Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский технический

университет им.А.Н. Туполева-КАИ

Факультет Автоматики и Электронного Приборостроения

Кафедра Приборов и Информационно- Измерительных Систем

Лабораторная работа №1

Датчики аэродинамических углов

Выполнил: студ.гр. 1306

Ахметшин Д.Н.

Проверил: доц.каф. ПИИС

Ганеев .Ф.А.

Казань-2012г.

Цель работы и содержание работы.

Целью данной лабораторной работы является:

• Изучение принципов построения датчиков аэродинамических углов, особенностей схемотехнической реализации и конструктивного исполнения каналов преобразования.

• Освоение методики обработки результатов летных испытаний и экспериментального определения характеристик датчиков.

Лабораторная работа предусматривает:

- выполнения задания по самостоятельной работе во внеаудиторное время (подготовка к работе);

- выполнения работы в аудиторное время.

Задание по самостоятельной работе заключается в том, что студенты должны изучить принципы построения флюгерного и ионно-меточного датчиков аэродинамических углов, особенности схемотехнической реализации и конструктивного исполнения каналов преобразования. Изучить свойственные для них метрологические и эксплуатационные характеристики.

Выполнение работы в аудиторное время предусматривает проведение обработки результатов летных экспериментальных исследований датчиков аэродинамических углов и определение основных характеристик.

По результатам самостоятельной работы, изучения и исследований каждый студент оформляет отчет по лабораторной работе и представляет его к защите.

Вопросы для самостоятельной проработки

1.Общие положения

Полет большого класса летательных аппаратов осуществляется в пределах атмосферы и для его качественного выполнения необходима информация о векторе воздушной скорости.

Положение летательного аппарата (ЛА) относительно набегающего воздушного потока определяется двумя угловыми координатами вектора воздушной скорости – углом атаки и углом скольжения в связанной системе координат (рис. 1).

Рис.1. Положение летательного аппарата относительно воздушного потока и горизонта

Угол атаки – это угол между продольной осью ЛА ОХ и проекцией вектора скорости на его продольную плоскость симметрии УОХ связанной системы координат. Угол скольжения – это угол между направлением скорости ЛА и плоскостью УОХ связанной системы координат.

Относительно земной поверхности положение ЛА определяется дополнительными угловыми координатами – углом крена , углом тангажа и углом наклона траектории θ. Угол крена – угол между поперечной осью OZ и осью OZ_g нормальной системы координат. При этом начало нормальной системы координат помещается в центре масс ЛА. Ось ОУ_g направлена вверх по местной вертикали. Угол тангажа - угол между продольной осью ОХ и горизонтальной плоскостью ОХ_gZ_g нормальной системы координат.

Различают местный и истинный аэродинамические углы. Под местным (локальным) понимают такой угол, который характеризует отклонение потока воздуха относительно строительной оси ЛА в том месте, где установлен ДАУ. Под истинным углом понимают аэродинамический угол по основному определению угла атаки и скольжения, которые определяют в целом ориентацию строительной оси ЛА относительно вектора воздушной скорости (рис.2).

Рис. 2. Расположение местного и истинного аэродинамических углов при обтекании потоком воздуха самолета с ДАУ: V_∞ - скорость свободного потока

Принятые по ГОСТу 20058-80 и по [ 1,2 ] определения аэродинамических углов основаны на рассмотрении полета ЛА как движения твердого недеформируемого тела. Свойственные такому движению углы атаки и скольжения принято называть истинными. Положение вектора воздушной скорости в каждой точке ЛА с учетом распределенности и деформации конструкции, а также искажения аэродинамического поля вблизи него будет характеризоваться так называемыми “местными” аэродинамическими углами. Последние связаны с истинными углами через аэродинамические коэффициенты, зависящие от компоновки ЛА, местоположения исследуемой точки, режима полета, условий обтекания и других факторов (рис. 3).

Местный угол отличается от истинного на величину дополнительных искажений скоса потока воздуха в месте установки ДАУ на ЛА.

