1. Понятие о воздушной скорости.
2. Указатели скорости.
3. Погрешности указателей скорости.
4. Классификация скоростей полета ВС.
5. Влияние температуры наружного воздуха.
6. Число Маха.
7. Понятие о системах воздушных сигналов.
Воздушной скоростью полета называется скорость перемещения самолета относительно воздушной среды. При этом различают истинную воздушную скорость и приборную скорость. Истинная воздушная скорость используется экипажем в целях самолетовождения, а приборная скорость используется для пилотирования самолета.
Наиболее распространенным методом измерения воздушной скорости полета является аэродинамический, основанный на замере давления встречного потока воздуха - скоростного напора.
Из курса аэродинамики известно, что если в струйке газа рассмотреть два различных ее поперечных сечения, то в каждом из них сумма всех видов энергии будет одинаковой (рис.1).
Рис. 1. Сечения в струйке воздуха
Если не учитывать потенциальную и внутреннюю энергию, считая, что в обоих сечениях она одинакова, то уравнение Бернулли будет иметь вид:
(1)
где ρ – плотность воздуха;
V – скорость струйки;
P – давление воздуха соответственно в первом и втором сечениях струйки.
Рассмотрим струйку воздуха, обтекающего ПВД, и два ее сечения. Первое сечение возьмем на некотором расстоянии перед ПВД, а второе – на входе в ПВД (рис.2).
Рис. 2. Сечения струйки воздуха перед ПВД
В первом сечении скорость потока V1 равна истинной воздушной скорости Vи, а давление P1 – это статическое давление Pст, то есть давление PH на данной высоте полета. Во втором сечении на входе в ПВД скорость потока относительно ВС равна нулю (V2=0), он полностью затормаживается. Но его кинетическая энергия не исчезает, а переходит в энергию давления. Давление P2 на входе в ПВД называется полным давлением Pп. Его название объясняется тем, что оно складывается из двух частей: статического давления Pст, которое поступало бы в приемник даже при неподвижном ВС, и дополнительного динамического давления Pд, которое возникло из-за скорости набегающего потока.
С учетом изложенного уравнение (1) примет вид:
(2)
откуда можно получить
(3)
Динамическое давление PД называется скоростным напором и в этом случае обозначается q. Эта величина является очень важной, в том числе в аэродинамике. Название ее объясняется тем, что чем больше скорость, тем больше q, а на неподвижном ВС воздух вообще никакого «напора» не создает. Тогда:
откуда можно выразить истинную скорость
(5)
Из данной формулы следует, что для определения истинной скорости необходимо знать скоростной напор и плотность воздуха на высоте полета. Скоростной напор q=PД = PП – PСТ непосредственно измеряется в указателе скорости. Измерение скоростного напора осуществляется следующим образом (рис.3).
Рис. 3. Принципиальная схема работы указателя скорости
Полное давление набегающего потока от приемника воздушного давления 6 подается внутрь манометрической коробки 1, находящейся внутри корпуса указателя скорости 4. В сам корпус по трубопроводам 5 поступает статическое давление от соответствующего отверстия ПВД.
Получается, что внутри коробки полное давление, равное сумме статического и динамического, а снаружи – только статическое. В результате этого расширение или сжатие коробки зависит от разности давлений, то есть динамического давления (скоростного напора q). Деформация манометрической коробки под действием разности давлений через передаточный механизм 2 передается на стрелку указателя.
Таким образом, перемещение стрелки, то есть показания прибора на шкале 3 зависят только от скоростного напора, именно который данный прибор и измеряет.
Однако, скорость зависит не только от скоростного напора, но и от плотности воздуха на высоте ρH, которая указателем скорости не измеряется. Поэтому при градуировке шкалы используется не фактическая плотность, а постоянное значение ρ0, равное плотности воздуха на уровне моря в стандартной атмосфере. Эту плотность можно выразить через температуру T0 и давление P0
Рис. 4. Схема механизма указателя воздушной скорости типа УС-350:
1 - манометрическая коробка; 2 - жесткий центр; 3 - трубопровод;4-штуцер; 5-стойка; 6-тяга; 7-рычаг; 8-валик сектора; 9- противовес;10-сектор; 11-трибка;' 12-спиральная пружина; 13-противовес сектора; 14- шкала
Каждому значению скоростного напора (степени расширения манометрической коробки) соответствует определенная скорость на шкале прибора. Но теперь она уже не равна истинной воздушной скорости, поскольку определена не по фактической, а по стандартной плотности воздуха. Скорость, полученная при такой градуировке прибора, называется индикаторной земной скоростью Vинд.зем. Если считать указатель скорости идеальным, то есть не имеющим инструментальных и аэродинамических погрешностей, то эта скорость и является приборной воздушной скоростью, поскольку именно ее и покажет идеальный прибор.
