ارتفاع‌سنج یا آلتیمتر

نویسنده : علی فهندژ سعدی 

ارتفاع‌سنج یا آلتیمتر (Altimeter) ابزاری است که برای اندازه‌گیری ارتفاع یک جسم نسبت به یک سطح مرجع ثابت به‌کار می‌رود.

به فرآیند اندازه‌گیری ارتفاع، ارتفاع‌سنجی (Altimetry) گفته می‌شود. دانستن دقیق ارتفاع برای حفظ ایمنی پرواز، جلوگیری از برخورد با موانع و اجرای صحیح مراحل نشست و برخاست ضروری است.

به‌طور کلی، ارتفاع‌سنج با اندازه‌گیری تغییرات فشار جو (Atmospheric Pressure) یا با استفاده از امواج رادیویی، صوتی و یا داده‌های ماهواره‌ای، میزان ارتفاع را تخمین می‌زند.

اصول فیزیکی اندازه‌گیری ارتفاع:

در جو زمین، فشار هوا (Air Pressure) با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد. در سطح دریا فشار استاندارد برابر با 29.92 اینچ جیوه (inHg) یا 1013.25 هکتوپاسکال (hPa) است.

در شرایط استاندارد جوی (ISA – International Standard Atmosphere)، فشار هوا تقریباً به ازای هر 1000 پا (ft) افزایش ارتفاع، حدود 1 اینچ جیوه (inHg) کاهش پیدا می‌کند.

به بیان دقیق‌تر:

هر 0.1 اینچ جیوه (inHg) معادل تغییر حدود 100 پا ارتفاع است.

بنابراین اگر فشار از 29.92 به 28.92 کاهش یابد، ارتفاع واقعی تقریباً 1000 پا افزایش می‌یابد.

در واحد SI، به‌ازای هر 8 متر افزایش ارتفاع، فشار حدود 1 هکتوپاسکال (hPa) کاهش می‌یابد.

فرض کنید هنگام برخاستن، ارتفاع‌سنج خود را روی ۲۹٫۹۶ inHg تنظیم کرده‌اید.

پس از حدود ۱۵۰ مایل پرواز، فشار هوا به ۲۹٫۷۰ inHg کاهش پیدا می‌کند.

اگر هیچ تنظیمی انجام ندهید، ارتفاع‌سنج شما حدود ۰٫۲۶ inHg اختلاف خواهد داشت:

این یعنی حدود ۲۶۰ فوت خطا در ارتفاع.

اگر در این وضعیت همچنان در ارتفاع نشان‌داده‌شده ۳٬۵۰۰ فوت از سطح دریا (MSL) پرواز کنید، در واقع ۲۶۰ فوت پایین‌تر از ارتفاع واقعی خود هستید.

به یاد داشته باشید قانون معروف را:

“High to low — look out below.”

اما اگر تنظیم جدید فشار را در پنجره کولسمَن (Kollsman Window) وارد کنید،

یا در هواپیماهای مدرن با پنل دیجیتال (Glass Cockpit) مقدار جدید را تنظیم نمایید، ارتفاع‌سنج دوباره ارتفاع واقعی و دقیق نسبت به سطح متوسط دریا (MSL) را نشان خواهد داد.

ساختار و عملکرد ارتفاع‌سنج فشاری (Pressure Altimeter):

رایج‌ترین نوع ارتفاع‌سنج در هواپیما، ارتفاع‌سنج فشاری (Pressure Altimeter) است که بر اساس  Aneroid Barometer کار می‌کند.

یک ارتفاع‌سنج استاندارد شامل تعدادی دیسک فلزی نازک و آب‌بندی‌شده است که به آن‌ها واشر آنروئید (Aneroid Wafers) گفته می‌شود. درون این واشرها فشاری ثابت برابر با ۲۹٫۹۲ اینچ جیوه (inHg) وجود دارد.

این واشرها بر اساس فشار ساکن (Static Pressure) که درون محفظه ارتفاع‌سنج وجود دارد، منبسط یا منقبض می‌شوند.

هوای ساکن از طریق لوله‌ای که به پورت‌های استاتیک (Static Ports) هواپیما متصل است، وارد محفظه ارتفاع‌سنج می‌شود.

به‌ غیر از این مسیر، محفظه کاملاً درزگیری و ایزوله است تا فقط هوای ساکن خارج از هواپیما وارد آن شود.

