Устройство трехосного измерения воздушной скорости

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения высотно-скоростных параметров и аэродинамических углов в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
Известно устройство измерения малых воздушных скоростей вертолета (RU 2426995 С1, 20.08.2011) с помощью неподвижного сферического тела, установленного на фюзеляже. Симметрично оси сферического тела в плоскостях, параллельной плоскости симметрии вертолета и ортогональной к ней, расположены наклонные отверстия для забора (приемники) давлений, определяющие угловое положение набегающего потока в указанных ортогональных плоскостях. На поверхности сферического тела по окружности расположены отверстия для забора (приемники) статического давления результирующего набегающего воздушного потока. Приемники давлений и температуры подключены ко входам пневмоэлектрических преобразователей, например перепада давлений или термоанемометрическим, выходы которых подключены к микропроцессору, который вычисляет три составляющие вектора истинной воздушной скорости, углы атаки и скольжения.
п
ст
Недостатком известного способа является наличие длинных проточных трубопроводов, увеличивающих время запаздывания сигнала, значительное число термоанемометров измерения расхода по сигнальным трубопроводам, требующим согласования, аналоговая передача сигналов давления, подверженных влиянию температуры и плотности, обязательно наличие сигнала Р полного давления и сигнала Р статического давления и связанного с этими сигналами вычислительной операции определения воздушной скорости.
Известно устройство приемника воздушной скорости в системе измерения параметров полета (RU 2290646 С1, 27.12.2006), принятый за прототип. Устройство содержит приемники воздушных давлений с приемными отверстиями, снабженные электронагревательной противообледенительной системой, соединенные пневмотрассами с датчиками давления, датчики температуры наружного воздуха и вычислитель параметров полета. При этом все блоки размещены в одном специальном аэродинамически обтекаемом корпусе, крепящемся к ЛА и составленном из элементов осесимметричных тел, которые могут быть выполнены в форме конуса, эллипсоида, цилиндра, пирамиды. При этом устройство является автономным и сообщается с ЛА и его системами только каналами передачи информации и подвода электроэнергии через электрические разъемы.
п
ст
Недостаток известного устройства состоит в наличии значительного числа термоанемометров измерения расхода по сигнальным проточным трубопроводам, требующим согласования, аналоговая обработка сигналов давления, подверженных влиянию температуры, плотности и высоты полета, обязательно наличие сигнала Р полного давления и сигнала Р статического давления и связанного с этими сигналами вычислительной операции определения воздушной скорости, первичные чувствительные элементы требуют электропитания, для определения сигнала истинной воздушной скорости обязательное наличие двух комплектов измерителей по обе стороны фюзеляжа.
Техническим результатом является упрощенное построение системы измерения истинной воздушной скорости в трех измерениях.
Технический результат достигается тем, что устройство трехосного измерения воздушной скорости, характеризующееся тем, что в обтекаемом корпусе по каждой из трех пространственных осей расположены два струйных автогенератора с частотным выходом, каждый с одним входным патрубком, выступающим за пределы корпуса, один патрубок автогенератора для приема осевого встречного потока в прямом направлении и один патрубок другого автогенератора - обратном направлении, частотные выходы давления автогенераторов через пневмопьезо-электропреобразователи электрическим выходным частотным сигналом связаны по кабелю с микропроцессором определения векторов воздушной скорости, проточные камеры автогенераторов соединены с атмосферой.
На фиг. 1 показана схема измерения воздушной скорости по осям X и Z, как пример трехосного измерения по пространственным осям X, Y, Z.
На фиг. 2 показан струйный автогенератор в качестве приемника воздушной скорости (ПВС) по одному типовому направлению (ось Z, вверх-вниз) набегающей воздушной скорости.
z пр
z обр
При работе устройства измерения воздушной скорости (схема фиг. 1 для примера) набегающий скоростной поток 1 воздуха по оси V прямой и V обратный, или одновременно в двух направлениях, например перемещение вертолета по оси Z вверх и ветром снизу. Такое же сочетание векторов скорости набегающего потока возможно в трех плоскостях, при котором поток проникает во входы патрубков 3 прямого и обратного потоков, расположенные симметрично по трем осям (тангаж - ось Y, рысканье - ось Z и крен - ось X) в обтекаемом корпусе 2, через сопла 4 питания (фиг. 2) проточных струйных автогенераторов с частотным выходом пневматических давлений. Пневматический частотный выход автогенераторов преобразуется через дроссели 6 и камеры (не обозначены на фиг. 2) пневмопьезо-электропреобразователей 13 (фиг. 2) в электрический частотный сигнал, который по электрокабелям 7 переходит в микропроцессор 8, в котором определяются векторы воздушной скорости, остаточный поток из полости 12 выводится вне корпуса 2 через атмосферное сопло 9 корпуса.
