3.4. Барометрический высотомер

Ответственным параметром полета является высота над поверхностью Земли. Приборы, измеряющие высоту полета, называются высотомерами. По методу измерения высоты они делятся на барометрические, звуковые, радиовысотомеры и другие.

Рис. 3.27. Высота полета самолета: 1 – место взлета; 2 – гора; 3 – уровень моря; Набс– абсолютная высота;Нист– истинная высота;Нотн– относительная высота	Рис. 3.28. Структура эшелона: ΔHи– погрешность измерителя; ΔHПВД– погрешность ПВД; ΔHстаб– допуск на стабилизацию высоты; ΔHбез– допуск безопасности

Различают следующие высоты полета (см. рис. 3.27).

Абсолютнаявысота, то есть высота полета относительно уровня моря. Она не зависит от рельефа местности, над которой пролетает самолет.Истиннаявысота, то есть высота над пролетаемой местностью. Она равна разности между абсолютной высотой и высотой местности над уровнем моря.Относительнаявысота, то есть высота полета относительно какого-либо условного места, например, аэродрома. Рассмотренные разновидности высот полета условны. Сам же барометрический высотомер всегда измеряет относительную высоту, то есть высоту относительно места, значение параметров которого были приняты при тарировке (уровень моря). В отличие от этого радиовысотомер принципиально измеряет истинную высоту. Для получения значения истинной высоты с помощью барометрического высотомера в его показания необходимо внести ряд поправок. Приближенно истинная высота получается путем вычисления из абсолютной высоты известного превышения местности под самолетом.

Принцип действия барометрического высотомера основан на использовании закона изменения давления воздуха с увеличением высоты над уровнем моря (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Зависимость давления и температуры воздуха от высоты (по стандартной атмосфере): 1 – давление; 2 – температура

На рис. 3.30 представлена принципиальная схема механического барометрического высотомера. Он представляет собой манометр абсолютного давления, измеряющий атмосферное давление. Основным его элементом является анероид, реагирующий на изменение атмосферного давления. Анероид – это герметичная мембранная коробка 4, из которой полностью откачен воздух. Поскольку кабина самолета герметична, то для нормальной работы высотомера анероид помещают в герметичный корпус 3, который сообщается с атмосферой в условиях полета с помощью приемника статического давления 1 и трубопровода 2. Действие механизма высотомера аналогично действию указателя приборной скорости (рис. 3.4).

Рис. 3.30. Принципиальная схема механического барометрического высотомера: 1 – приемник статического давления; 2 – трубопровод; 3 – герметичный корпус; 4 – анероид; 5 – тяга; 6 – кривошип; 7 – сектор; 8 – трибка; 9 – стрелка; 10 – шкала

При подъеме на высоту давление на анероид уменьшается и верхний (жесткий) центр анероида 4 перемещается вверх. С центром шарнирно связана тяга 5, поворачивающая через кривошип 6 зубчатый сектор 7. Поворот сектора передается трибке 8 и стрелке 9. По шкале 10 производится отсчет показаний высотомера в единицах высоты (км, м).

Ценность механического барометрического высотомера заключается в его простоте и исключительно высокой надежности. В связи с этим этот прибор применяется как пилотажный резервный на посадке и взлете с учетом рельефа местности, то есть с учетом разности давлений мест взлета и посадки. Значение абсолютной барометрической высоты (индикаторная приборная высота) используется для эшелонирования по высоте с целью предотвратить столкновение самолетов в полете (рис. 3.29). По структуре эшелона видна структура погрешностей: ΔН_и– инструментальная погрешность высотомера, ΔН_ПВД– погрешность от ПВД, ΔН_стаб– погрешность стабилизации самолета, ΔН_без– зона безопасности. Видно, что основную часть погрешностей составляют погрешности прибора вместе с ПВД. Считается, что этой точности достаточно для систем управления воздушным движением при условии, что эшелоны расположены на достаточно большой высоте над уровнем Земли. Тут речь не идет о таких летательных аппаратах, как экраноплан, судно на воздушной подушке.

Зависимость давления от высоты дает барометрическая формула [12 – 15]. Для высот от 0 до 11000 м барометрическая формула имеет вид

. (3.24)

Для высот выше 11000 м

, (3.25)

где Р_Н– абсолютное давление на высотеНв кг/м²;τ– температурный градиент, изменение температуры воздуха, соответствующее изменению высоты на 1 м, равен среднегодовому значениюτ= 0,0065 град/м;Н– высота в м;

Р_о– атмосферное давление у моря в кг/м²;R– газовая постоянная,R= 29,27 м/град;Т_о– абсолютная температура у моря в^оК (273^о+t^оС);Р₁₁– давление на высоте 11000 в кг/м²;Т₁₁– температура на высоте 11000 м.

Решая формулы (3.24) и (3.25) относительно высоты Н, получим так называемые гипсометрические формулы. Для высот от 0 до 11000 м гипсометрическая формула имеет вид

; (3.26)

для высот более 11000 м

. (3.27)

Из этих формул видно, что измеряемая высота зависит от четырех параметров

.

Из этого следует, что барометрический метод позволяет вычислить высоту полета относительно любого уровня местности, если известны значения Р_о,Т_о,Р_Н. Однако при конструировании и производстве барометрических высотомеров в качестве расчетного уровня принимается уровень моря. Кроме того, все величины параметров формул (3.24) – (3.27) берутся по стандартной атмосфере [32 – 34]. Барометрический высотомер тарируется для так называемых стандартных нормальных условий, когдаР_о= 760 мм рт. ст.,Т_о = 288^оК (15 ^оС),τ= 0,0065 град/м. В таком случае высота полета будет зависеть только от давленияР_Н.

.

Структура погрешностей барометрического высотомера

У барометрического высотомера имеются следующие погрешности:

- методическая погрешность;

- инструментальная погрешность.

Методические погрешности барометрического высотомера вызваны несовершенством барометрического метода измерения относительной высоты. Их можно разделить на две группы:

1. Погрешности, вызванные изменением рельефа местности, над которой пролетает самолет.

2. Погрешности, вызванные отклонением атмосферных условий (давления и температуры) от нормальных условий, принятых при тарировке прибора.

Первый вид погрешности может быть скорректирован в полете, если экипаж самолета знает высоту места, над которым пролетает самолет по отношению к уровню моря, или если экипаж знает, чему равно давление у Земли в месте, над которым пролетает самолет.

Погрешности второго вида, в свою очередь, делятся на:

1. Погрешности, связанные с изменением давления у Земли.

2. Погрешности, связанные с изменением закона распределения температуры воздуха по высоте (в отличие от стандартного закона).

Поправка, вызванная изменением давления Р_о, не зависит от значения высоты полета и равна

, (3.28)

где Н_пр– показания прибора;R– газовая постоянная;Р_о= 760 мм рт. ст.;

ΔР– изменение давления в мм рт. ст.;Т_расч– расчетное значение средней температуры, равное

. (3.29)

Поправка по формуле (3.28) на изменение давления Р_опроизводится на Земле или в полете путем перевода стрелок с помощью барометрической шкалы, градуированной в мм рт. ст. Сведения об изменившихся параметрах при этом могут передаваться по радио.

Зависимость между относительной высотой и показанием прибора с учетом фактической средней температуры дает следующая формула: