Датчик аэродинамических параметров

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения таких аэродинамических параметров, как полное и статическое воздушные давления, местный аэродинамический угол в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
Известен датчик аэродинамических параметров, описанный в патенте №4672846, US МПК: G01C 21/00, 1985 г., содержащий корпус датчика с размещенным на нем флюгером с валом вращения. Сам флюгер представляет собой обтекаемое тело, которое свободно ориентируется по набегающему потоку воздуха. Флюгер сопряжен с приемником полного давления, а на боковых плоскостях флюгера расположены отверстия для восприятия статического давления. В первую очередь, подобное совмещение повышает точность измерения воздушных давлений, поскольку фактически исключается известная угловая погрешность измерения воздушных давлений неподвижными приемниками воздушных давлений, которая при углах скоса потока порядка 20-25° может достигать 1% от скоростного напора, что превышает допустимые погрешности измерения в несколько раз. Данный датчик имеет два пневматических выхода - полное и статическое давления, а также электрический выход, сигнал с которого пропорционален углу поворота флюгера.
Погрешность ориентации флюгера по потоку (фактически погрешность измерения аэродинамического угла) зависит от аэродинамического момента, создаваемого набегающим потоком, и суммарного момента трения, присущего подвижным частям флюгера (моменты трения в потенциометрах, подшипниках оси и т.п.).
В силу известных причин передача пневматических сигналов с подвижной части датчика - флюгера на неподвижную часть является сложной задачей. Такая передача ограничивает диапазон углового перемещения флюгера.
К тому же неравномерный обогрев флюгера, осуществляемый электронагревательным кабелем, приводит в условиях обледенения к образованию льда и, как следствие, к появлению дестабилизирующих аэродинамических моментов, а также к искажению воспринимаемых полного и статического давлений.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение погрешности измерения аэродинамического угла, полного и статического давлений, а также повышение эффективности электрообогрева флюгера.
Технический результат заключается в снижении погрешности измерения аэродинамического угла, полного и статического давлений, а также повышении эффективности электрообогрева флюгера.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик аэродинамических параметров содержит корпус с размещенным на нем флюгером, сопряженным с приемником полного давления и установленным на валу вращения, причем флюгер представляет собой обтекаемое тело, имеющее угол стреловидности флюгера, обратно пропорциональный скорости набегающего потока, выполненное из двух тонкостенных элементов, закрепленных на каркасе, представляющих собой зеркальное отражение друг друга с отверстиями восприятия статического давления, расположенными симметрично от начала передней кромки флюгера на расстоянии пяти диаметров его передней кромки, а флюгер снабжен электронагревательными элементами, выполненными кабелем с положительным температурным коэффициентом сопротивления, закрепленным на каркасе, и/или керамическими позисторами, выполненными в виде небольших дисков с положительным температурным коэффициентом сопротивления и закрепленными непосредственно на стенках тонкостенных элементов посредством, например, пайки, обеспечивающими равномерное температурное поле, пневмотрассу полного давления, связанную с датчиком полного давления, пневмотрассу статического давления, связанную с датчиком статического давления, которые установлены на валу вращения, преобразователь углового положения флюгера, соединенный с валом вращения, причем сам датчик аэродинамических параметров содержит встроенные средства контроля работоспособности нагревательных элементов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен датчик аэродинамических параметров, где
1 - корпус,
2 - флюгер,
3 - вал вращения,
4 - приемник полного давления,
5-5' - отверстия восприятия статического давления,
6 - пневмотрасса полного давления,
7 - пневмотрасса статического давления,
8 - датчик полного давления,
9 - датчик статического давления,
10 - преобразователь углового положения флюгера,
11-11' - тонкостенные элементы,
12 - электронагревательные элементы,
- расстояние от оси симметрии вала вращения 3 до центра масс флюгера 2,
а - уровень отверстий восприятия статического давления,
b - центр масс флюгера 2,
χ - угол стреловидности флюгера 2.
На фиг. 2 представлены графики зависимости зоны нечувствительности Δα флюгера 2 от скорости набегающего потока V прототипа (кривая 1) и предлагаемой полезной модели (кривая 2).
На фиг. 3 представлен график зависимости коэффициента давления p от относительной длины флюгера 2 в поперечном сечении флюгера на уровне отверстий восприятия статического давления 8 «а».
На фиг. 4 представлены зоны по поверхности флюгера 2 с условным разделением по величине коэффициента конвективной теплоотдачи: I и IV - максимальная теплоотдача, II - минимальная теплоотдача, III - зона умеренной теплоотдачи.
