4.2.1. Барометрический метод измерения высоты

Высотой полета называется измеренное по вертикали расстояние между ЛА и некоторой поверхностью, принятой за начало отсчета. При полетах различают абсолютную, истинную, относительную и барометрическую высоты.

Абсолютная высота - это высота над уровнем моря, она не зависит от рельефа местности.

Истинная высота - это высота ЛА над пролетаемой местностью.

Относительная высота - это высота относительно места взлета или посадки.

Барометрическая высота - это высота относительно места с заданным атмосферным давлением.

Знание высоты ЛА необходимо прежде всего для пилотирования, чтобы избежать столкновения с различными объектами. При полетах на больших высотах необходимо регулировать силовые установки.

На ЛА используются высотомеры как визуальные, так и в виде датчиков, дающих электрические сигналы, пропорциональные высоте. Существуют следующие методы измерения высоты полета: радиотехнический, акустический, оптический, инерционный, барометрический.

Барометрический метод измерения высоты полета базируется на зависимости абсолютного давления в атмосфере р от высоты Н. При выводе градуировочных формул высотомера понадобятся также зависимости плотности g и абсолютной температуры Т от высоты. На рисунке 4.1 представлены зависимости р=f1(H), g=f2(H) и Т=f3(H). Эти зависимости являются статическими, т.к. давление, плотность и температура на одной и той же высоте не остаются постоянными, а испытывают значительные случайные вариации (показанные пунктиром) зависящие от времени суток и года, облачности.

Рис. 1. Градуировочные кривые высотомера

Для вывода зависимости между параметрами атмосферы и высотой Н рассмотрим цилиндрический столбик воздуха площадью Sна высоте Н (рис. 2):

Рис.2.

Из условия равновесия сил, действующих на столбик, находим:

(p+dp)S+SdH=pS (1)

или

(2)

Если воспользоваться уравнением состояния

= ,                              (3)

где R – газовая постоянная, то получим вместо (2)

.                       (4)

Для решения этого уравнения необходимо знать зависимость температуры Т от высоты полета. Установлено, что среди температуры в атмосфере до высот 11 км является линейной функцией высоты вида

T=T₀-H,                      (5)

где Т₀=288 К – средняя абсолютная температура на уровне моря и t=6,5 град км^-1 – температурный градиент.

Решая уравнение (4) при учете (5), получим

p=p₀ ,        (6)

где р₀=1013,3 гПа – среднее давление на уровне моря.

Формула (6) называется стандартной барометрической. Если решить ее относительно Н, то получим гипсометрическую формулу

H= .               (4.7)

В таблице представлена сводка формул для распределения температур в соответствии со стандартной атмосферой и давлений. Выражения для давлений получены в результате решения уравнения (4) при соответствующем распределении температуры по высоте.

Н, км	T=T(H),К	p=p(H),гПа	рН	ТН	ti
0-11	T=T0-1H	p=p0	1010,8	288	0,0665
11-25	T=T11	p=p11 (8)	226,1	216,6	0

Соответственно гипсометрическая формула выглядит следующим образом:

H = H₁₁ – RT₁₁ (9)

Нередко вместо барометрической формулы пользуются приближенной формулой Лапласа, в которой температура T=f(H) заменяется средней температурой столба воздуха на высоте полета (до 11км), т.е.

T_ср= (4.10)

Подставляя значение Т в уравнение (4), получим после интегрирования барометрическую формулу Лапласа

p=p₀ (4.11)

и соответственно получим гипсометрическую формулу

H=RT_срln .                                          (4.12)

Кинематическая схема барометрического высотомера имеет следующий вид:

Рис. 3. Кинематическая схема барометрического высотомера

В качестве чувствительного элемента – анероидная коробка. В герметичный корпус прибора подводится статическое давление, под действием которого деформируется анероидная коробка.

Деформация анероидной коробки с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется в угол поворота кривошипа Ж.

Отсчет показаний прибора производится по шкале.

