ПРИЕМНИК ВОЗДУШНОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01L19/00 G01P5/16 

Изобретение относится к определению параметров полета летательных аппаратов или к другим областям науки и техники, имеющим дело с потоками жидкости и газа.

Измерение параметров потока является одной из важнейших задач аэромеханики и аэродинамики летательных аппаратов (ЛА). В настоящее время для измерения параметров полета (потока) используются приемники воздушного давления (ПВД), устанавливаемые, зачастую, непосредственно на фюзеляже самолета или любом другом элементе летательного аппарата, которые фактически измеряют параметры местного потока, близкого к плоскому. На летательных аппаратах устанавливаются, как правило, несколько таких ПВД, измеряющих местные параметры потока. Истинные параметры полета определяются на основе предварительно проведенных градуировок. Задача измерения параметров полета весьма важна для маневренных самолетов в связи с существенным расширением летных углов атаки и широким диапазоном скоростей полета (от малых дозвуковых до больших сверхзвуковых). Эта задача весьма важна для вертолетов в связи с их высокими маневренными возможностями (полеты вперед-назад, вправо-влево, вверх-вниз) и автоматизацией таких режимов полета с использованием данных от системы измерения параметров полета.

Известен приемник воздушного давления, содержащий корпус в виде круглого цилиндрического стержня с приемными отверстиями, расположенными по периметру сечения, соединенными каналами со штуцерами (Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М. "Машиностроение", 1972 г., стр. 88-100, рис. 1.102; Глазнев В.Н., Заварухин С.Г. Метод экспериментального исследования плоских и осесимметричных закрученных течений с помощью цилиндрического приемника в широком диапазоне чисел М. "Ученые записки ЦАГИ", т. 14, N 4, 1983 г.). Определение параметров потока производится с помощью этого приемника путем измерений давлений на наветренной стороне приемника в зоне безотрывного обтекания по градуированным зависимостям, связывающим определяемые параметры с измеряемыми давлениями.

Недостатками данного ПВД являются:
- невозможность определения статического давления с приемлемой точностью в диапазоне чисел М от 0,8 до 1,1 вследствие известного явления трансзвуковой стабилизации;
- невозможность использования для градуировочных зависимостей имеющихся на подветренной стороне в зоне отрывного обтекания приемника отверстий, давления в которых хотя и не подвержены действию эффекта трансзвуковой стабилизации, однако на величины этих давлений оказывает сильное влияние число Рейнольдса, шероховатость поверхности и степень турбулентности набегающего потока;
- еще один недостаток, который фактически является следствием предыдущего: большое избыточное количество каналов измерения давлений, поскольку для определения трех параметров (полного давления P_о, статического давления P_s и угла скоса α в данном ПВД необходимо иметь на наветренной стороне в безотрывной зоне по крайней мере три отверстия; простые оценки показывают, что при необходимости определения параметров потока в диапазоне α = 0 - 360^oC с сохранением приемлемой чувствительности необходимо иметь по крайней мере 8-9 отверстий для приема давлений, равномерно распределенных (с шагом 45 или 40^o) по окружности поперечного сечения ПВД; это приводит к увеличению габаритов ПВД, его аэродинамического сопротивления, веса конструкции самого ПВД, а также веса измерительной аппаратуры, поскольку к каждому каналу должен быть подключен датчик измерения давления; кроме того, это приводит к удорожанию измерительного комплекса, построенного на таких ПВД.

