Многофункциональный измеритель воздушных данных

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения высотно-скоростных параметров и аэродинамических углов в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
В классических системах воздушных сигналов канал измерения высотно-скоростных параметров (датчики аэродинамических параметров) соединены с датчиками давления пневмотрассами, длины которых могут достигать несколько метров.
В свою очередь, датчики давления преобразуют воздушные давления в электрический сигнал и в цифровом виде значения воздушных давлений передаются в вычислитель, где производится вычисление высотно-скоростных параметров. Таким образом, канал измерения высотно-скоростных параметров включает в себя приемник воздушных давлений, пневмотрассы, датчики давления и вычислитель высотно-скоростных параметров.
Известен датчик аэродинамических параметров, в котором совмещены функции измерения воздушных давлений (полного и статического) и аэродинамического угла - на флюгере расположены отверстия восприятия статического и полного воздушных давлений. В первую очередь, подобное совмещение повышает точность измерения воздушных давлений, поскольку происходит ориентация флюгера по набегающему потоку воздуха и исключается угловая погрешность измерения воздушных давлений. Указанный датчик имеет два пневматических выхода (полное и статическое давления), а также электрический сигнал, пропорциональный углу поворота флюгера (патент US №4672846 от 16.06.1987 г.).
Но любая механическая подвижная система характеризуется наличием трения (моменты трения в потенциометрах, подшипниках оси и т.п.). Причем это трение сильно зависит от температуры конструктивных элементов, что, в конечном итоге, приводит к увеличению погрешности измерения аэродинамических углов, причем зависимость погрешности от температуры непредсказуема.
Частично задача измерения аэродинамического угла атаки в неподвижном приемнике воздушных давлений решена в пат. US №5205169 от 27.04.1993 г., но вопросы эффективного электрообогрева и удаления влаги из пневмотрасс, которые фактически начинаются на воспринимающей части приемника воздушных давлений и подвержены интенсивному воздействию капель воды, находящихся в набегающем потоке воздуха, не рассмотрены.
В качестве прототипа выбран фюзеляжный приемник воздушного давления со стойкой (патент 2157980 от 28.01.1997 г.), предназначенный для восприятия полного и статического давлений, дополнительно воспринимает два воздушных давления на стойке, по которым вычисляется местный угол скоса набегающего потока по отношению к приемнику воздушных давлений. Далее по известной функциональной зависимости вычисляется аэродинамический угол как функция местного угла скоса набегающего потока.
Как и любой приемник воздушных давлений, указанный приемник имеет электрообогрев для предотвращения обледенения. В силу того, что местный угол скоса потока вычисляется фактически по разнице указанных двух воздушных давлений, то применение пневмотрасс ведет к увеличению погрешности измерения угла скоса потока вследствие значительного запаздывания и потерь давления в пневмотрассах.
Таким образом, недостатком данных технических решений, в первую очередь, является большая погрешность измерения аэродинамического угла, которая не соответствует требуемой погрешности измерения на уровне 0,2÷0,5°.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение погрешности измерения аэродинамического угла.
Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения высотно-скоростных параметров, значительном снижении массы многофункционального измерителя воздушных данных, в первую очередь, за счет исключения пневмотрасс, расположенных между приемником воздушных давлений и узлом датчиков давления.
Технический результат достигается за счет того, что многофункциональный измеритель воздушных данных содержит приемник воздушных давлений, датчики давлений, вычислитель. Причем, датчики объединены в единый узел датчиков давлений, соединенный с приемником воздушных давлений и вычислителем.
Также достигается за счет того, что введены: дополнительный вычислитель высотно-скоростных параметров, соединенный с выходом узла датчиков давлений, и узел контроля обогрева, соединенный с приемником воздушных давлений и вычислителями.
Объединение в едином корпусе элементов системы воздушных сигналов (приемника воздушных давлений, датчиков давлений и вычислителей), позволяет резко снизить общую массу канала измерения высотно-скоростных параметров за счет исключения пневмотрасс между приемником воздушных давлений и узлом датчиков давления.
На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого многофункционального измерителя воздушных данных, содержащий:
1 - приемник воздушных давлений;
2 - узел датчиков давлений;
3 - вычислитель;
4 - дополнительный вычислитель высотно-скоростных параметров;
5 - узел контроля обогрева.
Принцип работы заявляемого многофункционального измерителя воздушных данных в части восприятия воздушных давлений соответствует известным приемникам воздушных давлений: изоэнтропически заторможенный набегающий поток воздуха в камере торможения (не показана на фигуре 1) приемника воздушных давлений 1 создает давление, которое называется полным давлением. По длине приемника на внешней поверхности располагаются отверстия отбора статического давления. Измерение аэродинамического угла соответствует известным способам измерения аэродинамических углов. При изменении направления набегающего потока воздуха изменяется распределение давления по поверхности обтекаемого тела (в данном случае по стойке приемника воздушных давлений 1) и по разнице двух давлений на разных сторонах стойки можно судить о местном угле набегающего потока, который функционально связан с аэродинамическим углом.