Параметрические данные воздушного потока измеряются прибором, выполненным по схеме (фиг. 1), который устанавливается, например на переднюю часть фюзеляжа ЛА для дифференциального измерения истинных воздушных скоростей.
В предположении, что поле скоростей менее динамично по сравнению с полем давлений применяется один прибор трехосного измерения скоростей ПВС. Для изменения вектора скорости элементарного объема воздуха требуется сила (перепад давления, т.е. модуль вектора), совместно с приложенным ускорением для изменения направления. В то время как на поле давлений действуют величины измененных давлений (например, вследствие влияния температуры) и для выявления картины давления в пространстве измерения требуются минимум два прибора приемника воздушного давления (ПВД), как в прототипе.
В струйном приемнике воздушной скорости (ПВС) скоростной напор (динамическое давление), содержащий непосредственную информацию о скорости, освобожденный от величины статического давления, и далее скорость определяется с помощью колебаний струйного течения из квадратичной зависимости. Функциональная зависимость в частотной форме, свойственная физической природе колебаний, выражается линейной связью между величинами скорости потока и частотой колебаний выходного давления струйного автогенератора.
Предложенная схема (фиг. 1) построена на проточных ПВС, основой работы которой является струйный автогенератор (фиг. 2). Струйный автогенератор реализован в виде струйного усилителя 5, замкнутого обратными связями, образующего функциональное устройство с частотным выходом струйных колебаний, далее выраженными колебаниями пневматического давления в камерах пневмопьезо-электропреобразователя.
Полное давление (статическое и динамическое) струи питания в струйном автогенераторе преобразуется в переменное пневматическое давление в пневмопьезо-электропреобразователе, равное динамическому давлению скоростного напора, за вычетом статического давления окружающей среды по физической природе измерения. Как сама постоянная величина, так и плавное изменение величины статического давления в виде воздействия на пневмопьезо-электропреобразователь не вносит ошибки в электрический выходной сигнал при частотном измерении колебаний давления.
Сливные выходы потока усилителей всех автогенераторов (показан один для примера на рис. 2) сведены в общую полость 12 и далее через сопло выхода 9 с окружающей средой. Струйный автогенератор может быть организован на 3-х и более струйных усилителях для увеличения чувствительности. Частота колебаний сигналов давления струйного автогенератора преобразуется в электрический сигнал пневмопьезо-электропреобразователя 13 (фиг. 2). Такой струйный ПВС (скоростемер) с диапазоном измерения по скорости 1:10 укладывается в класс - 1, с диапазоном 1:20 - в класс 1,5.
cp
тр
зап
cp
Воздушный поток 1 поступает на обтекатель 2 к входному патрубку 3 и далее в сопло 4 питания струйного автогенератора. Струйный автогенератор представляет собой струйный усилитель, приемные каналы (14, 15) которого соединены каналами обратной связи (16, 17) с соплами управления (18, 19). При работе струйного автогенератора струя воздушного потока, вытекающая из сопла 4 в рабочую камеру взаимодействия 20, отклоняется к одной из стенок, например к левой стенке, и прижимается к ней давлением, которое создается потоком, отраженным вогнутым дефлектором 21. Струя течет вдоль левой стенки и попадает в приемный канал 14. Набор давления из-за некоторого торможения в приемном канале 14 вызывает разгон среды в канале обратной связи 16. Через некоторое время t3an запаздывания в канале обратной связи 16 расход в сопле управления 18 достигает величины расхода переключения Q, что приводит к отрыву струи от левой стенки и перемещение ее к правой стенке. Струя достигает правой стенки, и через некоторое время транспортного запаздывания t  в камере 20 взаимодействия струйного усилителя 5. в приемном канале 15 повышается давление (при этом в канале 14 оно становится равным давлению в камере). Спустя некоторое время t - время прохождения по каналу обратной связи 17- расход в сопле управления 19 достигает величины Q, и струя перемещается к левой стенке и попадает в приемный канал 14 и процесс повторяется. Начнется новый период колебания и возникают устойчивые автоколебания струи в струйном автогенераторе. Частота переключений пропорциональна скорости воздуха через сопло питания 4 струйного усилителя 5.
