Аэродинамические авиационные приборы

и вертолетостроение»
Разработал: Павлов А.Н.
Улан-Удэ
2014
Аэродинамика

аппарат
МСА – международная стандартная атмосфера
ПВД – приемник воздушного давления
РВ –

радиовысотомер
СВС – система воздушных сигналов
СВЧ – сверхвысокочастотный

(альтиметры)
Измерение скорости изменения высоты полета. Вариометры

двух видов:
Истинная воздушная скорость (TAS – true air speed)

– действительная скорость движения ЛА относительно воздуха за счёт тяги двигателя. Вектор скорости в общем случае не совпадает с продольной осью ЛА. На его отклонение влияют углы атаки и скольжения.
Приборная скорость (IAS – indicated air speed) – показывается прибором, измеряющим воздушную скорость. Значение приборной скорости используется при пилотировании ЛА.

Путевая скорость (GS – ground speed) – это скорость ЛА относительно земли. Зависит от воздушной скорости, скорости и направления ветра. Рассчитывается или измеряется при помощи технических средств самолётовождения. Используется при решении навигационных задач.

Крейсерская скорость (CS – cruise speed) – скорость горизонтального полета, при которой отношение потребной тяги к скорости полета минимально. На крейсерской скорости военная авиация совершает обычно свои боевые действия, а гражданская – рейсы по маршрутам. Составляет 0,7..0,8 максимальной скорости полета.

спидометр, который механическим или электронным способом соединен с колесом. Таким

образом, скорость вращения колеса дает нам скорость, с которой автомобиль движется по дороге.

Для определения скорости полета ЛА этот способ не пригоден, поскольку единственная среда, с которой ЛА контактирует непосредственно — это воздух.

Чем быстрее самолет летит, тем сильнее на него давит встречный воздушный поток (или еще говорят, тем больше скоростной напор). Отсюда логично определять скорость полета по величине этого давления.

система воздушных сигналов (СВС).
Работа СВС основана на показаниях двух датчиков

– трубке Пито* и трубке Прандтля**.

Трубка Пито изобретена в 1732 году. Представляет собой L-образную трубку, один конец которой помещен в воздушный поток.

*Анри Пито (1695-1771) – французский инженер-гидравлик
** Людвиг Прандтль (1875-1953) – немецкий механик и физик

Этот поток в трубке тормозится, создавая в ней избыточное давление, по величине которого и можно судить о скорости потока.

полное давление p, равное сумме динамического (скоростного напора) и статического

давлений.

Последнее выражение по существу представляет собой закон Бернулли.
Из него можно найти величину скорости набегающего потока:

Исходя из этой формулы, работают все авиационные измерители скорости, основанные на аэродинамических принципах.

Видно, что для определения скорости необходимо знать как полное, так и статическое давление. Но трубка Пито измеряет только полное давление, а статическое приходится измерять отдельно.

Поэтому трубка Пито была усовершенствована.

динамического давления. Представляет собой комбинацию трубки Пито и напорной трубки

для измерения статического давления потока.

Оба эти давления обычно отводятся в герметичные емкости, разделенные чувствительной мембраной, движение которой передается на стрелочный указатель скорости полета.
Этот прибор также называется расходомером скоростного напора Прандтля, так как он позволяет вычислить скорость, а, следовательно, и расход в заданном сечении.

1 – трубка Прандтля; 2 – воздуховоды;
3 – шкала указателя скорости (УС);
4 – чувствительная мембрана

В трубке Прандтля имеется одно отверстие в направлении потока для измерения полного давления и несколько отверстий по кольцу вдоль поверхности трубки для измерения статического давления.

давления (ПВД). Они дают первичные данные в сложный комплекс СВС.
Трубки

Пито сейчас применяются только в малой авиации. В комплекте к ним обязательно идут приемники статического давления в виде плиты с отверстиями на обшивке ЛА.