Датчик аэродинамических параметров содержит корпус 1 с размещенным на нем флюгером 2, сопряженным с приемником полного давления 4 и установленным на валу вращения 3, причем флюгер 2 представляет собой обтекаемое тело, имеющее угол стреловидности флюгера, обратно пропорциональный скорости набегающего потока, выполненное из двух тонкостенных элементов 11-11', представляющих собой зеркальное отражение друг друга с отверстиями восприятия статического давления 5-5', расположенными симметрично от передней кромки флюгера на расстоянии пяти диаметров передней кромки, флюгер снабжен электронагревательными элементами 12, реализованными кабелем с положительным температурным коэффициентом сопротивления, закрепленным на каркасе 13 (на фиг. 1 не показано), и/или керамическими позисторами, выполненными в виде небольших дисков с положительным температурным коэффициентом сопротивления и закрепленными непосредственно на стенках тонкостенных элементов посредством, например, пайки, обеспечивающими равномерное температурное поле. Полное давление через пневмотрассу полного давления 6 передается в датчик полного давления 8, а статическое давление через пневмотрассу статического давления 7 передается в датчик статического давления 9, установленные на валу вращения 3 флюгера 2, преобразователь углового положения флюгера 10, соединенный с валом вращения 3.
Принцип работы предлагаемого датчика аэродинамических параметров соответствует известным флюгерным датчикам аэродинамических углов, описанным в книге «Измерители аэродинамических параметров летательных аппаратов» Г.И. Клюев, Н.Н. Макаров, В.М. Солдаткин, И.П. Ефимов, г. Ульяновск, 2005 г., и приемникам воздушных давлений, описанным в книге «Методы и техника измерений параметров газового потока» А.Н. Петунин М.: Машиностроение, 1972 г.
Аэродинамический момент, создаваемый набегающим потоком воздуха на флюгер 2, представляющий собой обтекаемое тело, имеющее угол стреловидности флюгера χ, равен
где  - коэффициент подъемной силы флюгера 2,
S - площадь флюгера 2,
- расстояние от оси симметрии вала вращения 3 флюгера 2 до центра масс флюгера b,
2
q=0,5⋅ρ⋅V - скоростной напор,
где ρ - плотность воздуха,
V - скорость набегающего потока;
Δϕ - отклонение флюгера 2 от направления набегающего потока;
Таким образом, видно, что аэродинамический момент M может быть увеличен за счет изменения площади флюгера 2S и расстояния . Коэффициент подъемной силы  изменяется в незначительных пределах и зависит в большей степени от профиля поперечного сечения флюгера 2.
Полезный момент равен аэродинамическому моменту за вычетом момента трения, создаваемого на валу вращения 3 флюгера 2 механическими элементами (потенциометры, подшипники и т.п.).
При перемещении большей части площади флюгера 2 за вал вращения 3 аэродинамический момент увеличивается за счет увеличения расстояния . Оценочный расчет аэродинамических моментов прототипа и предлагаемой полезной модели показывает, что изменение геометрии флюгера 2 приводит к увеличению полезного момента приблизительно на 45%, что при прочих равных условиях уменьшает зону нечувствительности Δα, а, значит, и погрешность измерения аэродинамических углов.
Из графиков зависимости фиг. 2, полученных путем математического моделирования флюгеров прототипа и предлагаемой модели приблизительно одинаковых габаритных размеров, видно, что зона нечувствительности Δα флюгера 2 предлагаемой полезной модели - кривая 2 при скорости набегающего потока V менее 300 км/ч (наиболее уязвимые режимы взлета и посадки) на 45% меньше зоны нечувствительности Δα прототипа - кривая 1.
Как было указано ранее, в прототипе отверстия восприятия статического давления 5-5' расположены на передней кромке флюгера, а, как известно, (книга «Методы и техника измерений параметров газового потока» А.Н. Петунин М.: Машиностроение, 1972 г.) для сферических и цилиндрических тел (передняя кромка флюгера фактически является цилиндрическим телом) происходит отрыв потока в районе 40-45 градусов, что приводит к значительным колебаниям давления в местах расположения отверстий восприятия статического давления 5-5'. Кроме того, сам отрыв наступает при определенных числах Рейнольдса, что затрудняет достоверно определить момент возникновения отрыва потока воздуха. Смещение отверстий восприятия статического давления 5-5' около пяти диаметров передней кромки соответствует принципам выбора места их расположения, что и предложено в предлагаемой полезной модели.
Из графика, полученного по результатам математического моделирования предлагаемого флюгера, приведенного на фиг. 3, видно, что в начальной области наблюдается сильный градиент коэффициента давления (приблизительно до 10% от общей длины флюгера 2 в плоскости поперечного сечения на уровне отверстий отбора статического давления «а»), затем небольшая зона (от 10 до 20%) неустойчивости потока, а уже приблизительно с 50% от общей длины наступает стабилизация потока. Исходя из приведенной зависимости предпочтительное расположение отверстий восприятия статического давления 5-5' в районе 60% от общей длины флюгера 2, что стабилизирует статическое давление, воспринимаемое датчиком аэродинамических параметров, что предложено в предлагаемой полезной модели.
Для уменьшения лобового сопротивления на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях флюгеру 2 придана стреловидность, причем угол стреловидности флюгера χ выбран исходя из угла наклона скачка уплотнения μ на сверхзвуковых скоростях, который описывается выражением . Таким образом, для М=2…3 угол наклона μ меняется от 30 до 20 градусов.
Соответственно, угол стреловидности флюгера χ выбран так, чтобы скачок уплотнения от носовой части флюгера был выше, чем приемник полного давления 4, расположенный в верхней части флюгера 2, что предложено в предлагаемой полезной модели.
