Лекция №15

Для измерения давления на первом уровнем используется мембранные манометры (0-30 км), а (30-60(70)) – тепловые манометры.

Мембранные манометры – анероидные коробочки или сильфоны.

Тепловые работают в диапазоне от 10³ до 10^-1 Па. Принцип действия основан на зависимости теплоотдачи нагретого тела от числа соударений набегающих молекул в условиях сильного разряжения. Измерения основано на установление теплового баланса между приходной и расходной частями измерительной системы. В качестве датчиков используется уравновешенный мост сопротивления.

(рис.1)

Зная величину тока I, температуру T₂ внутри баллона, мы можем рассчитать давление внутри баллона P₂:

, где – температура стекла; – коэффициент, учитывающий температуру горловины; k – коэффициент показывает взаимодействие набегающего потока с нитью (эффективность взаимодействия); – коэффициент конвективного теплообмена.

Для того чтобы измерить давление вне баллона:

, где M – число Маха, , - температура окружающей среды, – коэффициент восстановления температуры, – коэффициент восстановления давления.

Измерение температуры.

При измерении температуры в верхних слоях атмосферы используются два способа: прямой и косвенный. На отечественных ракетах в основном используется прямой метод измерения температуры. Прямой метод основан на измерении температуры с помощью терморезистора. Терморезистор устанавливается в носовой части ракеты на специальном шпиле. В качестве датчика температуры используют вольфрамовую нить, диаметром 40-50 мкм. Нить закрепляют на некотором расстоянии от шпиля. Терморезистор включается в схему неуравновешенного моста сопротивления.

С целью учета влияния искажающих факторов на результаты измерений, разработана методика введения соответствующих поправок. Рассмотрим тепловой баланс нити термометра:

, где - изменение теплосодержания нити при изменении температуры, - приток тепла от внутреннего источника засчет прохождения тока через нить, - приток тепла к нити засчет коротковолновой и длинноволновой радиации, – приток тепла засчет взаимодействия датчика с набегающим потоком, - приток тепла от нити к шпилю через держатель.

, где - плотность материала нити, - теплоемкость материала нити, – объем нити.

, где – сопротивление нити, i – ток, протекающий по нити, - время протекания тока.

, где

, - это плотность потока коротковолновой и длинноволновой радиации; , – коэффициенты отражения шпилем коротковолновой и длинноволновой радиации; – эффективная поверхность нити для соответствующих потоков радиации; - температура нити; – температура шпиля; - коэффициенты поглощения нитью коротковолновой и длинноволновой радиации; – коэффициент излучения длинноволновой радиации.

, где – коэффициент теплообмена нити с набегающим потоком, - средняя температура заторможенного воздуха в пограничном слое, – поверхность нити, - интервал времени (взаимодействия).

, где - температура невозмущенного потока, - начальная температура.

Коэффициент восстановления определяется заранее экспериментальным путем в зависимости от скорости движения датчика в набегающем потоке.

, где , – газовая постоянная.

, где – коэффициент теплопроводность, - площадь соприкосновения нити с держателем в течение времени .

Для определения теплового баланса нити нам необходимо подставить все эти потоки и притоки (делим левую и правую часть на ):

;

, где – коэффициент инерции нити, .

1) поправка на скоростной напор нити (до );

2) поправка на радиационный баланс нити, в зависимости от времени суток может быть положительным и отрицательным. Днем приток коротковолновой и длинноволновой радиации положителен, ночью – отток тепла от нити засчет собственного излучения нити;

3) поправка на нагревание нити электрическим током;

4) поправка на инерционность нити;

5) поправка на теплообмен между нитью и шпилем.

До 50 км кроме динамического напора малы и их можно не учитывать. При расчетах r и α, они зависят от параметров среды. Поэтому расчет температуры невозмущенного потока производится методом последовательных приближений (вначале данные стандартной атмосферы , до тех пор разница ).

При реальных измерениях устанавливаются 4 датчика температуры на шпиле, и определяется их среднее значение. Для расчета температуры измеряют скорость движения ракеты, , скорость изменения со временем , лучистую энергию определяют с помощью балансомеров.

Среднеквадратическая ошибка измерения до 40 км , до 50 км , до 70-75 км .