Принцип работы, устройство и погрешности барометрического высотомера.
По принципу своего устройства барометрический высотомер по сути представляет собой барометр-анероид с тем лишь отличием, что его шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты. Слово «анероид» в переводе с греческого означает «безводный» и используется в противоположность водяному ртутному барометру.
Чувствительным элементом высотомера (рис. 6.7) является анероидная коробка 4 (обычно используется блок из двух анероидных коробок).
Рис. 6.7. Принципиальная схема барометрического высотомера
Анероидная коробка является герметичной, запаянной, из нее выкачан воздух и поэтому в ней сохраняется давление, близкое к нулю. Когда высотомер находится у земли, коробка под действием атмосферного давления находится в наиболее сжатом состоянии. При подъеме на высоту, когда атмосферное давление снаружи анероидной коробки падает, она расширяется, поскольку поверхность коробки гофрирована и ведет себя как пружина. При снижении под действием увеличивающегося атмосферного давления коробка сжимается.
С анероидной коробкой через передающий механизм 3 связана стрелка 2, перемещение которой относительно шкалы прибора 1 соответствует расширению (сжатию) коробки и, следовательно, изменению высоты.
Анероидная коробка помещена в герметичный корпус прибора 5, в который через штуцер трубопровода 6 поступает атмосферное давление за бортом PH. Это же давление часто называют статическим давлением Pст, то есть давлением, которое имеет место в спокойной атмосфере на высоте расположения высотомера без учета дополнительного давления, возникающего из-за набегающего потока при движении ВС. Если на любой высоте поместить неподвижный обычный барометр, то он и покажет статическое давление.
Статическое давление поступает в трубопровод системы статического давления из приемника воздушного давления 7 (ПВД) или приемника статического давления.
ПВД предназначен для приема не только статического давления, но и полного давления. ПВД закрепляется снаружи фюзеляжа и представляет собой трубку, ориентированную по направлению полета. Отверстие, направленное навстречу набегающему потоку воздуха, предназначено для приема полного давления, которое в высотомере не используется, но необходимо для указателей скорости. Статическое же давление принимается боковыми отверстиями, которые расположены так, чтобы в них по-возможности не попадал набегающий поток.
На многих типах ВС статическое давление принимается отдельным приемником статического давления, который представляет собой цилиндрический штуцер, не выступающий за обшивку самолета. А полное давление на таких типах ВС принимается отдельно расположенным приемником полного давления (ППД).
Существует много типов барометрических высотомеров. Принцип их работы одинаков, различаются же они в основном устройством шкал. В двухстрелочных высотомерах по короткой стрелке отсчитываются тысячи метров (километры высоты), а по длинной – десятки и сотни метров. В однострелочных высотомерах – тысячи метров индицируются цифрами в специальном окошке (рис. 6.8). Возможны и другие варианты.
Кроме стрелок, показывающих высоту, на высотомере обязательно имеется небольшая шкала и связанная с ней кремальера установки давления P0, то есть давления, от уровня изобарической поверхности которого отсчитывается высота.
Высотомеры могут различаться и единицами измерения высоты – метры или, как принято за рубежом, футы (в этом случае их называют футомерами). Шкала установки давлений также может быть оцифрована в миллиметрах ртутного столба, гектопаскалях (миллибарах) или дюймах ртутного столба (в США).
Рис. 6.8. Внешний вид барометрических высотомеров
Рис. 6.9. Устройство двухстрелочного высотомера
Очевидно, что на самом деле высотомер, как и обычный барометр, измеряет атмосферное давление на высоте полета. Но шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты, то есть каждому измеренному давлению поставлена в соответствие какая-то высота, которую и показывают стрелки. Ключевым моментом в понимании работы высотомера является то, что при градуировке высотомера связь между измеренным давлением и индицируемой высотой заложена такая же, какая существует между этими величинами в стандартной атмосфере. Как говорят, высотомер отградуирован по стандартной атмосфере, то есть в соответствии с формулой (6.5).