Рис. 3. Зависимость истинного угла атаки от местного угла атаки : - установочный угол на борту ЛА

Приближенно значение истинного аэродинамического угла атаки, например, можно определить по аналитической зависимости:

, (1)

где: К_а – аэродинамический коэффициент, – значение начального установочного угла атаки, К₀ – аэродинамический коэффициент, М – число Маха, - угол скольжения, – значение местного угла, измеренное ДАУ . Постоянство коэффициентов К_а и К₀ определяется правильным выбором места установки датчика, особенно в дозвуковом диапазоне скоростей полета. Значение этих коэффициентов для конкретного ЛА определяются методом наименьших квадратов на основе полетных измерений угла и расчетом истинного угла , который определяется по формуле

_ир = υ – θ ,

где: – угол тангажа, θ – угол траектории полета при условии его измерения при (рис. 1).

Наиболее точно для конкретного ЛА истинный угол атаки (как и угол скольжения) может быть определен по результатам летных и трубных испытаний по зависимости (2)

, (2)

где: – начальный угол установки, М – число Маха, – конструктивный параметр механизации крыла, – вертикальная перегрузка.

Наибольшее применение нашли зондовые датчики местного угла атаки, при помощи которых решаются следующие задачи:

создание новых и модернизация известных конструкций измерителей с целью повышения их статической и динамической точности (в частности, при малых скоростях полета) и обеспечения непрерывного контроля исправности;

проведение теоретических исследований и моделирование совместной работы датчика и ЛА при различных возмущениях и режимах движения последнего с целью оценки динамических и статических погрешностей, реально возникающих в полете;

изготовление новых конструкций с целью расширения диапазона измеряемых углов (например, угла атаки α ≥ ± 90°), комбинированных датчиков (например, совмещающих измерение угла атаки с измерениями статического и полного давления);

разработка измерителей на основе новых физических принципов с целью повышения точности и надежности измерений и создание конструкций, которые не содержат выступающих за контуры ЛА элементов.

Последние разработки особенно актуальны для гиперзвуковых ЛА, полет которых сопровождается разогревом обшивки и пограничного слоя воздуха.

Комбинированные конструкции измерителей позволяют посредством одного зонда определять несколько воздушно-скоростных параметров, что уменьшает общее число выступающих за обшивку зондов и одновременно расширяют диапазон режимов полета, при которых сохраняется точность измерения этих параметров.

Современные датчики аэродинамических углов имеют инструментальную статическую погрешность не больше нескольких угловых минут. Однако на борту ЛА при возмущенном полете их динамическая погрешность может достигать нескольких градусов.

Таким образом, использование зондовых датчиков не всегда обеспечивает надежное измерение аэродинамических углов на всех режимах полета, особенно нестационарных, так как невозможно провести их тарировку. При движении самолета с большими углами скольжения датчик угла атаки, установленный на борту, оказывается "затененным" фюзеляжем и, следовательно, неработоспособным. Все это необходимо учитывать при эксплуатации ДАУ на реальном ЛА.

Классификация измерителей аэродинамических углов представлена на рис.3.

Рис. 3. Классификация измерителей аэродинамических углов летательного аппарата

Целью данной лабораторной работы является:

• Изучение принципов построения датчиков аэродинамических углов, особенностей схемотехнической реализации и конструктивного исполнения каналов преобразования.

• Освоение методики обработки результатов летных испытаний и экспериментального определения характеристик датчиков.

Лабораторная работа предусматривает:

- выполнения задания по самостоятельной работе во внеаудиторное время (подготовка к работе);

- выполнения работы в аудиторное время.

Задание по самостоятельной работе заключается в том, что студенты должны изучить принципы построения флюгерного и ионно-меточного датчиков аэродинамических углов, особенности схемотехнической реализации и конструктивного исполнения каналов преобразования. Изучить свойственные для них метрологические и эксплуатационные характеристики.

Выполнение работы в аудиторное время предусматривает проведение обработки результатов летных экспериментальных исследований датчиков аэродинамических углов и определение основных характеристик.

По результатам самостоятельной работы, изучения и исследований каждый студент оформляет отчет по лабораторной работе и представляет его к защите.