turbulentsi. Ka toovad rünksajupilved kaasa hoogsademeid, võivad esineda rahe ja äike.

Sademed

Vihm
Pilvedest langevad üle poolemillimeetrised nähtavad veepiisad, mis moodustavad vihma, põhjustavad nähtavuse halvenemist ning see omakorda mõjutab piloodi otsenähtavust. Lisaks pole enamik mehitamata õhusõidukeid veekindlad ning selletõttu peaks sademetes lendamist vältima. Sademed on väga erineva intensiivsusega ning sademete hulk varieerub suuresti, kuid ka vähene kogus vett võib akude ja elektroonikasüsteemide jaoks hävitav olla. Lisaks võib vihm mõjutada selliste mehitamata õhusõidukite kasutamist, mis kasutavad stabiilsuse hoidmiseks ja navigeerimiseks kaamerate abi, sest vihm võib liikumise eristamiseks vajalikku kontrastsust vähendada. Sademed võivad mõjutada ka raadiolevi ulatust. Kui lennu kestel hakkab sadama, on soovitatav lend katkestada ning seadme märjad osad viivitamatult kuivatada. 

Uduvihm
Vedelad sademed, mis langevad väga väikeste piiskadena. Nende langemist ei ole silmaga peaaegu märgata. Veepinnale ringe ei teki. Tumedale riidele jääb uduvihmast hallitust meenutav sade. Uduvihma sajab tavaliselt kihtpilvedest või udust.

Lumi
Tahked sademed, mis langevad maapinnale lumekristallidena või räitsakatena, kui õhutemperatuur on alla 0°C. Tavaliselt sajab kihtsajupilvedest, aga ka kõrgkiht –, kihtrünk- ja kihtpilvedest

Hooglörts
Hoogsademed laiade märgade räitsakate näol, mis sulavad kiiresti. Esinevad sageli koos vihmaga.

Lauslörts
Sademed, mis langevad maapinnale suurte räitsakatena ja sulavad kiiresti. Õhutemperatuur on nullilähedane. Vahel sajab koos räitsakatega ka vihmapiisku.

Pilved

Mehitamata õhusõidukitele olulisemateks pilvedeks tuleb pidada madalaid kiht- ja kihtsajupilvi, mis toovad kaasa laussademeid ning halvendavad oluliselt nähtavust; ning rünk- ja rünksajupilvi, kuna rünkpilvede all on tugevad tõusvad õhuvoolud ning suure vertikaalarenguga rünkpilve puhul ka tugevad laskuvad õhuvoolud. Rünkpilvede ümber on turbulentne õhuvool (vt pilti ülevalpool) ning rünksajupilvedega kaasnevad hoogsademed, rahe, turbulents ning võimalik on jäätumine pilvedes ja äike. 

Välgulöögist tekkival elektromagnetväljal on kaugeleulatuv mõju sidesignaalidele ja elektroonikale (välku võib esineda ka ~15km raadiuses äikesepilvest, seega kuuldes müristamist on äike juba häiringute tekitamiseks piisavalt lähedal). Välgutabamus on elektroonikale hävitav ning seetõttu pole rünksajupilvede esinemise korral MÕS lennutamine soovitatav.

Pilvede paljudest liikidest on kasulik lugeda Riigi Ilmateenistuse Pilvede koolist: https://www.ilmateenistus.ee/ilmatarkus/kasulik-teada/pilved/ ning süvendatud huvi korral Maailma Meteoroloogiaorganisatsiooni Pilveatlasest: https://cloudatlas.wmo.int/

Õhu füüsikalised omadused

Õhurõhk

Atmosfääri koostises olevad aatomid ja molekulid on pidevas liikumises ning hoolimata nende väikesest suurusest avaldavad survet pindadele. Seda survet nimetatakse õhurõhuks. Kuigi iga osakese surve on väike, on summaarselt kogu õhu rõhk arvestatav. Kõrguse suunas õhurõhk langeb, sest enamik õhuosakestest on koondunud küllaltki õhukesse maapinna-lähedasse õhukihti.

Ehkki otseselt jälgides on õhurõhu muutused aeglased, on õhurõhk pidevas muutumises. Õhurõhu muutusi põhjustavad muutused õhu tiheduses ning õhu tihedus on seotud õhutemperatuuriga. Soe õhk on hõredam kui külm õhk, sest gaasi molekulidel on soojas õhus suurem kiirus ning on seetõttu üksteisest kaugemal kui külmas õhus.