Допустим, что на шкале давлений установлено P0=760 мм рт.ст. В этом случае по сути высотомер превращается в механизированную таблицу стандартной атмосферы (см. табл. 6.1). Любому конкретному измеренному давлению соответствует вполне определенная высота, показываемая прибором, а именно та высота, на которой в стандартной атмосфере давление равно измеренному. То есть, если, например, расширение анероидной коробки соответствует давлению 330 мм рт.ст., то стрелки высотомера покажут высоту 6500 м (см. табл. 6.1). А если измерено давление 760 мм рт.ст., то стрелки покажут Н=0.
Эта связь между давлением и высотой однозначна и не зависит ни от фактической (геометрической) высоты самолета над уровнем моря или аэродрома, ни от температуры или характера ее изменения с высотой.
Понятно, что в реальной атмосфере зависимость давления от высоты вовсе не такая и каждый раз разная. Поэтому показания барометрического высотомера (барометрическая высота) вовсе не соответствует фактическому расстоянию до ВС от уровня начала отсчета. Барометрическая высота – это вообще не высота, то есть не расстояние от одного уровня до другого.
Барометрическая высота – показания идеального барометрического высотомера, отградуированного по стандартной атмосфере. Или иначе – это высота в стандартной атмосфере, соответствующая измеренному значению давления.
На шкале давлений высотомера может быть установлено не обязательно значение 760 мм рт.ст., но и любое другое значение P0, лежащее в пределах шкалы давления (например, от 650 до 790 мм рт.ст.). Конструктивно высотомер устроен таким образом, что при вращении кремальеры установки давления весь механизм вместе с анероидной коробкой и зубчатыми колесами поворачивается на определенный угол. При этом не только меняется установленное на шкале давление, но и перемещаются стрелки высотомера (примерно на 11 м при изменении давления на 1 мм рт.ст.). Эту операцию можно интерпретировать просто как смещение шкалы отсчета высот. Форма кривой зависимости давления от высоты осталась той же, но шкала высот сместилась так, что по ней нулевое значение высоты соответствует установленному давлению (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Установка давления
Таким образом, высотомер будет показывать нулевое значение высоты, если атмосферное давление в точке его нахождения равно давлению, установленному на шкале давлений.
Поэтому можно приближенно считать, что барометрический высотомер показывает высоту относительно уровня изобарической поверхности с тем значением давления, которое установлено на высотомере. Точным это утверждение будет только в стандартной атмосфере, а во всех остальных случаях показания высотомера, конечно, не будут совпадать с фактической (геометрической) высотой. И расхождение (методическая температурная погрешность) будет тем больше, чем сильнее фактическая температура отличается от стандартной.
Пилот, устанавливая давление, сам выбирает уровень, от которого высотомер будет показывать высоту.
Рис. 6.11. Изменение установленного давления и высоты
Когда пилот в полете выдерживает по высотомеру постоянную барометрическую высоту, это вовсе не значит, что ВС летит на постоянной высоте в геометрическом смысле этого слова. Это означает, что ВС летит так, чтобы статическое давление, то есть давление на высоте, сохранялось постоянным. Ведь именно его на самом деле измеряет высотомер. Следовательно, ВС летит по изобарической поверхности, повторяя все ее изгибы в реальной атмосфере. При этом нетрудно определить и численное значение давления на этой изобарической поверхности, то есть давление за бортом. Если на высотомере установлено давление 760 мм рт.ст., а высотомер показывает высоту, например, 3000 м, то по таблице стандартной атмосферы, по которой и отградуирован высотомер, можно посмотреть соответствующее этой высоте давление. В данном примере 525,7 мм рт.ст.
Погрешности барометрического высотомера
Барометрический высотомер имеет ряд погрешностей, различающихся по вызывающим их причинам. Погрешности, вызванные разными факторами, складываются, образуя одну общую погрешность – разность между приборной и фактической высотами.
