ПРИЕМНИК ВОЗДУШНОГО ДАВЛЕНИЯ
AIR PRESSURE INTAKE

Изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам для определения параметров полета летательных аппаратов или параметров потока в аэродинамических трубах, а именно для измерения трех компонент вектора скорости и статического давления.
Приемник воздушного давления (ПВД) является важнейшим компонентом системы измерения воздушных параметров. Полученные с его помощью данные подвергаются дальнейшей обработке, в результате чего определяются значения высоты и скорости полета, передаваемые на индикаторы в кабине экипажа летательного аппарата.
На данный момент существуют приемники воздушного давления самой различной конфигурации:
- выполненные в виде удлиненных осесимметричных тел, имеющих головную часть в виде полусферы, конуса или овала и несколько приемных отверстий на головной части, соединенных пневмоканалами со штуцерами (Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. - М.: Машиностроение, 1972);
- имеющие корпус в виде цилиндрического стержня круглого сечения с приемными отверстиями, расположенными на боковой поверхности корпуса и соединенными пневмоканалами со штуцерами (Петунин А.Н. Характеристики пневмометрических приемников величины и направления скорости при больших числах М. - М.: Труды ЦАГИ, 1976, вып. 1989);
- имеющие корпус в виде цилиндрического стержня, сечение которого имеет донный срез, а приемные отверстия расположены как на передней наветренной части корпуса, так и на донном срезе (Головкин М.А., Гуськов В.И., Ефремов А.А. Патент №1723879 на изобретение "Приемник воздушного давления" от 11 марта 1997 г.).
Основным недостатком подобных приемников воздушных давлений является невозможность измерения параметров трехмерного потока газа.
Наиболее близким по выполняемым операциям и техническому решению и принятым за прототип является приемник воздушных давлений, имеющий сферическую головную часть с расположенными на ней приемными отверстиями, соединенными пневмоканалами со штуцерами, и прямую или L-образную державку круглого сечения (Kinser et al. United States Patent US 5929331 A "Multi-Directional, Three Component Velocity Measurement Pressure Probe", Date of Patent Jul.27, 1999, Othon K. Rediniotis and Robert E. Kinser. Development of a Nearly Omnidirectional Velocity Measurement Pressure Probe. AIAA Journal, Vol.36, No.10, October 1998, Vijay Ramakrishnan and Othon K. Rediniotis. Development of a 12-Hole Omnidirectional Flow-Velocity Measurement Probe. - AIAA Journal, Vol.45, No.6, June 2007).
Недостатками данного ПВД являются:
- ограниченный диапазон измерения по числам Рейнольдса и скорости набегающего потока;
- высокие требования, предъявляемые к качеству поверхности головной части ПВД;
- усложненность конструкции;
- ограниченная область практической применимости ПВД.
Это обусловлено следующими факторами:
1. Известно (Петров К.П. Аэродинамика тел простейшей формы. Научное издание. - М.: Издательство «Факториал», 1998), что с увеличением числа Рейнольдса характер обтекания гладкой сферы изменяется с докритического на сверхкритический и происходит резкое изменение положения точки отрыва потока. При этом резко по скорости (и, соответственно, числу Рейнольдса) происходит изменение распределения давления по поверхности гладкой сферы. Это приводит к тому, что при построении математической модели ПВД модели требуется учитывать зависимость характера обтекания от числа Рейнольдса, расширять базу данных и вводить определенные поправки. Это, соответственно, усложняет дальнейший расчет компонент вектора скорости и угла атаки на основании построенной математической модели. Для устранения данной проблемы головная часть прототипа спроектирована в виде сферы малого диаметра (d=6.35 мм и d=9.53 мм) (www.aeroprobe.com), в результате чего во всем рабочем диапазоне скоростей (V<320 м/с для сферы с d=6.35 мм и V<70 м/с сферы с d=9.53 мм, там же) и чисел Рейнольдса обтекание головной части имеет докритический характер и пограничный слой на ее поверхности является ламинарным. Однако, как видно из результатов эксперимента, представленных на фиг.10, и показано в (Петров К.П. Аэродинамика тел простейшей формы. Научное издание. - М.: Издательство «Факториал», 1998), при докритическом обтекании гладкой сферы при числе Рейнольдса Re=85000 отрыв ламинарного пограничного слоя происходит при угле φ≈77° (φ - угол между радиус-векторами точки торможения и точки отрыва пограничного слоя). Это приводит к тому, что для измерения произвольно направленного вектора скорости на поверхности головной части ПВД сделано 18 равномерно и симметрично распределенных отверстий для измерения давления, каждое из которых соединено пневмоканалом со штуцером, что усложняет конструкцию ПВД и увеличивает его вес. Использование меньшего числа равномерно распределенных отверстий при данной конструкции ПВД, в общем случае, неприемлемо, поскольку в этом случае возможно возникновение ситуации (точка торможения совпадает с одним из приемных отверстий), когда давление достоверно измеряется только одним отверстием, а все остальные находятся в зоне отрыва. Кроме того, размеры головной части и присоединенной к ней части державки приводят к необходимости использования пневмоканалов очень малого внутреннего диаметра. В совокупности с большой длиной пневмоканала (для головной части с d=9.53 мм (www.aeroprobe.com) полная длина с L-образной державкой l=357 мм) это приводит к значительному времени прохождения сигнала и, соответственно, к запаздыванию в получении результата измерения.
