Оптический спидометр
Измерение линейной скорости транспортных средств, оторванных от опоры и движущихся вдали от навигационных систем, является непростой задачей. Например, как измерить скорость космического аппарата? Имеются разные способы для этого: по доплеровскому сдвигу частоты зондирующего сигнала, анализом последовательности изображений с камер корабля близлежащих небесных тел, интегрированием сигнала с бортового акселерометра и др. На практике в основном применяют доплеровские методы. В них используются передатчик и приёмник зондирующего сигнала, размещённые на Земле (радарная станция) или на самом КА. В обоих случаях требуется небесное тело, относительно которого измеряется скорость. При дальних космических путешествиях доплеровские методы использовать затруднительно, т. к. мощность передатчика и чувствительность приёмника сигнала ограничены. Для применения метода измерения скорости по изображениям небесных тел нужны эти небесные тела поблизости и данные об их скорости, что также может быть проблемой. Метод интегрирования ускорения по сигналу с акселерометров становится неактуальным при длительном путешествии с гравитационными манёврами.
Было бы здорово иметь прибор для измерения скорости, который может работать максимально независимо от места расположения и достаточно надежно. Земные ТС, такие как автомобили, корабли, самолёты оснащаются автономными спидометрами. С их помощью измеряются скорости движения относительно окружающих сред (земля, вода, воздух). Можно ли создать такой спидометр, для работы которого было бы достаточно только светоносной среды и энергии? Похоже, что да. Для реализации этой идеи можно использовать электромагнитные волны (свет), и тот факт, что свет может увлекаться движущейся прозрачной средой. Здесь и далее по тексту будет использоваться понятие “светоносная среда”, как это делается в классической физике. Привлечение теории относительности для описания работы прибора не требуется.
Упрощённая схема реализации варианта оптического спидометра дана на рисунке ниже.
Основой схемы является волоконный интерферометр с длинной катушкой оптоволокна. Катушка имеет вытянутую форму, протяженность по оси опоры — L. Источником света служит лазер, приёмником — фотодиод. Плечи интерферометра образуются благодаря двум Y-разветвителям. Вся установка может вращаться вокруг центра масс с угловой скоростью ��. Установка располагается в подвижном подвесе на ТС, движущемся со скоростью V. Для надёжной регистрации малых изменений разности фаз лучей в плечах интерферометра, возникающих при вращении (обоснование — см. ниже), в схему могут быть добавлены:
- оптический модулятор фазы
- чувствительный синхронный детектор
- цифровой модуль для регистрации разности фаз
Почему же при вращении разность фаз лучей в плечах интерферометра будет меняться? Ответ на вопрос можно получить, приняв во внимание эффект, обнаруженный Ипполитом Физо в середине XIX века. Он заключается в увлечении света движущейся средой его распространения. Когда движение среды сонаправлено с направлением луча, он идёт быстрее, когда направлено в обратную сторону — медленнее. В опыте Физо средой являлась чистая вода. В начале XX века Харресом был проведён похожий опыт по увлечению света движущимся стеклом. Результат этого опыта, в целом, подтвердил известную формулу для скорости света в движущейся среде, включающую коэффициент увлечения Френеля [*]. Применим эту формулу (без поправки на дисперсию) для оценки изменения разности фаз в движущемся интерферометре, представленном выше, относительно состояния покоя. Вращение установки в расчёт брать не будем: ограничимся случаем, когда вектор скорости ТС сонаправлен с осью установки. При этом прирост разности фаз будет максимальным. Также будем считать, что волокно одномодовое, и луч в нём распространяется параллельно оси волокна.
Активным элементом интерферометра, в котором происходит набег фазы, является вытянутая катушка оптоволокна в одном из плеч. В другом плече располагается один отрезок оптоволокна, изменение хода луча в котором пренебрежимо мало по сравнению с таковым для луча, проходящего через катушку. В катушке же основной вклад в набег фазы луча дают два прямых пучка волокон длиной ≃ L. Для оценки будем учитывать только их.
Выберем систему отсчёта, связанную со светоносной средой, относительно которой движется ТС. Пусть t0 — это время, за которое свет проходит одно волокно из пучка в состоянии покоя (V = 0); t+, t— — времена прохождения одного волокна по ходу/против движения со скоростью V, соответственно; N — количество витков в катушке; n — коэффициент преломления сердцевины оптоволокна; c — скорость света в вакууме. Несложно получить оценку времени прохождения светом катушки в состоянии покоя tN0:
Время прохождения светом движущейся катушки:
Луч, распространяющийся по волокну в направлении движения, пройдёт в нём расстояние ; противонаправленный луч: . Скорость лучей света в волокне, согласно формуле [*], составляет по ходу движения и в обратную сторону. Время при равномерном движении = расстояние / скорость. Таким образом, для времён t+, t— получим следующие соотношения:
Отсюда можно выразить времена в явном виде:
Различие в разности хода лучей на входе фотоприемника при неподвижном ТС и в движении со скоростью V (��) вызвано увлечением светового луча в катушке. Таким образом, �� составляет:
Подставив формулы (1), (2), (4) в (5) и упростив выражение, получим:
Соответствующее изменение разности фаз лучей, которое вызовет изменение интерференционной картины на входе фотоприемника, можно рассчитать по формуле:
Здесь �� — это длина волны генерации лазера.
