14. Принцип работы однострелочного указателя воздушной скорости. Приборная скорость.

Однострелочные указатели скорости

В уравнение Бернулли входят плотности воздуха ρ в обоих сечения струйки. Для небольших скоростей (до 400-450 км/ч) и высот полета (до 4000-5000 м) воздух можно считать несжимаемым и, следовательно, плотность воздуха в обоих сечениях считать одинаковой (ρ₁ = ρ₂ = ρ_H). Исходя из этого предположения конструируются и градуируются однострелочные указатели скорости, устанавливаемые на ВС с не очень большими скоростями и высотой полета. К ним относятся, например, УС-350, УС-450.

Рассмотрим струйку воздуха, обтекающего ПВД, и два ее сечения. Первое сечение возьмем на некотором расстоянии перед ПВД, а второе –на входе в ПВД (рис. 7.2).

Рис. 7.2.. Сечения струйки воздуха перед ПВД

В первом сечении скорость потока V₁ равна истинной воздушной скорости V_и, а давление P₁ – это статическое давление P_ст, то есть давление P_H на данной высоте полета.

Во втором сечении на входе в ПВД скорость потока относительно ВС равна нулю (V₂=0), он полностью затормаживается. Но его кинетическая энергия не исчезает, а переходит в энергию давления. Давление P₂ на входе в ПВД называется полным давлением P_п. Его название объясняется тем, что оно складывается из двух частей: статического давления P_ст, которое поступало бы в приемник даже при неподвижном ВС, и дополнительного динамического давления P_д, которое возникло из-за скорости набегающего потока.

С учетом изложенного уравнение (7.1) примет вид:

откуда можно получить

Динамическое давление P_Д по-другому называется скоростным напором и в этом случае обозначается q. Эта величина является очень важной, в том числе в аэродинамике. Название ее объясняется тем, что чем больше скорость, тем больше q, а на неподвижном ВС воздух вообще никакого «напора» не создает.

Тогда:

откуда можно выразить истинную скорость

(7.2)

Из данной формулы следует, что для определения истинной скорости необходимо знать скоростной напор и плотность воздуха на высоте полета.

Скоростной напор

q=P_Д = P_П – P_СТ

непосредственно измеряется в указателе скорости.

Измерение скоростного напора осуществляется следующим образом (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Принципиальная схема работы указателя скорости УС-450К

Полное давление набегающего потока от приемника воздушного давления 6 подается внутрь манометрической коробки 1, находящейся внутри корпуса указателя скорости 4. В сам корпус по трубопроводам 5 поступает статическое давление от соответствующего отверстия ПВД. Получается, что внутри коробки полное давление, равное сумме статического и динамического, а снаружи – только статическое. В результате этого расширение или сжатие коробки зависит от разности давлений, то есть динамического давления (скоростного напора q). Деформация манометрической коробки под действием разности давлений через передаточный механизм 2 передается на стрелку указателя.

Таким образом, перемещение стрелки, то есть показания прибора на шкале 3 зависят только от скоростного напора, именно который данный прибор и измеряет.

Однако, как следует из формулы (7.2), на самом деле скорость зависит не только от скоростного напора, но и от плотности воздуха на высоте ρ_H, которая указателем скорости не измеряется. Поэтому при градуировке шкалы используется не фактическая плотность, а постоянное значение ρ₀, равное плотности воздуха на уровне моря в стандартной атмосфере. Эту плотность можно выразить через температуру T₀ и давление P₀:

(7.3)

где P₀=760 мм рт.ст. – давление на уровне моря в СА (при расчетах должно

подставляться в формулу в системе СИ, то есть в паскалях);

T₀=288 K – абсолютная температура в СА на уровне моря;

g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

R=29,27 м/К – газовая постоянная воздуха.

После подстановки в формулу (7.2) постоянного значения плотности связь между скоростным напором и скоростью становится однозначной. Каждому значению скоростного напора (степени расширения манометрической коробки) соответствует определенная скорость на шкале прибора. Но теперь она уже не равна истинной воздушной скорости, поскольку определена не по фактической, а по стандартной плотности воздуха. Скорость, полученная при такой градуировке прибора, называется индикаторной земной скоростью V_{инд.зем}. Если считать указатель скорости идеальным, то есть не имеющим инструментальных и аэродинамических погрешностей, то эта скорость и является приборной воздушной скоростью, поскольку именно ее и покажет идеальный прибор.

Таким образом

(7.4)

Как уже отмечалось, приборная скорость, как и индикаторная земная, не является скоростью движения ВС относительно какого- либо объекта, то есть это вообще не скорость в строгом смысле слова. По сути это просто величина скоростного напора, выраженная в единицах скорости. Но она имеет большое значение для аэродинамики и, следовательно, для пилотирования ВС. Ведь все аэродинамические силы, действующие на самолет, в том числе подъемная сила, зависят именно от скоростного напора (динамического давления). Поэтому в руководстве по летной эксплуатации максимальные, минимальные и все заданные скорости указаны приборные или индикаторные земные.

Для навигации же необходима именно истинная скорость, то есть фактическая скорость перемещения ВС относительно воздуха. Сравнение формул (7.3) и (7.4) показывает, что они различаются лишь значением плотности. На большой высоте полета плотность воздуха ρ_H может быть в несколько раз меньше ρ₀ и, следовательно, приборная скорость будет гораздо меньше истинной.

Если пилот в полете выдерживает по указателю скорости постоянную приборную скорость, то фактически он выдерживает постоянным скоростной напор. Но на большой высоте, где воздух разрежен и плотность его мала, для поддержания такого же напора q как у земли, необходимо лететь быстрее, с большей истинной скоростью. Поэтому на малых высотах приборная скорость близка к истинной, а при наборе высоты с постоянной приборной скоростью истинная скорость возрастает.

На рис. 7.4 показан внешний вид некоторых отечественных и зарубежных однострелочных указателей скорости. Зарубежные приборы градуируются не в километрах в час, а в узлах (knots). Узел – это морская миля в час.

Рис. 7.4. Внешний однострелочных вид указателей скорости