Õhutihedus

Õhu tihedus on õhu mass ruumalaühiku kohta. Õhu tihedus nagu ka õhurõhk kahaneb kõrguse kasvades. Lisaks muutub õhu tihedus õhurõhu, temperatuuri ja õhuniiskuse muutumise tõttu. 

Kui õhurõhk kasvab, surutakse õhku enam kokku, ruumala väheneb ning seetõttu õhu tihedus kasvab. Niisamuti, kui õhurõhk langeb, õhk paisub, st ruumala suureneb ning õhu tihedus kahaneb.

Seega: õhutihedus on võrdelises seoses õhurõhuga.

Kui õhku soojendada, õhk paisub ning õhu hulk ühes ruumalaühikus kahaneb. Seega õhu tihedus kahaneb, kui õhutemperatuur tõuseb ning saame öelda: õhutihedus on pöördvõrdelises seoses õhutemperatuuriga.

Vee molekulaarmass on väiksem kui lämmastikul ja hapnikul ning kui lisada õhku veeauru, siis asendame sellega raskemad lämmastiku ja hapniku molekulid ning õhu kogumass ruumalaühikus kahaneb, seega õhutihedus väheneb. 

Seega: õhutihedus on pöördvõrdelises seoses veeauru hulgaga.

Niiske õhk on niisiis hõredam kui kuiv õhk. 

Atmosfääri alaosas (troposfääris) kahanevad kõrguse suunas nii õhutemperatuur kui õhurõhk, mis avaldavad õhutihedusele kumbki vastupidist mõju. Kuid kuna õhurõhu langus on oluliselt kiirem kui õhutemperatuuri langus, siis kokkuvõttes õhu tihedus kõrguse suunas siiski kahaneb. 

Näiteks standardatmosfääri tingimustes on õhu tihedus poole võrra kahanenud merepinnal olevast õhutihedusest umbes 7km kõrgusel.

Õhutihedus sõltub ka geograafiliselt asukohast. Maapinnal langeb õhutemperatuur laiuskraadide suurenedes (st liikudes pooluste poole); ekvaatoril on õhutemperatuur kõrge ja õhk seetõttu maapinna lähedal hõre, kuid kõrguse suunas liikudes tähendab see, et ekvaatori kohal jätkub õhuosakesi ka kõrgemale, kui samal kõrgusel pooluste kohal. Pooluste kohal külmas õhus on enamik õhuosakesi koondunud maapinna lähedale, õhk on tihe ja kõrguste suunas muutub õhk kiiresti hõredaks.

Õhutihedus mõjutab tõmmet, tõstejõudu ja takistust:

Õhutiheduse määravad ära õhurõhu, õhutemperatuuri ja õhuniiskuse kombinatsioonid: madala õhurõhuga on madal õhutihedus; mida kõrgemal paikneda, seda madalam on õhurõhk, seda madalam on õhutihedus; mida kõrgem on õhutemperatuur, seda madalam on õhutihedus ning mida kõrgem on õhuniiskus, seda hõredam on õhk.

Õhuniiskus

Päevasel ajal kui õhutemperatuur tõuseb, suhteline õhuniiskus langeb, sest õhu võime veeauru siduda kasvab temperatuuri tõustes. Peale lõunat, nii 15 ajal hakkab õhutemperatuur langema ning seetõttu langeb ka õhu võime veeauru siduda ja suhteline õhuniiskus hakkab tõusma. Kõrgem suhtelise õhuniiskuse tase öösiti on ka sügiseste ja talviste uduvine ja udu põhjuseks õhtustel aegadel. 

Maksimaalne suhtelise õhuniiskuse hulk on umbes 30min pärast päikesetõusu, kui õhutemperatuur on harilikult minimaalne. 

Nähtavus

Jäätumine

Jäätumine on põhjamaades levinud ilmastikunähtus ning elektriliinidele ja ehitistele kogunevat jääkihti on kaua uuritud. Niisamuti on hästi teada ka jäätumise mõjud mehitatud õhusõidukitele. Viimastel aastatel on taastuvenergia kasutuselevõtuga hakatud enam uurima ka tuuleturbiini labade jäätumist. 

