Датчики истинной воздушной скорости.

Они служат для получения сигналов в виде напряжения, пропорционального истинной воздушной скорости. Такие сигналы необходимы для работы многих автоматических и полуавтоматических систем. К ним следует отнести навигационные индикаторы, навигационные вычислители, системы управления и др.

Приборы для измерения вертикальной скорости

Для измерения вертикальной скорости самолета наиболее широкое применение получили вариометры. Принцип действия вариометра основан на пневмомеханическом дифференцировании статического давления, изменяющегося в зависимости от высоты полета самолета.

Спуск

В качестве чувствительного элемента используется манометрическая коробка внут­ренняя полость которой сообщается непосредственно с магистралью статического давления через капилляр 5.

Если самолет летит горизонтально, то статическое атмосферное давление р внутри манометрической коробки 7 и давление p₁ внутри корпуса прибора будут одинаковы и, следовательно, разность между ними равна нулю.

В зависимости от высоты полета изменяется статическое давление р. Внутри манометрической коробки это давление устанавливается практически мгновенно, а в корпусе прибора, вследствие сопротивления капилляра, давление р₁ отличается от статического. Чем больше вертикальная скорость полета самолета, тем больше разность давлений Δр = р - р₁. Под действием этой разности давлений манометрическая коробка деформируется. Деформация коробки через тягу 6, зубчатый сектор 4 и трибку 3 передается на стрелку 2, которая отклоняется от среднего положения вверх при наборе высоты, вниз — при снижении. По шкале 1 определяют величину вертикальной скорости.

Курсовые приборы и системы

Курс самолета является одним из важнейших навигационных параметров. Он измеряется в плоскости земли по часовой стрелке от заранее определенной линии отсчета к проекции продольной оси самолета. На практике в качестве линий отсчета исполь­зуются направления географического или магнитного меридиа­нов и ортодромии.

Локсодромия

Ортодромия

Если курс самолета измеряется относительно географического мери­диана, он называется истинным (ИК). Поскольку географический и маг­нитный полюсы, а следовательно, и их меридианы не совпадают, маг­нитный курс (МК) отличается от ис­тинного на величины углов ΔM маг­нитного склонения.

При полетах по локсодро­мии — все земные меридианы пересекаются под одним и тем же углом ψ, что используется для прокладки маршрута при пролетах по магнитному компасу.

Ортодромия, представля­ющая собой линию кратчайшего расстояния между двумя точками на поверхности Земного шара, используется при выборе маршрута полета на большие расстояния, что позволяет значительно сокра­тить расход горючего в полете.

Курс самолета измеряется приборами и системами, принцип действия которых основан на разнообразных физических и астро­номических закономерностях.

В зависимости от принципа, положенного в основу работы датчиков, курсовые приборы и системы подразделяются на магнитные, индукционные, астрономические и радиотехнические.

Магнитные компасы.

Магнитным компасом называется устройством помощью которого определяется направление магнитного меридиана.

Магнитный компас, можно считать одним из первых навигационных приборов, применявшихся человеком. Имеются сведения, что еще за 2,5 тысячи лет до н. э.

Китайцам было известно свойство свободно подвешенного магнита указывать на Север.

Задачи, которые приходится решать экипажам воздуш­ных судов, подразделяются на две группы:

1) обеспечение стабилизации воздушного судна относительно центра масс — пилотирование;

2) вождение воздушного судна по заданной траектории из одной точки пространства в другую — навигация.

Величины, характеризующие пространственное место воздушного судна и вектор его скорости в данный момент, называются навигационными элементами полета.

Курс воздушного судна — один из навигационных элементов полета. Под курсом воздушного судна в воздушной навигации понимают угол между положительным направлением меридиана и продольной осью воздушного судна, отсчитываемый по часовой стрелке.

В воздушной навигации курсы различают:

1.Магнитный курс (МК) - угол между северным направлением земного магнитного меридиана и продольной осью воздушного судна.

2.Истинный курс (ИК) - угол между направлением географического меридиана и продольной осью воздушного судна.

3.Условный курс - угол между направлением условного меридиана, т. е. любого заданного заранее направления на земной поверхности, и продольной осью воздушного судна.

Принцип действия магнитных компасов основан на свойстве свободно подвешенного магнита устанавливаться своей осью вдоль вектора результирующего магнитного поля Земли, т. е. вдоль магнитного меридиана. И тогда измеренный курс носит наименование магнитного (МК).

Однако на установленный в самолете компас, помимо магнитного поля Земли оказывает воздействие собственное магнитное поле самолета, возникающее в связи с наличием ферромагнитных материалов в его конструкции и магнитных полей при работе установленного оборудования. Под воздействием этих полей ось магнитной стрелки устанавливается вдоль их результирующего вектора, который называется компасным меридианом. Отсчитываемый в этом случае курс называется компасным (КК), а несовпадение магнитного и компасного меридиана определяется углом магнитной девиации Δ_К.