Статическое давление в атмосфере воспринимается приемником статического давления, вынесенным перед самолетом. Приемник статического давления для дозвуковых полетов имеет форму цилиндра с полусферической головкой. На поверхности цилиндра на некотором расстоянии от его переднего края находится отверстия, соединяющее внутреннюю полость ПВД с атмосферой. Расстояние l выбирается на основании использования приемника на аэродинамической трубе.

Рис. 4. Приемник воздушных давлений ПВД-7:

4 — трубка полного давления рп; 2 — дренажные отверстия; 3—. электрообогревательный элемент; 1 — цилиндрический корпус; 5—отверстия, служащие для приема статического давления рст; 6— камера статического давления рст; 7 — штуцер полного давления рп; 8 — штуцер статического давления рст

Для дозвуковых скоростей полета , где d – диаметр приемника. Для сверхзвуковых скоростей применяются приемники с конической поверхностью, при этом .

Рис.

Рис.5. Функциональная схема барометрического высотомера

Рис. 4.6. Кинематическая схема двухстрелочного высотомера:

1— барометрическая шкала; 2 — плоская пружина; 3, 12 — биметаллические компенсаторы; 4 — тяга; 5 — противовес; 6 — блок анероидных коробок; 7 — волосок; 8 — большое зубчатое колесо; 9 — кремальера; 10 — полая ось; 11 — трубка; 13 — малое зубчатое колесо; 14 — сектор; 15 — валик; 16 — основание

Механизм прибора смонтирован в герметичном корпусе диаметром 80 мм. Анероидные коробки, являющиеся чувствительным элементом высотомера, реагируют на статическое давление на высоте полета, подаваемое в корпус прибора. При изменении высоты полета, коробка деформируется, деформация коробок через укрепленный в верхнем жестком центре биметаллический компенсатор первого рода, тягу, биметаллический компенсатор второго рода передается на валик. При повороте валика поворачивается зубчатый сектор, который вращает трубку и большое зубчатое колесо, тепленное с малым зубчатым колесом. На оси колеса укреплена большая стрелка прибора.

Параметры анероидной коробки и передаточного механизма выбираются так, что при подъеме на высоту 1000 м большая стрелка делает один, оборот. При этом внешняя шкала прибора проградуирована в сотнях и десятках метров. Для отсчета единиц и десятков километров в высотомере имеется внутренняя шкала, возле которой движется малая стрелка. Если прибор измеряет высоту до 30 км, то при повороте малой стрелки на один оборот большая делает 30 оборотов. Для получения замедленного движения малой стрелки применен зубчатый перебор, выходное колесо вращает полую ось с укрепленной на ней малой стрелкой. Передаточное число перебора равно 1:30.

Как следует из формулы (6), показания высотомера, справедливы только при постоянном давлении p0. Поскольку, однако, давление в точке взлета отличается от p0, то возникают методические погрешности. Для устранения этих погрешностей весь механизм вместе с анероидными коробками и зубчатыми колесами, за исключением оси сателлитов перебора, укреплен на основании, которое посредством кремальеры может поворачиваться вокруг оси, совпадающей с осью стрелок. При повороте основания на некоторый угол большая стрелка поворачивается на такой же угол, а малая стрелка на угол, в 30 раз меньший. Последнее обеспечивается тем, что ось сателлитов укреплена в подшипниках, неподвижных относительно корпуса прибора.

Одновременно с поворотом основания поворачивается шкала барометрического давления, оцифровка которой видна черев вырез в боковой части шкалы прибора. При нулевом положении стрелок Прибора цифра на шкале показывает барометрическое давление. Если шкала барометрического давления поставлена на деление 1010,2 гПа (760 мм. рт. ст), то стрелки высотомера показывают абсолютную высоту аэродрома по отношению к уровню моря.

Для статического уравновешивания массы анероидных коробок применен противовес, шарнирно соединенный с валиком, Плоская пружина служит для выбора люфтов. Шкала прибора имеет цену деления 10 м.

