СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01C21/00 G01C5/00 

Изобретение относится к авиационному приборостроению и может быть использовано для определения высоты полета летательного аппарата.

Известен способ определения высоты полета летательного аппарата, основанный на измерении разности потенциалов электростатического поля Земли и определении высоты полета летательного аппарата по результату измерения [1].

Недостатком этого аналога является малая точность определения высоты полета, обусловленная зависимостью результата измерения от состояния подстилающей поверхности, особенно при полетах на малых высотах.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является выбранный в качестве прототипа способ определения высоты полета летательного аппарата, включающий измерение градиента потенциала электростатического поля Земли в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности, запоминание его значения, измерение текущего градиента электростатического поля Земли и определение высоты полета летательного аппарат по результатам измерений [2].

Способ осуществляют устройством для определения высоты полета летательного аппарата, содержащим два электростатических датчика, расположенных на летательном аппарате на фиксированном расстоянии и соединенных с входами первого дифференциального усилителя, второй и третий дифференциальные усилители задатчик, контакт отрыва, ключ, запоминающее устройство, умножитель и делитель, при этом выход первого дифференциального усилителя соединен с входом ключа и инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, контакт отрыва соединен с управляющим входом ключа, выход которого через запоминающее устройство соединен с неинвертирующими входами второго и третьего дифференциальных усилителей и входом задатчика, первый выход которого соединен с вторым входом умножителя, а второй - с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя, выход второго дифференциального усилителя соединен с первым входом умножителя, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом третьего дифференциального усилителя, а электростатические датчики установлены вдоль вертикальной оси летательного аппарата.

Недостатками прототипа являются низкая точность и узкий диапазон измерений.

Указанные недостатки обусловлены тем, что в качестве параметра атмосферы Земли измеряют градиент потенциала электростатического поля Земли, что в реальных условиях эксплуатации не обеспечивает достаточной точности определения высоты полета летательного аппарата ввиду того, что в прототипе расчеты высоты производятся при нормальных метеоусловиях (отсутствие осадков, грозы, загрязнения атмосферы и т.п., влияющее на электростатические свойства атмосферы), и отклонение метеоусловий от нормальных, что и имеет место в реальных условиях эксплуатации, приводит к появлению дополнительных погрешностей, суммарная величина которых может оказаться значительно выше допустимой.

Кроме того, предложенная в прототипе формула для вычисления высоты обеспечивает допустимую точность измерений только в узком диапазоне изменения высоты полета (от 5 до 50 м), что не позволяет применять способ, предложенный в прототипе, для измерения высот в широких пределах.

Задача изобретения - повышение точности и расширение диапазона определения высоты полета летательного аппарата.

Указанный технический результат достигается тем, что для определения высоты полета летательного аппарата измеряют параметры атмосферы Земли в двух точках, расположенных по вертикали на фиксированном расстоянии друг от друга, в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности запоминают эти значения, измеряют текущие параметры и вычисляют высоту полета летательного аппарата по результатам измерений, при этом в качестве измеряемых параметров используют интенсивности проникающих ионизирующих излучений, а высоту полета летательного аппарата определяют по формуле:
,
где
I₁, I₂ - значения текущих интенсивностей, проникающих ионизирующих излучений,
a, b - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются начальными значениями интенсивностей и диапазоном измерения.

Устройство для определения высоты полета летательного аппарата содержит два датчика, расположенных на летательном аппарате на фиксированном расстоянии вдоль вертикальной оси летательного аппарата, делитель, контакт отрыва, ключ, запоминающее устройство, задатчик, первый и второй умножители, первый и второй логарифматоры и вычитатель, причем выход контакта отрыва соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с входом запоминающего устройства, выход задатчика соединен с первым входом первого умножителя, выход первого датчика соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом второго датчика, выход делителя соединен с входом первого логарифматора, выход которого соединен с входом второго логарифматора, выход которого соединен с информационным входом ключа и вторым входом умножителя, первый вход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, выход первого умножителя соединен с вторым входом вычитателя, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя, выход вычитателя является выходом устройства, а датчики выполнены в виде детекторов ионизирующих излучений.

Использование в качестве измеряемых параметров интенсивностей проникающих ионизирующих излучений позволяет повысить точность определения высоты полета в реальных условиях эксплуатации ввиду слабой зависимости измеряемых параметров от изменений метеоусловий: так, суточные колебания интенсивности нейтронного излучения, измерение которого производится устройством, реализующим предлагаемый способ, обычно оцениваются в десятые доли процента (Горшков Г.В. и др. Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры, М.: Атомиздат, 1966, с. 118).

Кроме того, вычисления высоты полета по предлагаемой формуле позволяет определять высоту полета в широких пределах без уменьшения точности. Для осуществления способа используют измерение интенсивности медленных нейтронов, образующихся в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой Земли.

