ДАТЧИК СКОРОСТИ И СКОРОСТНОГО НАПОРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скорости и скоростного напора движущихся объектов (судов, катеров, машин, летательных аппаратов и др.)
Скоростной напор и скорость - важные параметры, определяющие при малых скоростных напорах (скоростях) сваливание самолета, а при больших прочность его конструкции.
Скоростной напор [1]
где: ρ - плотность потока,
V - истинная воздушная скорость,
М - число Маха,
Рн - статическое давление невозмущенного потока,
обычно вычисляется в системах воздушных сигналов или индицируется в указателях [2].
При малых скоростях V≤400 км/ч скоростной напор q для несжимаемого потока равен динамическому давлению, [2]. т.е.
где: Рп - давление полного аэродинамического торможения,
Рд - динамическое давление.
При скоростях V>400 км/ч динамическое давление уже не будет равняться скоростному напору, поэтому для его вычисления в известных измерителях используют давление полного торможения потока Рп и давление невозмущенного потока Рн, а затем на основе известного соотношения [3] вычисляют число М,
и из (1) скоростной напор q.
Таким образом, для вычисления скоростного напора в известных измерителях применяются приемники и датчики давлений полного торможения и невозмущенного потока, а в преобразователе на основе этих давлений формируется скоростной напор и приборная скорость как функция разности (Рп-Рн) [3].
Основным недостатком известных измерителей скорости и скоростного напора, является необходимость измерения на борту самолета давления невозмущенного потока, которая требует существенных затрат (технических и временных) для точного его измерения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение диапазона измерения скорости и скоростного напора в сторону малых скоростных напоров, а также расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства.
Технический результат заключается в расширении диапазона измерения в сторону малых скоростных напоров и расширении функциональных возможностей, не требующих существенных технических и временных затрат на внедрение предлагаемого устройства.
Технический результат достигается тем, что данный датчик включает в себя преобразователи, флюгер с осью вращения, первый и второй балансиры, упоры, ножку с опорами вращения оси флюгера, поворотный вал в опорах, жестко связанный с ножкой так, что его ось симметрии, плоскость симметрии флюгера и ось симметрии ножки лежат в одной плоскости, а ось вращения флюгера и поворотный вал параллельны между собой, при этом упоры, ограничивающие поворот флюгера относительно оси симметрии ножки, жестко связаны с ней и симметрично расположены относительно ее оси симметрии, причем первый балансир связан с поворотным валом, второй с флюгером, а поворотный вал с преобразователями.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого датчика скорости и скоростного напора.
Датчик скорости и скоростного напора содержит флюгер 1, ось 2 вращения флюгера 1, первый балансир 3, обеспечивающий статическое равновесие моментов сил относительно оси Z, второй балансир 4, расположенный на флюгере 1, упоры 5, ножку 6 с опорами вращения 7 оси 2 флюгера 1, поворотный вал 8 в опорах 9, служащих для свободного вращения поворотного вала 8 относительно оси Z, преобразователи 10 углового положения поворотного вала 8. Флюгер 1 имеет две степени свободы перемещения как относительно поворотного вала 8, так и относительно ножки 6. Флюгер 1 имеет свободу углового перемещения, ограниченную упорами 5, жестко связанными с ножкой 6 и симметрично расположенными относительно ее оси симметрии.
На фиг. 2 представлена диаграмма, поясняющая работу предлагаемого датчика, где обозначения, отмеченные 1, 2, 5, 6, 9 соответствуют обозначениям на фиг. 1, а также
V - скорость потока,
Y - подъемная сила флюгера,
M - момент подъемной силы флюгера относительно опоры 9,
α - угол скоса потока относительно флюгера 1, находящегося на упорах 5.
На фиг. 3 представлена выходная характеристика преобразователей 10, полученная по результатам трубных испытаний экспериментального образца предлагаемого датчика [4], где a - расстояние между упорами 5, ω - круговая частота колебаний подвижной системы, размещенной на поворотном валу 8, в которую входят флюгер 1, ось 2 вращения флюгера 1, первый балансир 3, второй балансир 4, упоры 5, ножка 6 с опорами вращения 7, опоры 9, Vi - приборная скорость.
Принцип действия и работа предлагаемого датчика осуществляется следующим образом.