Погрешность прибора на средних и больших высотах при нормальной температуре не превышает ±2%. На малых высотах погрешности составляют: на нулевой высоте = ±10 м, на высоте 500 м = ± 20 м.

Барометрические высотомеры имеют методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности обусловлены следующими факторами:

1.  Изменение рельефа местности,

H₁= H_M – H₀                    (4.13)

где Н_М - высота пролетаемого места над уровнем моря;

Н₀ - высота относительно уровня моря участки поверхности

”Н₁ - погрешность между истинной и относительной высотой;

Эти погрешности могут быть учтены путем нанесения поправок на географические карты.

2.    Изменение начального давления у земли после вздета

Если в момент вылета давление было p0, , а после оно стало р, то прибор будет показывать

H=RT_срln (4.14)

хотя правильное показание должно быть

H₁=RT_срln (4.15)

Отсюда погрешность измерения будет

H=H₁-H=RT_срln (4.16)

Если , то

H= RT_срln (4.17)

Устранение этой погрешности осуществляется путем введения поправки на изменение ”р0.

3.    Изменение средней температуры столба воздуха.

Если фактическая температура столба воздуха  отлична от , то

H₁ = R и  H = R                         (4.18)

Отсюда

H = (4.19)

где T = .

Эта погрешность носит мультипликативный характер, т.к. пропорциональна Н. Для компенсации этой погрешности необходимо измерить фактическую температуру воздуха на высоте полета, а сведения о температуре у земли Т0 получать по радио;

4.    Случайные вариации давления на высоте по отношению к давлению, задаваемому стандартной атмосферой (СА).

Инструментальные погрешности высотомеров складывается из погрешностей, вызванных гистерезисом, неуравновешенностью подвижных частей, трением, и температурных погрешностей. Первые два вида погрешностей сводятся до допустимых пределов конструктивными мерами.

Температурные инструментальные погрешности высотомеров возникают главным образом вследствие изменения модуля упругости анероидных коробок. Поскольку связь между давлением р и модулем упругости Е- линейна,

p= E (20)

где h – толщина мембраны;

R - радиус мембраны;

S – перемещение мембраны;

A, B - постоянные коэффициенты,

а зависимость модуля Е от температуры ˜ имеет вид

E=E₀ (1 - ) (21)

где р - температурный коэффициент модуля упругости, то

p=-p                 (22)

= -=-                      (23)

Если выразить величину ”р в единицах показания прибора, следует положить

p = _HH                   (24)

где ѕН вертикальный градиент давления, для которого имеем

_H= (25)

тогда

.  _HH =-p                                (26)

Окончательно получаем

H=R(T₀ - H)                                 (27)

Отсюда следует, что температурная погрешность высотомеров имеет две составляющие: независимую и зависимую от высоты. Первая погрешность компенсируется биметаллическим компенсатором 1 рода, а вторая – биметаллическим компенсатором 2 рода.

Задание.

1. Изучить правила техники безопасности и меры безопасности и меры безопасности при работе на установке УКАМП.

2. Изучить назначение, конструкцию, принцип действия проверяемого механического высотомера.

3. Изучить инструкцию по эксплуатации установки УКАМП.

4. Изучить конструкцию установки УКАМП и ее характерные неисправности и методы их устранения.

5. Проверить механический высотомер на установке УКАМП, согласно требований инструкции по проверке барометрического высотомерного оборудования самолетов, вертолетов 2001 года.

6. Данные учета инструментальных поправок при прямом и обратном ходе вычислить до среднего значение, разделив разность показаний на два.

Абсолютное значение поправки ΔНоср. округляем в большую сторону до величины, кратной 5 и эту величину вносим в строку учета параметров ΔНоср., соответствующей высоте эшелона.

Например: Требуется определить среднее значение поправки

Среднее значение поправки вычисляется по формуле

Н_оср=

где: ΔНпр. - поправка при прямом ходе;

ΔНобр. - поправка при обратном ходе.