2. Известно, что необходимость обеспечения докритического обтекания сферы и ламинарного пограничного слоя на ее поверхности (без применения специальных устройств для его принудительной ламинаризации, использование которых затруднено в связи с малыми размерами ПВД) выдвигает высокие требования к гладкости поверхности сферы. Наличие на поверхности неровностей или шероховатостей приводит к турбулизации пограничного слоя, в результате чего докритическое обтекание переходит в сверхкритическое (см., например, Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. - ОНТИ НКТП СССР, Москва, Ленинград, 1935), что приводит к существенному искажению картины обтекания по сравнению с тем, для которого разработана математическая модель расчета параметров полета.
3. Указанные выше особенности ПВД приводят к тому, что область практического применения прототипа ограничивается только аэродинамическими трубами и испытательными стендами. Использование его на реальных летательных аппаратах не представляется возможным в связи с тем, что на нем (из-за малых размеров) не удается установить ряд систем, обязательных к использованию на ПВД, предназначенных для использования на летательных аппаратах, в частности системы обогрева, удаления конденсата влаги из пневмоканалов и т.п. Увеличение же размеров данного ПВД невозможно, поскольку это (вследствие ограничения числа Рейнольдса для обеспечения докритического обтекания) снизит диапазон измеряемых скоростей до неприемлемого уровня (V<30 м/с).
Задачей данного изобретения является создание приемника воздушного давления, обладающего улучшенными по сравнению с прототипом эксплуатационными характеристиками и устраненными вышеперечисленными недостатками.
Техническим результатом является:
1) обеспечение сверхкритического обтекания головной части ПВД во всем дозвуковом диапазоне скоростей и чисел Рейнольдса вследствие размещения на поверхности головной части турбулизаторов потока;
2) расширение эксплуатационного диапазона скоростей набегающего потока;
3) упрощение конструкции ПВД;
4) расширение области практического применения ПВД.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что приемник воздушных давлений содержит головную часть с расположенными на ее поверхности приемными отверстиями, соединенными пневмоканалами со штуцерами, и присоединенную к головной части с тыльной стороны державку, на поверхности головной части для осуществления сверхкритического обтекания и устранения влияния числа Re расположены турбулизаторы потока.
1
1
2
2
Технический результат достигается также тем, что турбулизаторы потока, выполнены в виде выемок глубиной a≤0.1H и шириной b≤0.1Н или выступов высотой а≤0.1Н и шириной b≤0.1Н.
<mrow><mn>0</mn><mo>÷</mo><mo>±</mo><mfrac><mrow><mn>0.9</mn></mrow><mi>H</mi></mfrac></mrow>
Технический результат достигается также тем, что турбулизаторы потока выполнены в виде ребер, образованных в результате сопряжения элементов поверхностей под углом ξ≠0 с кривизной, лежащей в пределах
, и габаритными размерами в пределах 0.01Н÷0.4Н, где H - минимальный габаритный размер головной части.
Технический результат достигается также тем, что головная часть имеет форму выпуклого многогранника с числом плоских граней, лежащих в пределах 10÷1000.
Технический результат достигается также тем, что головная часть имеет форму икосаэдра.
Технический результат достигается также тем, что головная часть имеет форму додекаэдра.
Технический результат достигается также тем, что головная часть имеет форму 192-гранника, построенного на основе додекаэдра.
Технический результат достигается также тем, что приемные отверстия расположены на гранях головной части, число приемных отверстий равно 12, а число граней кратно 12.
Технический результат достигается также тем, что поверхность державки является гладкой и не содержит турбулизаторов или частично гладкой.
