Сарайский Ю.Н., Алешков И.И. Аэронавигация
Подождите немного. Документ загружается.
241
расширяется и поворачивает узкую стрелку на дополнительный угол по
сравнению с широкой. Тем самым учитывается изменение высоты полета,
при увеличении которой истинная скорость растет. Показания узкой стрелки
принято обозначать V
пр.КУС
.
Можно считать, что шкала узкой стрелки отградуирована по той же
формуле (7.5), но значения входящих в нее давления и температуры уже
другие. Статическое давление P
H
используется фактическое на высоте
полета. Оно как бы и измеряется анероидной коробкой.
Но температуру данный прибор не измеряет. В качестве температуры
при градуировке используется температура на данной высоте в условиях
стандартной атмосферы, то есть T
H.СА
. То есть, похоже на то, как это
сделано в обычном барометрическом высотомере.
Рис. 7.5. Кинематическая схема комбинированного указателя скорости
Таким образом, в идеальном КУС 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. 7.6. Комбинированный указатель скорости КУС-730/1100
242
Показания же узкой стрелки не совпадают с истинной скоростью
потому, что фактическая температура на высоте не совпадает со стандартной
температурой на этой высоте. Ранее отмечалось, что на больших высотах
температура редко существенно отличается от стандартной. Поэтому и
показания узкой стрелки очень близки к истинной скорости. Если в полете
пилоту срочно потребовалась истинная скорость, ее приближенное значение
можно отсчитать по узкой стрелке. Для получения более точного результата
необходимо произвести расчет, порядок которого будет рассмотрен ниже.
7.4. Погрешности указателей скорости
Указатель воздушной скорости, как и любой прибор, имеет
погрешности.
Инструментальные погрешности ΔV
и
возникают из-за несовершенства
конструкции прибора и неточности его регулировки. Причинами
инструментальных ошибок являются неточность изготовления механизмов
указателя, износ деталей, потеря упругих свойств анероидной коробки,
люфты и т. д. Они определяются при лабораторной проверке путем сличения
показаний указателя скорости с показаниями точно выверенного прибора,
заносятся в график или таблицу и учитываются при расчете скорости.
Каждый экземпляр прибора имеет свои значения инструментальных
погрешностей.
Аэродинамические погрешности ΔV
a
возникают из-за искажения
воздушного потока в месте установки приемника воздушного давления.
Характер и величина этих погрешностей зависят от типа воздушного судна,
места установки приемника воздушного давления, скорости и высоты
полета, конфигурации ВС. На скоростных самолетах они могут достигать до
нескольких десятков километров в час.
Аэродинамические погрешности одинаковы для всех ВС данного типа.
Они определяются при проведении летных испытаний, публикуются в
Руководстве по летной эксплуатации ВС и заносятся в специальный график
или таблицу поправок. На некоторых типах воздушных судов для упрощения
учета поправок указателя скорости составляются таблицы суммарных
поправок ΔV
Σ
, учитывающие как инструментальные, так и
аэродинамические погрешности.
В общем случае указатель скорости имеет два вида методических
погрешностей, то есть погрешностей, вызванных самим методом измерения,
несоответствием условий, принятых при расчете шкал приборов,
фактическому состоянию атмосферы. Это погрешность за счет изменения
сжимаемости воздуха и методическая температурная погрешность.
Погрешность из-за изменения сжимаемости вызвана тем, что при
полете на скоростях более 350…400 км/ч воздух перед ПВД сжимается и его
243
плотность увеличивается. Это вызывает увеличение скоростного напора и,
следовательно, завышение показаний указателя скорости.
Эти погрешности не могут быть учтены заранее при тарировке шкалы
однострелочного указателя скорости, так как сжимаемость воздуха зависит
не только от скорости полета, но и от плотности воздуха. Но однострелочные
указатели рассчитаны на небольшие скорости и высоты полета, на которых
данная погрешность не превышает единиц километров в час, то есть меньше
цены деления на шкалу указателя. Поэтому для однострелочных указателей
погрешность из-за изменения сжимаемости несущественна и на практике не
учитывается.
В комбинированных указателях скорости показания широкой стрелки
отградуированы по формуле (7.5), которая выведена уже с учетом
сжимаемости воздуха. Но все равно она оказывается учтенной не полностью.