Для осуществления реализации устройства для определения высоты полета летательного аппарата можно использовать широко распространенные однокристальные микроЭВМ серии КМ1816ВЕ48, микросхемы серии К561, К564, К1561 (Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы, Справочник, М.:: Радио и связь, 1990).

Для осуществления измерения счета медленных нейтронов можно использовать широко распространенные счетчики медленных нейтронов СНМ-17 (Счетчик СНМ-17. Технические условия ОДО 339.071 ТУ).

Выбор граничных значений параметров (предельная высота, определяемая предлагаемым способом, равна 16000 м) обусловлен тем, что на указанной высоте предлагаемая формула расчета высоты имеет точку перегиба и монотонный характер зависимости измеряемых интенсивностей ионизирующего излучения от высоты нарушается, т.е. появляется область неоднозначности.

Известно, что зависимость изменения интенсивности ионизирующего излучения, в частности, нейтронного излучения, при распространении в среде на расстояние X от исходной точки происходит по экспоненциальному закону:
I = I_x=0exp(-K•ρ•x), (I),
где
ρ - плотность вещества среды;
- коэффициент пропорциональности;
N_А = 6,022 • 10²³ моль^-1 - число Авогадро;
A - атомная масса вещества;
- микроскопическое полное сечение взаимодействия;
I_x=0 - значение интенсивности в исходной точке;
I значение интенсивности после прохождения слоя вещества толщиной x; (Гусев Н. Г. и др. Физические основы защиты от излучений, М.: Атомиздат, т. I, 1980, с. 40).

Указанная зависимость (1) имеет место и для нейтронного излучения, образовавшегося в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой Земли (Горшков Г.В. и др. Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры, М.: Атомиздат, 1966, с. 94). Таким образом, в двух точках атмосферы Земли, отстоящих друг от друга по вертикали на расстоянии l₀, интенсивности нейтронного излучения будут равны:
,
причем
x₁ = x₂ + l₀.

Как известно, плотность атмосферы с возрастанием высоты падает, изменяясь по экспоненциальному закону:
ρ(z) = ρ₀•exp(-λ•z), (4),
где
параметр λ слабо зависит от высоты атмосферы и может быть положен λ^-1 = 8000 м ( /D/, Жемерев А.В., Степанов Б.М. "Полегамма-излучения от источника нейтронов в воздухе", М., Энергоатомиздат, 1987, с. 109). Следовательно, для указанных точек атмосферы имеем:
ρ₁= ρ₀•exp(-λ•z₁) и ρ₂= ρ₀•exp(-λz₂),,
причем
Z₂ = Z₁ + l₀, отсюда следует:
.

На практике выбирают l₀ = 0,5 м, Тогда:
exp(λ•l₀) = exp(1,25•10^-4•0,5) = 1,000062 ≃ 1
Следовательно.

т.е. для указанных точек атмосферы имеем ρ₁= ρ₂= ρ
Тогда уравнения (2) и (3) можно записать следующим образом:
,
Взяв отношение I₂ к I₁, получим:

Прологарифмировав обе части уравнения (7), получим:

И, следовательно,

В соответствии с уравнением (4):

Подставив значения ρ и ρ₀ из уравнения (9), получим:

где
I₁₀, I₂₀ - значения интенсивностей нейтронного излучения в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности,
I₁, I₂ - текущие значения интенсивностей.

Прологарифмировав выражение (II), получим:

Отсюда:

где
a и b - коэффициенты пропорциональности, равные:


На фиг. 1 представлена схема устройства для определения высоты полета летательного аппарата.

Устройство состоит из датчиков 1 и 2, выполненных в виде детекторов нейтронного излучения, делителя 3, контакта отрыва 4, ключа 5, запоминающего устройства 6, задатчика 7, умножителей 8 и 9, логарифматоров 10 и 11 и вычитателя 12.

Датчики 1 и 2 расположены на летательном аппарате на фиксированном расстоянии друг от друга вдоль вертикальной оси летательного аппарата; выходы датчиков 1 и 2 соединены соответственно с первым и вторым входами делителя 3, выход которого соединен с входом первого логарифматора 10, выход которого соединен с входом второго логарифматора 11, выход которого соединен с вторым входом второго умножителя 9 и с информационным входом ключа 5, управляющий вход которого соединен с выходом контакта отрыва 4, а выход ключа 5 соединен с входом запоминающего устройства 6, выход которого соединен с вторым входом первого умножителя 8, первый вход которого соединен с выходом задатчика 7 и первым входом второго умножителя 9. Выходы умножителей 8 и 9 соединены соответственно с вторым и первым входами вычитателя 12, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный измеряемой высоте.

Устройство работает следующим образом.

