ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2001 года по МПК G01L19/00 G01P5/14 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения параметров движения объектов: судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен шестиствольный насадок (приемник) ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [1], предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков жидкости или газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия: центральное, служащее для измерения полного давления, и периферийные, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении углов скоса (направления скорости) и величины скорости потока жидкости или газа. На поверхности приемника расположены также приемные отверстия для измерения статического давления. Данный приемник, размещенный на носовой штанге, часто используется на летательных аппаратах (ЛА) с целью измерения высотно-скоростных параметров ЛА: углов атаки, скольжения, числа Маха, барометрической высоты, истинной воздушной скорости и т.д.

Недостатком приемника является его низкая чувствительность к углам скоса (аналог углов атаки или скольжения для ЛА), проявляющаяся при измерениях на малых дозвуковых скоростях (числа Маха M < 0,3), увеличением погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях. Недостатком приемника являются и методические погрешности измерений, возникновение которых обусловлено возмущениями среды, создаваемыми корпусом объекта.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать требуемые метрологические характеристики приемников за счет обеспечения заданной чувствительности, а также в принципиальной невозможности устранения методических погрешностей измерений параметров движения объектов относительно жидкой или газообразной сред с помощью приемников давлений, располагаемых снаружи корпуса.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник давлений, представляющий собой носовую часть ЛА [2] - прототип, предназначенный для измерения направления скорости полета ЛА относительно воздуха (в связанной с ЛА системе координат направление скорости характеризуется углами атаки и скольжения, для подводных объектов - углами атаки и дрейфа), величины скорости ЛА и статического давления в полете. На носовой части ЛА расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные предназначены для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости ЛА, а также статического давления. Измерения, выполненные с помощью подобного приемника, не содержат методических погрешностей, связанных с искажением потока фюзеляжем ЛА, т.к. в этом случае сам фюзеляж (его носовая часть) является приемником давлений.

Недостатком приемника является его низкая чувствительность к углам атаки и скольжения, проявляющаяся при измерениях на малых дозвуковых скоростях (числа Маха M < 0,3) увеличением погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать требуемые метрологические характеристики приемников за счет обеспечения заданной чувствительности.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной с точки зрения обеспечения требуемой чувствительности к углам, характеризующим направление скорости движения объектов относительно среды, и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений представляющих собой носовые части подвижных объектов и используемых в дозвуковых потоках газа или в потоках несжимаемой жидкости.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемников давлений к углам, характеризующим направление скорости движения объектов относительно среды, а также в повышении точности измерения соответствующих давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемников.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой носовую часть подвижного объекта, при этом на поверхности носовой части расположены центральное и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости движения объекта относительно текучей среды, а также для определения статического давления, на носовой части в местах размещения периферийных приемных отверстий, предназначенных для определения направления скорости, расположены приливы, а сами периферийные приемные отверстия находятся на поверхности приливов.

Под приливом в данном случае понимается любой дополнительный участок поверхности носовой части, приводящий к дополнительному по сравнению с исходной формой носовой части местному увеличению расстояния от продольной оси носовой части до поверхности носовой части.

На фиг. 1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг. 2 приведен график - 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей V_τ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2 (прототип), при его продольном обтекании. График 3 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности приемника в зависимости от значения безразмерной продольной координаты где L - длина приемника давлений. График 4 показывает распределение коэффициента давления C_p по поверхности приемника - безразмерное значение радиуса образующей.

На фиг. 3 приведен график - 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. На поверхности приемника расположены приливы. Образующая одного или приливов представлена позицией 3. График 4 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности S приемника в зависимости от продольной координаты График 5 соответствует распределению коэффициента давления C_p по поверхности приемника - безразмерное значение радиуса образующей приемника.

На фиг. 4 для числа Маха M = 0,2 приведены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг. 1, график 1. Здесь P_i, P_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на носовой части, - скоростной напор в невозмущенном потоке; υ_∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг. 2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания корпуса подвижного объекта потоком несжимаемой жидкости [3] . В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М = 0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

На фиг. 1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой носовую часть 1 подвижного объекта 2, на которой расположены приливы 3, 14-16, на поверхности приливов в точках с максимальной чувствительность 4 размещены периферийные приемные отверстия 5-8, предназначенные для измерения направления скорости движения объекта относительно среды, на носовой части находится также центральное отверстие 9 и периферийные приемные отверстия 10-13, предназначенные для определения величины скорости объекта и статического давления в потоке.