Как было указано ранее, передача пневматических сигналов с подвижной части датчика флюгера 2 на неподвижную часть, осуществляемая через пневмотрассу полного давления 6 и через пневмотрассу статического давления 7, является сложной задачей, накладывающей ограничения на допустимые углы поворота флюгера 2, т.к. в соответствии с ОСТ 100762-75 «Системы статического и полного давлений для питания мембранно-анероидных приборов. Технические требования» предъявляются также требования по времени запаздывания пневматического сигнала. С целью сокращения пневмотрасс полного давления 6 и статического давления 7, а следовательно, и времени запаздывания пневматических сигналов целесообразно установить на валу вращения 3 флюгера 2 датчики давления - датчик полного давления 8 и датчик статического давления 9, например, с цифровым выходом.
Для расширения диапазона измерения аэродинамических углов предлагается установить на валу вращения 3 флюгера 2 преобразователь углового положения флюгера 10, а электрический сигнал уже передавать при помощи, например, скользящих контактов. Такое решение позволяет полностью снять ограничения на угол поворота флюгера 2.
Одной из важных проблем в надежности работы датчика является неравномерный обогрев флюгера 2, осуществляемый нагревательным элементом 12, выполненным в основном электронагревательным кабелем, что приводит в условиях обледенения к образованию льда и, как следствие, к появлению дестабилизирующих аэродинамических моментов. Однако все чаще применяют электронагревательное элементы, представляющие собой кабель с нихромовой (никелевой и пр.) жилой.
Известно, что для обеспечения эффективного электрообогрева флюгера 2 и приемника полного давления 4 и для предотвращения их от обледенения требуется приблизительно 3-5 Вт с каждого квадратного сантиметра поверхности (Тенишев P.X., Строганов В.А., Савин Б.С., Кординов В.К., Тесленко А.И., Леонтьев В.Н. Противообледенительные системы летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967. - 320 с.).
Данное требование обеспечивается при одинаковой теплоотдаче по всей длине кабеля со всей поверхности флюгера 2 и приемника полного давления 4. Применение кабеля с т.н. «саморегулированием», т.е. материал жилы имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. при увеличении температуры возрастает сопротивление кабеля, а выделяемая мощность уменьшается, что удовлетворяет требованиям эффективности электрообогрева. Таким образом, получается ограничение выделяемой мощности в зависимости от текущей температуры. Эффективность обогрева намного выше, чем в случае применения кабелей с постоянной мощностью: отсутствие перегорания кабеля вследствие высоких температур, до которых он сам себя и нагревает; уменьшенное потребление электрической мощности вследствие увеличения сопротивления.
На фиг. 4 показано, что поверхность флюгера 2 имеет четыре зоны в зависимости от величины коэффициента конвективной теплоотдачи. Наибольшая теплоотдача наблюдается в зонах I и IV, где происходит торможение потока и улавливание жидких частиц воды. В зоне II, наоборот, поток устанавливается и теплоотдача минимальна, а коэффициент давления намного меньше, местами на два порядка.
Решению задачи повышения эффективности электрообогрева так же способствует применение керамических позисторов, в виде небольших дисков, характеризующихся тем, что сопротивление позисторов увеличивается по логарифмическому закону.
Закрепление позисторов непосредственно на тонкостенных элементах конструкции 11-11', флюгера 2 посредством пайки позволяет достигнуть следующих результатов:
- исключение тепловых потерь, что позволяет снизить мощность нагревательного элемента, которая в данном случае определяется количеством позисторов;
- использование позисторов в виде небольших дисков позволяет обеспечить более равномерное температурное поле по тонкостенным элементам флюгера за счет оптимального размещения позисторов по внутренней поверхности тонкостенных элементов в соответствии с условиями обледенения;
- более равномерное температурное поле обеспечивает уменьшение механических напряжений, вызванных разностью величин коэффициентов линейного расширения применяемых материалов тонкостенных элементов, токоведущих элементов, что увеличивает количество температурных циклов для пайки.
Однако существует проблема при отказе нагревательных элементов. Отказ нагревательных элементов практически сразу приводит к появлению обледенения флюгера датчика аэродинамических параметров, что, в свою очередь, ведет к искажению воспринимаемых воздушных давлений приемником полного давления и отверстиями восприятия статического давления.
В связи с тем, что измеряемые воздушные давления являются практически единственными источниками вычисления высотно-скоростных параметров, отсутствие или недостоверное значение которых может привести к катастрофическим последствиям, целесообразно исключить из контура вычислений датчик с отказавшим нагревательным элементом. Для чего в конструкцию датчика предлагается ввести контроль работоспособности нагревательных элементов, заключающийся в оценке потребляемой нагревательными элементами электрической мощности путем измерения электрического тока и снятии сигнала исправности обогрева или выдачи сигнала неисправности обогрева в случае отсутствия электрического тока.
Таким образом, можно отметить, что предложенная полезная модель позволяет снизить погрешность измерения аэродинамического угла, полного и статического давлений, а также повысить эффективность электрообогрева флюгера в части обеспечения функционирования датчика в условиях возможного обледенения.