Пусть в положении 1 фиг. 2 направление скорости потока V совпадает с осью симметрии ножки 6 и плоскостью флюгера 1. При определенной скорости потока V в котором, как правило, присутствует шумовая составляющая скорости поперек потока, флюгер 1 отклонится от своего нейтрального углового положения в ту или другую сторону относительно оси симметрии ножки 6 и за счет возникшей подъемной силы V мгновенно занимает одно из положений на упорах 5. На фиг. 2, например, это положение соответствует положению 2. Флюгер 1 в этом положении имеет достаточно значительный угол скоса α, подъемную силу Y и момент этой силы M относительно опор вращения 9, который действует по часовой стрелке. Угловое перемещение всей подвижной системы относительно опор вращения 7 совершается до тех пор, пока флюгер 1 не достигнет положения 3 на фиг. 2. В этом положении флюгер 1 находится под нулевым углом скоса а. За счет инерционных сил и, хотя небольших, демпфирующих сил, в следующий момент флюгер 1 будет находиться под положительным углом скоса а по отношению к потоку V и флюгер 1 переместиться к противоположному упору 5. На фиг. 2 это соответствует положению 4. В этом положении 4 возникает подъемная сила флюгера 1 и момент M этой силы относительно опор вращения 7 противоположного положению 2 знака. Угловое перемещение всей подвижной системы относительно опор вращения 9 совершается до тех пор, пока флюгер 1 не достигнет положения 5. В этом положении флюгер 1 вновь устанавливается под нулевым углом скоса а. Далее за счет инерционных и демпфирующих сил в следующий момент флюгер 1 будет находиться под отрицательным углом скоса а по отношению к направлению потока V и флюгер мгновенно переместиться к противоположному упору 5. На фиг. 2 это соответствует положению 6 и положению 2. За счет подъемной силы момент этой силы вновь (как и в положении 2) действует относительно опор вращения 9 по часовой стрелке.
Подвижная система датчика уравновешивается первым балансиром 3 и вторым балансиром 4. Первый балансир 3 обеспечивает статическое равновесие моментов сил относительно оси 2, совпадающей с осью симметрии поворотного вала 8, а второй балансир 4 относительно оси 3 вращения флюгера 1.
Частота колебаний подвижной системы предлагаемого датчика определяется массово-инерционными характеристиками и величиной дополнительной свободы флюгера относительно ножки.
Собственная круговая частота датчика с одной степенью свободы, как это указано в [5] равна
где  - коэффициент подъемной силы,
l - плечо действия подъемной силы Y относительно опор 4,
Z
J - момент инерции подвижной системы относительно опор 4,
S - площадь флюгера 1,
ρ - плотность потока,
V - скорость потока,
ε - коэффициент демпфирования.
Коэффициент демпфирования флюгера 1 мал, и не превышает 0,05, поэтому .
Z
Квадрат же собственной частоты датчика с двумя степенями свободы при постоянных , l, J, S пропорционален скоростному напору, т.е.
где .,
где k - постоянный коэффициент, учитывающий положение упоров относительно ножки.
0
c
i
При плотности потока равной стандартной плотности на уровне моря по стандартной атмосфере, т.е. при ρ=ρ, частота колебаний ·ω будет пропорциональна индикаторной (приборной) скорости V, т.е.
где .
i
Так как флюгер 1 находясь на упорах 5, обеспечивает значительные подъемные силы за счет гарантированных углов скоса α, то это обеспечивает возможность расширить границы измерения q и V в сторону малых скоростей (скоростных напоров).
Так как угловое перемещение всей подвижной системы относительно опор 9 совершается периодически относительно направления потока с одинаковой амплитудой для данной скорости потока V, то имеется возможность измерения не только скоростного напора предлагаемым устройством, но и угла скоса потока или угла атаки (скольжения) при использовании его на летательных аппаратах, что существенно расширяет функциональные возможности устройства.
Располагая величиной скоростного напора и угла атаки в преобразователях 10 нетрудно реализовать выходной сигнал пропорциональный подъемной силе летательного аппарата, т.е.
При постоянных коэффициентах самолета  и S требуемую подъемную силу равную весу летательного аппарата становится возможным выдерживать либо изменением величины скоростного напора, либо величины угла атаки. Особенно это важно при посадке летательного аппарата при выдерживании глиссады или при посадке летательного аппарата на палубу авианосцев, где требуются минимальные посадочные скорости (скоростные напоры).
На фиг. 3 представлены результаты испытаний экспериментального образца датчика в аэродинамической трубе в координатах круговая частота/приборная скорость. Как видно, характеристика датчика линейная по скорости и соответствует выражению (6). Так же видно, что с увеличением расстояния «а» между упорами 5, крутизна характеристики (6) понижается.
Таким образом, предложенное устройство, не требуя восприятия и измерения давлений, одновременно может выдать информацию по скорости, скоростному напору и углу атаки (скольжения), при этом расширяет диапазон измерения этих параметров в сторону малых скоростей потока V.
Установка такого датчика на летательном аппарате открывает и другие перспективы в части контроля. Так за работоспособностью собственно датчика можно следить по наличию или отсутствию частоты колебаний.
При совместной работе систем воздушных сигналов СВС и предлагаемого датчика можно осуществить более глубокий контроль системы СВС и уменьшить их количество при сохранении уровня отказобезопасности.
Источники информации:
1 «Методы и техника измерений параметров газового потока» А.Н. Петунии, М. 1972 г. стр. 12÷13
2 «Авиационные приборы» В.А. Боднер, Машиностроение, 1969 г. стр. 324
3 «Авиационные приборы» Д.А. Браславский и др., Машиностроение, 1964 г. стр. 342
4 «Отчет по результатам продувок образца датчика в аэродинамической трубе» ОАО «УКБП», инв. №4691, 2002 г.
5 «Авиационные приборы» Г.И. Клюев, Н.Н. Макаров, В.М. Солдаткин, Ульяновск, 2000 г., стр. 189