Радиоприборы. Радиовысотомеры. Классификация

В основе современных радиотехнических устройств, предназначенных для определения высоты полета, пройденного расстояния и местонахождения самолета, а также в основе радиолокационных устройств, позволяющих определить путевую скорость, угол сноса и скорость ветра, лежат принципы радиодальнометрии, разработанные крупнейшими советскими учеными А. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, а также многими советскими инженерами. Еще в 1932 году советские инженеры Д. А. Рожанский и Ю. Б. Кобзарев разработали принципы, положенные в основу работы современных радиолокационных приборов.

Принципы определения направления на основе радиотехнических средств были разработаны М. В. Шулейкиным, А. Н. Щукиным, М. Е. Стариком и другими.

Для метеорологической разведки воздуха применяются радиозонды системы П. А. Молчанова.

Радиоприборы получают все большее распространение. Однако их внедрение не исключает применения механических и электромеханических приборов, хотя последние зачастую значительно менее точны. Это объясняется опасностью нарушения работы современной радиоаппаратуры, а также невозможностью использовать при проектировании некоторых приборов (например, указателей абсолютной или относительной высоты) принципов работы радиоприборов. Большим недостатком самолетных радиоприборов является то, что их работа зависит от работы наземного радиопередатчика.

Из радионавигационных установок наибольшее применение находят: радиокомпасы, радиополукомпасы, приемники радиомаяков, радиовысотомеры, курсовые, глиссадные, маркерные радиоприемники, радиоприемники гиперболической и круговой систем радионавигации, радиодальномеры, радиоавтоштурманы и т. д.

Весьма распространены в авиации радиовысотомеры и радиокомпасы.

Радиовысотомеры. С помощью самолетных радиовысотомеров разрешена одна из наиболее сложных задач пилотирования и навигации — задача определения истинной высоты полета. Знание истинной высоты необходимо для выхода на посадку, при полете над горами, для определения высоты над целью. Особенно важно знание истинной высоты при полете без видимости земли (в тумане, в облаках, ночью и т. д.).

По диапазону измеряемых высот радиовысотомеры делятся на:
- Высотомеры малых высот, используемые для определения высоты до 1500 м.
- Высотомеры больших высот для высот более 1500 м.

Радиовысотомеры малых высот. Схема работы высотомера малых высот показана на фиг. 89. Передатчик, установленный на самолете, генерирует электромагнитные колебания, средняя частота которых (порядка 440 мггц) может регулироваться с помощью модулятора. Частота модуляции порядка 120 гц. Антенна передатчика непрерывно посылает на землю электромагнитные волны, которые, отражаясь от земли, принимаются антенной приемника.

Фиг. 89. Схема работы радиовысотомера

Частота прямого сигнала отличается от частоты отраженного на величину, равную изменению частоты передатчика за время прохождения сигнала до земли и обратно. В силу этого в детекторе приемника, в котором складываются прямой и отраженный сигналы, возникают биения. В результате с детектора снимается напряжение низкой частоты, равное разности частот прямого и отраженного сигналов.

Это напряжение усиливается усилителем низкой частоты и через ограничитель амплитуды сигнала подается в частотомер, где преобразуется в постоянный ток, величина которого прямо пропорциональна частоте биений. На выходе частотомера включен индикатор высоты со шкалой, градуированной в метрах. Постоянное напряжение, получаемое в частотомере, не вполне линейно зависит от высоты.

Существуют способы преобразования фактической зависимости в закон прямой пропорциональности. Полученное напряжение подводится к электрическому дифференцирующему устройству, напряжение на выходе которого пропорционально производной от высоты. Следовательно, вольтметр, измеряющий напряжение, можно градуировать в значениях вертикальной скорости, т. е. на этом принципе возможно устройство вариометра.

На фиг. 90 изображены процессы, происходящие в высотомере.

Фиг 90. Принцип действия радиовысотомера: а - изменение частоты сигналов; б - частота биения

Сплошной линией показано изменение частоты сигнала, приходящего в приемник непосредственно от передатчика; пунктирной линией - изменение частоты сигнала, отраженного от земли. При постоянной высоте полета частота второго сигнала изменяется по тому же закону, что и частота первого сигнала, но с запаздыванием на время Т. Чем выше летит самолет, тем больше сдвиг во времени этих двух кривых и тем больше разностная частота прямого и отраженного сигналов, характеризующая высоту полета самолета. Эту частоту называют частотой биений.

Частота биения, т. е. частота низкочастотных колебаний, возникающих в приемнике, представляет собой величину постоянную, за исключением небольших промежутков времени, когда она уменьшается до нуля. На выходе детектора возникает напряжение разностной частоты

Как правило, радиовысотомер малых высот имеет два диапазона измерений, для смены которых предусмотрен переключатель.

Первый диапазон от 0 до 150 м используется при взлете и посадке; второй диапазон - до высоты 1500 м.

Точность показания такого прибора 5%±2 м.

Использовать частотно модулированный высотомер для измерения больших высот невозможно, так как в этом случае потребовался бы передатчик очень большой мощности, способный поглотить всю энергию электрической системы самолета.

