Всенаправленный измеритель малой скорости с приемником давления на вращающейся штанге

Рассмотренный в параграфе 5.1 инвариантный измеритель скорости позволяет существенно повысить вероятность получения достоверной информации о малой скорости полета вертолета и самолета. Этот измеритель был быстро внедрен практически на всех современных вертолетах и на некоторых самолетах. Особенно быстро и просто был внедрен его упрощенный вариант с фиксированной дополнительной емкостью. С помощью устройства, показанного на рис. 5.8, на ответственном режиме полета определяют величину объема, изготавливают емкость с постоянным объемом и устанавливают ее в канал полного давления.

К недостаткам инвариантного измерителя скорости относится то, что с помощью него не решается проблема точного измерения околонулевых скоростей вертолета в направлениях полета вправо, влево, назад. Для этих целей используют всенаправленный измеритель малой скорости (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Принципиальная схема датчика всенаправленного измерителя скорости с приемником давления на вращающейся штанге: 1 – преобразователь давления в электрический сигнал; 2 – штанга; 3 ‑ приемник давления

Принцип действия всенаправленного измерителя основан на способности приемников давления, установленных на вращающейся штанге, разлагать общую скорость полета по направлениям вперед-назад (ось x – x) и вправо-влево (ось z – z). При нулевой скорости полета штанга 2 с приемником 3 совершает принудительное с помощью двигателя постоянное вращение вокруг своей оси. При этом в дифференциальный датчик 1 поступают одинаковые по величине давления Р₁ и Р₃. Сигнал с датчика отсутствует, что свидетельствует об отсутствии движения вертолета. При появлении движения вертолета приемники 3 участвуют в двух движениях: вращательном и поступательном (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема расположения приемников давления при вращении штанги (а) и векторная диаграмма скоростей (б)

Рассмотрим вариант, когда на штанге установлены приемники полного давления типа ППД. Если вертолет летит со скоростью и скольжением β, то составляющие этой скорости равны

, (5.18)

. (5.19)

Окружная скорость при вращении штанги равна

, (5.20)

где f – частота вращения штанги; R – радиус штанги. При вращении приемники давления занимают положения 1 – 4 (рис. 5.10, а). В зависимости от этого поступательная и окружная скорости либо складываются (в положениях 1 – 2), либо вычитаются (в положениях 3 – 4). Определим значения полных давлений в точках 1 – 4 по формуле

. (5.21)

Подставляя значения скоростей в эту формулу в каждой точке ППД, получим

, (5.22)

, (5.23)

, (5.24)

. (5.25)

Как известно, поступательная скорость относительно воздуха зависит от динамического давления Р_п-Р_ст :

, (5.26)

, (5.27)

, (5.28)

. (5.29)

Определим приращения динамического давления ΔР_д по осям х-х, z-z. Для этого из уравнения (5.26) вычтем уравнение (5.28), а из уравнения (5.27) вычтем уравнение (5.29):

, (5.30)

. (5.31)

В формулы (5.30) и (5.31) подставим значения скоростей v_o , v_x , v_z по формулам (5.18) – (5.20):

, (5.32)

. (5.33)

По формулам (5.32) и (5.33) в вычислителе всенаправленного измерителя определяются значения приборной скорости полета вертолета в направлениях вперед-назад, вправо-влево при и постоянных значениях параметров f, R.

Для оценки эффекта всенаправленного измерителя малых скоростей по последним формулам определим чувствительности динамического давления по скорости

, (5.34)

. (5.35)

Видим, что чувствительность давлений по скорости в рассматриваемом измерителе постоянна и не зависит от скорости полета в отличие от манометрического способа измерения (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Зависимость чувствительности давления по скорости: 1 – для всенаправленного измерителя; 2 – для манометрического способа

Следует особое внимание обратить на формулы (5.30) – (5.33). Оказывается, что малые скорости измеряются вместе с наперед заданной скоростью v_o. Это равносильно наличию искусственного наддува в пневматической системе восприятия полного давления, который может быть увеличен за счет увеличения радиуса R и частоты вращения штанги f. Предельным значением окружной скорости v_o является скорость, при которой в приемнике давления появляются сверхзвуковые течения воздуха, что приводит к запиранию приемника (волновой кризис).