Известно устройство (Europaische Patentschrift, Veroffentlichungsnummer, 0049756 B1, G 01 F 1/46, G 01 L 13/00, Vorrichtung zum Messen des Differenzdruckes; prioritat: 09.10.80 DE 3038180. Patentinhaber: IWK Regier mid Kompensatoren GmbH; Erfinder: Fehbr, Dieter, Dr., Dipl-Phus.), предназначенное для измерения перепада давлений. Основным элементом этого устройства является стержень в виде правильной шестигранной призмы, на одном ребре которой имеется отверстие ( или несколько отверстий, подсоединенных к пневмотрассам) для измерения давления. При ориентации в потоке стержня таким образом, что вектор скорости потока проходит через ребро, на котором имеется отверстие, ось стержня и противоположное ребро, с помощью датчика давления, соединенного пневмотрассой с указанным отверстием (отверстиями), измеряется давление, близкое к полному. При ориентации в потоке стержня таким образом, что отверстия на нем будут развернуты относительно вектора скорости на 180^o, с помощью этих отверстий может быть определено донное давление. Таким образом, с помощью такого рода ПВД, на основе заранее проведенных градуировок может быть измерен скоростной напор (или полное P_о и статическое P_s давления). В патенте предложены устройства, состоящие из двух указанным выше образом ориентированных стержней, предназначенные для измерения параметров P_o и P_s в газовых магистралях.

Однако, такой ПВД, или устройство на нем основанное, в принципе не пригодны для измерения сразу трех параметров потока (полного давления P_o, статического давления P_s и угла скоса - атаки α потока), поскольку на нем нет должного количества отверстий - минимум трех - для отбора давлений. Действительно, как известно, определение параметров потока производится на основе заранее полученных зависимостей давлений P_i от угла атаки (или скоса) α невозмущенного потока, полного P_o и статического P_s давления невозмущенного потока:
P_i = f_i(α,P_o,P_s), (1)
измеренных на приемнике в i-х точках отбора давления. Для того чтобы эта система уравнений была разрешима относительно α, P_o, P_s, необходимо, чтобы число отверстий i ≥ 3, кроме того, необходимо, чтобы такая система уравнений была достаточно хорошо обусловленной. Например, при попадании двух отверстий i = 1 и i = 2 в отрывную зону, где давление выравнивается, будет P₁ ≈ P₂ в широком диапазоне α, и система становится плохо обусловленной и неразрешимой. Поэтому, при потребности измерения параметров плоскопараллельного потока в диапазоне α = 0 - 360^o, как показывает анализ экспериментальных данных, на теле ПВД необходимо брать число отверстий i > 4 и распределить их так, чтобы производить "переключение" с одних отверстий на другие.

Кроме того, недостатком этого аналога является то обстоятельство, что отверстия для отбора давления располагаются на ребре призмы. Это приводит к тому, что даже при небольшой переориентации этого ПВД относительно потока (это положение было описано выше) на ребре формируется отрыв потока. Это обстоятельство также приводит к тому, что теряется чувствительность к изменению α, т.е. указанная система уравнений (1) становится неразрешимой.

Наиболее близким из известных решений является приемник воздушного давления, выполненный в виде стержня с сечением в виде равностороннего треугольника. На торце стержня на одной с ним оси расположена цилиндрическая надстройка с сечением в виде равностороннего треугольника со сторонами, равными сторонам сечения стержня, и повернутого относительно него на угол ϕ = 60^o. На гранях стержня и надстройки выполнены шесть приемных отверстий, соединенных с помощью каналов со штуцерами (Головкин М.А., Ефремов А.А. Приемник воздушного давления. Патент РФ N 1809341 с приоритетом от 8 апреля 1991 г.).

Недостатками данного ПВД являются:
- сложность конструкции;
- недостаточно высокая точность определения параметров полета, особенно при наличии скольжения;
- излишне большое количество каналов измерения давления, что приводит к увеличению веса самого ПВД и измерительной системы в целом.

Задачей данного изобретения является упрощение конструкции, повышение точности измерения параметров полета (потока), снижение веса конструкции ПВД и системы измерения в целом.

Технический результат достигается тем, что приемник воздушного давления выполняется в виде многореберного стержня, ребра которого ориентированы вдоль оси стержня, с группами отверстий, расположенными между ребрами на гладких боковых поверхностях стержня и соединенными пневмотрассами со штуцерами. При этом ребра в продольном направлении являются непрерывными и их число n > 3, а группы отверстий отстоят от ребер, ограничивающих боковые поверхности, на величину a ≥ 0,1 b, где b - расстояние между ребрами в любом поперечном сечении стержня, а угол между боковыми поверхностями в любом поперечном сечении стержня составляет величину γ < 180^o. Тем самым достигается упрощение конструкции, а также повышается точность определения параметров полета при наличии скольжения за счет отсутствия отрывного следа, сходящего у ПВД-прототипа с места стыка двух его частей (стержня и надстройки) и приближающегося к приемным отверстиям.