Технический результат достигается также тем, что державка выполнена в виде многогранного цилиндра с диаметром описанной вокруг поперечного сечения окружности d, удовлетворяющим условию d<Н, а получившиеся в результате сопряжения граней ребра являются турбулизаторами потока.
На фиг.1 показана схема внешнего вида приемника воздушных давлений, у которого головная часть составлена из сопряженных друг с другом элементов искривленных поверхностей.
На фиг.2 показана схема внешнего вида приемника воздушных давлений, у которого головная часть имеет форму выпуклого многогранника с числом плоских граней, равным 192.
На фиг.3 показана схема внутреннего устройства приемника воздушных давлений.
На фиг.4 показана схема турбулизаторов потока в виде выемок на поверхности головной части ПВД.
На фиг.5 показана схема турбулизаторов потока в виде выступов на поверхности головной части ПВД.
На фиг.6 показана схема докритического (а) и сверхкритического (б) обтекания сферы и схема обтекания многогранника (в).
На фиг.7 показана схема турбулизаторов потока в виде ребер, образованных сопряжением двух поверхностей.
На фиг.8 представлено распределение коэффициента измеряемого давления по поверхности головной части в форме выпуклого многогранника при различных числах Рейнольдса.
На фиг.9 представлено распределение коэффициента измеряемого давления по поверхности головной части в форме сферы при различных числах Рейнольдса.
На фиг.10 представлена зависимость углового положения точки отрыва от числа Рейнольдса для приемников воздушных давлений с головной частью в форме выпуклого многогранника и сферы.
Приемник воздушного давления, выполненный в соответствии с вариантом конструкции настоящего изобретения, состоит из головной части 1 с приемными отверстиями 2, соединенными пневмоканалами 3 со штуцерами 4, и державки 5 (фиг.1, 2, 3). Приемник сконструирован таким образом, что может определять статическое давление набегающего потока и вектор скорости независимо от его ориентации и действовать в широком диапазоне чисел Рейнольдса при несжимаемых режимах течения.
Предложенная для устранения влияния числа Рейнольдса геометрия приемника воздушного давления (головной части и державки) оригинальна тем, что его поверхность не является гладкой, а содержит специальным образом сформированные турбулизаторы потока 6 (фиг.1, 2). В качестве турбулизаторов могут служить расположенные на поверхности приемника воздушных давлений выемки (фиг.4) или выступы (фиг.5). Форма выемок или выступов может отличаться от приведенных на фиг.4 и 5. Расположенные на поверхности ПВД турбулизаторы являются генераторами локальных отрывов, в которых происходит интенсивная диссипация энергии и тем самым затягивается возникновение глобального отрыва потока. Это приводит к тому, что обтекание головной части ПВД во всем рабочем диапазоне чисел Рейнольдса является сверхкритическим. Схема до- и сверхкритического обтекания сферы, а также многогранника представлена на фиг.6.
В качестве одного из вариантов рассмотрим приемник воздушных давлений, головную часть которого представляет собой многогранник, в точном математическом смысле не являющийся правильным, поверхность которого образована плоскими гранями, а турбулизаторами потока являются ребра, образованные в результате сопряжения этих граней (фиг.7).
Для получения геометрической формы многогранного ПВД использовались следующие правильные многогранники:
1. Правильный двадцатигранник (икосаэдр), имеющий 20 граней (правильные треугольники) и 12 вершин, определяемых набором вершин трех сцентрированных ортогональных прямоугольников;
2. Правильный двенадцатигранник (додекаэдр) имеющий 12 граней в виде правильных пятиугольников, образованных пересечением плоскостей, проходящих через вершины икосаэдра перпендикулярно радиус-векторам вершин.
Как показали результаты испытаний, наибольший эффект дает применение головной части в форме 192-гранника, построенного на основе додекаэдра. Данный приемник воздушных давлений представлен на фиг.2. 192-гранник получается добавлением на каждую грань додекаэдра выпуклого многогранника, одна из граней которого совпадает с гранью додекаэдра (назовем ее основанием) - это внутренняя грань, еще одна грань параллельна, подобна и соосна с основанием - это внешняя центральная грань, остальные 15 внешних граней - неправильные треугольники. Кроме того, дополнительный многогранник имеет 5 внутренних «боковых» граней, по которым происходит сопряжение с соседними гранями. Форма треугольных граней определяется размером центральной грани. При сопряжении граней многогранника образуются ребра, которые для данного варианта ПВД являются турбулизаторами потока. Приемные отверстия (12 штук) расположены вдоль радиус-векторов центров граней додекаэдра в центрах внешних центральных граней дополнительных многогранников.
