15. Комбинированный указатель скорости. Погрешности указателя скорости.

Комбинированные указатели скорости

На больших скоростях и высотах разность истинной и приборной скоростей становится уже значительной. Кроме того, на больших скоростях и высотах начинает заметно сказываться сжимаемость воздуха. Поэтому для скоростных и высотных самолетов разработаны двухстрелочные комбинированные указатели скорости (КУС), например, типа КУС-730/1100, КУС-1200. Эти указатели имеют две стрелки – широкую и узкую. На некоторых из них нанесены отдельные шкалы для каждой из стрелок (рис. 7.5), а на некоторых используется общая шкала.

Рис. 7.5. Комбинированный указатель скорости КУС-730/1100

Формула для градуировки такого прибора также получена из уравнения Бернулли, но при ее выводе учитывается, что воздух при его торможении перед ПВД сжимается и плотность его увеличивается. Это приводит к возрастанию полного давления.

Скорость зависит не только от скоростного напора q, измеряемого манометрической коробкой, но и от температуры T_H и статического давления на высоте P_H, которые указателем скорости не измеряются.

Широкая стрелка показывает, как и в однострелочном указателе, скорость, называемую приборной V_пр, но градуировка шкалы осуществлена уже по другой более точной формуле. Впрочем, разность между приборными скоростями по стрелке однострелочного указателя и широкой стрелки КУС на практике заметить невозможно. Ведь различие становится заметным только на больших скоростях, когда начинает проявляться сжимаемость, а однострелочные указатели на больших скоростях не работают. Поэтому можно считать, что широкая стрелка на всех видах указателей показывает приборную скорость, то есть скоростной напор, выраженный в единицах скорости.

Для формирования показаний узкой стрелки в КУС устройство прибора усовершенствовано. Механизм узкой стрелки КУС связан не только с манометрической коробкой, замеряющей скоростной напор, но и с блоком анероидных коробок. Анероидные коробки ведут себя аналогично тому, как они ведут себя в высотомере. С подъемом на высоту анероидный блок расширяется и поворачивает узкую стрелку на дополнительный угол по сравнению с широкой (рис.7.6). Тем самым учитывается изменение высоты полета, при увеличении которой истинная скорость растет. Показания узкой стрелки принято обозначать V_пр.КУС.

Можно считать, что шкала узкой стрелки отградуирована по той же формуле (7.5), но значения входящих в нее давления и температуры уже другие. Статическое давление P_H используется фактическое на высоте полета. Оно и измеряется анероидной коробкой.

Но температуру данный прибор не измеряет. В качестве температуры при градуировке используется температура на данной высоте в условиях стандартной атмосферы T_H.СА. То есть, похоже на то, как это сделано в обычном барометрическом высотомере.

Рис. 7.6. Кинематическая схема комбинированного указателя скорости

Таким образом, в идеальном КУС показания широкой стрелки отличаются от истинной скорости в основном потому, что температура и давление (плотность воздуха) на высоте существенно отличаются от их значений на уровне моря в СА.

Показания же узкой стрелки не совпадают с истинной скоростью потому, что фактическая температура на высоте не совпадает со стандартной температурой на этой высоте. Ранее отмечалось, что на больших высотах температура редко существенно отличается от стандартной. Поэтому и показания узкой стрелки очень близки к истинной скорости. Если в полете пилоту срочно потребовалась истинная скорость, ее приближенное значение можно отсчитать по узкой стрелке. Для получения более точного результата необходимо произвести расчет.

Погрешности указателей скорости

Инструментальные погрешности ΔV_и возникают из-за несовершенства конструкции прибора и неточности его регулировки. Каждый экземпляр прибора имеет свои значения инструментальных погрешностей.

Аэродинамические погрешности ΔV_a возникают из-за искажения воздушного потока в месте установки приемника воздушного давления. Характер и величина этих погрешностей зависят от типа воздушного судна, места установки приемника воздушного давления, скорости и высоты полета, конфигурации ВС. На скоростных самолетах они могут достигать нескольких десятков километров в час.

Аэродинамические погрешности одинаковы для всех ВС данного типа. Они определяются при проведении летных испытаний, публикуются в руководстве по летной эксплуатации ВС и заносятся в специальный график или таблицу поправок. На некоторых типах воздушных судов для упрощения учета поправок указателя скорости составляются таблицы суммарных поправок ΔV_Σ, учитывающие как инструментальные, так и аэродинамические погрешности.