Трубка Пито под крылом самолета Cessna 172

Указатель скорости УС-350 для малоскоростных самолетов

это типичные трубки Прандтля. Они обязательно снабжаются системой электрообогрева, так

как небольшие отверстия при обледенении самолета могут быть закупорены льдом. На стоянках ПВД закрывают заглушками или чехлами для исключения попадания посторонних предметов и грязи в отверстия.

ПВД на вертолете Ка-26

ПВД самолёта Rockwell-MBB X-31

ПВД вертолёта Ми-24

которую летчик видит на приборной доске. Она используется для пилотирования

ЛА непосредственно в данный момент времени.

Для навигации используется истинная скорость, т.е. фактическая скорость полета ЛА относительно воздуха. По ней, например, определяется время прибытия в конечный пункт маршрута. Измерить эту скорость обычно невозможно. Она рассчитывается с использованием приборной скорости, давления воздуха и его температуры. При этом учитываются погрешности указателя приборной скорости. Они всегда есть, как у любого измерительного прибора на нашей земле.

прибора.
Аэродинамические. Это ошибки, возникающие при замере статического давления. Обусловлены конструкцией

самолета, местом расположения датчиков и скоростью полета.

Методические. Эти ошибки обусловлены тем, что каждый указатель скорости тарируется под нормальные условия. Это когда атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., а температура воздуха 15°С. Но при подъеме на высоту эти условия меняются. Меняется также плотность воздуха и, следовательно, приборная скорость. С подъемом на высоту приборная скорость всегда меньше истинной.  Они равны только при нормальных атмосферных условиях. Все эти погрешности учитываются в виде поправок при навигационных расчетах.

Эти погрешности бывают:

км/ч. При бόльших скоростях начинает проявляться сжимаемость воздуха. Она порождает

новую методическую ошибку в измерении скорости, которую тоже надо учитывать. Влияние сжимаемости с ростом высоты и скорости полета растет, переходя в эффекты сверхзвука.

ПВД на СУ-24М

принятого за начало отсчета, до ЛА.
В зависимости от уровня

начала отсчёта различают высоты:
истинную ‒ от местности, находящейся непосредственно под ЛА;
относительную ‒ от уровня ВПП, аэродрома и т.п.;
абсолютную ‒ от уровня моря;
эшелона – от уровня с давлением 760 мм рт. ст.

бывают:
барометрические
радиотехнические (радиовысотомер).

Анероидная коробка деформируется, реагируя на изменения давления. Эти деформации передаются

через кинематическую систему (передаточно-множительный механизм) на указательную стрелку, двигающуюся по шкале.

Схема высотомера ВД-20

Ан-2 и других поршневых самолётах, на вертолётах) установлен двустрелочный высотомер

ВД-10 или аналогичный зарубежный, подобный обычным часам  — только циферблат разделён не на 12, а на 10 секторов, каждый сектор для большой стрелки означает 100 м, а для маленькой — 1000 м.

Аналогичный по конструкции высотомер ВД-20, установленный на Ту-134 или Ту-154, имеет отдельную градуировку циферблата для короткой стрелки до 20 км. Данная конструкция стала де-факто международным стандартом.

Пределы измерения у приборов могут быть различны. Например, ВД-28 (МИГ-29), ВДИ-30 (МИГ-23) имеют пределы измерения, равные цифрам в их наименовании, т. е. 28 и 30 км соответственно. Буквы во всех названиях означают «высотомер двухстрелочный».

(один оборот за 1000 м или 1000 футов высоты), а полная

высота отображается цифрами в окне.
Буква «Ф» означает, что шкала отградуирована в футах.

Точность измерения барометрических высотомеров (допустимая погрешность измерений) определяется действующими стандартами и лежит, как правило, в пределах до 10 м.

Высота полёта ЛА вычисляется по разности давления в точке нахождения ЛА и давления на поверхности, над которой оно находится. Атмосферное давление на поверхности (как правило, в районе аэродромов посадки, горных массивов либо крупных опасных препятствий) сообщается экипажу наземными службами. Для правильного отображения высоты полёта на приборе необходимо вручную установить величину атмосферного давления на земле. Неправильная установка экипажем такого давления при полётах с нулевой видимостью не раз становилась причиной авиакатастроф.