اگر فشار استاتیک افزایش یابد (یعنی هواپیما به ارتفاع پایین‌تر بیاید)، واشرها فشرده می‌شوند و عقربه به سمت عدد کمتر حرکت می‌کند و اگر فشار استاتیک کاهش یابد (یعنی هواپیما صعود کند)، واشرها منبسط شده و عقربه به سمت ارتفاع بالاتر می‌رود.

نحوه ی خواندن ارتفاع‌سنج:

خواندن یک ارتفاع‌سنج استاندارد با سه عقربه (Three-Hand Altimeter) کار ساده‌ای است. هر عقربه نشان‌دهنده بازه‌ی خاصی از ارتفاع است:

عقربه بلند (Long Pointer): ارتفاع را در بازه‌های 10'000 پایی نشان می‌دهد.

(مثلاً اگر عدد 2 را نشان دهد، یعنی 000'20 پا)

عقربه کوتاه و پهن (Short, Wide Pointer): ارتفاع را در بازه‌های 1'000 پایی نمایش می‌دهد.

 (عدد 2 یعنی 2'000 پا)

عقربه متوسط و باریک (Medium, Thin Pointer):  ارتفاع را در بازه‌های 100 پایی نشان می‌دهد.

(عدد 2 یعنی 200 پا)

به این ترتیب، با ترکیب موقعیت هر سه عقربه، خلبان می‌تواند ارتفاع دقیق هواپیما را بخواند

در مقابل، در هواپیماهای مدرن با نمایشگرهای دیجیتال (Glass Cockpit / PFD) ، داده‌ی ارتفاع به صورت عددی روی نمایشگر نشان داده می‌شود.

تنظیم فشار مرجع (Altimeter Setting)

وقتی فشار هوا استاندارد (۲۹٫۹۲ اینچ جیوه) نیست، چه اتفاقی می‌افتد؟

در سراسر جهان یا حتی در چند مایل فاصله تفاوت در فشار هوا می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر تنظیمات ارتفاع‌سنج داشته باشد.

هنگامی که از یک منطقه پرفشار (High-Pressure weather System) به سمت یک منطقه کم‌فشار (Low-Pressure System) پرواز می‌کنید (یا برعکس)، باید ارتفاع‌سنج خود را تنظیم مجدد کنید تا عددی که نشان می‌دهد، ارتفاع واقعی از سطح متوسط دریا (MSL) باشد.

برای این کار، خلبان ارتفاع‌سنج را با فشار محلی و غیر‌استانداردتنظیم می‌کند، که این عمل از طریق دریچه کولسمَن (Kollsman Window) روی ارتفاع‌سنج انجام می‌شود.

این تنظیم معمولاً برای هواپیماهایی که در ارتفاع کمتر از FL180 (18000 پا) پرواز می‌کنند، هر 100 مایل (NM) انجام می‌شود.

اما این اطلاعات فشار از کجا دریافت می شوند؟

اگر به‌صورت دیداری (VFR) پرواز می‌کنید، می‌توانید فرکانس یکی از ایستگاه‌های هواشناسی ASOS یا AWOS در فرودگاه‌های نزدیک را تنظیم کنید.

اگر از کنترل ترافیک هوایی (ATC) در حالت VFR Flight Following استفاده می‌کنید یا در حال پرواز طبق طرح پروازی IFR هستید، کنترلر ATC به‌صورت دوره‌ای تنظیم فشار جدید را به شما اعلام می‌کند.

همچنین اگر در هواپیما سیستم ADS-B یا هواشناسی SiriusXM دارید، می‌توانید تنظیم فشار فعلی (Altimeter Setting) نزدیک‌ترین فرودگاه را مستقیماً مشاهده کنید.

ارتفاع‌سنج رادیویی یا راداری  :(Radar Altimeter)

ارتفاع‌سنج راداری برخلاف نوع فشاری، ارتفاع را نسبت به سطح زمین (AGL – Above Ground Level) می‌سنجد.

این سیستم با ارسال یک موج رادیویی به سطح زمین و اندازه‌گیری مدت زمان بازگشت آن، فاصله‌ی عمودی تا زمین را محاسبه می‌کند.