Поскольку при градуировке в формулу подставлены P
0
и T
0
, получается, что
сжимаемость учитывается правильно только при полетах в условиях
стандартной атмосферы у земли. С увеличением же высоты на самом деле
сжимаемость изменяется, вследствие чего и возникает погрешность. Поэтому
данный вид погрешности и называется правильно «из-за изменения»
сжимаемости.
На больших высотах и больших скоростях погрешность из-за
изменения сжимаемости может быть весьма значительной и поэтому ее
необходимо учитывать при расчете скоростей. На рис.7.7 показан график
зависимости поправки на изменение сжимаемости от высоты и скорости
полета.
244
Рис. 7.7. Поправка на изменение сжимаемости воздуха
Из-за неучета сжимаемости указатель скорости всегда показывает
скорость больше фактической. Это означает, что поправка на изменение
сжимаемости всегда отрицательна.
На практике для учета этой поправки используется таблица (табл.7.1).
Поскольку погрешность является методической, то данная таблица является
единой для всех типов ВС и указателей скорости. При ее использовании
необходимо помнить, что все значения поправок в таблице на самом деле
являются отрицательными. Просто знак «минус» для экономии места в
таблице не указан.
Таблица 7.1
Поправки к указателю скорости на изменение сжимаемости воздуха
(ΔV
СЖ
, км/ч)
Скорость по прибору V, км/ч Высота полета,
м
300 400 500 600 700 800
2 000 1 2 3 4 7 9
4 000 2 4 6 10 16 23
6000 3 6 11 18 27 39
245
8 000 4 9 17 28 41 53
10 000 6 13 24 40 56 80
12 000 9 19 34 56 78 98
14 000 12 26 48 73 97 118
При формировании показаний
узкой стрелки КУС статическое
давление измеряется с помощью анероидной коробки, что позволяет при
градуировке прибора учесть и изменение сжимаемости с высотой. Поэтому
при расчете истинной скорости по показаниям узкой стрелки поправку на
изменение сжимаемости не учитывают
.
Методическая погрешность из-за изменения плотности воздуха
возникает в результате несоответствия условий, принятых при расчете шкал
приборов, фактическому состоянию атмосферы.
Измеряемый указателем скорости скоростной напор
q является
функцией плотности воздуха ρ
Н
и истинной воздушной скорости полета V.
Следовательно, прибор будет давать точные показания только при том
значении плотности воздуха, на которое он рассчитан, которое использовано
при его градуировке.
Поскольку узкая и широкая стрелки КУС отградуированы по-разному,
то есть для разных расчетных значений плотности, то и методическая
погрешность в их показаниях будет
различной. Рассмотрим их отдельно.
Плотность воздуха полностью определяется температурой и
давлением. При формировании показаний
узкой стрелки КУС анероидной
коробкой измеряется
фактическое атмосферное давление, поэтому из-за него
погрешности возникать не будет. Фактическая же температура на высоте в
КУС не измеряется, вместо нее при градуировке используется стандартная
температура на высоте. Следовательно, методическая погрешность в
показаниях узкой стрелки возникает из-за отличия
фактической
температуры на высотеT
H.ф
от температуры на этой высоте в
стандартной атмосфере T
H.СА
. Поэтому данную погрешность еще называют
температурной погрешностью.
Можно показать, что по показаниям узкой стрелки истинную
воздушную скорость V
и
можно рассчитать по формуле:
.
T
T
VV
СА.H
ф.H
КУС.при
=
(7.6)
В данной формуле под V
пр.КУС
понимаются показания узкой стрелки с
уже учтенными инструментальными и аэродинамическими поправками, то
есть в предположении, что они равны нулю.
Из данной формулы можно видеть, что при одном и том же показании
узкой стрелки V
пр.КУС
, чем выше фактическая температуры, тем больше
истинная скорость. То есть, при повышенных температурах прибор занижает
показания, показывает скорость меньше правильной, и наоборот.
246
Разность между V
и
и V
пр.КУС
и является методической температурной
поправкой. На практике значение самой этой поправки (разности скоростей)
обычно не рассчитывается, а просто по V
пр.КУС
сразу рассчитывают
истинную скорость, то есть уже с учетом методической поправки. Расчет
может быть произведен на НЛ-10М или по формуле (7.6).