Воспринятые четыре давления (полное, статическое, два давления со стойки приемника воздушных давлений 1) передаются на датчики давления, расположенные в узле датчиков давления 2.
Величины измеренных давлений в цифровом виде передаются в вычислители высотно-скоростных параметров 3 и 4, в которых производится вычисление высотно-скоростных параметров по известным зависимостям, реализованных в системах воздушных сигналов, в первую очередь по ГОСТ 4401-82 «Стандартная атмосфера. Параметры» и ГОСТ 5212-74 «Таблица аэродинамическая. Динамические давления и температуры торможения воздуха для скорости полета от 10 до 4000 км/ч. Параметры», с использованием воспринятых полного  и статического  давлений.
Абсолютная барометрическая высота определяется по формуле:
где:
Н - абсолютная барометрическая высота, [м];
- статическое давление, [Па].
Вертикальная скорость определяется по формуле:
где:
Vy - вертикальная скорость, [м/с];
Н - абсолютная барометрическая высота, [м];
- оператор дифференцирования.
Приборная скорость определяется по формуле:
где:
пp
V - приборная скорость, [км/ч];
- полное давление, [Па];
- статическое давление, [Па].
Число Маха определяется по формуле:
Истинная воздушная скорость определяется по формуле:
где:
- истинная воздушная скорость, [км/ч];
Т
Т - температура торможения, [К].
Местный аэродинамический угол определяется по формуле:
где:
- полное давление, [Па];
- статическое давление, [Па];
1
2
P, Р - воспринимаемые давления на стойке приемника воздушных давлений.
Вычисленные высотно-скоростные параметры и местный аэродинамический угол ϕ передаются далее по кодовым линиям связи на индикацию экипажу, в систему автоматического управления (автопилот), в систему регистрации параметров и в прочее бортовое оборудование летательного аппарата.
Следует отметить, что для измерения истинной воздушной скорости требуется информация от приемника температуры, например, широко применяемого в отечественном авиастроении П-104 (П-104М). Поэтому многофункциональный измеритель воздушных данных имеет вход для подключения приемника температуры (на фигуре 1 не показан).
При отсутствии сигнала от приемника температуры, температура вычисляется в соответствии с зависимостью изменения температуры воздуха от барометрической высоты в соответствии с ГОСТ 4401-82 «Стандартная атмосфера. Параметры».
По результатам летных испытаний, в соответствии с принятой технологией летных испытаний бортового оборудования летательных аппаратов с применением комплекса бортовых траекторных измерений, определяются аэродинамические поправки. Преимущественно они направлены на компенсацию ошибок восприятия статического давления (обусловленные, в первую очередь, местом установки многофункционального измерителя воздушных данных на борту летательного аппарата), которые могут быть реализованы непосредственно в самом вычислителе высотно-скоростных параметров 3.
Чаще всего эти зависимости имеют следующий вид и носят полиноминальный характер:
где:
ΔР - поправка по статическому давлению, [Па];
- статическое давление, [Па];
М - число Маха;
α - аэродинамический угол атаки, [градусы].
Если вклад слагаемых от аэродинамического угла атаки α в указанную зависимость (7) как минимум на порядок (в 10 раз) меньше вклада слагаемых от числа Маха М, то зависимость (7) сводится к следующему виду:
С целью резервирования в состав многофункционального измерителя воздушных данных введен дополнительный вычислитель высотно-скоростных параметров 4.
С учетом выполнения требований разработки авиационного оборудования по квалификационным требованиям КТ-254 «Руководство по гарантии конструирования бортовой электронной аппаратуры» дополнительный вычислитель высотно-скоростных параметров 4 выполнен с применением элементной базы, отличной от элементной базы вычислителя 3, с целью обеспечения требуемой разнородности аппаратных средств.
Указанные требования устанавливают применение однотипной элементной базы (микропроцессоры, аналого-цифровые преобразователи и другие элементы) и программного обеспечения разных производителей (т.н. разнородность аппаратных средств), что гарантирует отсутствие одновременно возникающих ошибок функционирования на аппаратном или программном уровнях в одинаковых условиях.
Таким образом, дополнительный вычислитель высотно-скоростных параметров 4 повышает надежность функционирования заявляемого в качестве полезной модели многофункционального приемника воздушных данных.