Инструментальные погрешности вызваны чисто техническими причинами – неточным изготовлением и физическим износом прибора. Инструментальные погрешности являются индивидуальными для каждого экземпляра прибора. Но для разных значений высоты величина погрешности может быть разной. Например, на высоте 2000 м высотомер показывает на 10 м больше, а на высоте 8000 м на 25 м меньше.
Значения инструментальных погрешностей для каждого высотомера с установленной периодичностью определяются экспериментально с помощью специального оборудования наземным техническим составом.
Аэродинамические погрешности вызваны тем, что давление в корпусе барометрического высотомера по каким-либо причинам отличается от статического давления за бортом. Например, если за бортом Pст=354 мм рт.ст. (в стандартной атмосфере соответствует высоте 6000 м), а в корпусе высотомера оказалось давление 355 мм рт.ст., то высотомер покажет высоту соответствующую именно этому давлению – 5979 м, поскольку на этой высоте барическая ступень составляет примерно 21 м/мм рт.ст.
Основной причиной, вызывающей аэродинамическую погрешность, является изменение характера обтекания воздухом отверстия приемника статического давления. Как уже отмечалось, это отверстие размещают в таком месте, чтобы в него не попадал набегающий поток. Но с изменением скорости и высоты, а также конфигурации ВС ( положения шасси, закрылков и другой механизации) характер обтекания существенно меняется. Упрощенно говоря, в отверстие может «задувать» часть набегающего потока. Создавшееся в результате этого неправильное давление и попадет в корпус высотомера.
Очевидно, что величина аэродинамической погрешности зависит от скорости, высоты полета и конфигурации ВС.
Если рядом на одинаковой высоте и с одинаковой скоростью летят два ВС одного и того же типа в одинаковой конфигурации, то и воздух их будет обтекать совершенно одинаково. Следовательно, аэродинамическая погрешность при прочих равных условиях (скорость, высота, конфигурация) будет одинаковой не только для каждого высотомера, установленного на ВС, но и для всех ВС данного типа. Поэтому значения аэродинамической погрешности определяют один раз при летных испытаниях нового типа ВС. Значения этих погрешностей приведены в Руководстве по летной эксплуатации (РЛЭ).
Суммарная (приборная) поправка. Инструментальные и аэродинамические погрешности высотомера принято складывать, образуя суммарную погрешность. Величина, противоположная ей по знаку, называется суммарной (а иногда – приборной) поправкой высотомера:
ΔHпр= ΔHинс + ΔHаэр .
В данном выражении ΔHпр, ΔHинс, ΔHаэр – соответственно суммарная (приборная), инструментальная и аэродинамическая поправки высотомера.
С учетом суммарных поправок для каждого экземпляра высотомера составляют бортовые таблицы, которые находятся в кабине летного экипажа и используются им при измерении и занятии высоты. Каждому значению заданной высоты эшелона Нэш в таблице соответствует показание высотомера Нпр на этой высоте с учетом суммарной поправки:
Нпр=Нэш − ΔHпр .
Это сделано для исключения возможности перепутать знак при учете поправки.
При занятии заданной высоты пилот обязан учитывать суммарную (приборную) поправку, то есть занимать высоту по прибору, определенную по таблице.
Методическая температурная погрешность называется методической, поскольку она обусловлена самим методом измерения высоты, заложенным в высотомере. Ее величина одинакова для всех барометрических высотомеров.
Как показано в начале данной главы, связь давления и высоты не является однозначной, она зависит еще и от характера изменения температуры воздуха с высотой. В градуировку барометрического высотомера заложен такой закон изменения температуры с высотой, который соответствует стандартной атмосфере. В реальной же атмосфере каждый день, каждый час и в разных географических пунктах зависимость температуры от высоты различна и, следовательно, зависимость давления от высоты отличается от стандартной атмосферы.
Методическая температурная погрешность высотомера – это разность Нпр и Нф. Соответственно, методическая температурная поправка ΔHt противоположна ей по знаку:
ΔHt = Нф − Нпр.