Рассмотрим теперь методическую температурную погрешность,
возникающую в показаниях
широкой стрелки КУС или однострелочного
указателя. Их градуировка выполнена для плотности воздуха
ρ
0
=1,225 кг/м
3
,
соответствующей условиям
на уровне моря в стандартной атмосфере
(
P
0
=760 мм рт.ст., T
0
=288 K). Поэтому методическая погрешность возникает
при любом отклонении от этих условий – не только по температуре, но и по
давлению. Она наиболее велика на больших высотах полета, когда
фактическое давление в несколько раз меньше
P
0
. Но и на уровне моря
температура редко бывает равна стандартной +15°С (288 К), что также
вызывает погрешность.
Учесть методическую поправку по показаниям широкой можно с
помощью следующего соотношения:
,VV
H
0
инди
ρ
ρ
= (7.7)
где
ρ
H
– фактическая плотность воздуха на уровне полета,
V
инд
– так называемая индикаторная скорость, полученная путем
прибавления к приборной скорости V
пр
инструментальной,
аэродинамической поправок и поправки на изменение сжимаемости.
Учитывая, что плотность воздуха можно выразить через температуру и
давление с помощью формулы
,
gRT
P
=
ρ
то можно также записать формулу (7.7) и в таком виде:
.
TP
TP
VV
0H
H0
инди
= (7.8)
247
7.5. Классификация скоростей
Таким образом, в полете пилот может отсчитать показания широкой
стрелки V
пр
и путем ввода поправок, каждая из которых соответствует
погрешности определенного вида, рассчитать истинную скорость V
и
, которая
и нужна для решения навигационных задач. В процессе этого расчета по мере
последовательного прибавления поправок будут образовываться
«промежуточные» между V
пр
и V
и
скорости, почти каждая из которых имеет
свое название, в том числе международное, на английском языке.
Рассмотрим их подробнее.
Непосредственно на шкале прибора пилот отсчитывает приборную
скорость V
пр
, которая по-английски называется Indicated Air Speed (IAS). Если
на самолете установлено несколько указателей скорости, то на каждом из них
будет свое значение приборной скорости, поскольку инструментальные
погрешности индивидуальны для каждого экземпляра прибора.
После ввода в IAS инструментальной и аэродинамической поправок
полученная скорость будет называться индикаторной земной скоростью
V
инд.зем
или Calibrated Air Speed (CAS). В некоторых странах эта же скорость
называется Rectified Air Speed (RAS), что дословно означает «исправленная
воздушная скорость». 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. Именно 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).
Если в индикаторную скорость внести поправку на изменение
сжимаемости, то получится индикаторная скорость V
инд
или Equivalent Air
Speed (EAS). В этой скорости учтено, что сжимаемость воздуха на высоте
уже другая, отличается от сжимаемости у земли.
И, наконец, если в индикаторную скорость внести методическую
поправку на изменение плотности воздуха, то и получится истинная
воздушная скорость V
и
или True Air Speed (TAS).
Последовательность перечисленных скоростей и связывающих их
поправок можно представить схемой на рис. 7.8.
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.
248
Рис. 7.8. Мнемоническая схема для преобразования скоростей
7.6. Измерение температуры наружного воздуха
При расчете скорости необходимо иметь значение температуры
наружного воздуха на высоте полета. Для этих целей на борту воздушного
судна устанавливаются электрические термометры типа ТНВ-15 и ТУЭ-48
(рис.7.9).
Термометр наружного воздуха является дистанционным прибором,
принцип действия которого основан на использовании свойств металлов
менять свое электрическое
сопротивление при изменении температуры. При
увеличении температуры проводника его электрическое сопротивление
возрастает, а при снижении – уменьшается. Поэтому, измерив электрическое
сопротивление проводника, мы можем получить температуру окружающей
среды, если проградуируем шкалу указателя в градусах.