Можно заметить, что описанная схема измерителя скорости похожа на схему волоконно-оптического гироскопа. В ВОГ используется разновидность того же эффекта увлечения света движущимся прозрачным материалом при вращении — эффект Саньяка. Это позволяет измерять угловую скорость вращения с высокой точностью. Чувствительность ВОГ по разности фаз достигает ~ 10 -7 рад. Длина оптического волокна в катушке может достигать 5 км. Имея ввиду эти значения, сделаем численную оценку чувствительности описанного спидометра при использовании доступных оптических технологий.
Пусть длина катушки L = 0.25 м, N = 12000 витков (длина волокна в катушке ~ 3 км) одномодового оптоволокна; n = 1,5; �� = 1 мкм (в ИК области минимальные потери интенсивности). Подставив эти значения в формулы (6) и (7), получим следующую зависимость прироста разности фаз от измеряемой скорости (V :
Графически эта зависимость выглядит так:
Масштаб по осям диаграммы — логарифмический. При скорости 1 м/с прирост разности фаз лучей составит 0,00000014 рад, что соответствует возможному техническому пределу чувствительности спидометра. С ростом скорости растёт квадратично, что означает увеличение разрешающей способности спидометра. Изменение на 2�� соответствует одному циклу изменения интенсивности света на входе фотоприёмника. При скорости 100 км/с, например, число таких циклов (морганий) составит около 223 шт.
В приведенном выше расчёте не учитывалось вращение оптической установки. Вращение необходимо для создания переменной разности фаз при движении ТС. При неизвестном направлении вектора мгновенной скорости ТС требуются последовательные вращения установки во многих плоскостях с регистрацией , проводимые по специальной методике. Алгоритм определения вектора скорости может быть, например, следующим:
- Выбрать декартову систему координат, связанную с движущимся ТС.
- Провести серию оборотов оптической установки во множестве плоскостей, которым принадлежит ось X. В каждой такой плоскости делать 1-2 оборота с заданной угловой скоростью �� и определять максимальное изменение разности фаз . Количество плоскостей в серии выбирается исходя из требований к точности и времени определения вектора мгновенной скорости.
- После завершения серии найти максимальное значение и отметить параметры плоскости, в которой оно наблюдалось. Вектор скорости лежит в этой плоскости с заданной точностью.
- Повторить шаги 2, 3 для оси Y
- Повторить шаги 2, 3 для оси Z
- Найти 3 прямые на пересечениях найденных плоскостей. Определить усреднённую по их ориентации прямую. Искомый вектор скорости лежит на этой прямой.
- Из трёх полученных значений выбрать максимальное: и вычислить по нему модуль вектора скорости по формуле:
- Повторять процедуру измерения скорости движения с заданной частотой.
При вращении установки с постоянной угловой скоростью �� из-за эффекта Саньяка может возникнуть паразитный сдвиг фаз относительно состояния с �� = 0. нужно определять с его учётом. Для определения направления скорости может хватить и двух серий вращений: по осям X, Y. Прямая в пересечении двух полученных плоскостей уже его укажет. Третия серия нужна в случаях, когда искомое направление близко к оси X или Y: для увеличения точности. Угловая скорость �� выбирается максимально возможной, с учётом допустимых перегрузок при вращении и их вклада в погрешность измерения разности фаз. Формула (9) для расчёта модуля скорости получена подстановкой формулы (6) с коэффициентом *2 в (7), при условии V . Удвоенное изменение разности хода лучей связано с тем, что при вращении в плоскости с проекция скорости на ось установки изменяется от -V до +V.
Для технической реализации описанной методики оптическую установку можно поместить в карданный подвес. Вращение установки вокруг центра масс может осуществляться электродвигателем, закрепленном на внутреннем кольце. Прецессия �� вокруг осей может проводиться шагами — с помощью двух шаговых двигателей, приводящих во вращение кольца подвеса. Для подвода питания к элементам спидометра можно использовать проводку со скользящими контактами около креплений осей вращения. Регистрацию информации о разности фаз от цифрового модуля можно проводить бесконтактным методом для исключения электромагнитных наводок. Для уменьшения влияния климатических и механических факторов на показания спидометра следует предусмотреть защитный кожух с виброизоляцией. Прибор может работать в автоматическом режиме.
