1.8. Методы измерения вертикальной скорости

Известно несколько методов измерения вертикально скорости полета самолета. Наиболее распространенным являете метод, основанный на непосредственном дифференцировании статического давления, однозначно связанного с высотой полета. Это метод реализуется в указателях вертикальной скорости с пневмомеханическим дифференцирующим устройством, т.е в вариометрах.

Измерение вертикальной скорости полета самолета может быть осуществлено путем дифференцирования электрического сигнала в виде напряжения, пропорционального высоте полета. При этом методе производится измерение высоты с помощью высотомера преобразование измеренной высоты в электрическое напряжение, а затем дифференцирование этого напряжения.

Для измерения вертикальной скорости полета самолета может быть использован метод измерения вертикальной составляющей истинной воздушной скорости. Вертикальная скорость связана с истинной воздушной скоростью следующим соотношением:

(1.22)

где— угол тангажа;α— угол атаки.

По формуле (1.22) вертикальную скорость вычисляют с помощью счетно-решающего устройства, связанного с датчиками истинной воздушной скорости, угла тангажа (ЦГВ или АГД) и угла атаки.

Методом измерения вертикальной скорости является также

инерциальный метод, основанный на измерении вертикальных ускорений самолета и однократном интегрировании сигналов, пропорциональных этим ускорениям.

Здесь рассматривается принцип действия, вопросы теории и устройство указателей, основанных на использовании метода непосредственного дифференцирования статического давления с помощью пневмомеханического дифференцирующего устройства.

1.9. Приборы для измерения вертикальной скорости

Для измерения вертикальной скорости самолета наиболее широкое применение получили вариометры. Внешний вид прибора приведён на рисунке 1.19(а,б,в,г,д,е,ж). Принцип действия вариометра основан на пневмомеханиче­ском дифференцирова­нии статического дав­ления, изменяющегося в зависимости от высоты полета самолета. Принципиальная схе­ма вариометра пред­ставлена на рис.1.19з.

Рис1.19 Вариометры:

а– ВР-10М;б– ВАР-30М;в– ВАР-75М;г– ВАР-300;д– ВАР-500;е– ВРФ-2;ж– ВРФ-6

В качестве чувстви­тельного элемента используется манометри­ческая коробка 7, внутренняя полость которой. Сообщается непосредст­венно с магистралью статического давления. Внутренняя полость герметичного корпуса прибора сообщается с магистралью статистического давления через капилляр 5.

Если самолет летит горизонтально, то статическое атмосферное явление р внутри манометрической коробки 7 и давление р1 внутри корпуса прибора будут одинаковы и, следовательно, разность между ними равна нулю.

В зависимости от высоты полета изменяется статическое дав­ление р. Внутри манометрической коробки это давление устанав­ливается практически мгновенно, а в корпусе прибора, вследствие сопротивления капилляра, давление р₁ отличается от статическо­го. Чем больше вертикальная скорость полета самолета, тем боль­ше разность давлений Δр = р—р₁. Под действием этой разности давлений манометрическая коробка деформируется. Деформация коробки через тягу 6, зубчатый сектор 4 и трибку 3 передается на стрелку 2, которая отклоняется от среднего положения вверх при наборе высоты, вниз — при снижении. По шкале 1 определяют ве­личину вертикальной скорости.

Градуировочная формула, в которой перепад давлений Δр вы­ражен через вертикальную скорость V_y, имеет вид:

(1.23)

где l, d — длина и диаметр капилляра; Q — объем корпуса прибо­ра; μ— коэффициент вязкости воздуха; R — газовая постоянная; Т₀ — температура в корпусе прибора.

Формула (1.23) показывает связь между разностью давлений Δр и вертикальной скоростью в установившемся режиме. Из этой формулы видно, что установившаяся разность давлений, а, следо­вательно, и показания вариометра пропорциональны вертикальной скорости самолета.