СВЧ радиосигнала от самолетной передающей антенны до поверхности земли или

воды и обратно от поверхности до приемной антенны.

В отличие от барометрического высотомера его показания не зависят от состояния атмосферы, никакое исходное давление ему для работы не нужно, и показывает он истинную высоту Ни, отличаясь к тому же большей точностью.

Единственно теоретически возможная неточность состоит в том, что сигнал от передатчика направленный. Поэтому при больших углах крена и тангажа (более 20°) возможны погрешности в измерениях, т.к. в этом случае сигнал попадает на поверхность под углом и проходимое им расстояние оказывается больше, чем истинная высота полета.

Кроме того, вызывает вопросы экологичность радиоизмерений, т.к. для обеспечения требуемой точности необходимо применять коротковолновые мощные передатчики, небезопасные для биосферы.

расположена «на брюхе» воздушного судна, приёмника отражённого сигнала, устройств обработки

сигналов, а также индикатора на приборной доске экипажа, на который передаются данные о текущей высоте.

Радиовысотомеры делятся на РВ малых высот (РВ-3, РВ-5), которые предназначены для определения высот до 1500 м и работают в режиме непрерывной радиолокации, и высотомеры для больших высот (более 1500 м), например РВ-18, измеряющий высоту до 30 км, работающие в импульсном режиме.
У всех РВ имеется сигнализатор малой высоты, подающий световой и звуковой сигнал при понижении высоты ниже заданной летчиком.

РВ малых высот применяются при заходе на посадку, при висении вертолета и полете на малых и предельно малых высотах.

до нескольких (от 4 до 6) спутников. На основании математических

вычислений прибор определяет широту и долготу ЛА на поверхности Земли, а также высоту Набс относительно среднего уровня моря.
Больше точность, чем у барометрическими и радиотехнических высотомеров, т. к. не зависит ни от атмосферного давления, ни от измерения расстояния до физического рельефа местности.
Тем не менее, надо помнить, что на высоких скоростях сильно проявляется доплеровский эффект, да и на вычисление высоты приёмнику нужно время (до секунды), что приводит к отставанию вычисленной координаты от реальной.
Используются сейчас на самолетах малой авиации, а также в качестве парашютных высотомеров для спортивных прыжков с парашютом.

(изотопы Со или Сs). Приёмник фиксирует обратное фотонное излучение, отражённое

от поверхности.
ГЛВ обладают высокой точностью, устойчивы к воздействию различного рода помех, влияющих на точность измерений. Гамма-лучевые высотомеры используются на малых высотах (метры, десятки метров от поверхности).
Основное применение — системы мягкой посадки космических кораблей. В частности, в космических кораблях «Союз» ГЛВ (шифр изделия «Кактус») установлен у днища спускаемого аппарата, и место его установки маркировано знаком радиационной опасности.

обеспечением безопасности полётов.
Поэтому на современных ЛА применяют сразу несколько

приборов для измерения высоты. Отказ хотя бы одного из них считается особым случаем и расценивается как предпосылка к лётному происшествию.

Приборная доска бомбардировщика ТУ-160 1 ‒ высотомер ВМ-15; 2 ‒ указатель высоты УВО-М1; 3 ‒ радиовысотомер

Кабина пилотов А-320

или иными словами вертикальную скорость ЛА.
В английском вариометр обозначается VSI

– vertical speed indicator или VVI – vertical velocity indicator.

Единицы измерения на наших приборах – м/с, на западных могут быть футы ft (1 фут = 0,3048 м) в минуту или узлы, что бывает чаще.  Узел (knot) соответствует скорости в одну милю (1852 м) в час.

Вариометры в кабине ТУ-134

Вариометр в кабине вертолета CH-47C Chinook

давления.
Давление это подводится к двум емкостям. В первую воздух попадает

от ПВД беспрепятственно и давление там всегда равно атмосферному. Во вторую же он поступает с задержкой, потому что на своем пути проходит через суженный участок ‒ капилляр. Поэтому изменения давления с высотой в ней запаздывают по сравнению с аналогичными изменениями в первой емкости.