Представленный спидометр, предположительно, может регистрировать скорость движения ТС относительно светоносной среды в месте движения. При этом светоносная среда также может двигаться: например, увлекаться гравитационным полем. На это указывает отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли по измерению космической скорости Земли [*]. Вращением Земли же светоносная среда увлекаться не должна. Об этом говорит положительный результат опыта Майкельсона-Гэля-Пирсона [*] и способность чувствительных оптических гироскопов регистрировать вращение Земли. Таким образом, при использовании оптического спидометра вблизи Земли и других вращающихся небесных тел нужно учитывать влияние их вращения на информационный сигнал.
Прибор может пригодиться не только для космических аппаратов, но и для земных ТС. Независимость его устройства от параметров окружающей среды (кроме светоносной) обеспечивает точность и надежность. Подводные лодки, космические корабли — это ТС, для которых не видно достойной альтернативы.
- оптический спидометр
- увлечение света
- линейная скорость
- опыт Физо
- опыт Харреса
Скорость полета самолета и трубка Пито.
Скорость полета. Одна из важнейших характеристик для любого летательного аппарата. Мы все привыкли, что самолет обязательно означает «быстро». Все ассоциации работают только в этом направлении. Скорость многим нравится. Практически любой человек не прочь прокатиться «с ветерком» на своем авто (если, конечно, полиция не помешает �� ) . И информацию о движении здесь получить несложно. Достаточно взглянуть на спидометр, который механическим или электронным способом соединен с колесом. Скорость вращения колеса дает нам в конечном итоге скорость, с которой автомобиль движется по дороге.
Но а как же быть с самолетом? Нет ведь в воздухе дорог, по которым можно было бы ехать :-). Единственная среда, с которой летательный аппарат контактирует непосредственно — это воздух. Вот от него-то он большую часть информации о своем движении и получает. Что касается конкретно скорости полета, то вполне понятно, что чем быстрее самолет летит, тем сильнее на него давит встречный воздушный поток (скоростной или динамический напор). Отсюда логично было бы определять скорость полета в зависимости от величины этого давления. Так же как, кстати, и с атмосферным давлением и высотой. Ведь чем выше летит самолет, тем атмосферное давление ниже. О высоте, однако, поговорим в одной из следующих статей, а пока на повестке дня скорость полета.
Для сбора и обработки такого рода данных на современных самолетах существуют специальные системы. Одно из названий для них — система воздушных сигналов (СВС) .
Работа датчиков такой системы, собирающих данные для определения скорости полета основана на двух уже почтенного возраста изобретениях. Первое — это трубка Пито. Она изобретена в 1732 году французским ученым А.Пито . Он занимался гидравликой, то есть изучал течение жидкости в трубах. Как известно законы гидравлики при определенных условиях вполне применимы для газов, то есть для воздуха. Его мы в дальнейшем и будем иметь ввиду.
Схема классической трубки Пито
Трубка Пито представляет собой L — образную трубку, один конец которой помещен в скоростной (воздушный :-)) поток. Этот поток в трубке тормозится, создавая в ней избыточное давление, по величине которого и можно судить о скорости потока, то есть по сути дела скорости полета, если эта трубка установлена на летательном аппарате. Вобщем-то принцип достаточно простой :-).
Однако здесь надо не забывать еще об одной важной вещи. Все, что находится внутри земной атмосферы, существует в ней под постоянным атмосферным (статическим) давлением. Мы его практически не ощущаем (если, конечно, все в порядке со здоровьем :-)), но оно есть и так или иначе оказывает влияние практически на все физические процессы, происходящие вокруг нас, то есть на всю нашу жизнь. Прямо как в фильме «ДМБ» :-):
— Видишь суслика?
— Нет…
— И я не вижу… А он — есть!
Если серьезно, то то давление, которое мы получаем при торможении воздушного потока в трубке Пито – это так называемое полное давление . Оно, на самом деле, равно сумме двух других давлений.
Полное давление = динамическое давление (скоростной напор) + статическое давление.
Это, между прочим, упрощенное изложение уравнения Бернулли , того самого ученого, о котором мы уже упоминали в статье о подъемной силе. Все правильно, ведь в обоих статьях мы говорим о газовых потоках, а это стихия любого летательного аппарата :-).