Державка может быть выполнена в виде правильного 12-гранного цилиндра с диаметром описанной окружности d, равным 0.4 от минимального габаритного размера головной части H. Ось державки проходит через центр и одну из вершин базового додекаэдра, то есть державка проходит между тремя приемными отверстиями на равном расстоянии от них. Длина державки должна быть не меньше двух минимальных габаритных размеров головной части от ближайшей к державке вершины 192-гранника, лежащей на его оси.
Принцип работы приемника воздушного давления заключается в следующем. Давления, воспринимаемые приемными отверстиями, передаются по пневмоканалам и измеряются измерительными приборами, присоединенными к штуцерам. Сам приемник предварительно градуируется в аэродинамической трубе, по результатам градуировок составляется математическая модель ПВД, которая в виде интерполяционных таблиц, перекрывающих весь диапазон рабочих скоростей и углов скоса потока, помещается в память вычислительного блока. По измеренным давлениям определяется положение точки торможения потока на головной части ПВД и определяются приемные отверстия, находящиеся в области безотрывного обтекания. Затем, используя данные о давлениях, измеренных в области безотрывного обтекания, с помощью заложенного в вычислительный блок алгоритма ПВД, рассчитываются модуль и направление вектора скорости набегающего потока, а также величина статического давления.
р
На фиг.8 и 9 представлено полученное по результатам испытаний в аэродинамической трубе распределение коэффициента давления по поверхности головной части ПВД с числом граней N=192 и сферы при различных числах Рейнольдса. Сравнивая полученные зависимости с графиками из книги Петрова К.П. Аэродинамика тел простейшей формы. Научное издание. - М.: Издательство «Факториал», 1998, можно заметить, что во всем рассмотренном диапазоне чисел Рейнольдса обеспечивается сверхкритическое обтекание головной части многогранного ПВД (отрыв происходит при φ>93°, где φ - угол между радиус-векторами точки торможения и точки отрыва пограничного слоя, коэффициент давления в точке отрыва С<-0.9, поведение коэффициента давления после отрыва соответствует сверхкритическому режиму обтекания). Для ПВД со сферической головной частью, напротив, характер обтекания зависит от числа Рейнольдса. На фиг.9 видно, что при Re=34246 обтекание сферы является докритическим, а при Re=342465 - сверхкритическим.
На фиг.10 представлены полученные по результатам испытаний в аэродинамической трубе зависимости углового положения точки отрыва пограничного слоя от числа Рейнольдса для ПВД с головной частью в форме многогранника с числом граней N=192 и сферы. Хорошо видно, что у ПВД с головной частью в форме многогранника во всем рассмотренном диапазоне чисел Рейнольдса отрыв происходит в точках с угловой координатой φ>93°, что соответствует сверхкритическому режиму обтекания. В то же время у ПВД со сферической головной частью область безотрывного обтекания при малых числах Рейнольдса, соответствующих докритическому обтеканию, и отрыв происходит в точках с угловой координатой φ<80°.
Независимость характера обтекания ПВД от числа Рейнольдса снимает ограничения на размеры его головной части, что дает возможность измерять вектор скорости во всем дозвуковом диапазоне. Кроме того, увеличение размеров головной части позволяет увеличить диаметр приемных отверстий и пневмоканалов, что уменьшает вероятность отказа ПВД вследствие механического воздействия, а также уменьшает запаздывание в получении результата измерения. Кроме того, увеличение размера ПВД позволяет разместить на нем систему обогрева и удаления сконденсировавшейся влаги. Все это дает возможность применения приемника воздушных давлений на различных типах летательных аппаратов.
Использование изобретения позволяет, при сохранении возможности измерения произвольно направленного вектора скорости, уменьшить количество требуемых приемных отверстий с 18 до 12. Тем самым уменьшается количество используемых пневмоканалов и штуцеров, упрощается конструкция и технология изготовления ПВД.
Таким образом, заявляемый ПВД позволяет достичь следующих технических результатов:
1) обеспечение сверхкритического обтекания головной части ПВД во всем дозвуковом диапазоне скоростей и чисел Рейнольдса вследствие размещения на поверхности головной части турбулизаторов потока;
2) расширение эксплуатационного диапазона скоростей набегающего потока;
3) упрощение конструкции ПВД;
4) расширение области практического применения ПВД.