Как уже отмечалось, приборная скорость, как и индикаторная земная, не является скоростью движения ВС относительно какого- либо объекта, то есть это вообще не скорость в строгом смысле слова. По сути это просто величина скоростного напора, выраженная в единицах скорости. Но она имеет большое значение для аэродинамики и, следовательно, для пилотирования ВС. Ведь все аэродинамические силы, действующие на самолет, в том числе подъемная сила, зависят именно от скоростного напора (динамического давления). Поэтому в руководстве по летной эксплуатации максимальные, минимальные и все заданные скорости указаны приборные или индикаторные земные.
Для навигации же необходима именно истинная скорость, то есть фактическая скорость перемещения ВС относительно воздуха. На большой высоте полета плотность воздуха ρH может быть в несколько раз меньше ρ0 и, следовательно, приборная скорость будет гораздо меньше истинной.
Если пилот в полете выдерживает по указателю скорости постоянную приборную скорость, то фактически он выдерживает постоянным скоростной напор. Но на большой высоте, где воздух разрежен и плотность его мала, для поддержания такого же напора q как у земли, необходимо фактически лететь быстрее, с большей истинной скоростью.
С увеличением высоты полета, при выдерживании постоянного скоростного напора q (Vпр), истинная скорость полета относительно воздушной среды возрастает.
Рис. 5. Указатель скорости.
Рис. 6. Внешний вид однострелочных указателей скорости
Рис. 7. Дисплей PFD Da-40
(2- воздушная скорость; 3-истинная скорость)
На больших скоростях и высотах разность истинной и приборной скоростей становится уже значительной. Например, на высоте 12000 м истинная воздушная скорость почти в два раза больше приборной. Кроме того, на больших скоростях и высотах начинает заметно сказываться сжимаемость воздуха. Поэтому для скоростных и высотных самолетов разработаны двухстрелочные комбинированные указатели скорости (КУС), например, типа КУС-730/1100, КУС-1200. Эти указатели имеют две стрелки – широкую и узкую. На некоторых из них нанесены отдельные шкалы для каждой из стрелок (рис. 8), а на некоторых используется общая шкала.
Рис. 8. Комбинированный указатель скорости КУС-730/1100
Показания широкой стрелки отличаются от истинной скорости в основном потому, что температура и давление (плотность воздуха) на высоте существенно отличаются от их значений на уровне моря в СА.
Рис. 8. Дисплей самолета Boeing-737
(2- указатель скорости и числа Маха)
|
Инструментальные погрешности ΔVи возникают из-за несовершенства конструкции прибора и неточности его регулировки.
Аэродинамические погрешности ΔVa возникают из-за искажения воздушного потока в месте установки приемника воздушного давления.
Погрешность из-за изменения сжимаемости вызвана тем, что при полете на скоростях более 350…400 км/ч воздух перед ПВД сжимается, и его плотность увеличивается.
На больших высотах и больших скоростях погрешность из-за изменения сжимаемости может быть весьма значительной, поэтому ее необходимо учитывать при расчете скоростей. На рис. 9 показан график зависимости поправки на изменение сжимаемости от высоты и скорости полета.
Рис. 9. Поправка на изменение сжимаемости воздуха
Из-за неучета сжимаемости указатель скорости всегда показывает скорость больше фактической.
Методическая погрешность из-за изменения плотности воздуха возникает в результате несоответствия условий, принятых при расчете шкал приборов, фактическому состоянию атмосферы.
КЛАССИФИКАЦИЯ СКОРОСТЕЙ
Приборная скорость (Vпр), по-английски называется Indicated Air Speed (IAS) – скорость которую пилот отсчитывает непосредственно на шкале прибора. Если на самолете установлено несколько указателей, то на каждом из них будет свое значение приборной скорости, поскольку инструментальные погрешности индивидуальны для каждого экземпляра прибора.
Исправленная воздушная скорость (Calibrated Air Speed (CAS) Vинд.зем) – приборная скорость IAS с учетом инструментальной и аэродинамической поправок.