В общем случае указатель скорости имеет два вида методических погрешностей, то есть погрешностей, вызванных самим методом измерения, несоответствием условий, принятых при расчете шкал приборов, фактическому состоянию атмосферы. Это погрешность за счет изменения сжимаемости воздуха и методическая погрешность из-за изменения плотности воздуха.

Погрешность из-за изменения сжимаемости вызвана тем, что при полете на скоростях более 350…400 км/ч воздух перед ПВД сжимается, и его плотность увеличивается. Это вызывает увеличение скоростного напора и, следовательно, завышение показаний указателя скорости.

Эти погрешности не могут быть учтены заранее при тарировке шкалы однострелочного указателя скорости, так как сжимаемость воздуха зависит не только от скорости полета, но и от плотности воздуха. Но однострелочные указатели рассчитаны на небольшие скорости и высоты полета, на которых данная погрешность не превышает единиц километров в час, то есть меньше цены деления на шкале указателя, поэтому для однострелочных указателей погрешность из-за изменения сжимаемости несущественна и на практике не учитывается.

В комбинированных указателях скорости показания широкой стрелки отградуированы по формуле (7.5), которая выведена уже с учетом сжимаемости воздуха. Но все равно она оказывается учтенной не полностью. Поскольку при градуировке в формулу подставлены P₀ и T₀, получается, что сжимаемость учитывается правильно только при полетах в условиях стандартной атмосферы у земли. С увеличением же высоты на самом деле сжимаемость изменяется, вследствие чего и возникает погрешность, поэтому данный вид погрешности и называется правильно «из-за изменения» сжимаемости.

На рис.7.7 показан график зависимости поправки на изменение сжимаемости от высоты и скорости полета.

Рис. 7.7. Поправка на изменение сжимаемости воздуха

Из-за неучета сжимаемости указатель скорости всегда показывает скорость больше фактической. Это означает, что поправка на изменение сжимаемости всегда отрицательна.

На практике для учета этой поправки используется таблица. Поскольку погрешность является методической, то данная таблица является единой для всех типов ВС и указателей скорости. При ее использовании необходимо помнить, что все значения поправок в таблице на самом деле являются отрицательными. Просто знак «минус» для экономии места в таблице не указан.

При формировании показаний узкой стрелки КУС с помощью анероидной коробки измеряется статическое давление, что позволяет при градуировке прибора учесть и изменение сжимаемости с высотой, поэтому при расчете истинной скорости по показаниям узкой стрелки поправку на изменение сжимаемости не учитывают.

Поскольку узкая и широкая стрелки КУС отградуированы по-разному, то есть для разных расчетных значений плотности, то и методическая погрешность в их показаниях будет различной.

Можно показать, что по показаниям узкой стрелки истинную воздушную скорость V_и можно рассчитать по формуле:

(7.6)

В данной формуле под V_пр.КУС понимаются показания узкой стрелки с уже учтенными инструментальными и аэродинамическими поправками, то есть в предположении, что они равны нулю.

Из данной формулы можно видеть, что при одном и том же показании узкой стрелки V_пр.КУС, чем выше фактическая температура, тем больше истинная скорость. То есть, при повышенных температурах прибор занижает показания, показывает скорость меньше правильной, и наоборот.

Разность между V_и и V_пр.КУС и является методической температурной поправкой. На практике значение самой этой поправки (разности скоростей) обычно не рассчитывается, а просто по V_пр.КУС сразу рассчитывают истинную скорость, то есть уже с учетом методической поправки. Расчет может быть произведен на НЛ-10М или по формуле (7.6).

Рассмотрим теперь методическую температурную погрешность, возникающую в показаниях широкой стрелки КУС или однострелочного указателя. Их градуировка выполнена для плотности воздуха ρ₀ =1,225 кг/м³, соответствующей условиям на уровне моря в стандартной атмосфере (P₀=760 мм рт.ст., T₀=288 K). Поэтому методическая погрешность возникает при любом отклонении от этих условий – не только по температуре, но и по давлению. Она наиболее велика на больших высотах полета, когда фактическое давление в несколько раз меньше P₀. Но и на уровне моря температура редко бывает равна стандартной +15°С (288 К), что также вызывает погрешность.

Учесть методическую поправку по показаниям широкой можно с помощью следующего соотношения:

(7.7)

где ρ_H – фактическая плотность воздуха на уровне полета,

V_инд – так называемая индикаторная скорость, полученная путем прибавления к приборной скорости V_пр инструментальной, аэродинамической поправок и поправки на изменение сжимаемости.

Плотность воздуха можно выразить через температуру и давление с помощью формулы

поэтому формулу (7.7) можно записать и в таком виде:

(7.8)