Радиовысотомеры больших высот. Для измерения высоты полета свыше 1500 м на самолетах устанавливаются импульсные радиовысотомеры. Такой радиовысотомер состоит из импульсного радиопередатчика и радиоприемника, собранных в одном блоке, из передающей и приемной антенн (симметричные вибраторы) и из блока указателя. На фиг. 91 приведена узловая схема радиовысотомера больших высот. Мощный радиопередатчик с узкой направленностью излучения через одинаковые промежутки времени т посылает короткие импульсы со строго постоянной высокой частотой повторения (частота повторения 100 или 1000 гц, продолжительность 0,5 или 1 мк сек.) .Такая закономерность получения импульсов обеспечивается применением специального прибора, носящего название хронизатора.

Фиг. 91. Узловая схема радиовысотомера больших высот

Сформированные импульсы подаются на модулятор лампового генератора высокой частоты. Последний генерирует высокочастотные импульсы в дециметровом диапазоне длин волн и через антенну излучает их в нижнюю полусферу.

Интервалы времени между импульсами во много раз больше длительности самих импульсов. Импульсы излучения распространяются со скоростью света с.

В интервалах между импульсами работает радиоприемник, который принимает отраженные от земли сигналы с отставанием на время Т, равное времени, которое потребовалось импульсу, чтобы дойти до объекта и вернуться обратно к приемнику после отражения. Время Т зависит от высоты полета Н

Прямая пропорциональность между временем Т и высотой полета позволяет определять расстояния Н путем измерения времени Т между получением импульсов и приемом отраженных сигналов.

Так как скорость распространения импульсов очень велика» (300 000 км/сек), то время Т получается очень малым (1 мксек соответствует 150 м). В то же время точность измерения этих малых промежутков времени должна быть очень велика.

Приемник радиовысотомера построен по обычной супергетеродинной схеме. Сигналы после детектирования усиливаются в- усилителе и затем подаются на указатель.

Наиболее простым и совершенным прибором измерения времени является электронно-лучевая трубка, аналогичная трубкам, применяемым в осциллографах и телевизорах. Схема такой трубки изображена на фиг. 92. Электронный прожектор 1 создает узкий пучок электронов на экране, покрытом веществом, светящимся при попадании на него электронов. В месте прохождения электронного пучка образуется яркое светящееся пятно. Если периодически быстро изменять направление пучка электронов, то светящееся пятно будет быстро перемещаться по экрану, рисуя на нем светящиеся линии. При большом числе таких перемещений в секунду, производимых в одном и том же порядке, глаз воспринимает след электронов на экране как устойчивое изображение, подобно незаметным для глаза мельканиям изображения на экране кино.

Фиг. 92. Схема электронно-лучевой трубки: 1 - электронный прожектор; 2 - экран; 3, 4, 5, 6 - металлические пластинки

Электронный луч проходит между двумя парами металлических пластинок 3, 4, 5 и 6, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если подать на одну из пластинок положительное напряжение, а на противоположную — отрицательное, то электроны притягиваются положительной пластинкой и отталкиваются отрицательной.

В результате электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно сместится в соответствующем направлении.

Таким образом, с помощью пластинок 3 и 4 можно передвигать светящееся пятно на экране по оси хх, а с помощью пластинок 5 и 6 — по оси уу.

К пластинкам 3 и 4 подводится переменное напряжение U_x, изменяющееся по пилообразному закону, как показано на фиг. 93, а. После каждого скачкообразного изменения напряжения светящееся пятно оказывается в крайнем левом положении. Далее, по мере- плавного изменения напряжения U_x пятно перемещается вправо.

Фиг. 93. Изменение напряжений на отклоняющих пластинках электронно-лучевой трубки в импульсном радиовысотомере

Когда напряжение U_x делается равным нулю, светящееся пятно находится посередине шкалы. При дальнейшем изменении напряжения на пластинке 4 оказывается все возрастающий положительный потенциал и электронный луч перемещается в крайнее правое положение. В этом положении напряжение вновь скачкообразно изменяет полярность на обратную и луч, притягиваясь к пластинке 3, переходит в крайнее левое положение, после чего вновь начинает плавно двигаться вправо и т. д.

Импульсные сигналы радиопередатчика излучаются каждый раз, когда напряжение U_x претерпевает скачкообразное изменение.

В приборе производится выпрямление сигналов передатчика и приемника, в результате чего за каждый цикл изменения напряжения U_x получаются два импульса напряжения, показанные на фиг. 93, б. Эти импульсы U_y и подаются на пластинки 5, 6 электронно-лучевой трубки. Таким образом, за время своего движения вдоль оси хх электронный луч дважды отбрасывается в направлении уу, как это показано на фиг. 94, а. Расстояние между получающимися таким образом отметками прямо пропорционально времени Т между импульсами, а значит и высоте полета Н.

Фиг. 94. Указатели радиовысотомеров больших высот. а - прямолинейное перемещение луча, б - круговое движение электронного луча

Используя другой метод управления электронным лучом, можно вместо прямолинейного перемещения светового пятна вдоль горизонтальной оси получить круговое движение. При этом начальная отметка и отметка, соответствующая измеряемой высоте, принимают вид радиальных выступов по окружности (фиг. 94, б). Существующие образцы радиовысотомеров больших высот имеют точность измерения порядка 0,25%±20 м.