کاربردهای اصلی:

فرود خودکار (Autoland)

هشدار نزدیکی به زمین (TAWS/GPWS)

پرواز در ارتفاع بسیار پایین (Terrain Following) برای هواپیماهای نظامی

ارتفاع‌سنج صوتی (Sonic Altimeter)

در دهه‌ی ۱۹۳۰ میلادی، نیروی هوایی ایالات متحده با همکاری جنرال الکتریک نوعی ارتفاع‌سنج صوتی (Sonic Altimeter) را آزمایش کرد که با ارسال امواج صوتی با فرکانس بالا، فاصله‌ی هواپیما تا زمین را اندازه‌گیری می‌کرد.

هرچند امروزه این نوع بیشتر در پهپادها (UAVs) و تجهیزات سبک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ارتفاع‌سنج ماهواره‌ای (Satellite or GPS Altimeter)

گیرنده‌های ماهواره‌ای مانند GPS نیز می‌توانند با استفاده از سه‌جانبه‌سازی (Trilateration) از چهار یا چند ماهواره، موقعیت سه‌بعدی شامل ارتفاع را محاسبه کنند.

اما دقت ارتفاع GPS به دلیل تأثیرات جو و خطاهای هندسی معمولاً کمتر از ۱۰ تا ۱۵ متر است و برای کاربردهای هوانوردی حیاتی باید با سیستم‌های کمکی (SBAS/WAAS) تصحیح شود.

ارتفاع‌سنج فاز رادیویی (Phase Radio Altimeter)

در پژوهش‌ها مشخص شده است که برای وسایل نقلیه‌ی اثرسطحی (Ground Effect Vehicles)، ارتفاع‌سنج‌های فاز رادیویی (Phase Radio Altimeter) از نوع لیزری، اولتراسونیک یا ایزوتروپیک دقت بالاتری دارند، زیرا در ارتفاعات بسیار پایین (چند متری) قادر به ارائه‌ی داده‌های پیوسته و دقیق هستند.

ارتفاع‌سنج در کابین‌های دیجیتال (Glass Cockpits) چگونه کار می‌کند؟

در هواپیماهای مدرن با نمایشگرهای پرواز الکترونیکی (Electronic Flight Displays - EFDs) ،

ارتفاع‌سنج‌ها کمی متفاوت از نمونه‌های مکانیکی عمل می‌کنند.

در این سیستم‌ها، داده‌های ارتفاع توسط رایانه داده‌های هوا

(Air Data Computer - ADC)  خوانده می‌شود.

ADC از همان هوای ساکن (Static Air Input) برای اندازه‌گیری فشار و محاسبه ارتفاع استفاده می‌کند،

اما برخلاف ارتفاع‌سنج‌های سنتی، هوای ساکن مستقیماً وارد دیافراگم مکانیکی نمی‌شود.

طبق توضیح اداره هوانوردی فدرال (FAA):

رایانه داده‌های هوا فشار بارومتریک دریافتی را محاسبه کرده و یک سیگنال دیجیتال به نمایشگر اصلی پرواز (PFD) ارسال می‌کند تا ارتفاع به‌درستی نمایش داده شود.

به بیان ساده، ADC همان اصول ارتفاع‌سنج سنتی (تبدیل فشار به ارتفاع) را به کار می‌برد،

اما این کار را به صورت الکترونیکی و با قطعات متحرک بسیار کمتر انجام می‌دهد

که نتیجه آن دقت بیشتر، اطمینان بالاتر و نگهداری آسان‌تر است.

مزیت‌های این سیستم شامل:

حذف خطای مکانیکی در عقربه‌ها

ارسال هم‌زمان داده به سامانه‌های ناوبری و اتوپایلوت

کالیبراسیون خودکار بر اساس داده‌های سنسورهای مرجع

ارتفاع‌سنج‌ها در انواع مختلف خود  از مدل‌های فشاری تا راداری و ماهواره‌ای ابزار کلیدی در حفظ ایمنی و کارایی پرواز محسوب می‌شوند.

درک درست از اصول فشار و رابطه‌ی آن با ارتفاع، به خلبانان کمک می‌کند تا تنظیمات دقیق و تصمیم‌گیری‌های ایمن‌تری داشته باشند.

در نهایت، با پیشرفت فناوری، نسل جدید ارتفاع‌سنج‌ها در قالب سیستم‌های ترکیبی

(Hybrid Altimetry Systems) توسعه یافته‌اند که داده‌های فشاری، GPS و راداری را برای دستیابی به دقت و قابلیت اطمینان بی‌سابقه ترکیب می‌کنند.