Известно свойство струйного автогенератора - частота ƒ линейно зависит от скорости течения и не зависит от плотности измеряемой среды ρ. С повышением плотности измеряемой среды растет одновременно перепад давления в той же доле на струйном автогенераторе, при этом показания по скорости V не меняются.
Далее из сливной полости 22 воздух выходит через сопло выхода 9 в атмосферу. Частота колебаний пневматических сигналов давления струйного автогенератора пневмопьезо-электропреобразователем 13 передается по электрокабелю 7 в микропроцессор 8, питание которого осуществляется через разъемы в стойке 10 от объекта 11 ЛА (не показан на фиг. 1).
вых
Векторы скорости набегающего потока под углом к входному патрубку 3 струйного автогенератора имеют меньшую величину модуля скорости и, следовательно, меньшую величину выходной частоты ƒ.
z пр
z обр
При изменении направления скоростей V прямой и V обратной набегающего потока воздуха изменяется распределение скоростей по поверхности обтекаемого тела и по разнице двух величин скоростей на разных сторонах корпуса 2 можно судить о местном угле набегающего потока, который функционально связан с аэродинамическим углом осей X, Y, Z.
В силу того, что местный угол скоса потока вычисляется фактически по разнице указанных двух воздушных скоростей в автогенераторе с преобразованием в частотный электросигнал, то исключение пневмотрасс с запаздыванием сигнала значительно снижает погрешности измерения угла скоса потока.
Струйные автогенераторы преобразуют пневмопьезо-электропреобразователем сигнал скорости в электрический сигнал частоты, которые по кабелю 7 передаются в вычислитель 8, где производится вычисление скоростных параметров.
Вычисленные скоростные параметры и местные аэродинамические углы скольжения β, рысканья ψ, тангажа υ и крена γ передаются далее по кодовым линиям связи (не показаны на рис. 1) на индикацию экипажу, в систему автоматического управления (автопилот), в систему регистрации параметров и в прочее бортовое оборудование летательного аппарата.
MIN
Приближение к опасному режиму пилотирования со скоростью V≅2-4 м/с, при наличии устройства трехосного измерения воздушной скорости, можно исключить фиксацией частоты ƒ≅<ƒ сигналом ПВС, не меняющей своей величины от высоты полета Н, что существенно для безопасности полета в горной местности.
Перечислим свойства устройства трехосного измерения воздушной скорости:
- измеряется только динамическое давление, статическое давление не влияет на измерение пьезопреобразователем, т.е. автоматически из полного давления вычитается статическое давление;
- измеряется воздушная скорость, на величину которой не влияет изменение плотности ρ среды, и не зависит от высоты полета;
- при частотном способе измерения скорости набегающего потока V характеристика выходной частоты ƒ от скорости V линейная;
- отсутствует необходимость поправок на величину опасной черты по скорости при разной высоте - у земли или в горах, т.е. показания опасной частоты одни и те же при разных параметрах полета вертолета и температуры окружающей среды;
- измеряется истинная скорость потока воздушной среды, включая ветер;
- предложено устройство измерения для различных ЛА, которым измеряется, а не вычисляется, истинная воздушная скорость непосредственно аэродинамическим способом.
Предложенное техническое решение позволяет получить результат в виде упрощенного построения системы измерения истинной воздушной скорости в трех измерениях. Предложенной моделью измеряется истинная скорость в том виде без преобразований, которая набегает на обтекаемый корпус с расположенными в нем струйными автогенераторами. Кроме того, модель предоставляет возможность электрическим частотным выходным сигналом, связанным по кабелю с микропроцессором для определения векторов воздушной скорости.