Приборы для измерения высоты и скорости полета

При полете летательного аппарата над поверхностью земли различают следующие высоты полета (рис. 160):

абсолютная высота — высота полета над уровнем моря;

относительная высота — высота относительно какого-либо оп­ределенного места на земле (например, места взлета, посадки и т. п.);

истинная высота — высота над пролетаемой местностью.

Для измерения высоты полета используется ряд методов, из которых наибольшее практическое применение получил баромет­рический, радиотехнический и акустический.

Акустический метод основан на измерении времени между по­сылкой с самолета кратковременного звукового импульса и воз­вращением отраженного от Земли сигнала (эхо). Поскольку ско­рость распространения звука в воздухе — величина постоянная, то измеренное время будет пропорционально высоте.

Радиотехнический метод, также как и акустический, основан на измерении времени прохождения радиоимпульса с самолета до земли и обратно. Оба эти ме­тода позволяют определять истинную высоту полета.

Приборы, работающие на барометрическом принципе действия, до настоящего вре­мени являются основными и называются барометрическими высотомерами. Принцип дей­ствия барометрического высо­томера основан на измерении рис. 160. Относительная, истинная и аб — атмосферного давления, кото — солютная высота полета

рое однозначно связано с высотой. Барометрический высото­мер дает возможность измерять только относительную высоту полета.

Зависимость давления от высоты определена стандартной ат­мосферой (СА), которая является условным законом изменения величин, характеризующих физическое состояние атмосферы с высотой, отсчитываемой относительно уровня моря. Стан­дартная атмосфера характеризуется следующими величинами: статическим давлением воздуха рст (мм рт. ст., кГ/м2 или мм зод. ст.);

абсолютной температурой Т (град. абс. нуля);

весовой плотностью или удельным весом воздуха у кГ/м3 или

массовой плотностью воздуха

-Ї — к Г — сек2/м’,

где§=9,81 м/сек2 — ускорение свободного падения; газовой постоянной R—29,27м/°С;

температурным градиентом высоты а (для широт СССР а=6,5°С на каждые 1 000 м или 0,0065°С/л/).

ро = = 0,125 кГ-сек2/М*. Зависимость перечисленных параметров СА от высоты графи­чески представлена па рис. 161. Изменение атмосферного дав­ления в барометрическом высо­томере измеряется с помощью анероидной коробки. Ее дефор­мации, происходящие при изме­нении высоты полета, механи­ческим способом передаются на стрелку прибора, — так упро­щенно можно объяснить работу барометрического высотомера. Рассмотрим изображенную на рис. 162 схему двухстрелочного высотомера, например, типа ВД-12, ВД-15, БД-17 и В Д-20 (цифрой 12, 15, 17, 20 обозна­чается диапазон измерения).

По СА для СССР на уровне моря принято: статическое давление р0—760 мм рт. ст.= 10332,28 кГ/м3; абсолютная температура 7’0=273о+15°=288°; весовая плотность воздуха (соответствующая р0=760 мм рт. ст. я 7’о = 288°) уо= 1,2255 кГ/м3 массовая плотность воздуха

В качестве чувствительного эле­мента (ПЧ) высотомера применяет­ся анероидная коробка 10 или блок таких коробок. Она состоит из двух гофрированных упругих мембран, спаянных друг с другом по внеш­ней окружности. Остаточное дав­ление воздуха (после откачки) в полости анерондной коробки не превышает 0,15 мм рт. ст.

При увеличении высоты полета атмосферное давление умень­шается н анероидная коробка под действием упругих сил расши­ряется. При этом через тягу 9 и ось 8 перемещение подвижного цен­тра анерондной коробки передается сектору 7. С помощью зубча­того зацепления сектор 7 поворачивает большую стрелку 4 прибо­ра, а через редуктор 6 — маленькую стрелку 5.