Любые средства восприятия воздушных давлений и аэродинамических углов, в соответствии с действующей нормативной базой, должны иметь защиту от обледенения, причем наибольшее распространение получил способ электрообогрева. Однако теплоотдача с поверхности приемника воздушных давлений сильно зависит от температуры и скорости набегающего потока, а также от содержания капель воды или кристаллов льда.
Известно, что в среднем для эффективного обогрева требуется 4 Вт на каждый квадратный сантиметр поверхности приемника воздушных давлений. С другой стороны, исключение пневмотрасс между приемником воздушных давлений 1 и узлом датчиков давления предусматривает новые способы удаления влаги из каналов восприятия воздушных давлений.
Наиболее подходящим является увеличение электрообогрева и удаление влаги за счет нагрева приемника воздушных давлений 1.
Потребная электрическая мощность может изменяться в широких пределах практически от нулевой (при стоянке на взлетно-посадочной полосе в солнечную погоду) до величин порядка 500-900 Вт при полете в условиях обледенения
Для регулирования выделяемой мощности в конструкцию многофункционального измерителя воздушных данных введен узел контроля обогрева 5, который управляет выделяемой мощностью нагревательным элементом в зависимости от условий воздействия, в первую очередь, температуры и скорости набегающего потока, и контролирует протекаемый электрический ток через нагревательные элементы.
Само управление выделяемой мощностью может быть организовано любыми способами:
а) применение нагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, сопротивление которых увеличивается при увеличении температуры и, таким образом, уменьшается выделяемая мощность;
б) изменение напряжения питания, подаваемого на нагревательные элементы, соответственно изменяется и величина выделяемой мощности;
в) применение широтно-импульсной модуляции и подача напряжения питания на нагревательные элементы в виде последовательности импульсов постоянной амплитудой и изменяемой длительностью самих импульсов.
Таким образом, путем применения адаптивного управления выделяемой мощностью можно значительно повысить эффективность обогрева и исключить перегрев нагревательного элемента и приемника воздушных давлений.
В случае применения одного многофункционального измерителя воздушных давлений измеряется местный аэродинамический угол ϕ, который, в зависимости от места установки на фюзеляже летательного аппарата, функционально связан как с аэродинамическим углом атаки α, так и с углом скольжения β в той или иной степени. Причем эта функциональная зависимость может быть неоднозначной.
Для приближения функциональной зависимости измеряемого местного аэродинамического угла ϕ к углу скольжения β необходимо установить многофункциональный измеритель воздушных данных в продольной плоскости симметрии фюзеляжа.
Для приближения функциональной зависимости измеряемого местного аэродинамического угла ϕ к аэродинамическому углу атаки α, необходимо установить многофункциональный измеритель воздушных данных перпендикулярно продольной плоскости симметрии фюзеляжа.
Для получения однозначной (когда одному сочетанию угла атаки и угла скольжения соответствует только одно значение местного аэродинамического угла) зависимости измеряемого местного аэродинамического угла ϕ от аэродинамического угла атаки α и угла скольжения β, необходимо установить на противоположном борту фюзеляжа еще один многофункциональный измеритель воздушных данных и осуществить информационный обмен между ними.
Установка пары многофункциональных измерителей не обязательно должна быть симметричной относительно вертикальной плоскости симметрии фюзеляжа.
Таким образом, пара многофункциональных измерителей будет образовывать полноценный канал измерения, который позволяет измерять истинные значения аэродинамических углов: угла атаки α и угла скольжения β.
Только два варианта соединения двух многофункциональных измерителей воздушных данных:
1) когда вычислитель 3 одного измерителя соединен с вычислителем 3 другого измерителя, а дополнительный вычислитель 4 одного измерителя соединен с дополнительным вычислителем 4 другого измерителя;
2) вычислитель 3 одного измерителя соединен с дополнительным вычислителем 4 другого измерителя, а дополнительный вычислитель 4 одного измерителя соединен с вычислителем 3 другого измерителя.
Фактически, можно рассматривать имеющиеся вычислитель 3 и дополнительный вычислитель 4 как независимые сетевые устройства, которые могут быть соединены в соответствии с любой сетевой топологией.
Таким образом, мы получаем новую распределенную систему измерения высотно-скоростных параметров.
Предлагаемый многофункциональный измеритель воздушных данных позволяет уменьшить погрешность измерения аэродинамического угла до значений порядка 0,25° от первоначальных величин порядка 1-1,5°.
Также позволяет уменьшить на 20-30% динамическую погрешность измерения высотно-скоростных параметров и на 15-30%) уменьшить массу канала измерения высотно-скоростных параметров за счет исключения пневмотрасс.
При этом заявляемый в качестве полезной модели многофункциональный измеритель воздушных данных позволяет повысить на 10-40%) эффективность электрообогрева.