Технический результат достигается также тем, что острые ребра могут быть скруглены или притуплены фаской, причем это скругление или фаска сопрягаются с гладкими боковыми поверхностями стержня на расстоянии c ≤ 0,05 b от места сопряжения двух соседних боковых поверхностей. Это скругление или фаска могут являться чисто технологическими. При этом указанная величина с ≤ 0,05 b, как показывают экспериментальные исследования, практически обеспечивают привязку линии отрыва потока к области сопряжения скругления или фаски с боковыми поверхностями стержня, чем обеспечивается независимость измерений от числа Рейнольдса. Технический результат достигается также тем, что ребра выполняются в виде выступов на стержне с высотой h ≤ 0,1 b и шириной e ≤ 0,1 b, измеряемыми в поперечном сечении стержня. Такая форма выступа обеспечивает, как показывают экспериментальные исследования, привязку линии отрыва потока к выступу и обеспечивает независимость измерений от числа Рейнольдса. Выполнение ребра в виде выступа в ряде случаев может давать значительное упрощение конструкции.

Технический результат достигается также тем, что боковая поверхность стержня является цилиндрической или конической. Тем самым достигается упрощение конструкции и удешевление ее изготовления.

Технический результат достигается также тем, что боковая поверхность стержня между ребрами является выпуклой. Такая форма стержня ПВД позволяет с одной стороны минимизировать влияние числа Рейнольдса на измерение давлений, а с другой стороны увеличить чувствительность прибора за счет возрастания производной измеряемых давлений по углу скоса, что приводит к существенному уменьшению инструментальных погрешностей.

Технический результат достигается также тем, что число ребер на стержне выбирается равным четырем, пяти или шести, в зависимости от потребного диапазона углов атаки, в котором должны производиться измерения параметров полета (потока). В частности, при потребности производить измерения в диапазоне -90^o < α < 90^o, как показывают проведенные опыты, достаточно применять четырехреберный стержень, поскольку на стержне всегда можно выбрать два давления (например P_i и P₂) на наветренной стороне ПВД, которые являются достаточно чувствительными к изменению α, P_o, P_s, а одно давление (P₃) отбирать с подветренной, донной стороны ПВД. Тогда, как показывают проведенные эксперименты, указанная выше система уравнений (1) является разрешимой относительно α, P_o, P_s, и тем самым экономится количество каналов измерения давления, что приводит к уменьшению веса самого ПВД и измерительной системы в целом. При потребном диапазоне углов атаки α = 0 - 360^o, в которых необходимо производить измерения параметров полета (потока), как показывают экспериментальные данные, необходимо использовать либо пятиреберный, либо шестиреберный стержень.

На фиг. 1, 2 изображены для примера два варианта исполнения предлагаемого приемника воздушного давления.

На фиг. 3 изображены варианты выполнения предлагаемого ПВД, когда ребра скруглены или притуплены фаской.

На фиг. 4 приведены примеры предлагаемого ПВД, у которого ребра выполнены в виде выступа на стержне.

На фиг. 5, 6 показаны примеры выполнения предлагаемого ПВД соответственно с цилиндрической и конической боковой поверхностью стержня.

На фиг. 7, 8, 9 показаны примеры выполнения предлагаемого ПВД с числом ребер на стержне, соответственно равным четырем, пяти и шести.

На фиг. 10 изображен пример использования предлагаемого ПВД в составе устройства для определения параметров потока (полета).