При подъеме на каждые 1 000 м высоты большая стрелка 4 де­лает один оборот. Внешняя шкала 3 прибора отградуирована в со­тнях и десятках метров. При подъеме на 20 км, например, стрел­ка высотомера ВД-20 делает 20 оборотов. Малая стрелка враща­ется в 20 раз медленнее и служит для отсчета количества кило­метров высоты по внутренней шкале 2 прибора.

Высотомеры обладают методической погрешностью в связи с тем, что атмосферное давление (а, следовательно, и показания высотомера) меняется во времени. Для устранения этой погреш­ности с помощью кремальеры / стрелки прибора перед полетом

лстанавливаются на нуль. При этом поворачивается шкала 9 ба­рометрического давления и в вырезе 14 внешней шкалы, против нижнего индекса, устанавливается значение барометрического да­вления в данный момент. Если в полете по шкале 13 установить величину давления места посадки, то показания высотомера будут действительны относительно этого места посадки. Показанное на рис. 162 (нижнем) положение стрелок при р = 760 мм рт. ст. со­ответствует высоте над уровнем моря 95 м.

При вращении ручки кремальеры 1 стрелки и шкала давле­ния двигаются одновременно. Но если отвернуть гайку у основа­ния ручки и вытянуть ручки на себя, то при вращении ручки бу­дет вращаться только шкала давления. Эта операция необходима для первоначальной установки соответствия показаний стрелок и барометрической шкалы.

Методические погрешности высотомеров вызываются также из­менениями температуры окружающего воздуха.

Конструктивные погрешности высотомеров возникают в резуль­тате воздействия изменений температуры, сил трения, гистерезиса мембран, неуравновешенности подвижных частей, неточности гра­дуировки шкалы указателя и т. д. Уменьшение влияния этих фак­торов на точность показаний приборов достигается соответствую­щей технологией изготовления деталей прибора.

Для уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды в высотомерах применяют специальные устройства темпе­ратурной компенсации.

При скоростях полета, близких к скорости звука и превышаю­щих ее, появляется дополнительная погрешность из-за возникнове­ния скачков уплотнения воздуха перед входами приемника стати­ческого давления. Данная погрешность может быть уменьшена пу­тем правильного выбора места установки приемника статическо­го давления.

Индексы 11 и 12, связанные со шкалой давления, указывают Еысоту места взлета самолета относительно уровня, на котором давление равно 760 мм рт. ст., если стрелки прибора перед взле­том самолета установить на нуль.

У некоторых высотомеров (на­пример, у ВДИ-30) имеется до­полнительный индекс команд, который по сигналу с Земли или с другого самолета уста­навливается на отметке шкалы прибора, на которую обращает­ся внимание экипажа. Блок-схе­ма системы управления индексом изображена на рис. 163.

Сигнал, пропорциональный за­даваемой высоте, принимается приемником (П), усиливается усилителем У1 и сравнивается с
напряжением потенциометра обратной связи (ПОС). Напряжение с выхода сравнивающего устройства усиливается усилителем У 2 и поступает на электродвигатель ДИД-0,5, который перемещает индекс И указателя и щетку потенциометра обратной связи в сто­рону уменьшения рассогласования.

На самолетах и вертолетах, кроме высотомеров, находят при­менение сигнализаторы высоты, датчики высоты полета повышен­ной точности или просто датчики высоты полета. Все они исполь­зуют барометрический принцип измерения высоты полета.

Сигнализатор высоты имеет пару электрических контактов, один из которых закреплен на подвижном центре анероидной ко­робки, а другой — на корпусе прибора. При достижении расчетной высоты контакты замыкают или размыкают электрическую цепь.

Датчики повышенной точности измерения высоты полета ис­пользуются, например, в качестве датчиков высоты в автопилотах и других автоматических системах управления. Схема одного из таких датчиков приведена на рис. 164. Чувствительным элементом высоты служит блок анероидных коробок. Перемещение центра этого блока через рычажно-зубчатую передачу вызывает угло­вое перемещение обмотки W2 индукционного датчика.

