ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

скоростей применимые в случаях, когда высокая точность и стабильность изме-

рений не требуется.

171

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 пре-

дела приводит к потере подъемной силы и сваливанию самолета в штопор, т.е. к

аварийной ситуации.

Измерение скорости необходимо и для навигации – определения положе-

ния самолета в пространстве и выбора рациональной траектории полета.

Самый простой метод измерения скорости полета применялся еще на са-

мых первых летательных аппаратах и заключается он в измерении скоростного напора от набегающего на аппарат воздушного потока.

В соответствии с законами аэродинамики (законом Бернулли) если искус-

ственно затормозить набегающий воздушный поток, это приведет к повышению давления за счет скоростного напора.

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

PC+PD

PC

Рис.115

Измерение скорости полета ЛА.

Если набегающий воздушный поток попадает в глухую полость, он затор-

маживается до скорости V=0. В результате давление в этой полости увеличива-

172

ется по сравнению со статическим давлением окружающей среды РС на величи-

ну динамического (скоростного) напора

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

Для определения скорости полета необходимо из полного давления затор-

моженного потока РС+РD вычесть статическое давление РС и вычислить скорость по формуле

Поскольку в эту формулу входит плотность окружающего воздуха ρ, кото-

рая существенно зависит от высоты полета, необходимо эту плотность знать.

Измерение плотности воздуха представляет сложную задачу. Гораздо более про-

стая задача – измерение статического давления на высоте полета, а между изме-

нением плотности и статического давления по высоте есть взаимосвязь. На рис

116 показаны зависимость плотности и статического давления от высоты для

«стандартной атмосферы» /4 c120/.

0,2

H (км)

Рис.116

Свойства стандартной атмосферы.

173

(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 необ-

ходимо знать, каким запасом подъемной силы крыла он располагает в ре-

альных условиях полета и не может ли наступить режим сваливания в штопор.

Для облегчения пилоту решения этой задачи кроме воздушной скоро-

сти определяется еще условная индикаторная скорость полета. Индика-

торная 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 по-

казывает воздушную, а другая индикаторную скорость полета (рис. 118).

Для правильной оценки режима полета в окошке на шкале прибора отоб-

ражается число Маха (отношение скорости полета к скорости звука на данной высоте).

Рис. 118.

Комбинированный указатель скорости полета.

175

Для решения навигационной задачи одной воздушной скорости недоста-

точно, т.к. бортовой измеритель воздушной скорости показывает скорость пере-

мещения самолета относительно окружающего воздуха. Относительно поверх-

ности Земли самолет перемещается еще и вместе с воздухом со скоростью ветра на высоте полета. Для решения навигационной задачи необходимо знать путе-

вую скорость, вектор которой равен векторной сумме воздушной скорости и скорости ветра.

Информацию о скорости ветра штурман получает от авиационных метео-

служб перед вылетом и уточняет в процессе полета. Для получения точных дан-

ных о направлении и скорости ветра по высотам на трассе полета необходимо иметь сложную разветвленную сеть метеостанций и быстродействующую опера-

тивную системы передачи и обработки данных.

Поэтому необходимо найти способы автономного измерения путевой ско-

рости с помощью бортовой аппаратуры.

12.1 Измерение путевой скорости с помощью эффекта Доплера

Эффект Доплера проявляется в изменении принимаемой частоты fПР по сравнению с передаваемой fПЕР при наличии относительной скорости передатчи-

ка и приемника:

Для определения путевой скорости полета самолета на нем устанавливает-

ся передатчик с узконаправленной антенной, ориентированной в направлении на поверхность земли (рис.119).

176

Но в электронике и радиотехнике найден способ решения этой зада-

чи. Он основан на использовании явления «биений», которое возникает при сложении гармонических колебаний с близкими частотами.

Пусть передаваемый сигнал имеет амплитуду U1 и частоту ω, а

принимаемый сигнал имеет амплитуду U2 и частоту ω+Δω, причем U2 << U1 и Δω << ω . Если амплитуды слагаемых колебаний постоянны, то

UΣ = (U1 + U2Cos ωt)Sinωt

и получаются колебания на частоте ω модулированные по амплитуде сину-

соидой с частотой Δω. Благодаря большой разности частот ω и Δω, оги-

бающая этого сигнала, представляющая собой сигнал на частоте допле-

ровского сдвига, легко выделяется с помощью амплитудного детектора.

Одной антенны недостаточно для измерения путевой скорости полета, т.к.

относительная скорость, измеренная доплеровским методом, может быть одина-

ковой при различных значениях скорости полета (пунктирные векторы на рис.119).

Для измерения всех трех компонент путевой скорости по осям X, Y и Z

необходимо проводить измерения доплеровских смещений частоты, по крайней мере, по трем некомпланарным направлениям. На практике наиболее часто при-

меняется четырехлучевая система излучения и приема сигналов, показанная на рис.120.

VY

VX

VZ

Рис.120.

Четырехлучевая система Доплеровского измерителя скорости и сноса (ДИСС).

178

Достоинством доплеровской системы является то, что она измеряет непо-

средственно путевую скорость полета и не требует дополнительной метеоин-

формации.

Основной недостаток доплеровской системы состоит в необходимости из-

лучения мощного радиосигнала с борта самолета в направление земли. Это тре-

бует мощной бортовой аппаратуры и демаскирует самолет в полете.

12.2 Корреляционно-экстремальная система навигации

Новый способ определения путевой скорости с помощью автономной бор-

товой аппаратуры, не демаскирующий летательный аппарат в полете, использо-

ван в корреляционно-экстремальной системе навигации.

На борту летательного аппарата установлен объектив ОБ, который в фо-

кальной плоскости строит изображение подстилающей поверхности, над кото-

рой движется летательный аппарат. В фокальной плоскости объектива в про-

дольной плоскости летательного аппарата на определенном расстоянии друг от друга установлены два идентичных фотоприемника ФП1 и ФП2 (рис.121).

В

F ФП1 ФП2

ОБ

H

Рис.121

Схема корреляционно-экстремального измерителя скорости полета.

179

При движении летательного аппарата со скоростью V0 изображение под-

стилающей поверхности перемещается в фокальной плоскости объектива со ско-

ростью VИЗ

Если измерить скорость движения изображения VИЗ, то, зная высоту полета

Н, можно определить скорость полета.

Поскольку фотоприемники расположены в продольной плоскости лета-

тельного аппарата, изображение зарегистрированное фотоприемником ФП1 че-

рез некоторое время попадет на фотоприемник ФП2. Сигналы, формируемые фотоприемниками, является случайными функциями времени, но между собой эти сигналы сильно коррелированны. На рис.122а показано, что сигнал второго фотоприемника U2(t) близок по форме к сигналу первого фотоприемника U1(t),

но сдвинут по времени на величину τ. Если измерить величину этого временного

где В – база прибора (расстояние между фотоприемниками).

t

U2(t)

Рис.122.

Обработка сигналов корреляционно-экстремального измерителя скорости полета.

180