ДАТЧИК ВЕКТОРА ВОЗДУШНОЙ СКОРОСТИ С ОБОГРЕВОМ

Полезная модель касается усовершенствования датчика вектора воздушной скорости и может быть использована в измерительной технике при измерении параметров течения газообразных сред или для определения параметров движения летательных аппаратов относительно воздушной среды.
Известен датчик вектора воздушной скорости, описанный в патенте №109864, РФ МПК: G01P 5/00, 2011 г. «Датчик вектора воздушной скорости», содержащий корпус датчика, смонтированный на нем двухосный карданный подвес, раму карданного подвеса с размещенными на ней в передней части приемником воздушного давления, а хвостовая часть рамы карданного подвеса представляет собой флюгер, выполненный в виде вилки, к наружным сторонам которой попарно прикреплены четыре пластины.
К недостаткам такой конструкции датчика вектора воздушной скорости относится неравномерный обогрев флюгера, осуществляемый электронагревательным кабелем, что приводит в условиях обледенения к образованию льда и, как следствие, к появлению дестабилизирующих аэродинамических моментов. Проблема обогрева флюгера состоит в том, что при размещении электронагревательного кабеля необходимой мощности в ограниченном объеме пластин ведет к увеличению размеров самого флюгера, а, следовательно, и к увеличению аэродинамического момента. К тому же, низкая надежность электронагревательных кабелей влияет, в итоге, на работоспособность самого датчика.
Для возможности выполнения полетов в условиях обледенения (т.е. охлаждение внешней поверхности набегающим потоком воздуха до критической температуры, при которой происходит образование льда на внешней поверхности пластин, что недопустимо при эксплуатации) необходимо обеспечить равномерный обогрев аэродинамических поверхностей флюгера датчика, т.е. пластин, так как даже небольшое образование льда на пластинах приводит к разбалансировке датчика, влияющей на погрешность датчика при определении вектора воздушной скорости.
В общем виде тепловой поток проходит от нагревательного элемента до внешней поверхности (теплоперенос), а тепловой поток с внешней поверхности делится на два потока: радиационный (посредством излучения) и конвективный (теплообмен с окружающим воздухом).
Мощность радиационного потока описывается выражением:
Р
П
4
4
Q=ε·σ·S·(T -Т),
где
ε - коэффициент черноты поверхности, с которой происходит излучение;
-8
2
4
σ - постоянная Стефана-Больцмана, 5,6704·10 Вт/(м·К);
2
S - площадь поверхности, м;
П
Т - температура поверхности, К;
Т - температура окружающей среды, К.
Мощность конвективного потока описывается выражением:
K
П
4
4
Q=α·S·(T -Т),
где
2
α - коэффициент теплоотдачи - отношение коэффициента теплопроводности λ к толщине h, Вт/(м·К),
2
S - площадь поверхности, м;
П
Т - температура поверхности, К;
Т - температура окружающей среды, К.
Мощность теплопереноса описывается выражением:
где
2
λ - коэффициент теплопроводности - количество теплоты, проходящее за единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице, Вт/(м·К),
h - толщина, м,
2
S - площадь поверхности, м;
Н
Т - температура нагревательного элемента, К;
П
Т - температура поверхности, К.
В целом, мощность теплообмена можно описать выражением:
t
Р
K
Q=Q+O.
Исходя из вышеизложенного, видно, что для повышения температуры внешней поверхности пластин флюгера, обеспечивающей работоспособность датчика в условиях возможного обледенения, требуется либо увеличение мощности нагревательного элемента, т.е. температуры нагревательного элемента, либо увеличение коэффициента теплоотдачи α.
Увеличение мощности нагревательного элемента не желательно, т.к. на борту летательных аппаратов энергопотребление ограничено. Значит необходимо применять материалы с большими коэффициентами теплопроводности и/или увеличивать площадь теплопередачи.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание датчика вектора воздушной скорости с обогревом, который позволил бы обеспечить равномерный обогрев флюгера, выполненного в виде пластин, что способствовало бы надежной работе датчика в условиях возможного обледенения.
Технический результат заключается в повышении надежности работы датчика в условиях возможного обледенения.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик вектора воздушной скорости с обогревом содержит корпус датчика, смонтированный на нем двухосный карданный подвес, раму карданного подвеса с размещенными на ней в передней части обогреваемым приемником воздушного давления, а в хвостовой - флюгером, хвостовая часть рамы карданного подвеса выполнена в виде вилки, к наружным сторонам которой попарно прикреплены четыре пластины, каждая из которых выполнена из двух тонкостенных пластинок, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, между которых размещен с возможностью обеспечения равномерного температурного поля нагревательный элемент, представляющий собой монолит из металлокерамики в форме параллелепипеда или повторяющий контур тонкостенной пластинки и закрепленный непосредственно на внутренней поверхности каждой тонкостенной пластинки теплопроводящим клеем, а указанные тонкостенные пластинки соединены между собой любым из известных способов, например сваркой.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1-1, фиг. 1-2 представлен предлагаемый датчик вектора воздушной скорости с обогревом, где
1 - корпус датчика,
2 - двухосный карданный подвес,
3 - рама карданного подвеса,
4 - приемник воздушных давлений,
5 - флюгер,
6 - пластины,
7 и 7′ - тонкостенные пластинки,
8 - нагревательный элемент.