В полете экипаж по показаниям компаса определяет компас­ный курс КК, а затем по величинам магнитного склонения Δ_М и девиации Δ_К вычисляет истинный курс.

Кинематическая схема магнитного компаса:

1—девиационный прибор; 2—корпус;

3—картушка; 4—индекс; 5—поплавок;

6—магниты; 7—подпятник.

В настоящее время наиболее широко применяется магнитный компас типа КИ-13.

Магнитные компасы являются не основными навигационными приборами, они используются в авиации в качестве резервных курсовых приборов.

Современный магнитный компас — это устройство, не требую­щее никакого электрического питания, имеет весьма небольшие размеры, масса не превышает 200 г.

Компасный курс отсчитывается по картушке против индекса.

Компасный курс с поправкой на девиацию является магнитным, а с поправкой на магнитное склонение истинным курсом.

Индукционные дистанционные компасы. Применяемые на совре­менных самолетах дистанционные компасы чаще всего имеют электрические индукционные элементы, которые в виде датчика устанавливаются в тех местах, где собственное магнитное поле самолета минимально. Обычно для этого используется хвостовая часть фюзеляжа, крыло или стабилизатор.

Схема индук­ционного датчика ИД:

а — магнитный зонд; б — датчик

Чувствительным элементом индукционного датчика служит магнитный зонд. Он представляет собой два соосных пермаллоевых сердечника, на каждый из которых намотаны намагничивающие обмотки w₁, а на весь зонд — сигнальная об­мотка w₂.

При подключении намагничивающих обмоток к источнику переменного тока U₁ изменяется магнитная проницаемость сердечников. Поскольку эти обмотки навиты встречно, возникающие магнитные потоки Ф₁ противоположны и равны по абсолютной величине. Поэтому суммарный магнитный поток Ф₂ в каждый момент времени равен нулю, и ЭДС в сигнальной обмотке отсутствует.

Однако в результате того, что зонд находится в магнитное поле Земли с напряженностью горизонтальной составляющей Н₃ в сердечниках возникает магнитный поток

Ф₂ = μSHзСОSΨ

Где μ, S — магнитная проницаемость и площадь сечения сердеч­ников; Ψ — угол между вектором Н₃ и осью зонда.

Под действием этого потока в сигнальной обмотке станет индуцироваться переменная ЭДС. Если ось зонда совпадает с маг­нитным меридианом, ее значение будет максимальным; если же ось перпендикулярна к меридиану—ЭДС равна нулю. Таким об­разом, представляется возможность измерения магнитного курса.

Для того чтобы исключить влияние величины Н₃ на значение измеряемого курса при полетах в разных широтах, в индукцион­ных датчиках типа ИД три зонда. Они монтируются на пластмассовой платформе в виде равносто­роннего треугольника. Эта платформа подвешена на кардановом подвесе, который обеспечивает ее горизонтальное положение при кренах до 17°. Сигнальные обмотки соединены треугольником. Выводы с них подсоединены к клеммам штепсельного разъема.

Индукционные датчики чаще всего применяются не как са­мостоятельные курсовые приборы, а как элементы в системах кор­рекции современных курсовых систем типа ГМК, КС и др.

Понятие компасных направлений справедливо не только для компасов магнитно-индукционной группы, но и для компасов других типов — гироско­пических и астрономических. И в этих случаях связь ИК и КК определяется формулой, но только природа по­правки компаса ΔК здесь иная. Для этих компасов ΔК представляет сумму остаточных (не скомпепсированных) и накопившихся инструментальных и ме­тодических погрешностей, взятых с об­ратным знаком. Поправка компаса во всех случаях определяется как раз­ность ИК и КК, т. е. ΔК = ИК - КК.

Понятие о гироскопе

Всем известны замечательные свойства быстро вращающегося волчка.

Неподвижный волчок под действием собственной силы веса неизменно падает на бок. Быстро вращающийся волчок спокойно балансирует на кончике своей оси. Устойчивость, сообщаемая волчку бы­стрым вращением, уже давно привлекла внимание исследователей.

Первым серьезным использованием замечательных свойств волчка был опыт, поставленный физиком Л. Фуко в 1852г. Л.Фуко демонстрировал построенный, им прибор «гироскоп», основной частью которого был быстро вращающийся ротор (маховик).

Прибор Фуко впервые позволил обнаружить суточное вращение Земли непосредственным лабораторным наблюдением. Термин «ги­гроскоп» получен от греческих слов «гирос»— вращение и «скопео» — наблюдаю.

При поворотах оси вращения ротора гироскопа в пространстве возникает гироскопический момент.

Быстро вращающимся симметричным гироскопом называют вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью тело вращения (ротор). Ось z симметрии ротора 1 называют осью фигуры или осью ротора гироскопа.

В большинстве гироскопических приборов для обеспечения сво­боды вращения ротора гироскопа вокруг неподвижной точки О при­меняют карданов подвес, который состоит из двух рамок 2 и 3.

