Лекция 14 Датчики для измерения давлений воздушного потока

Обеспечение измерений высотно-скоростных параметров движения ЛА в воздушном пространстве с требуемой точностью во многом определяется метрологическими характеристиками датчиков давления. Наиболее жесткие требования к точности измерения воздушных давлений вытекают из требований по безопасности полетов воздушных судов при существующих нормах горизонтального и вертикального эшелонирования. Инструментальные погрешности измерения статического и полного давлений воздушного потока с вероятностью 0,95 не должны превышать 0,02 и 0,05% диапазона измерения. Выполнение этих требований обеспечивается датчиками давления, разработанными специально для цифровых систем воздушных сигналов. В мировой практике для этих целей применяют три типа датчиков давления:

с чувствительным элементом мембранного типа, выполненным из монокристаллического кремния, с тензометрическим преобразователем деформации в электрический сигнал: система воздушных сигналов HG280 фирмы Honeywell (США);

компенсационного типа с сильфонным чувствительным элементом и пьезопреобразователем механического воздействия в электрический сигнал (применяется в системах воздушных сигналов тип 100 фирмы Crouzet, Франция);

вибрационные с чувствительным элементом типа тонкостенного цилиндра и электромагнитной или магнитоэлектрической системами возбуждения, например, отечественные датчики типа ДДГ и ДВБЧ (системы воздушных сигналов СВС-2Ц, ВБЭ-СВС и др).

Высокие метрологические характеристики вибрационных датчиков позволили на их основе создать также измерительные средства для применения в производстве и эксплуатации аэрометрического бортового оборудования.

Резервные механические приборы. Автономные механические приборы для измерения и визуального представления экипажу информации о текущих значениях высотно-скоростных параметров используются либо в качестве основных пилотажно-навигационных приборов на самолетах авиации общего назначения при отсутствии бортовых средств автоматического управления полетом, либо в качестве резервных для обеспечения безопасного режима завершения полета при отказе основных измерительных средств.

В основу принципа действия этих приборов положен описанный выше косвенный метод измерения высотно-скоростных параметров по информации о статическом и полном давлениях воздушного потока при предположении соответствия характеристик атмосферы стандартным и идеальной работе приемника воздушных давлений.

По функциональному назначению механические приборы можно классифицировать следующим образом:

барометрические высотомеры (ВБ);

манометрические указатели скорости спуска и подъема (вариометры ВАР, ВР); указатели приборной скорости (УС);

указатели приборкой скорости и числа М (УСМ);

комбинированные указатели истинной воздушной скорости и числа М (КУС).

Кроме того, каждый из указанных типов приборов имеет разновидности, отличающиеся по диапазону и точности измерения, виду визуального представления информации, размерности физических единиц (например, высота в м или футах, скорость в км/ч или в узлах и т.п.), геометрическим и присоединительным размерам.

Погрешности измерения имеют следующие составляющие:

методические, обусловленные отличием характеристик реальной атмосферы от стандартной и работой реального ПВД от идеального;

инструментальные, определяемые конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами;

динамические, зависящие как от текущих значений измеряемых давлений, так и от конструктивных параметров пневмотракта восприятия и передачи давлений от ПВД к чувствительному элементу прибора.

Рис. 2.17. Функциональная схема электромеханического прибора: 1 - чувствительный элемент; 2 - преобразователь перемещения жесткого центра чувствительного элемента в электрический сигнал; 3 - сервоусилитель; 4 - электродвигатель; 5 - редуктор; 6 - преобразователь угла поворота в электрический сигнал; 7 - датчик обратной связи; х инд- индицируемый экипажу параметр

Рис.2.18. Функциональная схема электронного барометрического высотомера типа ВБЭ-2 (УВ1, УВ2 - устройства ввода значений давления на уровне соответственно Земли и высоты эшелона; МД1, MД2 - модули давления вибрационных датчиков воздушных давлений; АЦП - аналого-цифровой преобразователь типа частота - код и напряжение - код; ЖКЭ - жидкокристаллический экран, ВУ -выходное устройство формирования последовательного биполярного кода; БСК - блок согласования цифрового выходного сигнала ВБЭ с аналоговым бортовым оборудованием; ЦВУ - цифровое вычислительное устройство)

Для снижения методических погрешностей, обусловленных отличием реального ПВД от идеального, по результатам летного эксперимента для каждого типа самолета составляются таблицы поправок к показаниям высотомера.

Особо следует отметить автономные механические приборы» дополненные преобразователем типа угол - код, например барометрический высотомер ВМК-15. Выходной сигнал высотомера ВМК-15 в виде параллельного кода Гилхема используется для контроля исправности резервированного тракта измерении барометрической высоты и для информационного обеспечения наземной службы управления воздушным движением.

Автономные электромеханические приборы. Автономные электромеханические приборы обеспечивают измерение, визуальное представление экипажу и выдачу информации о ВСП полета в бортовые автоматические системы. Типовая функциональная схема электромеханического прибора представлена на рис.2.17.

По выполняемым функциям такие приборы могут быть: барометрическими высотомерами (УВиД-15) и указателями скорости и числа М.