Рассмотрим две кривые зависимости давления от высоты при одном и том же давлении на уровне начала отсчета (рис. 6.12). Одна кривая соответствует температуре в стандартной атмосфере, а вторая соответствует условиям, когда температура ниже стандартной, например, зимой.
Рис. 6.12. Температурная погрешность высотомера
Можно видеть, что одному и тому же измеренному значению статического давления Рн соответствуют разные высоты. Барометрический высотомер, отградуированный по первой кривой, покажет Нпр независимо от того, какова температура. Фактическая же высота Нф будет зависеть от того как именно, под каким наклоном идет вторая кривая, насколько она отклоняется от первой (стандартной) кривой. Чем больше температура отличается от стандартной, тем больше будет расхождение кривых, тем больше будут различаться приборная и фактическая высоты, тем больше будет температурная погрешность. Она может достигать десятков и сотен метров, особенно на больших высотах и при низких температурах.
Из рисунка также можно видеть, что на больших высотах (когда Рн мало) ΔHt, вызванная расхождением кривых, больше, чем на малых высотах.
Кривые (см. рис. 6.12) иллюстрируют случай, когда фактическая температура ниже (холоднее), чем температура в стандартной атмосфере. Здесь высота по прибору больше, чем фактическая, то есть высотомер завышает высоту. Это самый неблагоприятный случай с точки зрения безопасности полетов. Например, пилот отсчитывает по высотомеру высоту 1000 м, а на самом деле высота 800 м. Это может угрожать столкновением с препятствием.
Таким образом, необходимо помнить: в холодное время года (при температуре ниже стандартной) барометрический высотомер показывает высоту больше фактической. Методическая температурная поправка, то есть разность фактической и приборной высот, тем больше по абсолютной величине, чем сильнее температура отличается от стандартной и чем больше сама высота полета. Например, если высота по прибору 10000 м, а температура у земли −40°, то при таких условиях фактическая высота менее 9000 м, то есть ΔHt превышает километр!
На основе формулы Лапласа (6.2) можно получить следующую формулу для расчета поправки ΔHt:
(6.6)
где ΔT отклонение температуры от стандартной;
Hф – фактическая (геометрическая) высота;
Tср.ф – средняя абсолютная температура слоя воздуха между уровнем начала отсчета высоты и уровнем высоты полета.
Рассмотрим пример. Допустим ВС летит на абсолютной высоте Нф=3500 м. Известно, что на близлежащем аэродроме с превышением Наэр=2000 м фактическая температура tф=−30°, а средняя температура слоя воздуха от уровня моря до высоты полета tср.ф=−35° С. Какую высоту покажет высотомер, на шкале давлений которого установлено давление на уровне моря?
Найдем стандартную температуру на аэродроме.
tса=+15 – 6,5 Наэр [км] = +15−6,5 2 =+15−13=+2° С.
Найдем отклонение фактической температуры на аэродроме от стандартной:
Δt=−30–(+2)= −32°.
Очевидно, что разность абсолютных температур (по Кельвину) равна разности температур по Цельсию, то есть ΔT= Δt=−32 K.
Средняя абсолютная температура слоя воздуха:
Tср.ф=273+ tср.ф=273+(−35)=238.
Тогда температурная поправка равна:
Высотомер покажет барометрическую высоту по прибору
Hпр=Hф − ΔHt=3500 – (−451)= 3951 м.
Поправка в данной формуле вычитается в соответствии с правилом учета поправок, поскольку осуществляется переход от фактической высоты, то есть более «истинной», к приборной высоте.
Таким образом, ВС летит фактически на высоте 3500 м над уровнем моря, а высотомер показывает 3951 м. Если же пилот займет по прибору 3500 м, как это, например, указано на схеме захода на посадку, то фактически ВС будет лететь примерно на 450 м ниже и может столкнуться с препятствиями.