Динамическое давление, его еще называют скоростной напор , это то самое давление, которое и дает нам скорость полета. Статическое давление – это наше незаметное (как суслик :-)) давление. И при измерении скорости его обязательно надо учитывать, ведь оно в разных точках пространства может иметь различные значения, особенно с изменением высоты полета, и тем самым оказывать влияние на величину измеренной скорости полета.
Теперь для простоты понимания приведу пару формул. Именно для простоты понимания, хоть это и не в традициях сайта :-). Итак обзовем (как говорил мой преподаватель по физике) полное давление Р , динамическое — Р1 , статическое — Р0 , скорость полета (потока) – V . И еще нам понадобится такой физический параметр, как плотность воздуха ρ . Я думаю все еще со школы помнят, что это такое :-).
Скоростной напор выражается такой формулой Р1 = ρV²/2.
В итоге мы имеем такое уравнение: Р = Р0 + Р1 = Р0 + ρV²/2
Из него очень просто получить искомую скорость полета: V = √((2(Р — Р0))/ρ)
Исходя из этого несложного выражения работают все авиационные воздушные (аэродинамические) измерители скорости. Как пример можно привести достаточно простой указатель скорости для малоскоростных самолетов УС-350 .
Указатель скорости УС-350.
Как видите, нам, чтобы определить скорость полета, нужно измерить полное давление потока и статическое давление. Классическая трубка Пито дает только полное давление. Поэтому статику приходится измерять отдельно. Во избежание этого неудобства трубка Пито была усовершенствована.
Это второе изобретение (а точнее усовершенствование) из тех двух, о которых я говорил выше. Его сделал немецкий ученый-физик Людвиг Прандтль , которого даже иногда называют отцом современной аэродинамики. Он объединил измерение полного давления потока и статического давления в одной трубке. Для этого в ней есть одно отверстие в направлении потока для полного давления и ряд отверстий на поверхности, обычно расположенных по кольцу, для статического давления. Оба эти давления обычно отводятся в герметичные емкости, разделенные чувствительной мембраной и уже ее движение передается на стрелочный указатель скорости полета. Вот и все. Все гениальное просто, как известно :-)… Такое устройство называют трубкой Прандтля или Пито-Прандтля . На рисунке: 1 — трубка Прандтля, 2 — воздуховоды, 3 — шкала указателя скорости (УС), 4 — чувствительная мембрана.
Схема работы трубки Прандтля (ПВД).
Работа указателя скорости неплохо показана в этом небольшом ролике.
На современных летательных аппаратах эти устройства получили новое, более простое и правильное название: приемники воздушного давления (ПВД) . Они дают первичные данные в сложный комплекс системы воздушных сигналов. Трубки Пито в чистом виде сейчас практически не применяются. Хотя кое-где в малой авиации они еще встречаются. В комплекте к ним тогда обязательно идут приемники статического давления в виде плиты с рядом отверстий на обшивке летательного аппарата.
Трубка Пито под крылом самолета Cessna 172.
Чаще используются так называемые комбинированные ПВД. Они по конструкции представляют собой типичные трубки Прандтля. Эти устройства обязательно снабжаются мощной системой электрического обогрева, так как небольшие отверстия для замера давлений при обледенении самолета вполне могут быть закупорены льдом, что, конечно, может помешать их корректной работе. На стоянках приемники воздушных давлений закрываются специальными заглушками или чехлами для исключения попадания посторонних предметов и грязи в отверстия.
Типичный ПВД современного самолета.
Приемник воздушного давления на СУ-24М (цифры 1 и 2).
Все данные, выдаваемые ПВД, как я уже говорил, в итоге передаются на стрелки специальных приборов – указателей скорости полета . Они довольно разнообразны, как разнообразны и определения для скоростей полета летательного аппарата. Ведь он передвигается не только относительно земли, но и относительно атмосферы, которая сама по себе среда очень нестабильная.
Итак, скорости летательного аппарата .
Воздушная скорость (самая важная :-)). Она делится на два вида:
Истинная воздушная скорость ( True Airspeed ( TAS ) ) и Приборная воздушная скорость ( Indicated Airspeed ( IAS ) )
Приборная скорость – эта та скорость, которую летчик видит в своей кабине на приборе-указателе скорости. Она используется для пилотирования летательного аппарата непосредственно в данный момент времени.
Истинная скорость – это фактическая скорость полета самолета относительно воздуха. Она используется для навигации. Зная ее, например, рассчитывается время прибытия в конечный пункт маршрута и возможные при этом отклонения. Измерить эту скорость обычно невозможно. Она рассчитывается с использованием приборной скорости, давления воздуха и его температуры. При этом учитываются погрешности указателя приборной скорости. Они всегда есть, как у любого измерительного прибора на нашей земле :-). Эти погрешности (или ошибки) бывают:
Инструментальные . Возникают из-за несовершенства и особенностей изготовления самого прибора.
