Тема 12. Измерение линейной скорости движения летательных аппаратов

Информация о скорости полета необходима для успешного решения задач пилотирования и навигации.

Для летательного аппарата существует минимальная безопасная скорость полета, при которой крыло самолета развивает достаточную подъемную силу и обеспечивает устойчивый полет. Уменьшение скорости ниже безопасного предела приводит к потере подъемной силы и сваливанию самолета в штопор, т.е. к аварийной ситуации.

Измерение скорости необходимо и для навигации – определения положения самолета в пространстве и выбора рациональной траектории полета.

Самый простой метод измерения скорости полета применялся еще на самых первых летательных аппаратах и заключается он в измерении скоростного напора от набегающего на аппарат воздушного потока.

В соответствии с законами аэродинамики (законом Бернулли) если искусственно затормозить набегающий воздушный поток, это приведет к повышению давления за счет скоростного напора.

Простейший прибор для измерения скорости полета показан на рис.115.

Рис.115

Измерение скорости полета ЛА.

Если набегающий воздушный поток попадает в глухую полость, он затормаживается до скорости V=0. В результате давление в этой полости увеличивается по сравнению со статическим давлением окружающей среды Р_С на величину динамического (скоростного) напора

, (67)

где ρ – плотность воздуха, V₀ – скорость набегающего потока (скорость полета).

Для определения скорости полета необходимо из полного давления заторможенного потока Р_С+Р_D вычесть статическое давление Р_С и вычислить скорость по формуле

Поскольку в эту формулу входит плотность окружающего воздуха ρ, которая существенно зависит от высоты полета, необходимо эту плотность знать. Измерение плотности воздуха представляет сложную задачу. Гораздо более простая задача – измерение статического давления на высоте полета, а между изменением плотности и статического давления по высоте есть взаимосвязь. На рис 116 показаны зависимость плотности и статического давления от высоты для «стандартной атмосферы» /4 c120/.

Рис.116

Свойства стандартной атмосферы.

Использовав близость зависимости Р_С(Н) и ρ(Н) были созданы указатели скорости полета, измеряющие статическое давление и полное давление заторможенного потока, в которых реализовывались соответствующие формулы.

Для приема указанных давлений используется ПВД (приемник воздушного давления) схематически показанный на рис.117.

Рис.117

Приемник воздушного давления.

Трубка ПВД устанавливается навстречу набегающему потоку и выносится на некоторое расстояние от передней кромки крыла, чтобы измерять параметры невозмущенного потока. Центральный канал открыт навстречу потоку и в нем формируется полное давление. Вокруг центрального канала расположена цилиндрическая полость, в наружной стенке которой есть отверстия параллельные воздушному потоку. В этом случае торможения потока не происходит и в этой полости давление равно статическому давлению на высоте полета. По трубкам полное и статическое давление передаются в прибор – указатель скорости, в котором размещены чувствительные элементы для измерения давлений (мембранные коробки) и механизмы, передающие перемещение центров мембранных коробок на стрелку, формируя угол поворота стрелки соответствующий воздушной скорости полета.

Подъемная сила крыла зависит от скоростного напора Р_D, который при одной и той же воздушной скорости изменяется от высоты полета (из-за изменения ρ). Поэтому минимальная допустимая скорость полета (скорость сваливания в штопор) тоже зависит от высоты полета. Так при полете на высоте 10000 метров со скоростью 800 км/час подъемная сила крыла будет такой же, как при полете вблизи поверхности земли со скоростью 464 км/час. Для обеспечения безопасности полета пилоту необходимо знать, каким запасом подъемной силы крыла он располагает в реальных условиях полета и не может ли наступить режим сваливания в штопор.

Для облегчения пилоту решения этой задачи кроме воздушной скорости определяется еще условная индикаторная скорость полета. Индикаторная скорость показывает, при какой скорости полета вблизи земли крыло самолета имеет такую же подъемную силу, как в реальных условиях полета. Были разработаны комбинированные указатели скорости (КУС), имеющие две стрелки. На одной и той же шкале прибора одна стрелка показывает воздушную, а другая индикаторную скорость полета (рис. 118). Для правильной оценки режима полета в окошке на шкале прибора отображается число Маха (отношение скорости полета к скорости звука на данной высоте).

Рис. 118.

Комбинированный указатель скорости полета.

Для решения навигационной задачи одной воздушной скорости недостаточно, т.к. бортовой измеритель воздушной скорости показывает скорость перемещения самолета относительно окружающего воздуха. Относительно поверхности Земли самолет перемещается еще и вместе с воздухом со скоростью ветра на высоте полета. Для решения навигационной задачи необходимо знать путевую скорость, вектор которой равен векторной сумме воздушной скорости и скорости ветра.

(68)

Информацию о скорости ветра штурман получает от авиационных метеослужб перед вылетом и уточняет в процессе полета. Для получения точных данных о направлении и скорости ветра по высотам на трассе полета необходимо иметь сложную разветвленную сеть метеостанций и быстродействующую оперативную системы передачи и обработки данных.

Поэтому необходимо найти способы автономного измерения путевой скорости с помощью бортовой аппаратуры.