На фиг. 11 показано изменение коэффициента давления = (P - P_s)/q (где P - давление, воспринимаемое на одной из боковых поверхностей надстройки ПВД-прототипа или стержня предлагаемого ПВД; P_s - статическое давление, q - скоростной напор) при изменении угла скоса потока α от 0 до 180^o для предлагаемого пятиреберного ПВД с плоскими боковыми поверхностями, имеющего в поперечном сечении правильную форму, и для ПВД-прототипа для значений углов скольжения потока β = 0 и β = 30^o.
На фиг. 12 показаны для примера суммарные погрешности Δα и ΔV определения угла скоса α скорости V с помощью предлагаемого ПВД с пятью ребрами на цилиндрическом стержне, сечение которого имеет вид равностороннего пятиугольника, и ПВД-прототипа, полученные по результатам эксперимента при малой скорости потока V = 15 м/с для значений β = 30^o.
На фиг. 13 показаны инструментальные погрешности Δα и ΔV определения угла скоса α и скорости V с помощью предлагаемого ПВД с пятью ребрами на цилиндрическом стержне, сечение которого имеет вид равностороннего пятиугольника, и ПВД-прототипа при погрешности измерений, равной 0,5 мм вод. ст., полученные по результатам эксперимента при малой скорости потока V = 15 м/с для значения β = 0.
Приемник воздушного давления состоит из многореберного стержня 1, ребра 2 которого ориентированы в продольном направлении стержня 1, с группами отверстий 3 между ребрами 2, соединенных пневмотрассами 4 со штуцерами 5. Ребра 2 в продольном направлении являются непрерывными и их число n > 3, а группы отверстий 3 расположены между ребрами 2 на гладких боковых поверхностях 6 стержня 1 и отстоят от ребер 2 на величину a ≥ 0,1 b, где b - расстояние между ребрами в любом поперечном сечении стержня, а угол γ между боковыми поверхностями 6 в любом поперечном сечении стержня составляет величину γ < 180^o. Острые ребра 2 в предлагаемом ПВД могут быть скруглены или притуплены фаской, причем это скругление или фаска сопрягаются с гладкими боковыми поверхностями 6 стержня 1 на расстоянии с ≤ 0,05 b от места сопряжения двух соседних боковых поверхностей. Ребра 2 могут быть выполнены в виде выступов на стержне 1 высотой h ≤ 0,1 b и шириной вершины e ≤ 0,1 b, измеряемыми в поперечном сечении стержня. Боковые поверхности 6 стержня могут быть цилиндрическими, коническими, могут являться выпуклыми. Число n ребер 2 на стержне в зависимости от решаемых задач может изменяться и быть равным четырем, пяти либо шести, при этом поперечное сечение стержня не обязательно может иметь правильную форму.

Работа приемника воздушного давления заключается в следующем. Давления, воспринимаемые приемными отверстиями 3 передаются по пневмотрассам 4 и измеряются с помощью приборов - датчиков давления 7 (фиг. 10), подсоединенных с помощью пневмотрасс 8 к штуцерам 5. При градуировках используются давления из трех групп приемных отверстий: двух с наветренной стороны и одной с подветренной, то есть из зон, обозначенных на фиг. 11 буквами "а" и "b". Выбор групп отверстий производится путем анализа величин давлений, воспринимаемых этими отверстиями, и может осуществляться алгоритмически с использованием того факта, что наветренные приемные отверстия соответствуют максимальным величинам давлений. По градуировочным зависимостям, представленным в виде таблиц или функций и, например, заранее заведенным в блок 9 вычисления параметров потока (полета), определяются α, P_o, P_s.

За счет того, что в предлагаемом ПВД ребра в продольном направлении являются непрерывными, а боковые поверхности стержня между ребрами, где расположены приемные отверстия, являются гладкими, в предлагаемом ПВД отсутствует отрывной след, сходящий у ПВД-прототипа с места стыка двух его частей (стержня и надстройки) при наличии скольжения. В результате существенно уменьшаются погрешности Δα и ΔV определения угла скоса α скорости V при наличии скольжения (фиг. 12).

Так как число ребер в предлагаемом ПВД n > 3, то производная коэффициента давления по углу скоса на наветренных боковых поверхностях предлагаемого ПВД имеет большую величину (фиг. 11), чем для ПВД-прототипа (где n = 3). В случае, если боковые поверхности между ребрами являются выпуклыми, значение производной имеет еще большую величину. В результате уровень инструментальных погрешностей определения угла скоса Δα для предлагаемого приемника воздушного давления примерно в два раза ниже, чем для ПВД-прототипа, а уровень инструментальных погрешностей определения величины скорости ΔV совпадает с прототипом (фиг. 13).