Высотомер при проверке по высотам на прямом ходе(при увеличении высоты) на высоте эшелона Нэш.=6300 м показывает высоту, Нвп.=6285 м, следовательно, поправка ΔНпрю будет иметь величину:

ΔНпр.=Нэш. - Нвп.= 6300 - 6285 = +15м

Тот же высотомер при проверке на обратном ходе(при уменьшении высоты) на высоте Нэш.=6300 м показывает высоту Нвп.=6340 м, тогда

ΔН_обр.=Н_эш. - Н_вп.=6300 - 6340= -40 м

Вычисляем среднее значение поправки для высотомера на высоте Нэш.=6300 м.

- H_оср= = 12.5 м

Абсолютное значение поправки ΔНоср. округляем в большую сторону до величины, кратной 5; следовательно ΔНоср.=-15м.

7. Оформить расчет показаний высотомера с учетом суммарных поправок. В графу 1 расчета вносятся высоты эшелонирования до максимальной высоты полета для данного типа. В графу 3 вносятся осредненные ΔНоср. инструментальные поправки, взятые из журнала учета механических высотомеров в лаборатории. В графу 4 вносятся аэродинамические поправки для самолетов Гражданской авиации - крейсерские скорости и скорости ожидания.

Типы самолетов, для которых эти поправки необходимо учитывать, а также величины аэродинамических приведены в "Единой методике ввода поправок при измерении высоты на самолетах и вертолетах авиации всех министерств и ведомств".

После заполнения граф 3 и 4 поправки суммируются, сумма по абсолютной величине округляется в большую сторону и со своим знаком вносится в графу 5(величина, внесенная в графу 5, должна быть кратной 10). Затем, согласно формуле, из величины, внесенной в графу 1, вычитается величина, внесенная в графу 5, результат записывается в графу 6.

Затем оформить расчет высотомера с учетом суммарных поправок.

См. Таблицы 1, 1а, 1б.

Таблица 1

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПОКАЗАНИЙ ВЫСОТОМЕРОВ С МЕТРОВЫМИ ШКАЛАМИ НА ЭШЕЛОНАХ МВЭ-500

Высотомер типа ______________ № _______________ установлен на рабочем месте члена экипажа ________________________________________________________________

Самолет (вертолет) типа ___________________ № _________________________________

Дата проверки ________________________________________________________________

Тип приемника _______________________________________________________________

Высота эшелона Нэш м	Точки контроля Н, м	Средняя инструментальная Поправка Ни,м	Аэродинамическая поправка На,м	Суммарная Поправка Н,м	Показания высотомеров Нпр,м
1	2	3	4	5	6
900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300 6600 6900 7200 7500 7800 8100 8600 9100 9600 10100 10600 11100 11600 12100	900 - 1500 - 2100 - 2700 - 3300 - 3900 - 4500 - 5100 - 5700 - 6300 - 6900 - 7500 - 8100 8600 9100 9600 10100 10600 11100 11600 12100	10 15 15 0 0 +5 +5 +10 +10 +20 +20 +40 +40 +50 +50 +60 +60 +65 +65 +60 +60 +70 +70 +65 +65 +80 +80 +80 +80 +80 +90 +100 +100	-15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -20 -20 -20 -20 -20 -20 -20 -25 -25 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -10 -10 +5 +5 -10 -15 -10	-30 -30 -30 -20 -20 -10 -10 -10 -10 0 0 +20 +20 +30 +30 +40 +40 +50 +50 +50 +50 +60 +60 +50 +50 +70 +70 +70 +90 +90 +80 +90 +90	930 1230 1530 1820 2120 2410 2710 3010 3310 3600 3900 4180 4480 4770 5070 5360 5660 5950 6250 6550 6850 7140 7440 7750 8050 8530 9030 9530 10010 10510 11020 11510 12010

Проверку высотомера произвел _______________________(подпись, фамилия, дата)

Расчет произвел ____________________________________(подпись, фамилия, дата)

Расчет проверил ____________________________________(подпись, фамилия, дата)

Таблица 1а