Трехосный измеритель воздушной скорости
Владельцы патента RU 2762539:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скоростных параметров и аэродинамических углов в системах воздушных сигналов летательных аппаратов. Техническим результатом является упрощенное построение системы измерения истинной воздушной скорости. Трехосный измеритель воздушной скорости характеризуется тем, что в обтекаемом корпусе по каждой пространственной оси расположены выступающие за пределы корпуса два сопла прямого и обратного потоков струйных автогенераторов с проточными камерами, при этом частота колебаний пневматических сигналов давления струйного автогенератора преобразуется пневмоэлектропреобразователем в электрический сигнал и передается через разъемы по электрокабелю в микропроцессор, в котором определяются векторы воздушной скорости, а остаточный поток воздуха из камеры выводится вне корпуса через сопло выхода. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скоростных параметров и аэродинамических углов в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
Известные приемники воздушной скорости в системе имеют канал измерения высотно-скоростных параметров, который включает в себя приемник воздушных давлений, пневмотрассы, датчики давления и вычислитель высотно-скоростных параметров.
Известен датчик аэродинамических воздушных скоростей, (http://aeropribor.ru/production/5/64. Система измерения воздушных параметров вертолета СИ ВПВ-52. Просмотрена 05.11. 2020). Недостатком известного датчика является соединение" с датчиками давления пневмотрассами с большой длиной. В свою очередь, датчики давления преобразуют воздушные давления в электрический сигнал и в цифровом виде значения воздушных давлений передаются в вычислитель, где производится вычисление высотно-скоростных параметров.
Во многих используемых в ЛА системах измерения воздушных сигналов каналы измерения состоят из канала полного давления и канала статического давления, которые измеряют давление аналоговым способом. Кроме того, воздушная скорость вычисляется по известному алгоритму, используя зависимость Бернулли.
Известно устройство измерения малых воздушных скоростей вертолета (RU 2426995 С1, 20.08.2011) с помощью неподвижного сферического тела, установленного на фюзеляже. Симметрично оси сферического тела в плоскостях, параллельной плоскости симметрии вертолета и ортогональной к ней, расположены наклонные отверстия для забора (приемники) давлений, определяющие угловое положение набегающего потока в указанных ортогональных плоскостях. На поверхности сферического тела по окружности расположены отверстия для забора (приемники) статического давления результирующего набегающего воздушного потока. Приемники давлений и температуры подключены ко входам пневмоэлектрических преобразователей, например перепада давлений или термоанемометрическим, выходы которых подключены к микропроцессору, который вычисляет три составляющие вектора истинной воздушной скорости, углы атаки и скольжения.
Недостатком известного устройства является наличие длинных проточных трубопроводов, увеличивающих время запаздывания сигнала, значительное число термоанемометров измерения расхода по сигнальным трубопроводам, требующим согласования, аналоговая передача сигналов давления, подверженных влиянию температуры и плотности, обязательно наличие сигнала Рп полного давления и сигнала Рст статического давления и связанного с этими сигналами вычислительной операции определения воздушной скорости.
Известен многофункциональный измеритель воздушных данных (RU 183334 U1, 18.09.2018), принятый за прототип, содержит приемник воздушных давлений, датчики давлений, вычислитель. Причем датчики объединены в единый корпус датчиков давлений, соединенный с приемником воздушных давлений и вычислителем, который позволил уменьшить массу канала измерения высотно-скоростных параметров за счет исключения пневмотрасс. Кроме того, аналоговая передача сигналов давления, подверженных влиянию температуры и плотности, обязательно наличие сигнала Рп полного давления и сигнала Рст статического давления и связанного с этими сигналами вычислительной операции определения воздушной скорости.
Техническим результатом является упрощенное построение системы измерения истинной воздушной скорости.
Технический результат достигается тем, что трехосный измеритель воздушной скорости, характеризующийся тем, что в обтекаемом корпусе по каждой пространственной оси расположены выступающие за пределы корпуса два сопла прямого и обратного потоков струйных автогенераторов с проточными камерами, при этом частота колебаний пневматических сигналов давления струйного автогенератора преобразуется пневмоэлектропреобразователем в электрический сигнал и передается через разъемы по электрокабелю в микропроцессор, в котором определяются векторы воздушной скорости, а остаточный поток воздуха из камеры выводится вне корпуса через сопло выхода.