Электромеханические приборы обладают более широкими возможностями по достижению требуемой точности измерения параметров, по повышению информативности. К этому классу приборов следует отнести комбинированные приборы, например: указатель приборной скорости и числа М типа УСиМ; комбинированный барометрический высотомер типа ВБК.

Указатель УСиМ нашел широкое применение в составе информационных комплексов высотно-скоростных параметров ИКВСП-1 на самолетах Як-42, Ил-86, Ан-124 и др.

В УСиМ объединен механический измеритель приборной скорости и электромеханический указатель-повторитель текущего значения числа М, информация о котором вырабатывается аналоговой системой воздушных сигналов СВС-72. Кроме того, УСиМ с помощью аналогичных электромеханических указателей-повторителей обеспечивает индикацию минимально и максимально допустимых на данном режиме полета значений приборной скорости, вырабатываемых вычислителем критических режимов ВКР-И.

В комбинированном высотомере типа ВБК через фрикционную муфту объединены механический высотомер и электромеханический указатель-повторитель информации о барометрической высоте, вырабатываемой системой воздушных сигналов. При исправной работе системы СВС на указателе индицируется текущее значение барометрической высоты, вырабатываемое СВС, при ее отказе прибор автоматически переходит в режим работы механического высотомера с оповещением об этом экипажа.

Электронный барометрический высотомер является интегральным прибором, выполняющим следующие функции:

измерение текущего значения абсолютной барометрической высоты с формированием поправок на погрешность восприятия статического давления ТТВД (для восьми типов самолетов);

ввод и индикацию в мм рт.ст. или ГПа давления дня на уровне аэродрома взлета или посадки;

вычисление и индикацию в метрической или англосаксонской системах единиц текущего значения относительной барометрической высоты;

ввод и индикацию в метрической или англосаксонской системах значения высоты заданного для полета эшелона;

формирование и выдачу сигналов о приближении к заданному эшелону в режимах смены эшелона и об опасных отклонениях от эшелона при полете по маршруту на заданном эшелоне;

выдачу информации в бортовые автоматические системы управления полетом в виде последовательного двоичного биполярного кода по ГОСТ 18977 и в аналоговом виде со специального интерфейсного блока БСК (рис.2.18).

Инструментальная погрешность измерения относительной барометрической высоты не превышает ±5 м при Н=0 и обеспечивает возможность выполнения полетов о системе вертикального эшелонирования через 300 м. Погрешность компенсации аэродинамической погрешности восприятия статического давления определяется погрешностью летного эксперимента. Постоянная времени динамического запаздывания на уровне земли не превышает 0,02 с.

Системы воздушных сигналов предназначены для измерения всей совокупности высотно-скоростных параметров и выдачи информации на средства визуального представления экипажу и в бортовые автоматические системы. В настоящее время существуют три концепции проектирования систем воздушных сигналов:

централизованные;

интегрированные аэроинерциальные;

распределенные.

Централизованные системы конструктивно включают в состав датчики давления, вычислительное устройство и интерфейсные устройства. По принципу действия их разделяют на аналоговые, цифроаналоговые и цифровые.

Технические требования к этим системам применительно к самолетам гражданской авиации даны в рекомендациях корпорации Aeronautikal Radio International Corp. (ARINС) соответственно ARINC 506, ARINC 576, ARINC 706. Выполнение этих рекомендаций позволяет вести разработку систем без привязки к конкретному самолету и обеспечить взаимозаменяемость систем, разработанных разными фирмами (рис.2.19).

Интегрированные аэроинерциальные системы в аэрометрической части могут реализовываться по централизованной и по распределенной концепциям. Рекомендации ARINC 738 определяют технические требования к системе СВС распределенного типа. Измерение воздушных давлений производится модулями, число которых определяется типом приемника воздушных давлений. Малые габаритные размеры модулей давления позволяют разместить их в непосредственной близости от ПВД, сократив тем самым длину пневотрактов, а следовательно, существенно снизив динамические погрешности системы (рис.2.20).

По диапазону измерения СВС принято разделять системы для дозвуковых и сверхзвуковых самолетов. Отображение информации, вырабатываемой системой СВС, экипажу производится либо индикаторами, входящими в состав системы, либо системой обобщенной индикации. На современных самолетах широко применяется система электронной индикации (СЭИ) на цветных электронно-лучевых трубках, а в последние годы широко развиваются СЭИ на цветных матричных жидкокристаллических экранах. Последние обладают малыми габаритными размерами, энергопотреблением и позволяют создавать многофункциональные дисплеи для отображения информации о ВСП.

В цифровых системах СВС для информационного обмена с сопрягаемым оборудованием используется последовательный биполярный код ГОСТ 18977 и РТМ 1495 (аналог ARINC 429) и ГОСТ 26765.52 (аналог MIL -STD 1553).