С датчиков 1 и 2 импульсные последовательности, пропорциональные интенсивностям нейтронного излучения в точках измерения, подаются на делитель 3, на выходе которого формируется сигнал, равный отношению измеренных интенсивностей I₂ и I₁. Этот сигнал через логарифматоры 10 и 11 подается на второй вход второго умножителя 9 и через открытый ключ 5 и запоминающее устройство 6 - на второй вход первого умножителя 8. На первые входы первого и второго умножителей 8 и 9 подается с датчика 7 сигнал, равный коэффициенту пропорциональности a: . Поэтому на выходе умножителей 8 и 9 формируются сигналы, равные произведению a • lnln(I₂₀/I₁₀), которые подаются соответственно на второй и первый входы вычитателя 12. Так как величины сигналов одинаковы, то на выходе вычитателя 12 сигнал будет равен нулю.

В момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности (земли, воды, пусковой установки и т. п.) срабатывает контакт отрыва 4, при этом сигнал с выхода второго логарифматора 11, равный по величине значению lnln(I₂₀/I₁₀), фиксируется в запоминающем устройстве 6.

Таким образом, в следующий момент времени на выходе первого умножителя 8 формируется сигнал b, равный:
b = alnln(I₂₀/I₁₀),
а на выходе второго умножителя 9 формируется сигнал, равный:
alnln (I₂/I₁).

Указанные сигналы подаются соответственно на второй и первый входы вычитателя 12. на выходе которого формируется сигнал H, пропорциональный измеряемой высоте:

Как показали результаты расчетов при использовании предложенного способа и устройства для определения высоты полета летательного аппарата обеспечивается достижение следующих показателей: повышение точности определения высоты за счет исключения влияния переменных параметров атмосферы, не связанных с изменением высоты полета; при этом обеспечивается повышение точности определение высоты полета до 0,25% в широком диапазоне высот (до 16000 м).

Согласно данным проведенных исследований, изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующим преимуществом: повышение точности определения высоты в 4 раза, увеличение верхней границы диапазона определения высоты с 50 до 16000 м.

Изобретение представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит улучшить процесс управления полетом летательных аппаратов за счет более точного определения высоты полета в широком диапазоне.

Изобретение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение относится к авиационному приборостроению и может быть использовано для определения высоты полета летательного аппарата и позволяет повысить точность и расширить диапазон определени высоты полета летательного аппарата. Производят измерение интенсивности проникающих излучений в двух точках, расположенных по вертикали на фиксированном расстоянии друг от друга в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности и запоминают эти значения. Измеряют значения текущих интенсивностей и вычисляют высоту полета по формуле: H = b - aln ln I₂/I₁, где I₁, I₂ - значения текущих интенсивностей; a, b - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются начальными значениями интенсивностей и диапазоном измерения. Устройство для осуществления способа содержит два датчика 1 и 2, расположенных на летательном аппарате на фиксированном расстоянии вдоль вертикальной оси летательного аппарата и выполненных в виде детекторов ионизирующих излучений, делитель 3, контакт отрыва 4, ключ 5, запоминающее устройство 6, задатчик 7, два умножителя 8 и 9, два логарифматора 10 и 1 и вычитатель 12 с соответствующими связями. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения высоты полета летательного аппарата, включающий измерение первого значения параметра атмосферы Земли в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности, запоминание этого значения, измерение первого текущего значения параметра атмосферы Земли и вычисление высоты полета летательного аппарата по результатам измерений, отличающийся тем, что в момент отрыва летательного аппарата от исходной поверхности измеряют второе значение параметра атмосферы Земли, запоминают это значение, измеряют второе текущее значение параметра атмосферы Земли, причем измерение первых и вторых значений параметра атмосферы Земли осуществляют в двух точках, расположенных на фиксированном расстоянии по вертикали друг от друга, а в качестве измеряемого параметра используют интенсивность проникающего ионизирующего излучения, высоту полета летательного аппарата Н вычисляют по формуле

где I₁, I₂ - текущие значения интенсивности;
a, b - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются начальными значениями интенсивности и диапазоном измерений. 2. Устройство для определения высоты полета летательного аппарата, содержащее два датчика, расположенных на летательном аппарате на фиксированном расстоянии вдоль вертикальной оси летательного аппарата, делитель, контакт отрыва, ключ, запоминающее устройство, задатчик и первый умножитель, причем выход контакта отрыва соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с входом запоминающего устройства, а выход задатчика соединен с первым входом первого умножителя, отличающееся тем, что в него введены второй умножитель, первый и второй логарифматоры и вычитатель, причем выход первого датчика соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом второго датчика, выход делителя соединен с входом первого логарифматора, выход которого соединен с входом второго логарифматора, выход которого соединен с информационным входом ключа и вторым входом второго умножителя, первый вход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, выход первого умножителя соединен с вторым входом вычитателя, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя, выход вычитателя является выходом устройства, а датчики выполнены в виде детекторов ионизирующих излучений.