На фиг.1 показана схема измерителя воздушной скорости трехосного измерения по пространственным осям X, Y и Z.
На фиг. 2 показано выполнение струйного автогенератора в качестве приемника воздушной скорости (ПВС) по одному типовому направлению (ось X) набегающей воздушной скорости.При работе измерителя воздушной скорости (схема фиг.1) прямой и обратный набегающий скоростной поток 1 воздуха в трех плоскостях проникает во входы патрубков прямого и обратного потоков 3, расположенные симметрично по трем осям (тангаж - ось Y, рысканье- ось Z и крен- ось X) в обтекаемом корпусе 2, через сопла 4 питания (фиг. 2) проточных струйных автогенераторов 5 с частотным выходом пневматических давлений. Пневматический частотный выход автогенераторов 5 преобразуются через дроссели 6 и камеры (не обозначены на фиг. 2) пневмоэлектропреобразователя 13 (фиг. 2) в электрический частотный сигнал, который по электрокабелям 7 переходит в микропроцессор 8, в котором определяются векторы воздушной скорости, остаточный поток из камер выводится вне корпуса 2 через сопло выхода 9.
Параметрические данные воздушного потока измеряются прибором, выполненным по схеме (фиг. 1), который устанавливается, например на переднюю часть фюзеляжа ЛА для дифференциального измерения истинных воздушных скоростей.
Для измерения скорости, например по одной оси, используется проточный приемник воздушной скорости (ПВС) на фиг. 2. В проточном приборе ПВС скоростной напор (динамическое давление), содержащий непосредственную информацию о скорости, освобожденный от величины статического давления, и далее скорость определяется с помощью колебаний струйного течения из квадратичной зависимости. Функциональная зависимость в частотной форме, свойственная физической природе колебаний, выражается линейной связью между величинами скорости потока и частотой колебаний выходного давления струйного автогенератора.
Предложенная схема (фиг. 1) построена на проточных ПВС, основой работы которой является струйный автогенератор (фиг. 2). Струйный автогенератор реализован в виде струйного усилителя, образующим замкнутую обратными связями функциональное устройство с частотным выходом струйных колебаний, далее выраженными колебаниями пневматического давления в камерах пневмоэлектропреобразователя. Измерение воздушной скорости V приемником ПВС проводится частотными колебаниями с помощью струйного автогенератора, при этом корпус приемника ПВС является проточным.
Полное давление (статическое и динамическое) струи питания в струйном усилителе преобразуется в переменное пневматическое давление в пьезопреобразователе, равное динамическому давлению скоростного напора, за вычетом статического давления окружающей среды по физической природе измерения. Как сама постоянная величина, так и плавное изменение величины статического давления в виде воздействия на пьезопреобразова-тель не вносит ошибки в электрический выходной сигнал при частотном измерении колебаний.
Проточные выходы потока усилителей всех автогенераторов 5 (показан один для примера на фиг. 2) сведены в общую камеру 12 и далее через сопло выхода 9 в окружающую среду. Частота колебаний сигналов давления автогенератора преобразуется в электрический сигнал пьезопреобразователем 13 (фиг. 2). Такой струйный ПВС (скоростемер) с диапазоном измерения по скорости 1:10 укладывается в класс - 1, с диапазоном 1:20 - в класс 1,5.
Воздушный поток 1 поступает через входной обтекатель 2 в сопло 3 автогенератора 5. Струйный автогенератор 5 представляет собой струйный бистабильный элемент, приемные каналы (14, 15) которого соединены каналами обратной связи (16, 17) с соплами управления (18, 19). При работе автогенератора струя воздушного потока, вытекающая из сопла 3 в рабочую камеру взаимодействия 20, отклоняется к одной из стенок, например к левой стенке, и прижимается к ней давлением, которое создается потоком, отраженным вогнутым дефлектором 21. Струя течет вдоль левой стенки и попадает в приемный канал 14. Набор давления из-за некоторого торможения в приемном канале 14 вызывает разгон среды в канале обратной связи 16. Через некоторое время tзап запаздывания в канале обратной связи 16 расход в сопле управления 18 достигает величины расхода переключения Qср, что приводит к отрыву струи от левой стенки и перемещение ее к правой стенке. Струя достигает правой стенки, и через некоторое время транспортного запаздывания tтр в камере взаимодействия струйного усилителя 5. в приемном канале 15 повышается давление (при этом в канале 14 оно становится равным давлению в камере). Спустя некоторое время tзап - время прохождения по каналу обратной связи 17- расход в сопле управления 19 достигает величины Qcp, и струя перемещается к левой стенке и попадает в приемный канал 14 и процесс повторяется. Начнется новый период колебания и возникают устойчивые автоколебания струи в автогенераторе 5. Частота переключений пропорциональна скорости воздуха через сопло питания 3 струйного элемента.