Приборы измерения геометрической высоты полета. Высоту полета ЛА над подстилающим рельефом местности принято называть истинной или геометрической высотой. Для измерения геометрической высоты полета применяются радиотехнические, оптические и радиационные методы. Принцип действия этих методов измерения высоты основан на измерении промежутка времени, за который сигнал (радио, оптический или радиационный), направленный с самолета к земной поверхности, после отражения от нее возвращается к самолету:

;

;

;

,

где Н - геометрическая высота полета; с- скорость распространения сигнала в атмосфере; L - расстояние между излучателем и приемником на ЛА.

Принято классифицировать дачные средства измерения по двум критериям;

по диапазону измерения - для малых (до 1500 м) и больших высот;

по принципу действия - непрерывного и импульсного действия.

Наибольшее распространение получили радиовысотомеры. Наименьшие инструментальные погрешности достигаются при использовании оптических средств измерения.

Системы повышения безопасности полетов. Системы повышения безопасности полетов охватывают все этапы полета от взлета до посадки, обеспечивают идентификацию опасных режимов и предупреждение экипажа о приближении к ним. По времени работы систем их можно разделить на системы, обеспечивающие безопасность полета вблизи земли (взлет, посадка, полет на малой высоте), на маршруте, в течение всего полета. Системы этого назначения подразделяют на активные и информационные. Информация, вырабатываемая активными системами, используется в бортовых системах управления полетом, в то время как информация, вырабатываемая информационными системами, предоставляется экипажу для принятия мер по устранению опасной ситуации.

Рис.2.19. Типовая функциональная схема системы сигналов (ВУ - вычислительное устройство)	Рис. 2.20. Типовая архитектура аэроинерциальной системы (CDU - пульт управления системы; ADM - модуль измерения давления; ADIRU - цифровой вычислитель для обработки инерциальной и аэрометрической информации)

По принципу действия системы разделяют на аналоговые и цифровые. Цифровые системы позволяют более полно использовать ЛТХ самолета и открывают возможности интеграции в единой системе задач, решаемых различными системами при аналоговом принципе действия.

Система контроля параметров движения самолета на взлете ведет контроль движения самолета в процессе разбега и набора скорости с учетом загрузки самолета, атмосферных условий, наличия препятствий по курсу взлета и информирует экипаж о возможности продолжения взлета или необходимости его прерывания.

Система предупреждения приближения земли на взлете и полете на малой высоте предупреждает экипаж о недостаточной скорости набора высоты и в режиме захода на посадку:

о полете на малой высоте в непосадочной конфигурации и убранными шасси;

об опасной вертикальной скорости самолета;

об опасной скорости сближения с землей;

об отклонении вниз от глиссады больше допустимого;

о достижении фиксированных знамений геометрической высоты;

о возможном опасном сближении с землей при продолжении полета с текущими значениями высоты и курса.

Информация выдается экипажу звуковыми, световыми сигналами и в речевом виде.

Системы предупреждают о приближении самолета к области воздушного пространства, в которой наблюдается явление сдвига ветра. Для обнаружения сдвига ветра используются как наземные системы, так и бортовые средства.

Системы ограничительных сигналов обеспечивают в течение всего полета выработку предупредительной информации о приближении параметров движения к предельно допустимым в эксплуатации воздушного судна значениям по углу атаки, приборной скорости, вертикальной перегрузке, числу М, скорости изменения тангажа. Выработка предупредительных сигналов производится с учетом аэродинамической конфигурации, массы самолета в текущий момент времени и скорости приближения параметра к его предельно допустимому значению.

Системы предупреждения столкновения воздушных судов в воздухе обеспечивают экипаж информацией о наличии в воздушном пространстве потенциально опасных, с точки зрения возможности столкновения ЛА, тенденциях взаимного относительного движении и указывают наилучший маневр в вертикальной плоскости для ухода от столкновения. Системы сигнализации высоты эшелона в режиме выхода самолета на высоту заданного эшелона обеспечивают выработку предупредительной информации о приближении к заданной высоте на 150 и 60 м для обеспечения выравнивания на заданную высоту и об отклонениях от заданного эшелона на 60 и 150 м при полете в режиме выдерживания заданной высоты.

Информационные комплексы высотно-скоростных параметров. Информационный комплекс высотно-скоростных параметров (ИК ВСП)

представляет собой совокупность функционально связанных бортовых средств, осуществляющих восприятие, измерение, обработку и выдачу в бортовые автоматические системы и экипажу достоверной информации о текущих, заданных, предельно допустимых значениях высотно-скоростных параметров, идентификацию и оповещение экипажа о приближении к опасным режимам полета, об отказах систем комплекса и наличии резерва измерительных средств.

По принципу действия средств измерения и обработки информации ИК ВСП подразделяют на аналоговые, цифроаналоговые и цифровые, по степени резервирования - на одноканальные и многоканальные. Степень резервирования для различных составных частей ИК ВСП может быть разной и определяется исходя из важности выполняемой ими функциональной задачи и требований по отказоустойчивости.

В качестве примеров можно назвать аналоговый комплекс ИК ВСП-1, эксплуатируемый с 1980 г. на самолетах типа Ил-86 и его модификации, созданные для самолетов Як-42, Ил-76, Ан-124 и др., цифровой комплекс ИК ВСП-2-l0, созданный для самолета Су-27.

Дата добавления: 2013-12-14