Mehitamata õhusõidukite kasutuselevõtuga on kerkinud esile ka vajadus uurida jäätumise mõjusid mehitamata õhusõidukite süsteemidele. Uuringud on näidanud, et jää koguneb ka MÕS kerele, tiibadele ja labadele sarnaselt mehitatud õhusõidukitega. Jää kiht mõjutab oluliselt õhusõiduki käitamist ning seetõttu on toimunud MÕSide rikkeid. 

Jäätumisoludes (temperatuur alla 0, piisava õhuniiskuse olemasolu õhus) lendamisel tekib jääkiht esmalt propellerilabade/tiibade esiservadele. Tekkiv jääkiht takistab õhuvoolu propelleri/tiiva ümber ning muudab selle vähemefektiivseks. Kui ei teki piisavalt tõmmet ning tõstejõudu, ei ole MÕS võimeline edasi lendama. Kui akumuleerunud jää hulk muutub kriitiliseks, hakkab jää lahti murduma ning ehkki aerodünaamilised omadused lühiajaliselt sellest paranevad, võivad lenduvad tükid põrgata õhusõiduki kere või tüürpindade vastu. Ebaühtlaselt jaotunud jää põhjustab õhusõiduki tasakaalumuutusi ning tugevaid vibratsioone. 

Õhusõiduki suurus ning lendamise kiirus on olulised tegurid, mis määravad ära jäätumise intensiivsuse. Uurimused on näidanud, et ühesugustes jäätumisoludes koguneb rohkem jääd väiksemale õhusõidukile ning seetõttu on ohud väiksemale õhusõidukile oluliselt suuremad kui suuremale õhusõidukile. Seega väiksemad õhusõidukid on jäätumise osas tundlikumad. Võrreldes mehitatud ja mehitamata õhusõidukite lendamise kiirusi, on MÕS enamasti aeglasem ning seetõttu ei teki ka hõõrdumisest niipalju soojust, kui suurematel kiirematel õhusõidukitel. Seegi on jäätumist soodustav tegur. (täpsemalt on võimalik lugeda UAV Icing Lab postitusest ning seal viidatud uuringutest)

Hetkel on parim praktika olnud jäätumisoludes MÕS-i mitte käitada, kuid nõudlus iga ilmaga käitatavate lennumasinate järele on tinginud põhjalikke uuringuid. Videos viidatud Norra Tehnikaülikooli NTNU aastatepikkuse töö eesmärk on mõista, kuidas jää MÕSile tekib ja uurida selle mõjusid MÕS aerodünaamikale. Nende uurimuste tulemusel on välja töötatud D-ICE tehnoloogia, mis võimaldab tuvastada ja maandada jäätekke ohte. UBIQ Aerospace on NTNU haru, mille ülesanne on jätkuvalt D-ICE tehnoloogiat arendada. Täpsemalt saab nende tööga tutvuda UAV Icing Lab lehel: https://uavicinglab.com/

Soovi korral on võimalik tutvuda NTNU vanemuurija dr Richard Hanni tööga Atmospheric Ice Accretions, Aerodynamic Icing Penalties, and Ice Protection Systems on Unmanned Aerial Vehicles, 2020 https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/handle/11250/2657638

Meteoroloogilise info hankimine

Kliimaministeeriumi hallatav riigiasutus Keskkonnaagentuur pakub ilmateenust lehel: https://www.ilmateenistus.ee/  

Lennumeteoroloogilist informatsiooni saab Keskkonnaagentuuri Lennumeteoroloogiateenuse lehelt: https://www.lennuilm.ee/ 

Kuna Eestis hetkel ei pakuta madalatele lendudele kohandatud kujul informatsiooni, võib soovi korral vaadata Soome Ilmateenistuse mehitamata õhusõidukitele pühendatud ilmalehte: https://drone.weatherproof.fi/

Samuti on ilma jälgimiseks ja prognoosidega tutvumiseks mitmeid rakendusi nutiseadmetele, mille hulgast valida, kuid siinkohal üks nii veebis- kui rakendusena kasutatav enam rõhku visualiseerimisele pühendav leht: https://www.windy.com/

Enesekontrollitest

Enesekontrollitesti saab teha klõpsates SIIN