Аэродинамические . Это ошибки, возникающие при замере статического давления. Обусловлены конструкцией самолета, местом расположения датчиков и скоростью полета.
Методические . Эти ошибки обусловлены тем, что каждый указатель скорости рассчитывается и тарируется под определенные условия. В физике такие условия называются нормальными . Это когда атмосферное давление равно 760 мм рт.ст. , а температура воздуха 15° С . Но на самом деле с подъемом на высоту эти условия меняются. Меняется и плотность воздуха и следовательно скорость, которую показывает прибор, то есть приборная. С подъемом на высоту приборная скорость всегда меньше истинной. Они равны только при нормальных атмосферных условиях. Все эти погрешности учитываются в виде поправок при навигационных расчетах.
Путевая скорость (Ground Speed ( GS )). Это скорость летательного аппарата относительно земли. Она рассчитывается на основании истинной скорости с учетом скорости ветра и используется при решении навигационных задач.
Крейсерская скорость . При этой скорости величина отношения потребной тяги к скорости полета минимальна. То есть летательный аппарат на этом режиме максимально экономичен при сохранении скорости, достаточной для выполнения задачи. Крейсерская скорость обычно равна 0,7-0,8 от максимальной. На ней выполняются долговременные полеты по маршрутам.
Вот пока, пожалуй, и все. Однако в завершение скажу об одной важной детали. Говоря в этой статье о воздушных потоках и скоростях, мы имели ввиду скорости до 350-400 км/ч. Дело в том, что начиная с этих скоростей проявляется новый эффект воздушного потока – сжимаемость . Она порождает новую методическую ошибку в измерении скорости, которую тоже надо учитывать. Влияние сжимаемости с ростом высоты и скорости полета растет, переходя в эффекты сверхзвука. Но скорость полета на сверхзвуке, трубка Пито на этом режиме и другие приборы измерения скорости — это уже тема следующей статьи…
До новых встреч :-)…
P.S. В заключении предлагаю вам посмотреть дополнительный ролик, рассказывающий о трубках Пито и Прандтля.
- Откуда берется подъемная сила?
- Двигатель самолета — это его сердце.
- Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному.
- Авторотация.
- Элементы конструкции самолета.
74 Комментариев: Скорость полета самолета и трубка Пито.
Николай говорит:
Вопросы до сих пор есть, а статья в полной мере не раскрывает вопрос — почему существуют столько разных скоростей? Попробую восполнить пробел, тем более время есть (исторический карантинный месяц 30 марта -30 апреля 2020 г))). Не буду повторять статью, а лишь дополню ее. Полета самолета определяют 5 скоростей. Пилот имеет на борту первую скорость из этой цепочки, а ему нужна пятая по счету. IAS — получается на борту как разность давления (см. статью). Поскольку прибор как любое механическое устройство имеет свою погрешность (зазоры, трение и пр.), то его показания надо корректировать, и получается IAS*=IAS+dVпр. Однако, механика стала сверхточной, приборы подешевели и доступны всем, от дешевых самолетов до самых дорогих, то в последних нормах лётной годности эта поправка строго нормирована, не более от 2 до 5 км/ч, то все приборы и показывают скорость с этой точностью, и приборную поправку можно больше не учитывать, используя просто IAS. Именно эта скорость записана в РЛЭ, по ней и пилотирует самолет пилот. Но есть особенность — это очень «грязная» скорость. Видя на приборе скорость 500 км/ч, это вовсе не означает, что самолет каждый час пролетаете 500 км. Подробности ниже. CAS — calibrated airspeed, или индикаторная земная скорость. Любое тело летящее в воздухе создает вокруг себя поле давлений, или по-простому — ударную волну (это если уж со сверхзвуковой скоростью). А у нас есть ПВД и мы им измеряем давление. Для дозвукового самолета искажение поля давления распространяется на 1…2 характерных размера объекта (очень условно и примитивно, но примерно так). Например, у моего самолета хорда крыла 1,3 м, а искажение поля статического давления перед крылом распространяется на 2 м. Штанга же ПВД расположенная в носке крыла имеет длину 0,75 м (а длиннее нельзя — сломается, или делать ее из чугуна). Конечно же статическое давление измеряется с искажениями. К тому форма поля статического давления зависит от положения закрылков и угла атаки (а те в свою очередь — от скорости полета, массы самолета, и понеслись по всему учебнику…). Чтобы это учесть, в лётных испытаниях определяют «вранье ПВД», искажение измерения статического давления, и потом приборную скорость IAS корректируют (калибруют) — добавляют аэродинамическую скоростную поправку ПВД: CAS = IAS + dVа. EAS — индикаторная скорость. Если самолет летит быстрее 400 км/ч, то воздух начинает проявлять эффект сжимаемости, что тоже влияет на измерения. По спец.