Вариометры выпускаются с различными пределами измерения. Они имеют обозначения ВР-10, ВАР-30, ВАР-75, ВАР-150 и ВАР-300, где числа 10, 30, 75 и т. д. указывают пределы измерения.

Кинематическая схема вариометра представлена на рис. 1.20. Внутренняя полость корпуса прибора соединена с магистралью статического давления через капилляр 10, а внутренняя полость манометрической коробки 11— непосредственно через трубопро­вод 12. При подъеме самолета давление в корпусе прибора будет выше, чем в манометрической коробке, вследствие чего коробка будет сжиматься. Эта деформация коробки через тягу 9 и криво­ шип 8 передается на ось 6. Поворот этой оси через рычаг 5 и по­ водок 15 передается на зубчатое колесо 4, а от него через трибку 3 — на стрелку 1.

Вариометр как пилотажный прибор должен иметь высокую чувствительность при измерении малых вертикальных скоростей; при измерении больших скоростей чувствительность может быть уменьшена. Поэтому вариометры имеют затухающую шкалу. Для получения затухающей шкалы в передаточно-множительный меха­низм введено кривошипно-кулисное звено, которое изменяет пере­даточное отношение, а, следовательно, и угол поворота стрелки.

При горизонтальном полете поводок 15 занимает относительно оси зубчатого колеса 4 наименьшее расстояние. При подъеме или снижении самолета поводок 15 скользит вдоль прорези колеса 4. При этом увеличивается расстояние между осью зубчатого колеса 4 и поводком 15. Благодаря этому непрерывно уменьшается пере­даточное отношение механизма и соответственно этому сужаются деления шкалы. С помощью кремальеры 16 через кулачок 14 и рычаг 13 можно опускать или приподнимать манометрическую коробку 11 и тем самым устанавливать стрелку прибора в нулевое положение.

Применяют и другие способы получения затухающей шкалы. Например, у вариометров с большим пределом измерения затуха­ние шкалы достигается тем, что деформации манометрической ко­робки при измерении скоростей до ±20 м/с непосредственно пре­образуется в перемещение стрелки, а при измерении больших ско­ростей коробки преодолевают противодействующее усилие пру­жины.

Погрешности манометрического вариометра следующие:

- инструментальные;

- методические.

Причины возникновения инструментальных погрешностей манометрических вариометров такие же, как и у других манометрических приборов, в том числе как у указателя индикаторной скорости.

Перечислим методические погрешности манометрического вариометра:

- динамическая погрешность;

- температурная погрешность от непостоянства температуры Т₁ внутри корпуса;

- температурная погрешность из-за неодинаковости температур. Динамическая погрешность обуславливается запаздыванием изменения давления внутри корпуса прибора. Передаточная функция механизма вариометра в этом случае имеет вид

,

где q = Р_ст - Р₁ ; – чувствительность прибора;τ – постоянная времени анероидного звена, равная (в секундах)

,

где Р_к – среднее давление в капилляре.

При постоянном вертикальном ускорении, например, , динамическая погрешность достигает величины. Приτ = 1 с и а = 1 м/с² погрешность м/с.

Вторая составляющая методической погрешности вариометра возникает из-за нагрева или охлаждения воздуха внутри прибора, когда изменяется температура материала корпуса. С целью уменьшения этой погрешности корпус прибора изготавливают из термоизоляционного материала (пластмассы).

Третья составляющая методической погрешности вариометра появляется, когда температура Т_к , Т₁ и Т отличается от температуры тарировки Т_к = Т₁ = Т = Т_о . Эта погрешность может достигать 30 % на предельных значениях измеряемой вертикальной скорости. Однако на малых значениях скорости погрешность меньше, а при околонулевых значениях отсутствует. Поэтому функция прибора – точность контроля горизонтального полета – не зависит от этого вида методической температурной погрешности.

Данная погрешность может быть приближенно подсчитана по формуле:

.