Таким образом  между этими двумя емкостями при изменении высоты постоянно существует разность давлений, которая тем больше, чем больше вертикальная скорость ЛА. Остается только эту разницу зафиксировать и отобразить визуально с помощью какого-либо указателя. Простейшим указателем является циферблат со стрелкой.

может быть разным. Например, такое.
Здесь чувствительным элементом является тонкостенная манометрическая

коробка, деформирующаяся под действием разницы давлений в ней и вне ее (в корпусе вариометра). Эта деформация через кинематическую систему рычагов передается на указательную стрелку.

называемые безинерционные быстродействующие вариометры.
Дело в том, что воздух обладает массой,

а, значит, и инерцией. Поэтому при резких изменениях высоты он не сразу оказывает воздействие на чувствительные элементы традиционного вариометра. Поэтому в показаниях вертикальной скорости в начальный момент маневра возможны отставания от действительности.

Поэтому в состав вариометра включают специальный ускоритель (акселератор). Схема его показана на рисунке. Подпружиненный поршень имеет относительно большую массу, и при изменении высоты самолета он практически мгновенно опускается или поднимется.

1 - акселератор, 2 - капилляр

и она, деформируясь, воздействует на стрелку указателя. Далее, если процесс

набора высоты или снижения сохраняется, то поступающий через калиброванные сечения трубопроводов воздух «догоняет» ситуацию, поршень под действием пружины возвращается в исходное положение, и вариометр продолжает  работать, как обычный.

в основном применяется для планеров. Принцип его работы показан на

схеме. Чувствительным элементом, связанным с указательной стрелкой, здесь служит так называемый «флажок».
На него поочередно может давить поток воздуха, поступающий от канала статического давления ПВД  в компенсирующую емкость – при снижении, либо из компенсирующей емкости при подъеме.

(измерителя потока). В нашей ситуации поток – это воздух. Чем

поток сильнее, тем шарик, в нем расположенный поднимается выше и наоборот, соответственно. Красный шарик – спуск, зеленый – подъем.
Справа показана работа вариометра с индикаторными шариками

он используется при пилотаже для контроля высоты, в частности при

осуществлении горизонтальных маневров (разворотов).
Для примера можно привести очень широко распространенный в нашей военной авиации прибор ДА-200. Но это не просто вариометр, а комбинированный прибор, совмещающий в себе разные функции.

Он включает в себя собственно вариометр, а также указатель крена (до 45°) – это важно при выполнении горизонтального разворота, и указатель скольжения.
Белая стрелка на иллюстрациях – это как раз указатель вертикальной скорости.

1 – шкала вариометра; 2 – винт юстировочный; 3 – указатель скольжения ; 4 – стрелка вариометра; 5 – шкала указателя поворота;
6 – стрелка указателя поворота

Прибор ДА-200К в кабине СУ-25

парапланы), вариометр важен вдвойне.
Именно на планерах были впервые применены электронные

вариометры, в которых чувствительными элементами являются два очень маленьких термистора (терморезистора), расположенных достаточно близко друг к другу. Они, как известно, меняют свое сопротивление в зависимости от нагрева.

Нагрев их осуществляется небольшим (≈15 мА) током до ≈100 °С. При спуске поток воздуха поступает в компенсирующую камеру, при этом охлаждая первый термистор. Второй остается в аэродинамической тени и не испытывает интенсивного обдува, поэтому охлаждается меньше.

Получаем разность температур двух термисторов, а значит и разность их сопротивлений. Остается только преобразовать эту разность в движение стрелки указателя. При подъеме воздух движется уже из компенсирующей камеры и происходят аналогичные процессы, только меняется очередность термисторов.

Этот вариометр имеет большое быстродействие и может издавать звуковые сигналы, меняющие громкость и тональность в соответствии с интенсивностью и направлением вертикальных маневров.