На фиг. 2 представлены графики распределения температуры на поверхности пластины, обогреваемой электронагревательным кабелем (график 1) и пластины, обогреваемой металлокерамическим нагревательным элементом (график 2).
Датчик вектора воздушной скорости с обогревом содержит корпус датчика 1, смонтированный на нем двухосный карданный подвес 2, раму карданного подвеса 3 с размещенными на ней в передней части обогреваемым приемником воздушного давления 4, а в хвостовой - флюгером 5, выполненным в виде вилки, к наружным сторонам которой попарно прикреплены четыре пластины 6, каждая из которых выполнена из двух тонкостенных пластинок 7 и 7′, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, между которыми размещен нагревательный элемент 8, представляющий собой монолит из металлокерамики в форме параллелепипеда или повторяющий контур тонкостенной пластинки 7.
Предлагаемый датчик вектора воздушной скорости с обогревом работает следующим образом.
При нахождении датчика в воздушном потоке рама карданного подвеса 3, соединенная шарнирно с двухосным карданным подвесом 2, жестко установленным в корпусе датчика 1, за счет взаимодействия флюгера 5 с воздушным потоком устанавливается в направлении этого потока (вдоль оси «X»). Давление воздушного потока воспринимается приемником воздушных давлений 4, расположенным в передней части рамы карданного подвеса 3.
При включении обогрева в условиях набегающего воздушного потока нагревательный элемент 8, выполненный из металлокерамики в виде монолита в форме параллелепипеда или повторяющего контур тонкостенной пластинки 7, закрепленный непосредственно на внутренней поверхности каждой тонкостенной пластинки 7 и 7′ теплопроводящим клеем, осуществляет равномерный обогрев наружной поверхности каждой из пластин 6 флюгера 5.
Это достигается тем, что нагревательный элемент 8 представляет собой монолит в форме параллелепипеда или повторяющего контур тонкостенной пластинки 7, состоящий из высокотемпературных стеклокерамических слоев с расположенным на них металлокерамическим нагревателем толщиной 30-40 мкм, выполненным по толстопленочной технологии в виде плоской спирали или любого другого рисунка. Различная конфигурация металлокерамического нагревателя позволяет рационально распределить мощность обогрева и при необходимости легко откорректировать ее в дальнейшем.
Применение нагревательного элемента 8 из металлокерамики позволило увеличить площадь теплопередачи вследствие того, что нагревательный элемент 8 выполнен в виде монолита в форме параллелепипеда или повторяющим контур тонкостенной пластинки 7, а увеличение теплопроводности достигается тем, что высокотемпературные стеклокерамические слои имеют большие коэффициенты теплопроводности λ более 5 Вт/(м·К), благодаря чему увеличивается коэффициент теплоотдачи α.
T
При включении обогрева флюгера 5 электрический ток проходит через высокотемпературные стеклокерамические слои нагревательного элемента 8, выполненного в виде монолита или повторяющего контур тонкостенной пластинки 7 и закрепленного теплопроводящим клеем непосредственно к внутренней поверхности каждой тонкостенной пластинки 7 и 7′. Выделяющаяся при этом тепловая энергия Q непосредственно передается на тонкостенные пластинки 7 и 7′. Ввиду большого суммарного коэффициента теплопроводности λ, температура на наружной поверхности пластин 6 флюгера 5 практически равна температуре нагревательного элемента 8. Это позволяет значительно уменьшить электрическую мощность нагревательного элемента 8, выполненного из металлокерамики. Необходимо отметить, что состав высокотемпературных стеклокерамических слоев позволяет изменять в широких пределах как их удельное поверхностное сопротивление, так и их термозависимость.
Из графиков распределения температуры на поверхности пластины, обогреваемой электронагревательным кабелем (график 1), и пластины, обогреваемой нагревательным элементом из металлокерамики (график 2), представленных на фиг. 2, видно, что при одной и той же электрической мощности нагревателя температура на поверхности пластин 6 возрастает почти вдвое, что способствует плавлению льда в условиях возможного обледенения.
Таким образом, устраняются недостатки датчика вектора скорости в части обогрева флюгера, в котором обогрев осуществляется нагревательным электрокабелем, а именно отсутствуют воздушные зазоры, препятствующие эффективной передаче тепла, упрощается технологический процесс сборки флюгера за счет уменьшения сборочных единиц и повышается надежность работы датчика в условиях возможного обледенения.