К обмоткам W1′ и W1" датчика подведено переменное напря­жение. При перпендикулярном расположении оси обмотки W2 к оси обмоток W1′ и W1" на выходе обмотки W2 напряжение от­сутствует. В других случаях в обмотке W2 индуктируется э. д. с. сигнала, фаза и величина которой определяются знаком и величи­ной отклонения высоты. После усиления в усилителе У сигнал по­дается на управляющие обмотки WyI и Wy2 двигателя ДИД-0,5, который через редуктор Р1 поворачивает магнитопровод с обмот­ками W1’ и W1" в направлении уменьшения напряжения сигна­ла, а через редуктор Р2 и электромагнитную муфту ЭММ — щетку

Рис. 164. Схема датчика высоты повышенной точности

потенциометра Я. Напряжение на выходе потенциометра пропор­ционально высоте полета.

Введение муфты ЭММ позволяет получать на выходе потен­циометра Я напряжение, пропорциональное отклонению от задан­ной высоты полета. Для этой цели при выключенной муфте ЭММ щетка потенциометра Я с помощью центрирующих пружин уста­навливается в средней части потенциометра Я. С изменением вы­соты следящая система работает как и прежде, но щет­ка потенциометра Я не изменяет своего положения. На заданной высоте полета включается муфта ЭММ. Теперь напряжение с вы­хода потенциометра будет пропорционально отклонению высоты полета от заданного значения.

У некоторых датчиков высоты полета (например, в датчиках высоты, применяемых в системе автоматической регулировки уси­лий АРУ) нет согласующей следящей системы, и центр анеронд — ной коробки через рычажно-зубчатую передачу непосредственно перемещает щетку выходного потенциометра.

Для исключения возможностей столкновения самолетов в воз­духе при полетах в сложных метеорологических условиях на воз­душных линиях СССР введена система эшелонирования полетов самолетов по высотам. Этой системой предусмотрены определен­ные высоты (эшелоны) в зависимости от направления полета.

Начальный эшелон определяется минимальной безопасной вы­сотой полета, которая рассчитывается по специальной формуле, учитывающей рельеф местности, атмосферное давление на марш­руте и поправки на показания высотомера. Это можно пояснить на следующем примере (рис. 165).

Для полета в западном направлении на участке Б—А мини­мально допустимая высота полета равна 1 200 м, а на участке В—Б 1 800 м, так как наивысшая точка местности в полосе по 25 км в обе стороны от линии пути на участке Б—А имеет высоту

250 м, а на участке В—Б 720 м. При полете иа восток высота на­чального эшелона на участке Б—В равна 1 500 м, а на участке А—Б 900 м.

Чтобы вести самолет на заданном эшелоне, пилот должен все время знать абсолютную высоту полета. Однако барометрический высотомер измеряет относительную высоту полета. Для того что­бы освободить экипаж от расчета методических погрешностей, при­нято на всех самолетах шкалы барометрического давления высо­томеров после взлета устанавливать на 760 мм рт. ст. При этом высота, которую будет показывать высотомер, называется услов­ной и обозначается /Дбо-

Условная высота не совпадает с истинной, относительной и аб­солютной, но знание ее обеспечивает выдерживание заданных ин­тервалов по высоте между самолетами, летящими в одном районе.

Поскольку р полете необходимо знать истинную и относитель­ную высоты, то на самолетах часто устанавливают два баромет­рических высотомера, один из которых служит для определения ис­тинной и относительной высот. Барометрическую шкалу этого вы­сотомера устанавливают на давление у земли пролетаемой точки местности. У второго высотомера, служащего для целей эшелони­рования, барометрическую шкалу устанавливают на давление 760 мм рт. ст.

Следует заметить, что с применением измерителя истин­ной высоты полета решение задачи эшелонирования полетов корен­ным образом упрощается.