таблицам для любой высоты и скорости полета можно посмотреть поправку на сжимаемость и добавить ее: EAS = CAS + dVсж. Если скорость полета меньше 400 км/ч, то сжимаемость не учитывается — EAS = CAS, соответственно. Пересчитывая IAS в CAS или EAS уже можно сравнивать характеристики конкретного самолета на разных режимах полета: даже если IAS будут разные, но CAS/EAS одинаковые, то и аэродинамические характеристики самолета одинаковые. Именно в этих скоростях записаны все нормы летной годности, по которым проектируют самолеты. Например, у самолета определили скорость сваливания, Vs = 113 км/ч, то если повторять режим сваливания на этом самолете с разными приборами и разными ПВД на разных скоростях, то IAS конечно же будет разной, но самолет сваливаться будет на одной и той же CAS/EAS, что и требуется. TAS — истинная скорость. Скорость в невозмущенном воздухе без ветра (поэтому в русс. есть еще синоним — воздушная, вносящий не мало путаницы. Ведь все приведенные здесь скорости, кроме последней — воздушные). Поскольку самолет летает в реальной атмосфере, на разной высоте и при разной погоде, то температура и давление всегда разное, в разных комбинациях. Но аэродинамики и нормы лётной годности пользуются только стандартной атмосферой МСА, где стат.давление отсчитывается от стандартного, от 760 мм рт.ст. при +15°С. Стало быть, чтобы сравнивать характеристики самолета с нужно пересчитывать IAS в скорость на высоте полета.
Все очень просто — нужно сравнить плотность воздуха на высоте полета Rн (зная температуру и давление на этой высоте) с плотностью стандартной атмосферы у земли Ro (+15/760) и добавить эту поправку к скорости: TAS = EAS (CAS) / SQRT (Rн/Ro). Именно по этой скорости делают расчет самолета аэродинамики, и продувают аэродинамические модели в своих трубах. А еще эту же скорость TAS используют штурманы в расчетах. Зная скорость и направление ветра U, векторно складывая ее с TAS получают путевую скорость W или GS, скорость движения самолета относительно земли.
GS — путевая скорость, и она единственная во всей цепочке — уже не воздушная. Нанося ее вектор на карту можно рассчитать время полета и проходимое фактическое расстояние на данной высоте и при данном ветре. Что-то изменилось — считай всю цепочку заново. Вот такой длинный путь от цифры на приборе в кабине пилота до линии на карте штурмана. Поэтому то раньше и были штурманы в экипаже! Сейчас уже заканчивают свою жизнь доплеровские измерители скорости и сноса (ДИСС), зато на каждом самолете стоят GPS/GLONASS, которые сразу же выдают и вектор путевой скорости (ФПУ или TRK) и ее величину (GS). А чтобы следить за безопасной скоростью в полете и не напрягать пилота расчетом или розыском в РЛЭ по таблицам нужной скорости на самолетах ставят вычислители воздушной скорости, в которые уже введены данные о всех поправках ПВД/сжимаемости, текущей массе самолета, получают текущие данные о забортной температуре и давлении, о давлении и температуре на аэродроме посадки, о конфигурации самолета. Вычислитель ежесекундно рассчитывает опасные CAS/EAS для конкретной ситуации, потом переводит в IAS и рисует красный сектор на электронном указателе скорости, за который пилоту и автопилоту заходить нельзя. Пилот же как и раньше продолжает пилотировать самолет глядя на IAS. Вот так сегодня разорвалась 100-летня цепочка вычислений воздушных скоростей самолета… Но физика процесса — не изменная.
sunnyd говорит:
Интересно, а почему нельзя производить корректировку скорости в воздухе, используя сигналы GPS?
Николай говорит:
Какую корректировку вы имеете ввиду? В расчете параметров полета самолета используется 5 скоростей, и GPS — самая последняя в этой цепочке (GS), а которую видит пилот и пилотирует по ней самолет — самая первая (IAS). Слишком длинная цепочка вычислений между ними. Да и не нужно это сейчас. Имеются другие средства. По GS делают оперативный навигационный расчет. В простых навигационных системах для легких самолетов иногда сравнивая GS с другими параметрами полета вычисляют направление и скорость ветра. Полезный параметр для посадки на необорудованных аэродромах, куда легкие самолеты чаще всего и летают. Иногда GPS все таки используют для проверки правильности показаний приборной скорости IAS. Но это только с применением специальных GPS и на специальных режимах полета, один-два раза в жизни самолета.