Известно свойство струйного автогенератора - частота линейно зависит от скорости течения и не зависит от плотности измеряемой среды ρ. С повышением плотности измеряемой среды растет одновременно перепад давления в той же доле на измерителе, при этом показания по скорости V не меняются.
Далее из сливной камеры 22 воздух выходит через сопло выхода 9 в атмосферу. Частота колебаний пневматических сигналов давления струйного автогенератора 5 пьезопреобразователем 13 передается через разъемы по электрокабелю 7 в микропроцессор 8.
Векторы скорости набегающего потока под углом к входному соплу 3 автогенератора 5 имеют меньшую величину модуля и, следовательно, меньшую величину выходной частоты.
При изменении направления набегающего потока воздуха изменяется распределение скоростей по поверхности обтекаемого тела и по разнице двух величин скоростей на разных сторонах корпуса 2 можно судить о местном угле набегающего потока, который функционально связан с аэродинамическим углом.
В силу того, что местный угол скоса потока вычисляется фактически по разнице указанных двух воздушных скоростей в автогенераторе с преобразованием в частотный электросигнал, то исключение пневмотрасс с запаздыванием сигнала значительно снижает погрешности измерения угла скоса потока.
Струйные автогенераторы 5 преобразуют сигнал скорости в электрический сигнал частоты и в цифровом виде значения частоты передаются в вычислитель 8, где производится вычисление высотно-скоростных параметров.
Вычисленные скоростные параметры и местные аэродинамические углы скольжения β, рысканья ψ, тангажа υ и крена γ передаются далее по кодовым линиям связи на индикацию экипажу, в систему автоматического управления (автопилот), в систему регистрации параметров и в прочее бортовое оборудование летательного аппарата.
Приближение к опасному режиму пилотирования со скоростью V≅2-4 м/с, при наличии трехосного измерителя воздушной скорости, можно исключить фиксацией частоты 
сигналом ПВС, не меняющей своей величины от высоты полета Н, что существенно для безопасности полета в горной местности. Перечислим свойства трехосного измерителя воздушной скорости:
1 - измеряется только динамическое давление, статическое давление не влияет на измерение пьезопреобразователем, т.е. автоматически из полного давления вычитается статическое давление;
2 - измеряется воздушная скорость, на величину которой не влияет изменение плотности ρ среды, и не зависит от высоты полета;
3 - при частотном способе измерения скорости набегающего потока V характеристика выходной частоты от скорости V линейная;
4 - отсутствует необходимость поправок на величину опасной черты по скорости при разной высоте- у земли или в горах, т.е. показания опасной частоты одни и те же при разных параметрах полета вертолета и температуры окружающей среды;
5 - измеряется истинная скорость потока воздушной среды, включая ветер; 6 - предложен трехосный измеритель для различных ЛА, которым измеряется, а не вычисляется, истинная воздушная скорость непосредственно аэродинамическим способом.
Трехосный измеритель воздушной скорости, характеризующийся тем, что в обтекаемом корпусе по каждой пространственной оси расположены выступающие за пределы корпуса два сопла прямого и обратного потоков струйных автогенераторов с проточными камерами, при этом частота колебаний пневматических сигналов давления струйного автогенератора преобразуется пневмоэлектропреобразователем в электрический сигнал и передается через разъемы по электрокабелю в микропроцессор, в котором определяются векторы воздушной скорости, а остаточный поток воздуха из камеры выводится вне корпуса через сопло выхода.
