ЛЕКЦИЯ №9.
ПРИБОРЫи ДАТЧИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫПОЛЕТА
Назначение
ИУ, предназначенные для измерения высоты полета самолета над земной поверхностью, называются высотомерами.
Высотой полета называют измеренное по вертикали расстояние между ВС и некоторой поверхностью, принятой за начало отсчета.
При полетах самолетов различают четыре основных вида высот (рис.1):
- абсолютная высота (Набс.) – высота полета относительно уровня моря (pо = 760 мм.рт.ст.);
- относительная высота (Нотн.) – высота полета относительно места взлета или посадки;
- истинная высота (Н) – высота полета относительно места, над которым находится самолет в данный момент времени;
- барометрическая высота (Нбар.) – высота полета относительно места с заданным атмосферным давлением.
Рис. 1. Виды высот полета
Знание абсолютной высоты необходимо при эшелонировании, испытательных полетах ВС и авиационных двигателей, относительная высота должна быть известна при взлете и посадке, а истинная высота – во всех случаях полета.
На больших ВС применяют комплексы высотно-скоростных параметров, которые предназначены для обслуживания нескольких бортовых систем – автопилотов, навигационных систем и комплексов, дистанционных указателей и т.д. В таких комплексах, обычно, конструктивно объединяют датчики высоты полета с датчиками скорости и числа М.
Методы измерения высоты полета
Известны следующие методы измерения высоты полета: барометрический, радиотехнический, инерциальный, ионизационный и т.д.
Барометрический метод основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. В этом методе измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления с помощью барометра.
Радиотехнический метод определения высоты основан на измерении промежутка времени прохождения радиосигналом пути от самолета до земли и обратно до самолета. На 
этом же принципе измерения времени прохождения отраженным лучом основаны оптические методы измерения высоты.
Инерциальный метод измерения высоты полета основан на измерении вертикальных ускорений самолета и двойном интегрировании этих сигналов.
Ионизационный метод измерения высоты полета основан на зависимости ионосферной ионизации атмосферы от расстояния до Земли.
На высотах 20 – 80 км степень ионизации воздуха возрастает с увеличением высоты.
Наибольшее распространение получили барометрический и радиотехнический методы. Перспективными являются приборы, основанные на комплексировании барометрического, радиотехнического и инерционного методов измерения высоты.
Барометрический метод измерения высоты полета базируется на зависимости абсолютного давления р от высоты Н, т. е. p = f1(H).
На современных ВС наибольшее применение нашли высотомеры в основу построения, которых положены барометрический и радиотехнический методы измерения высоты полета.
Принцип действия и устройство авиационных высотомеров
3.1 Барометрический высотомер
Принцип действия барометрического высотомера основан на зависимости абсолютного давления р от высоты Н, т.е. р = f (Н).
В общем виде данное соотношение (формула носит название стандартной барометрической) имеет вид:
где ро = 760 мм рт. ст. – среднее давление на уровне моря;
τ = 6,5 град·км–1 – температурный градиент;
То – средняя абсолютная температура на уровне моря, равная 28,8о С;
R – газовая постоянная.
Если решить эту зависимость относительно Н, то получим формулу, называемую гипсометрической.
Барометрический высотомер представляет собой манометр абсолютного давления, принципиальная схема которого представлена на рис. 2. Чувствительным элементом ИУ является анероид – мембранная коробка 1, из которой откачен воздух. Анероид помещен в герметичном корпусе 2, который сообщается трубопроводом 3 с приемником статического давления 4, расположенным вне самолета.
Рис. 2. Принципиальная схема барометрического высотомера
|
В герметичный корпус ИУ, подводится статическое давление р, под действием которого анероидная коробка деформируется. Деформация коробки при помощи передаточного механизма передается на преобразующее устройство, которое преобразует механическое перемещение элементов передаточного механизма в электрический сигнал.
3.2 Радиовысотомер
Радиотехнический метод измерения высоты полета (называют также радиоволновым или радиолокационным) основан на отражении радиоволн от земной поверхности.
Устройства, построенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами.
Принцип действия радиовысотомера основан на зависимости изменения (модуляции) частоты излучаемого и далее отраженного от земли радиосигнала от времени.
Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рисунок 4, а и б).
Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приведена на рисунке 4, а. Антенна А1 радиопередатчика, установленного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к самолету. Антенна А2 радиоприемника, также находящегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А1, так и отраженные от Земли радиоволны. Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения является частотная модуляция излучаемых колебаний.
На рисунке 6 приведен график изменения во времени частоты f1 излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f2 отраженных колебаний (пунктирная линия). Линия частот f2 сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f1 на величину τ вследствие того, что в каждый момент времени частота отраженного сигнала отличается от частоты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты прямого излучения за время т прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.
Рисунок 4 - Блок-схема радиовысотомеров: а) – непрерывного действия; б) – импульсного действия
Следовательно,
где t1 – время прохождения радиоволн прямого излучения от антенны передатчика до приемной антенны; t2 – время прохождения радиоволн от передатчика до Земли и обратно до приемной антенны.
В соответствии с рисунком 5
где l – расстояние между передающей и приемной антенной;
Н – истинная высота полета;
с = 3·108 м/сек – скорость распространения радиоволн.
Отсюда, получаем:
Разность частот F = f1 – f2, выделяемая в детекторе низкой частоты и измеряемая частотомером, служит мерой истинной высоты полета.
Рисунок 5 - Схема прохождения прямых и отраженных радиоволн
Разность частот излучаемых и принимаемых (отраженных от земли) радиоволн дает возможность определить время их прохождения до земли и обратно, а формула Н = (с ·t)/2, вычислить до нее расстояние.
где Н – высота полета; с = 3·108 м/сек – скорость распространения радиосигнала,
Рисунок 6 – График изменения частоты колебаний в радиовысотомере
непрерывного излучения
где: а – зависимость частот f1 и f2 от времени; б – зависимость разности частот от времени.
В состав такого радиовысотомера входят:
- передатчик радиоволн;
- приемник радиоволн;
- частотный модулятор;
- балансный детектор;
- частотомер.
Диапазон работы таких радиовысотомеров ограничивается малыми высотами от 0 до 1000 м.
С увеличением высоты полета мощность отраженного сигнала резко падает и поэтому измерение больших высот полета осуществляется радиовысотомерами импульсного действия. Этот высотомер содержит приемник и передатчик, излучающий радиоволны дискретно (импульсами), в течение коротких интервалов времени, разделенных значительно более длительными паузами.
Радиовысотомер импульсного действия непригоден для измерения очень малых высот (при посадке самолета), т.к. он обладает сравнительно большой зоной нечувствительности.
Рисунок 6 – График изменения частоты колебаний в радиовысотомере
непрерывного излучения
Где: а – зависимость частот f1 и f2 от времени; б – зависимость разности частот от времени.
Методические погрешности радиовысотомеров, также как и барометрических, связаны с изменением рельефа местности, над которой пролетает В С. Однако погрешности, связанные с определением истинной высоты, до некоторой степени могут быть учтены экипажем.
При измерении интервала времени прохождения радиосигнала от самолета до земли и обратно возникают погрешности обусловленные искажением отраженного сигнала, неточной регистрацией моментов приходов сигналов, искажением сигналов в элементах приемников и др.