Если в показания всех указателей скорости на борту внести инструментальные и аэродинамические поправки, то получится одинаковое значение CAS. Именно CAS является скоростью, непосредственно связанной со скоростным напором, от нее зависят действующие на ВС аэродинамические силы. Поэтому, как правило, именно в виде индикаторной земной скорости в РЛЭ указаны все ограничения по скоростям. Слово «земная» в ее названии напоминает, что она определена в предположении, что плотность воздуха соответствует плотности у земли (на уровне моря в стандартной атмосфере). В некоторых странах эта же скорость называется Rectified Air Speed (RAS).
Исправленная воздушная скорость - это местная скорость набегающего потока или скорость обтекания крыла (иногда для упрощения CAS называют Vпр.).
Equivalent Air Speed (EAS) – скорость с учетом поправки на изменение сжимаемости. В этой скорости учтено, что сжимаемость воздуха на высоте уже другая, отличается от сжимаемости у земли.
Истинная воздушная скорость (Vи) True Air Speed (TAS) - скорость перемещения самолета относительно воздушной среды. Скорость с учетом методической поправки на изменение плотности воздуха с высотой.
Последовательность перечисленных скоростей и связывающих их поправок можно представить схемой (рис.10). Эта схема дает возможность переходить от одного вида скорости к другому на основе уже известного правила учета поправок в навигации. В левой части схемы скорости «более приборные», а в правой – «более истинные», поэтому при переходе слева направо соответствующие поправки прибавляются, разумеется, с учетом их собственного знака, а при переходе справа налево – вычитаются.
Рис. 10. Мнемоническая схема для преобразования скоростей
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫНАРУЖНОГО ВОЗДУХА
Тарировка шкалы указателя приборной скорости выполнена для плотности и сжимаемости воздуха на уровне моря по стандартной атмосфере, т. е. при давлении 760 мм рт. ст. и температуре +15° С. Следовательно, указатель скорости будет давать точные показания только при той плотности воздуха, на которую он рассчитан. С увеличением высоты полета плотность воздуха и его сжимаемость изменяются. Поэтому одному и тому же скоростному напору на разных высотах будут соответствовать различные истинные скорости полета. Указатель скорости с подъемом на высоту будет давать заниженные показания скорости. Это требует учета методических ошибок указателя скорости.
При расчете скорости необходимо учитывать температуру наружного воздуха, т.к. она влияет на плотность воздуха.
Рис. 11. Термометры наружного воздуха ТУЭ-48 и ТНВ-15 с датчиками температуры
Для скоростей не более 400 км/ч разность (tпр − tН) не превышает 2…3˚, что не имеет существенного значения, но при больших скоростях она может быть значительна. При расчете истинной скорости поправка на изменение плотности воздуха. Для ее определения необходимо знать барометрическую высоту полета и фактическую температуру на высоте. Ключ для расчета показан на рис. 12.
Рис. 12. Учет методической поправки на изменение плотности воздуха
Приближенно поправку на изменение плотности воздуха можно рассчитать в уме, что позволяет оценивать правильность инструментальных вычислений и предотвращать в них грубые ошибки.
Методические поправки указателя скорости
Например, полет выполняется на высоте Н=7200м, приборная исправленная (индикаторная) скорость Vпр.испр=400 км/ч. По табл. находим, что для высоты 7 км величина ΔVм составляет 40% от самой скорости, то есть от 400 км/ч. Десять процентов от любого числа определить легко – достаточно передвинуть десятичную запятую на один знак влево. В данном примере 10% составят 40 км/ч, а 40% - соответственно 160 км/ч. По правилу учета поправок эта поправка должна быть прибавлена к Vпр.испр (переход в сторону истинных величин). Соответственно получаем Vи=400+160=560 км/ч.
Число M (число Маха) – это отношение истинной воздушной скорости Vи к скорости звука a.
Скорость звука в воздухе зависит только от температуры воздуха и может быть рассчитана (в метрах в секунду) по простой формуле
Поскольку истинная скорость, так же как и скорость звука, пропорциональна квадратному корню из температуры, то получается, что их отношение, то есть число M, от температуры не зависит.
На любой барометрической высоте каждому значению скоростного напора q будет соответствовать вполне определенное значение M, независимо от температуры за бортом.
(Это правило используется для выдерживания постоянства движения ВС по Северо-Атлантическим трекам)
На скоростях полета, близких к скорости звука, аэродинамические характеристики ВС в большей степени зависят от числа М, чем от приборной скорости.
Для каждого ВС устанавливается предельное значение числа М, при превышении которого возникает волновой кризис, резко ухудшающий устойчивость и управляемость самолета. На разных высотах полета волновой кризис наступает при различных скоростях, но при определенном для данного типа самолета числе М.
