ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕГО И НАБЕГАЮЩЕГО ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ Российский патент 2023 года по МПК G01L7/00 

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров, окружающего и набегающего воздушных потоков, воздействующих на летательный аппарат – статического, а также полного давлений или угла атаки.

Наибольший интерес (Реализация аэродинамического измерителя углов атаки и скольжения для беспилотного летательного аппарата. К.С. Жуков, НИИ ИСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2013г.)вызывают зондовые аэродинамические датчики углов атаки и скольжения. Параметры набегающего потока в этих приборах вычисляются по значению давлений, снимаемых в определенных точках трубки приемника воздушного давления (зонда). Системы, построенные на основе зондов, позволяют вычислять все параметры набегающего потока и производные от их величины: углы атаки и скольжения, скоростной напор, статическое давление, барометрическую высоту и т. п. Вследствие своего конструктивного исполнения такой датчик, являясь, по сути, усовершенствованной версией приемника воздушного давления, может быть установлен практически в любое место носовой части аппарата.

Известен (Патент США № 4,378,696 от 5 апреля 1983г.; G01C 21/00; G01P 5/165) датчик давлений для определения воздушной скорости, высоты полета и угла атаки. Устройство является зондом, который может иметь три отдельных набора измерительных портов, обеспечивающих измерение давлений для получения точных значений статического давления, полного давления и угла атаки.

Порты разнесены в осевом направлении вдоль осевой поверхности осесимметричного зонда. При нулевом угле атаки разность давлений в портах давления, чувствительных к углу атаки, будет равна нулю, поскольку они расположены на одинаковом расстоянии от переднего конца зонда и на противоположных сторонах его поверхности. По мере того, как угол атаки увеличивается или уменьшается, перепад давления, измеряемый между этими отверстиями, будет изменяться, и эта измеренная разница используется для определения угла атаки (или бокового скольжения).

Другие выходные данные полного давления и статического давления получаются посредством двух дополнительных измерений давления. Конструкция портов полного и статического давления не зависит от конструкции портов измерения угла атаки.

Известен барометрический высотомер (авторское свидетельство СССР № 1426187, заяв.1987, МПК G01C5/00; G01C5/06, 10.06.2005г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик с входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему «И», первый и второй входы которой соединены соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета.

Существенными недостатками частотных преобразователей давления являются: высокая зависимость от стабильности частоты питающего напряжения и чувствительность к механическим вибрациям; появление температурных погрешностей датчика и относительно большие энергетические затраты, вызванные наличием специального электромагнитного возбудителя колебаний; постоянный уход метрологических характеристик упругого элемента, определяемый большим числом колебаний.

Известен датчик давлений, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ 2653596 МПК G01L7/00(2006.01), 2018), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, причем мембраны чувствительного элемента разделены на верхнюю и нижнюю и герметично по периметру прикреплены к корпусу, образуя безвоздушный зазор, при этом отверстия корпуса расположены выше и ниже зазора, стойка размещена внутри зазора и прикреплена к корпусу, а фотоприемные линейки, также размещенные в зазоре, прикреплены соответственно к верхней и нижней мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.

Данное устройство лишено вышеперечисленных недостатков аналогов: высокая чувствительность фотоприемного устройства требует минимальной деформации упругого элемента, что позволит избавиться от целого ряда погрешностей: остаточной деформации, нелинейности, упругих несовершенств материала, температурных колебаний, от воздействия линейных ускорений, от воздействия вибраций, от изменения свойств материала с течением времени и т.п. Бесконтактный съем информации и работа информационной системы в условиях вакуума значительно повысят эффективность процессов измерения. Отметим также значительное уменьшение энергопотребления.

К недостаткам данного устройства можно отнести ряд факторов, влияющих на точность измерения. Информация о текущей координате оптического пятна вдоль оси фотоприемной линейки формируется дискретно, с периодом, равным периоду опроса всех пикселей фотоприемной линейки. Для повышения точности измерений необходимо уменьшать период опроса, однако это ограничивается техническими возможностями используемой фотоприемной линейки. Кроме того, точность измерений в значительной степени зависит от геометрических размеров пикселей фотоприемного устройства, так как перемещение геометрического центра мембраны эквивалентно перемещению оптического пятна на поверхности фотоприемного устройства. А также установленные на верхней и нижней мембранах фотоприемные линейки с подходящими к ним проводами приводят к увеличению массы и габаритных размеров жесткого центра мембран. Это приводит к снижению их динамической устойчивости.

Задачей предлагаемого изобретения является создание измерителя параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах.

Технический результат – упрощение конструкции и повышение надежности измерителя высоты и скорости полета воздушного судна или углов атаки, с одновременным уменьшением массогабаритных параметров и энергопотребления устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков содержит корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, которые герметично прикреплены к корпусу с образованием безвоздушного зазора между ними, при этом два отверстия корпуса расположены соответственно выше и ниже зазора.

Отличительной особенностью является то, что внутри зазора размещены лишь один источник излучения и одна оптическая линейка, жестко прикрепленные к боковой стенке корпуса, кроме того, в геометрических центрах верней и нижней мембран со смещением, по отношению друг к другу, установлены шторки с прорезями определенной формы, причем геометрические центры источника изучения, оптической линейки и прорезей шторок расположены на одной оси.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг. 1 представлена схема конструкции измерителя параметров,

окружающего и набегающего воздушных потоков,

на фиг. 1а -конструкция шторки с прорезью в форме прямоугольника, вытянутого в вертикальном направлении,

на фиг. 1б – конструкция шторки с прорезью П – образной формы.

Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Р_ст) и полного (Р_полн) давлений. Подача воздушных давлений от верхнего (Р_в) и нижнего (Р_н) приемных отверстий, которые соединены с приемным осесимметричным зондом полусферической формы, позволяет осуществить измерение углов атаки. Отверстия в корпусе расположены выше и ниже зазора, образованного мембранами 2 и 3. Мембраны 2 и 3 анероидного чувствительного элемента разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу. К боковой стенке корпуса 1 внутри зазора, образованного мембранами 2 и 3 , жестко прикреплен источник излучения 4 оптического луча .К той же боковой стенке корпуса 1 прикреплена оптическая линейка 5, а в геометрических центрах верхней 2 и нижней 3 мембран установлены шторки 6 и 7 с прорезями определенной формы и со смещением по отношению друг к другу. Форма прорезей, в частности, может иметь или П – образную (фиг.1б) форму, или (фиг.1а) форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника. В первом случае, прорези верхней 6 и нижней 7 шторок обращены по отношению друг к другу открытыми сторонами, но боковые стороны всегда перекрывают друг друга. Во втором случае, прямоугольные прорези верхней 6 и нижней 7 шторок располагаются плоскопараллельно, образуя щель заданного размера.

Работа устройства при измерении, например, статического давления (Р_ст) или давления от верхнего (Р_в) отверстия осесимметричного зонда полусферической формы, осуществляется следующим образом. В исходном состоянии мембрана 2 анероидного чувствительного элемента занимает определенное положение. Оптический луч U_, сформированный источником излучения 4 оптического луча, через прорези шторок 6 и 7 определенной формы попадает на оптическую линейку 5.При этом формируется оптическое пятно на фоточувствительной поверхности оптической линейки 5 размером в несколько элементов (пикселей).

В оптической линейке 5 отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств заключается в формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Достигается это благодаря фоточувствительному р-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора элемента оптической линейки. Чем больше будет оптическая мощность, попадающая на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.

Изменение статического давления (Р_ст) (или Р_в) способствует перемещению геометрического центра мембраны 2 со шторкой 6 на величину w, что способствует смещению оптического пятна по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5 на величину S. В то же время, при последовательном опросе пикселей на выходе оптической линейки 5 будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве оптической линейки 5 от воздействия на нее оптического пятна. Тогда, в случае П–образной формы прорезей, первый «сверху» освещенный пиксель будет соответствовать значению статического давления или давлению от верхнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы. В случае, когда прорезь имеет форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника, первый «снизу» освещенный пиксель будет соответствовать значению статического давления или давлению от верхнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы.

Вычисление полного давления (Р_полн) или давления от нижнего (Р_н) полусферического насадка происходит аналогично описанному выше процессу вычисления статического давления. Изменение полного давления способствует перемещению геометрического центра мембраны 3 со шторкой 7, тем самым изменяя направление луча U. Луч U, изменяя свое направление, смещает оптическое пятно по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5. Тогда, в случае П–образной формы прорезей, первый «снизу» освещенный пиксель будет соответствовать значению полного давления или давлению от нижнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы. В случае, когда прорезь имеет форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника, первый «сверху» освещенный пиксель будет соответствовать значению полного давления или давлению от нижнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы.

В итоге, границы светового пятна, образованного прорезями заданной формы для верхней 6 и нижней 7 шторок, будут перемещаться по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5. Цифровой код на выходе оптической линейки 5 будет изменяться пропорционально смещению границ светового пятна и, соответственно, пропорционально приложенным к упругим элементам измеряемым давлениям.

Предлагаемый измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков, обладая всеми достоинствами и функциональными возможностями прототипа, имеет в своем составе лишь один излучатель и одну оптическую линейку (у прототипа их по две), что повышает надежность измерителя. Кроме того, предлагаемое решение позволяет использовать измеритель для вычисления угла атаки.

Расчет аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты, числа Маха и угла атаки - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Р_ст- статическое давление (или Р_в), Р_полн - полное давление (или Р_н), Р_о - давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Т_т - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов, а также углов атаки, на основании использования аэрометрического метода. Устройство содержит корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, которые герметично прикреплены к корпусу с образованием безвоздушного зазора между ними. При этом два отверстия корпуса расположены соответственно выше и ниже зазора, размещен один источник излучения и одна оптическая линейка, жестко прикрепленные к боковой стенке корпуса. Кроме того, в геометрических центрах верней и нижней мембран со смещением, по отношению друг к другу, установлены шторки с прорезями определенной формы, причем геометрические центры источника изучения, оптической линейки и прорезей шторок расположены на одной оси. 1 ил.

Измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, которые герметично прикреплены к корпусу с образованием безвоздушного зазора между ними, при этом два отверстия корпуса расположены соответственно выше и ниже зазора, отличающийся тем, что внутри зазора размещены лишь один источник излучения и одна оптическая линейка, жестко прикрепленные к боковой стенке корпуса, кроме того, в геометрических центрах верхней и нижней мембран со смещением, по отношению друг к другу, установлены шторки с прорезями определенной формы, причем геометрические центры источника изучения, оптической линейки и прорезей шторок расположены на одной оси.