Денис говорит:
Не могли бы вы мне, глупому, пояснить, почему статическое давление регистрируемое самолётом через отверстие перпендикулярное потоку не зависит от скорости, или давление не стенку трубы в первом примере на видео также не зависит от скорости жидкости? Ведь, рассматривая трубку Вентури или профиль крыла, объясняют, что давление уменьшается с ростом скорости.
Юрий говорит:
Я бы объяснил это так. В трубке Вентури и при обтекании потоком профиля крыла падение статического давления при увеличении скорости потока выводится из постоянства полного давления в потоке, то есть закона Бернулли. Динамическое больше, значит статическое меньше. Однако закон Бернулли — это следствие закона сохранения энергии, который в свою очередь выводится для изолированной (или замкнутой) физической системы. Трубка Вентури (достаточно приближенно) может рассматриваться, как система замкнутая. Приемник же статики на борту самолета вкупе с атмосферой, от которой он эту статику берет, под определение замкнутой совсем не подходит и закон Бернулли здесь неприменим. Приемник просто фиксирует постоянное атмосферное давление.
Юлий Давидович говорит:
Здравствуйте, Юрий.
https://yadi.sk/d/Ru8iju4N36dqCo
Прочитайте нашу статью и скажите своё мнение.
Можно ли на базе ЛАГ подняв его чувствительность для воздуха в принципе сделать измеритель воздушной скорости для каких то частных задач.
Юрий говорит:
Я так и не смог, к сожалению, прочитать Вашу статью. Или ссылка неверна или поздно взялся и вы закрыли доступ….
Юлий Давидович говорит:
Добрый день, Юрий!
Направляю Вам журнал Лазер-Информ с нашей статьёй https://yadi.sk/i/dYOphQ6J3D7kr3
На базе наших работ в принципе возможно разработать бортовые измерители скорости не только для наземных и морских транспортных средств, но и для воздушных, в первую очередь, для вертолётов и беспилотников.
Возможно измерение 2-3 состовляющих вектора скорости.
Как Ваше мнение, какие основные технические требования к такому прибору.
С уважением, Ю.Д. Каминский
м.т. +7(916)062-0899
Дима говорит:
Скажите пожалуйста, какая разница между статическим давлением и атмосферным давлением.
Юрий говорит:
По сути дела статическое давление и есть атмосферное или говоря точнее давление столба атмосферного воздуха на мембрану прибора в данном конкретном месте и в конкретный момент времени (атмосферное давление в данном конкретном месте).
Скорость самолета. Приборная, истинная, путевая…
Возможно, вы удивитесь, но в авиации все совсем не так как в автомобилестроении. У вас в машине один спидометр который показывает скорость вашего движения. Все просто, чем быстрее вращается колесо, тем выше скорость, у нее всегда одно значение — скорость относительно земли.
Но вот какая история, у самолета все иначе, скоростей здесь гораздо больше.
Приборная скорость (Indicated Airspeed)
То что показывает «спидометр» пилота называется приборная скорость или приборная воздушная скорость.
Дело в том, что для измерения скорости полета самолета используется приемник воздушного давления, то есть скорость измеряется относительно потока воздуха, в котором движется самолет, с допущением, что за бортом так называемые «нормальные условия» (давление 760 мм ст, температура +15 и влажность 0%). Но они ведь не всегда такие, правда?
Истинная скорость (True Airspeed)
Идем дальше и обнаруживаем истинную воздушную скорость. Это скорость с учетом поправок. Учитывается инструментальная поправка (ведь прибор сам по себе может давать погрешность) аэродинамическая, волновая (возникновение скачков уплотнения на сверхзвуковых и близких к ним скоростях) и методическая.
На высоте уровня моря обе скорости совпадают, а вот с увеличением высоты полета истинная скорость начинает расти и на высоте 12 км истинная может быть в 2 раза выше приборной скорости. Растет разница и с увеличением скорости полета.
Есть несколько типов указателей скорости (авиационный спидометр): показывающей приборную скорость, показывающий истинную скорость, показывающий приборную скорость и число М и т. д… В общем, исходя из типа самолета приборы могут быть разными.
Указатель скорости самолета DC-10
Эквивалентная скорость (Equivalent Airspeed)
Скорость применяемая для расчетов инженерами, она учитывает сжимаемость воздуха. Прибора показывающего ее нет.
Скорости выше «воздушные». А вот и:
Путевая скорость (Ground Speed)
Это скорость самолета относительно земли, а не воздуха. В современном мире она измеряется с помощью GPS. Суть в том, что, например, при встречном ветре скорость самолета относительно земли будет меньше, чем при попутном, а относительно воздуха не изменится. Поэтому, зная скорость относительно воздуха и скорость ветра можно вычислить свою путевую скорость.