Для определения направления полета ось штанги датчика измерителя фиксируется относительно строительной оси вертолета, как это показано на рис. 5.10. Дифференциальный датчик давления 1 (рис. 5.9) непрерывно принимает разность давлений с двух приемников давления. Однако прием этой разницы давлений в вычислителе осуществляется только тогда, когда ось приемника совпадает с осями х-х и z-z вертолета по сигналу с диска, вращающемуся вместе со штангой.

Знаки давления дифференциального датчика, рассчитанные по формулам (5.30) и (5.31), будут зависеть от направления движения вертолета (рис. 5.12), полная истинная воздушная скорость вычисляется по ее составляющим как

.

Рис. 5.12. Знаки давления дифференциального датчика в зависимости от направления полета

Знаки давления дифференциального датчика могут быть алгоритмом определения направления движения вертолета.

Представителем всенаправленного измерителя по приведенной выше теории является измеритель фирмы Пейсер Системс (США) с условным названием ЛОРАС. Она состоит из датчика (рис. 5.13), указателя малых скоростей (рис. 5.14) и вычислителя воздушных параметров (не показан), в котором расположен датчик статического давления. На основе давления Р_д , получаемого с приемников на штанге, Р_ст с датчика, расположенного внутри вычислителя и температуры торможения потока воздуха вычисляются следующие параметры: полная истинная воздушная скорость, продольная составляющая истинной воздушной скорости, поперечная составляющая истинной скорости, давление окружающего воздуха, температура наружного воздуха. Масса датчика 2,3 кг, масса вычислителя 5,8 кг, диаметр корпуса датчика 108 мм, радиус штанги датчика 0,34 м, скорость вращения штанги 720 об/мин.

Рис. 5.13. Внешний вид всенаправленного датчика давления: 1 – приемник Вентури; 2 – штан­га; 3 – дифференциальный преобразователь давления в электрический сигнал; 4 – приемник температуры торможения потока; 5 – корпус с двигателем

Измеритель имеет следующие технические данные: диапазон полной скорости 0 – 370 км/ч, диапазон продольной составляющей скорости от –2,5 км/ч до +370 км/ч, диапазон поперечной скорости 92,5 км/ч вправо, 92,5 км/ч влево, диапазон температуры наружного воздуха от –54^оС до +55^оС.

Рис. 5.14. Внешний вид указателя измерителя ЛОРАС: 1 ‑ шкала всенаправленной скорости; 2 ‑ граница допустимой скорости; 3 ‑ шкала продольной скорости; 4 ‑ планка поперечной скорости; 5 ‑ шкала поперечной скорости; 6 ­‑ планка продольной скорости; 7 ‑ центр околонулевых скоростей

В измерителе предусмотрено применение различных указателей, вплоть до многофункционального, получающего информацию как от датчиков на штанге, так и от ПВД, установленного на борту фюзеляжа. Например, указатель, показанный на рис. 5.14, имеет ограниченные диапазоны: полная скорость от 0 до 222 км/ч; продольная составляющая скорости от –74 до +111 км/ч; поперечная составляющая скорости ±92,5 км/ч.

Шкалы имеют градуировку в узлах (миля/час). Полная скорость отображается по левой шкале 1, продольная скорость – по вертикальной шкале 3, поперечная скорость – по горизонтальной шкале 5. Полную скорость показывает стрелка по шкале 1, продольную скорость показывает планка 6, поперечную скорость показывает планка 4. Предельное значение скорости определяется перекрестием планок 4 и 6 на границе 2.

По сравнению с традиционным манометрическим измерителем скорости измеритель типа ЛОРАС имеет очевидные преимущества: он может измерять в горизонтальной плоскости все скорости. Он обладает высокой чувствительностью согласно формулам (5.34) и (5.35). При указанных выше технических значениях и при нормальной плотности (ρ = ρ_о) чувствительность измерителя по продольной оси, например, составляет 0,703·10^-3 кг/см² на один км/ч при скорости полета 1,874 км/ч. При такой же скорости обычный манометрический измеритель имеет чувствительность 0,166·10^-5 кг/см² на один км/ч, то есть в 423,5 раза меньше.

К положительным свойствам измерителя типа ЛОРАС относятся: способность измерять скорость по двум осям, высокая точность (± 3,7 км/ч), удовлетворительная динамика сигналов в связи с их передачей по электрическим каналам (вместо пневматических).