Приемник давлений работает следующим образом. Рассмотрим определение направления скорости движения объекта относительно среды (для случая продольного движения объекта) с помощью двух приемников давлений - конического и приемника, полностью ему идентичного за исключением того, что на поверхности приемника в местах размещения периферийных приемных отверстий расположены приливы, а сами периферийные приемные отверстия находятся на поверхности приливов. Следует отметить, что форма приливов должна определяться исходя из максимально допустимых значений углов, определяющих направление скорости движения объекта относительно среды, и величины скорости объекта. На фиг. 3 представлены расчетные данные для носовой части, на которой расположены приливы, имеющие цилиндрическую поверхность, ограниченную линией пересечения с поверхностью носовой части, при этом образующие цилиндров параллельны продольной оси носовой части. Такая форма выполнения приливов позволяет производить измерения углов скоса потока в стандартном для приемников давлений диапазоне -25^°≅ α ≅ 25^°. Тогда, как это следует из фиг. 3, при обтекании заявляемого приемника потоком жидкости или газа в области носовой части там, где находятся приливы, происходит дополнительный по сравнению с прототипом (фиг. 2) разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости V_τ, которая возрастает и достигает в точках расположения периферийных приемных отверстий 5-8 своего максимального значения. Увеличение V_τ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в периферийных приемных отверстиях 5-8 (см. график 5 на фиг. 3 и график 4 на фиг.2). В результате, как следует из фиг. 3 - график 5, в области приливов происходит более быстрое, чем у прототипа изменение давлений жидкости или газа в зависимости от координаты . При изменении угла скоса потока эпюра для коэффициента давлений C_p, мало изменяя свою форму, перемещается вдоль оси Обычно для измерения направления пространственного потока используют минимум четыре приемных отверстия, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде а выражение для модуля коэффициента чувствительности приемника - Тогда вследствие более быстрого, чем у прототипа изменения давления жидкости или газа в области приливов, при изменении угла α (пусть для определенности β = 0) для заявляемого приемника для приемного отверстия, например, 5 величина давления жидкости или газа будет возрастать (уменьшаться) быстрее, чем для прототипа, а величина давления в отверстии 7 будет соответственно уменьшаться (возрастать) также быстрее, чем для прототипа. В связи с этим, модуль разности (перепада) давлений для заявляемого приемника при изменении угла α будет больше, чем для прототипа, что, как нетрудно видеть, приведет к увеличению коэффициента угловой чувствительности S заявляемого приемника, т.к. в случае линейной угловой характеристики
Увеличение точности измерения давлений, позволяющих определять углы, характеризующие направление скорости движения объектов относительно среды, с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения где P^* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P^*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т. к. достигнутое значение перепадов давлений для одного и того же значения угла скоса потока для него больше, чем для прототипа.

На фиг. 4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М = 0,2. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что по сравнению с прототипом заявляемый приемник в области периферийных приемных отверстий там, где находятся приливы, обладает значительно более высокой угловой чувствительностью (угловая чувствительность - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике).

Введение приливов на носовой части, реальное соотношения размеров которых с размерами приемника представлено на фиг. 3, приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности заявляемого приемника давлений в 2,5 раза. При этом угловая чувствительность заявляемого приемника становится больше угловой чувствительности аналога в 1,3 раза. Дополнительное увеличение размеров приливов будет приводить к дальнейшему росту коэффициента угловой чувствительности.

Источники информации
1. Бедржицкий Е.Л., Егоршев А.В., и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М.: Машиностроение, 1992. С. 159.

2. Милютичева В.Н., Петунин А.Н. Пневмометрический метод определения параметров полета летательных аппаратов с конической и оживальной носовыми частями. // Ученые записки ЦАГИ. 1986, т. 17, N 5. С. 79 - 85.

3. Маслов Л.А., Петровская Т.С. Программа потенциального обтекания трехмерного корпуса вблизи земли (Описание применения). Отчет ЦАГИ N 11811. 1986.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текущих сред. Изобретение заключается в том, что в приемнике давлений, представляющем собой носовую часть подвижного объекта, в которой имеются центральное приемной отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости объекта относительно потока текучей среды, а также для определения статического давления, на носовой части в местах размещения периферийных приемных отверстий, предназначенных для определения направления скорости, расположены приливы, в которых выполнены данные периферийные приемные отверстия. Данное изобретение позволяет повысить чувствительность приемника к углам, характеризующим направление скорости движения объектов относительно текущей среды, а также повысить точность измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхность приемника. 4 ил.

Приемник давлений, представляющий собой носовую часть подвижного объекта, при этом на поверхности носовой части расположены центральное и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости движения объекта относительно текучей среды, а также для определения статического давления, отличающийся тем, что в местах размещения периферийных приемных отверстий, предназначенных для определения направления скорости, расположены приливы, а сами периферийные приемные отверстия находятся на поверхности приливов.