Отсюда следует, что методическая температурная поправка высотомера должна обязательно учитываться при расчете безопасных высот полета, гарантирующих от столкновения с препятствиями, а также при заходе на посадку, то есть во всех случаях, когда необходимо знать фактическое расстояние до земли (препятствия).
Прочие погрешности. Перечисленные выше виды погрешностей барометрического высотомера являются основными и всегда присутствуют при измерении высоты.
1. Погрешность из-за неточной установки давления на высотомере. Барометрический высотомер показывает высоту относительно уровня той изобарической поверхности, давление которой установлено на его шкале давлений. Если же пилот случайно установил не то значение давления, которое требовалось, то высотомер будет показывать высоту уже от другого уровня. Возникнет погрешность измерения высоты по сравнению с тем ее значением, которое на самом деле необходимо знать пилоту. Нетрудно убедиться в том, что погрешности в один миллиметр ртутного столба соответствует погрешность в высоте, равная величине барической ступени на уровне того давления, которое установлено на высотомере.
Например, если вместо давления 760 мм рт.ст. пилот установил 758 мм рт. ст., то высотомер будет показывать высоту на 22 м меньше правильной, поскольку на уровне давления 760 мм рт.ст. барическая ступень составляет 11 м/мм рт.ст. Величина этой погрешности не зависит от того, на какой высоте летит ВС, а зависит от величины установленного давления. То есть, при устанавливаемых давлениях 750 и 710 мм рт.ст. погрешность будет разной, хотя и незначительно, но для каждого из этих значений будет одинакова и на высоте 600 м, и на 10 000 м.
2. Погрешность из-за запаздывания показаний высотомера возникает в наборе или снижении ВС и вызвана тем, что воздух обладает вязкостью. При снижении ВС давление за бортом быстро увеличивается, но из-за вязкости воздуха давление в корпусе высотомера не сразу выравнивается с давлением за бортом. А ведь именно на это давление реагирует анероидная коробка. Получается, что высотомер показывает высоту не фактическую, а ту, которая была несколько секунд назад. Он запаздывает в своих показаниях. Разумеется, в процессе набора высоты прибор показывает высоту меньше фактической, а при снижении – больше фактической.
Наибольшую опасность эта погрешность представляет при снижении. Во-первых, снижение обычно производится с большей вертикальной скоростью, чем набор, и, следовательно, величина погрешности больше. Во-вторых, при снижении высотомер завышает высоту, что мешает пилоту правильно оценить расстояние до земли (препятствия).
Подробных экспериментальных данных о зависимости величины запаздывания от вертикальной скорости и других факторов в научной литературе не имеется. Но известно, что для тех вертикальных скоростей, с которыми в нормальных условиях снижаются гражданские воздушные суда, погрешность из-за запаздывания невелика и составляет максимум несколько десятков метров. Но, например, при пикировании истребителя с вертикальной скоростью 250 м/с (900 км/ч) погрешность достигает 1000 м.
3. Погрешность из-за локального изменения давления. В горной местности, если воздушный поток (ветер) пересекает горный хребет примерно перпендикулярно к нему, то за хребтом образуется вихрь, в центре которого давление (в соответствии с законом Бернулли) меньше, чем в окружающей вихрь воздушной среде.
Если пилот выдерживает постоянную высоту по барометрическому высотомеру и самолет попадет в область пониженного давления, связанную с вихрем, то высотомер покажет увеличение высоты. Пилот подумает, что самолет начал набирать высоту и переведет его в снижение. Фактически при этом самолет снизится ниже заданной высоты, что в горной местности может привести к катастрофе.
Очень приближенная формула для оценки величины этой погрешности высотомера имеет вид:
ΔH≈0,1 u2,
где u - скорость ветра, м/с.
Из данной формулы следует, например, что при скорости ветра 30 м/с погрешность высотомера составит около 90 м.
В полете пилоту трудно определить возникновение такой погрешности и тем более ее величину. В связи с этим при построении схем захода на посадку на горных аэродромах для установления заданных высот используют повышенные запасы высоты над препятствиями.