Вертикальная скорость
Это скорость набора высоты или снижения. Имеет значения во время взлета и посадки.
Число Маха
Фактически число М, это скорость относительно скорости звука.
В принципе, для пилота самой важной является приборная скорость, она влияет на динамику полета, число М важно для понимания, не превысил ли пилот допустимое его значение. Истинная и путевая скорости важнее для навигации, эквивалентная — для расчетов.
Читайте также:
Самолет сбил сам себя
20 мая, 2012 Автор: istorii_master · Published 20 мая, 2012 · Last modified 15 августа, 2023 —>
Реактивный двигатель
29 сентября, 2023 Автор: istorii_master · Published 29 сентября, 2023 · Last modified 4 октября, 2023 —>
Взлетит ли самолет с конвейера?
24 июня, 2012 Автор: istorii_master · Published 24 июня, 2012 · Last modified 12 сентября, 2019 —>
Добавить комментарий
Следите за нами:
- Следующая публикацияГиперзвук. Это сколько?
- Предыдущая публикацияСамый быстрый вертолет
Рубрики
Свежие записи
- Кому выгодно
- Реактивный двигатель
- Горячая вода замерзает…
- Чему равно число е
- Инерциальная система
Лучшее
- Популярные записи
- Новые записи
- Новые комментарии
- Метки
Можно ли сделать спидометр для самолета работающий от авторотации отдельного пропеллера?
Согласен, повреждение винта может создать вибрацию и как следствие другие проблемы. Но насчет примерз не знаю, запасных ветрогенераторов (которые в аварийной ситуации выдвигаются) в таком состоянии еще не видел.
DIES MissingУченик (101) 5 лет назад
К слову, трубка тоже не бессмертна.
Остальные ответы
Конечно, правда сам воздух тоже может двигаться.
Может быть, я чего-то не понимаю, а потому предлагаю порассуждать вместе.
Шо меряет спидометр в ахтомобиле? Скорость ахтомобиля или число километров, которое ахтомобиль проехает в час с данной скоростью.
Шо будет мерять пропеллерный прибор на самолётке? Километры, пролетаемые самолёткой в час? Увы, нет. Самолётка будет определять /при правильной калибровке/ скорость самолётки относительно встречного потока воздуха. не больше, не меньше.
А если учесть, что поток воздуха, в котором движецо самолётка, может двигацо относительно поверхности земли, то показания нашего вентиляторного прибора будут показывать невесть шо.
ВЫВОД: Если надо измерять именно скорость набегающего на самолёт потока воздуха — да, вентилятор в помощь! Всё получицо.
Но для измерения скорости самолётки относительно земли данный метод не годицо. Тут нужна привязка к местности.
Источник: я так думаю.
Дмитрий НизяевИскусственный Интеллект (793746) 5 лет назад
А самолетные спидометры, к твоему сведению, ВСЕГДА измеряли скорость именно относительно воздуха. Для самолета, к твоему сведению, это НАМНОГО важнее, чем измерять относительно земли. Ведь эти спидометры придуманы вовсе не для того, чтобы вежливо объявлять пассажирам, сколько времени осталось лететь, а для контроля подъемной силы крыла.
Кроме того, для измерения воздушной скорости самолета все же НАМНОГО разумнее именно тот способ, который и применяется в реальности — на разнице давлений, а не на вращении пропеллера.
Дмитрий НизяевИскусственный Интеллект (793746) 5 лет назад
В-третьих, на самом деле, воздушная скорость не так уж и «врет», если речь идет не о кукурузнике, а о большом и быстром самолете — потому что скорость ветра несравнимо ниже скорости самого самолета.
Анатолик Искусственный Интеллект (111809) Я немножко в курсе значения измерения различных скоростей во время полёта. Но судя по формулировке вопроса подозревал, что спрашивавший мог об этом не подумать. Что касаецо пропеллеров, то тут речь не о преимуществах и недостатках, а о технической возможности. Лично для меня это вопрос чистой теории. абсолтно уверен в том, что если не применяецо — значицо, это далеко не лучший вариант. Так шо если не заметить громко выделенного слова ВСЕГДА, то во всём прочем я с Вами согласный.
Можно, на Фау-1
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Фау-1
дальность полета задавалась с помощью такого «спидометра». Но на самолетах, в таком способе отсчета расстояния и определения скорости, нет ни смысла, ни надобности.
на многих «пропеллерных» самолётах число оборотов постоянное, а тяга регулируется флюгированием винта
Он так и сделан
DIES MissingУченик (101) 5 лет назад
Откуда информация? Типичный авиационный спидометр работает от давления воздуха расширяющего гармошку через трубку Пито.