Рис. 7.9. Термометры наружного воздуха ТУЭ-48 и ТНВ-15с датчиками
температуры
Датчик температуры, расположенный за бортом ВС, обеспечивает
измерение температуры наружного воздуха в диапазоне от - 60˚ до + 150˚ С
при скоростях полета до 1800 км/ч. На указателе, устанавливаемом на одной
249
из панелей приборной доски, индицируется приборная температура t
пр
,
которая может значительно отличаться от фактической температуры
t
Н
на
высоте полета, особенно для скоростных воздушных судов. Это связано с
тем, что теплочувствительный элемент датчика воспринимает не истинную
температуру воздушного потока, а
температуру торможения. Перед
чувствительным элементом термометра скорость потока воздуха
относительно самолета уменьшается до нуля. Кинетическая энергия воздуха
переходит во внутреннюю, тепловую энергию и воздух нагревается. Поэтому
в полете
термометр всегда показывает температуру больше фактической.
Например, если термометр показывает t
пр
=-30°, то, возможно,
фактическая температура за бортом
t
Н
=-40°. Температура -30° больше
(теплее) чем -40°, поскольку числа отрицательные
Для скоростей не более 400 км/ч разность
(t
пр
- t
Н
) не превышает 2…3˚,
что не имеет существенного значения, но при больших скоростях она может
быть значительна.
Фактическая температура наружного воздуха определяется по формуле
t
Н
= t
пр
- Δt.
Поправка к показаниям термометра является функцией
истинной
воздушной скорости
Δt = f(V
и
), поскольку именно от нее зависит
кинетическая энергия газа. Величина поправки к показаниям термометра
определяется по специальным таблицам (табл. 7.2) или функциональным
шкалам. Одна из таких шкал (для термометра ТУЭ-48) нанесена на НЛ-10М
на обратной стороне движка.
Таблица 7.2
Поправки к термометрам наружного воздуха
V
и
, км/ч 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
ТУЭ-48 1° 2° 4° 7° 10° 13° 17° 21° 26°
ТНВ-15 0° 1° 2° 4° 9° 13° 19° 25° 33°
Из табл. 7.2 можно видеть, что для скоростей, характерных для
гражданских ВС, поправки для двух данных видов термометров различаются
не более, чем на 3-4°. Это меньше половины цены деления термометра.
Учитывая, что термометры могут иметь и инструментальные погрешности,
которые никак не учитываются, можно сделать вывод, что на практике
для
определения поправки термометра можно пользоваться любой шкалой
поправок
. Это не окажет существенного влияния на точность определения
истинной скорости.
250
7.7. Расчет воздушных скоростей
Определение поправок к указателям скорости. Расчет истинной
воздушной скорости по показаниям стрелок указателей скорости
в общем
случае
заключается в учете всех рассмотренных видов поправок:
- инструментальной,
- аэродинамической,
- поправки на изменение сжимаемости,
- поправки на изменение плотности воздуха.
Все поправки учитываются в соответствии с общим правилам учета
поправок в навигации: если от приборных значений переходим к истинным,
то поправки прибавляются с учетов своих знаков, а если переходим от
истинных значений к приборным, то вычитаются.
В частных случаях некоторые из вышеперечисленных поправок на
практике могут не учитываться. Либо потому, что они учтены в самой
конструкции прибора, либо потому что они малы по величине и
пренебрежение ими не скажется на точности результата расчета.
Инструментальные и аэродинамические поправки учитываются с
помощью бортовых
таблиц, составленных для каждого экземпляра указателя
скорости.
Поправка на изменение сжимаемости воздуха может быть определена с
помощью табл. 7.1 в зависимости от высоты полета и приборной скорости.
При расчете истинной скорости поправка на изменение плотности
воздуха
ΔV
м
учитывается в последнюю очередь. После внесения в приборную
скорость инструментальной, аэродинамической поправок и поправки на
изменение сжимаемости будет получена индикаторная скорость
V
инд
. В
отечественных учебниках ее называют приборной исправленной скоростью
V
пр.испр
.
Поправка ΔV
м
обычно учитывается с помощью НЛ-10М. Для ее
определения необходимо знать барометрическую высоту полета и
фактическую температуру на высоте. Ключ для расчета показан на рис. 7.10.
Рис. 7.10. Учет методической поправки на изменение плотности воздуха
Необходимо обратить внимание, что в данном ключе температура
устанавливается на той части шкалы температур, над которой имеется
надпись «для скорости». При расчете по широкой стрелке высота
устанавливается на шкале 12 (нанесена черным цветом), а при расчете по
узкой стрелке – по шкале 13 (красного цвета).