В результате того, что предлагаемый ПВД состоит из стержня, а ПВД-прототип является по сути составным и содержит стержень и надстройку, существенно упрощается конструкция приемника воздушного давления. Конструкция может быть упрощена также в случае применения на предлагаемом ПВД ребер в виде выступов, а также в случае выполнения боковых поверхностей стержня у предлагаемого ПВД цилиндрическими или коническими. При этом достигается не только упрощение конструкции, но и удешевление ее изготовления.

Выбором, например, четырехреберного стержня предлагаемого ПВД для потребного диапазона α, лежащего в пределах -90^o < α < 90^o, или пятиреберного предлагаемого ПВД для диапазона α = 0 - 360^o может быть уменьшено потребное число каналов измерения: на 2 - в случае четырехреберного и на 1 - в случае пятиреберного стержня предлагаемого ПВД. Тем самым заметно может быть снижен вес как самого ПВД, так и системы измерения в целом, за счет уменьшения потребного количества датчиков давления.

Таким образом, использование предлагаемого приемника воздушного давления позволяет: упростить конструкцию, повысить точность измерений параметров потока (полета), а также снизить вес конструкции ПВД и системы измерения в целом. Все это должно существенно повысить конкурентоспособность предлагаемого ПВД.

Изобретение относится к средствам определения параметров полета летательных аппаратов или к другим областям науки и техники, имеющим дело с потоками жидкости или газа. Сущность изобретения: приемник воздушного давления состоит из многореберного стержня, ребра которого ориентированы в продольном направлении стержня, с группами отверстий между ребрами, соединенных пневмотрассами с штуцерами. Ребра в продольном направлении являются непрерывными, и их число n>3. Группы отверстий расположены между ребрами на гладких боковых поверхностях стержня и отстоят от ребер на величину а ≥ 0,1 b, где b -расстояние между ребрами в любом поперечном сечении стержня. Угол между боковыми поверхностями в любом поперечном сечении стержня составляет величину γ<180°; острые ребра могут быть скруглены или притуплены фаской, а также могут быть выполнены в виде выступов. Боковые поверхности стержня могут быть выпуклыми, цилиндрическими, коническими и т.д. Число ребер на стержне приемника воздушного давления в зависимости от круга решаемых задач может равняться четырем, пяти или шести. Такие параметры приемника воздушного давления позволяют упростить конструкцию, повысить точность измерения параметров потока (полета), снизить вес конструкции приемника воздушного давления и системы измерения параметров потока в целом. 8 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Приемник воздушного давления, состоящий из многореберного стержня, ребра которого ориентированы в продольном направлении стержня, с группами отверстий, расположенными между ребрами на гладких боковых поверхностях стержня, соединенными пневмотрассами с штуцерами, отличающийся тем, что ребра в продольном направлении являются непрерывными и их число n > 3, а группы отверстий отстоят от ребер, ограничивающих эти поверхности, на величину a ≥ 0,1b, где b - расстояние между ребрами в любом поперечном сечении стержня, а угол между боковыми поверхностями в любом поперечном сечении стержня составляет величину γ < 180^o. 2. Приемник воздушного давления по п.1, отличающийся тем, что острые ребра скруглены или притуплены фаской, причем это скругление или фаска сопрягается с гладкими боковыми поверхностями стержня на расстоянии c ≤ 0,05b от места сопряжения двух соседних боковых поверхностей. 3. Приемник воздушного давления по п.1, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде выступов на стержне высотой h ≤ 0,1b и шириной c ≤ 0,1b, измеряемыми в поперечном сечении стержня. 4. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что боковые поверхности стержня являются цилиндрическими. 5. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что боковые поверхности стержня являются коническими. 6. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что боковые поверхности стержня между ребрами являются выпуклыми. 7. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что число ребер на стержне равно четырем. 8. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что число ребер на стержне равно пяти. 9. Приемник воздушного давления по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что число ребер на стержне равно шести.