Карданов подвес обеспечивает ротору гироскопа свободу вра­щения относительно трех осей (z, x и у₁). Поэтому гироскоп, уста­новленный в кардановом подвесе, называют гироскопом с тремя степенями свободы. Если центр масс гироскопа совпадает с точкой пересечения осей карданова подвеса, то такой гироскоп называется астатическим.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ГИРОСКОПОВ

Приборы и системы, основной частью которых служит гироскоп, называют гироскопическими приборами и системами.

Гироскопические системы применяются в различных областях техники: в авиации, в морском флоте для целей навигации и авто­матического управления; в артиллерии и на танках для определе­ния курса, для стабилизации орудий и прицелов на выбранном на­правлении; в горнорудной и нефтяной промышленности, для про­кладки шахт, при бурении скважин и др.

С помощью гироскопических систем определяют направление меридиана и истинной вертикали, измеряют угловые скорости и ус­корения, а также линейную скорость движения различных объектов и координаты места их расположения.

Гироскопические приборы и системы по принципу действия де­лят на следующие основные группы: гироскопы с двумя и тремя степенями свободы, курсовые гироскопические системы, гироскопические стабилизаторы, гироскопические датчики направления истинной вертикали и инерциальные системы.

Гироскоп в кардановом подвесе:

1-ротор гироскопа; 2-внутренняя рамка карданова подвеса;

3-наружная рамка карданова подвеса; 4-подставка.

Кориолисово ускорение

Предположим, что имеется плоскость, которая может поворачиваться вокруг некоторой точки О с угловой скоростью ω (рис. а). На этой плоскости пусть находится точка А, кото­рая перемещается по радиусу с постоянной скоростью V₁. Очевид­но, точка А будет одновременно участвовать в двух движениях: переносном с угловой скоростью ω и относительном со ско­ростью V₁.

t = t₁ а) t = t₂ б) в)

В момент времени t = t₁ точка А находится в точке А₁ отстоя­щей от центра вращения платформы на величину г₁. Через некото­рый малый промежуток времени Δt точка А окажется в положении А₂ (рис. б), куда она попадает в результате перемещения по плоскости на расстояние, равное V₁ Δt, и повернется вместе с плос­костью на угол, равный ωΔt. Если в момент времени t = t₁ пере­носная скорость точки А была равна ωг₁, то при t = t₁+ Δt = t₂ она уже будет равна ωг₂, где г₂ — расстояние точки А от точки О при t =t ₂.

Совершенно очевидно, что ωг₁< ωг₂, т. е. произошло изменение переносной скорости за счет относительной, следовательно, в этом случае было ускорение.

Таким образом, полное ускорение, которое возникает при участии какой-либо массы одновременно в двух движениях — относитель­ном и переносном — выражается, как

a_K = a₁ + a₂ = 2Vω

и называется поворотным или кориолисовым ускорением.

Направление действия кориолисового ускорения определяется поворотом вектора относительной скорости на 90° в сторону переносного вращения.

Гироскопический момент

Представим себе ротор гироскопа, вращающийся с большой угловой скоростью Ω_Z вокруг оси Z.

Величину J_Z Ω = Н в технике иногда называют кинетическим моментом гироскопа, а в прикладной теории гироскопов — собственным кинетическим мо­ментом.

При вращении твердого тела, обладающего моментом инерции J, вокруг какой-либо оси с угловой скоростью Ω произведение JΩ называют моментом количества движения тела. В частности, со­бственный кинетический момент гироскопа, равный J_ZΩ_Z, представ­ляет собой момент количества движения ротора.

Тогда имеем М^г_у = Н Ωe

Этот инерционный момент называется гироскопическим.

Гироскопический момент всегда направлен так, что стремится совместить вектор угловой скорости Ω_Z собственного вращения ро­тора гироскопа с вектором угловой скорости Ωe переносного его вращения. Это правило справедливо для любого направления угло­вой скорости Ω_Z собственного вращения ротора гироскопа и направ­ления вектора переносного вращения Ωe.

Формула выведена для частного случая, когда Ωz ┴ Ωe или Н ┴ Ωe.

Величина гироскопичеокого момента М^г_у равна произведению собственного кинетического момента Н ротора и переносной угло­вой скорости Ωe вращения вектора Н.

Направление гироскопического момента М^г_у таково, что он стре­мится совместить по кратчайшему пути вектор Н собственного ки­нетического момента гироскопа с вектором Ωe угловой скорости переносного вращения.

С проявлениями гироскопичеокого момента часто приходится встречаться в технике. Действие гироскопичеокого момента винта на самолет летчику приходится компенсировать с помощью органов управления. Гироскопические моменты, возникающие при враще­нии вала турбины реактивного двигателя во время виража само­лета, дополнительно нагружают подшипники вала турбины и так­же требуют дополнительного отклонения органов управления.

Действие таких гироскопических приборов, как датчиков угло­
вой скорости, основано на измерении гироскопического момента,
возникающего при угловых поворотах вектора Н собственного кине­
тического момента быстровращающегося ротора.