Вопрос № 3. Принцип действия приборов и датчиков для измерения воздушной скорости и числа М

 

Различают два вида воздушной скорости: истинную и индикатор­ную (приборную).

Истинной воздушной скоростью V называется скорость полета летательного аппарата относительно набегающего потока воздуха.

Индикаторная скорость V_инд - это величина, пропорциональная динамическому давлению набегающего потока воздуха, выраженная в единицах скорости полета при нормальных условиях атмосферы на уровне моря (Ро = 760 мм.рт.ст., То = 288°К). Динамическое давление

откуда

где К(М) - коэффициент пропорциональности, изменяющийся от 1 до 1,84 при изменении числа М от 0 до ∞;

ρ₀ - плотность воздуха при нормальных условиях. Между истинной воздушной и индикаторной скоростями существует следующая связь:

 

 

где, Т_н и Р_н - абсолютная температура а статическое давление на высоте Н.

Из уравнения видно, что истинная воздушная скорость V равна индикаторной скорости V_инд только при полете у земли при нормальных условиях, температура и давление при этом равны стандартным, т.е. Т_н = Т_о, Р_н = Р_о.

Индикаторная приборная скорость пропорциональна подъемной силе самолета, поэтому она используется летчиком при пилотировании самолета. Приборная скорость отличается от индикаторной скорости на величину погрешностей измерения, т.е. приборная скорость есть показания прибора, измеряющего индикаторную скорость. Скорость полета является векторной величиной. Направление вектора воздушной скорости в связанной системе координат определяется углами атаки и скольжения, а его модуль - указателями скорости.

В настоящее время на летательных аппаратах широкое применение находят унифицированные указатели приборной скорости типа УС-450, УС-1600 и комбинированные указатели приборной и истинной воздушной скоростей типа КУС и KУСИ ("И" - с командным индексом заданной скорости).

В основу принципа действия указателя истинной воздушной скорости положена зависимость ее от динамического Р_д, статического Р давлений и температуры Т воздушного потока:

 

V = f(Р, Р_д, Т)

 

Если в этом выражении положить что Р=Р_о и Т=Т_о, то получим выражение для определения приборной скорости

 

V_пр = f(Р_д)

 

которая зависит только от динамического давления.

Каждое из этих выражений представляется в развернутом виде двумя градуировочными формулами: первое - для чисел М, меньших и больших единицы, второе - для V_пр, меньших и больших стандартной скорости звука a0, т.е. скорости звука при T=T_o.

Принципиальная схема комбинированного указателя скорости представлена на рис. 7.

 

Рис. 7. Схема комбинированного указателя скорости

 

Внутри герметичного корпуса 1 размещены чувствительные элементы: манометрическая 2 анероидная 3 коробки. В корпус прибора подается статическое Р, а в манометрическую коробку – полное Р_п давления. При изменении Р_д = Р_п-Р перемещение подвижного центра манометрической коробки передается на стрелки приборной 4 и истинной воздушной 5 скоростей через передаточный механизм. При Р-Р_о и Т-Т_о обе стрелки должны совпадать, как следует из (6.5). С подъемом на высоту по мере уменьшения статического давления для формирования истинной воздушной скорости необходимо увеличивать передаточные отношения. Увеличение передаточного отношения и обеспечивается анероидной коробкой, учитывающей изменение статического давления с ростом Н. Для решения задач навигации часто требуется знать путевую скорость W - скорость полета самолета относительно Земли. Для ее определения необходима информация о направлении и скорости ветра или угле и скорости сноса самолета.

Погрешности указателей скорости, обусловлены изменением температуры. Инструментальная температурная погрешность незначительна, так как деформации манометрической и анероидной коробок при изменении температуры противоположны по знаку, поэтому взаимно компенсируются. Однако максимальная методическая температурная погрешность, возникающая при отклонении температуры от ее значения по стандартной атмосфере, составляет 8 - 10% от измеряемой скорости.

Для получения сигналов, пропорциональных истинной воздушной скорости, которые необходимы для ряда навигационных систем, систем управления, прицелов и др., применяются датчики воздушной скорости типа ДВС-7, ДВС-10. Принцип их построения аналогичен принципу, положенному в основу датчиков высоты.

Принципиальная схема ДВС показана на рис. 8. Щетки функциональных потенциометров R_Р и R_ΔP связаны с анероидным и мембранным блоками соответственно. Потенциометр R_oc служит для отработки сигналов, а также для получения линейной зависимости между выходным напряжением датчика и скоростью V. Датчик температуры R_т включен последовательно с резистором R, служащим для компенсации погрешностей ПВД и регулировки масштаба выходных напряжений.

 

 

Рис. 8. Датчик воздушной скорости

При изменении скорости сигнал разбаланса в измерительной диагонали моста после усиления подается на двигатель отработки типа ДИД-0.5, который перемещает щетку выходного потенциометра. Погрешность рассмотренных датчиков воздушной скорости не превышает ± 4% от максимального значения измеряемой величины. Аналогично строятся и датчики числа М.

Указатели числа М

Информация о числе М необходима летчику для предотвращения (автоматически или летчиком) выхода самолета или двигателя на критические по управляемости режимы, а также для изменения характеристик систем управления в зависимости от числа М. Так, например, коэффициенты лобового сопротивления C_x и подъемной силы C_y, а также величина сопротивления воздухозаборника зависят от числа М и, в свою очередь, приводят к изменению характеристик устойчивости и управляемости самолета.

Число М представляет собой отношение истинной воздушной скорости к скорости звука a:

M = V/a

 

Для измерения числа М используются указатели числа М. Так как звисимость (6.6) может быть представлена в виде

 

 

а скорость звука

 

 

где, К - постоянный коэффициент, то число М определяется только величинами давлений Рд и Р:

 

Это значит, что устройство указателей числа М не имеет заметных отличий от устройства указателей истинной воздушной скорости V. Однако в градуировочные формулы указателей числа М, которые пред­ставляются для М < 1 и М ≥ 1, не входит температура наружного воздуха.

В настоящее время на самолеты устанавливаются указатели числа М типа М-1,5, М-2,5, МС-1, МС-1,5, а также комбинированные указатели истинной скорости и числа М типа УИСМ.

Погрешности указателей числа М незначительны и вызваны теми же причинами, что и погрешности указателей скорости. Максимальное значение погрешностей не превышает ± 3% от измеряемой величины.

 

Вывод: принцип измерения скорости и числа М основан на использовании анероидных коробок. Разные значения индикаторной и истинной скорости также получают с помощью коррекции вносимой так же анероидной коробкой.