Лекция 2. Назначение и классификация авиационных приборов и систем

В виду многообразия типов и областей применения измерительных приборов и систем их назначение и признаки классификации рассмотрим на примере авиационных приборов и измерительных систем.

Как отмечается в работе, авиационные приборы и измерительные системы обеспечивают на борту измерение большого числа параметров, характеризующих режим полета самолета. В ходе полета эти параметры непрерывно изменяются. Информация о параметрах режимов полета используется для ручного или автоматического управления полетом, для контроля режимов работы силовых установок, определения параметров окружающей среды и т. п.

Движение самолета как твердого тела в пространстве состоит из поступательного движения (движения центра масс) и углового движения (движение вокруг центра масс). Положение центра масс самолета (точка O, рис. 1.1) относительно заданной системы отсчета OX₀Y₀Z₀ определяется линейными координатами: H – высотой полета; L – пройденным расстоянием; Z – боковым отклонением. Система OX_дY_д Z_д движется поступательно с центром масс самолета.

Рис. 1.1. Координаты поступательного движения центра масс самолета

Высота измеряется по вертикали между самолетом и поверхностью, принятой за начало отсчета. Различают абсолютную, относительную, истинную высоты. Абсолютная высота H отсчитывается от уровня моря, относительная высота H_отн отсчитывается от некоторого выбранного уровня, например от места взлета или посадки; истинная высота H_истотсчитывается от места, над которым находится самолет в данный момент времени.

Для определения углового положения самолета в пространстве вводится связанная система координат OXYZ (рис. 1.2). Ось OX направлена по продольной оси самолета. Ось OY расположена в плоскости симметрии и перпендикулярна оси OX. Ось OZ направлена в сторону правого крыла, перпендикулярна плоскости симметрии. Угловое положение самолета определяется тремя углами Эйлера (угловыми координатами): Dψ, υ, g. Угол Δψ между осью OX_д и проекцией связанной оси OX на горизонтальную плоскость X_дOZ_д называется углом рыскания. Угол υ между связанной осью OX и горизонтальной плоскостью называется углом тангажа. Угол γ между плоскостью симметрии самолета XOY и вертикальной плоскостью, проходящей через связанную ось OX, называется углом крена.

Рис. 1.2. Координаты углового движения самолета относительно центра масс

Направление полета самолета относительно земной системы координат определяется курсом ψ самолета, представляющим собой угол, отсчитываемый по часовой стрелке между направлением меридиана и проекцией продольной оси самолета на плоскость горизонта. В зависимости от меридиана, используемого в качестве линии отсчета (географический, магнитный, компасный), различают (рис. 1.3) истинный ψ, магнитный ψ_м и компасный ψ_к курсы. Магнитный курс ψ_м отличается от истинного курса ψ на величину магнитного склонения Δ_м, компасный курс ψ_к от магнитного курса ψ_м – на величину магнитной девиации Δ_к.

На практике курс измеряют также относительно ортодромии (ортодромический курс ψ_о). При этом под ортодромией понимают дугу большого круга, плоскость которого проходит через центр Земли.

Рис.1.3. Истинный, магнитный и компасный курсы самолета

Кроме линейных (H, L, Z) и угловых (Δψ, u, g, ψ) координат используются параметры, характеризующие движение самолета по отношению к набегающему потоку воздуха. Для этой цели вводится скоростная система координат OX_аY_аZ_а (рис. 1.4), связанная с вектором скорости движения самолета относительно воздушной среды, называемой истинной воздушной скоростью. Направление оси OX_а скоростной системы координат OX_аY_аZ_а совпадает с направлением вектора . Ось OY_а перпендикулярна оси OX_а и расположена в вертикальной плоскости, проходящей через ось OX_а. Ось OZ_а перпендикулярна плоскости X_аOY_а и направлена в сторону правого крыла.

Рис. 1.4. Положение скоростной системы координат

по отношению к связанной системе

Положение скоростной системы координат OX_аY_а Z_а по отношению к связанной системе координат OXYZ определяется углами a и b(рис. 1.4).

Угол aмежду проекцией вектора истинной воздушной скорости на плоскость симметрии самолета (XOY) и связанной осью OX называется углом атаки. Угол b между вектором истинной воздушной скорости и плоскостью симметрии самолета XOY называется углом скольжения.

В самолетовождении кроме истинной воздушной скорости используются также такие скорости полета, как индикаторная (приборная), путевая и вертикальная. Индикаторная скорость V_и – это истинная воздушная скорость, приведенная к нормальной (массовой) плотности воздуха. Путевая скорость V_п – это горизонтальная составляющая скорости движения летательного аппарата относительно земли. При наличии ветра путевая скорость равна геометрической сумме горизонтальных составляющих истиной воздушной скорости и скорости ветра. Вертикальная скорость V_в – это вертикальная составляющая скорости движения самолета относительно земли. Безразмерной характеристикой скорости полета самолета является число M, равное отношению истинной воздушной скорости к местной скорости звука.

В целях обеспечения требуемого качества управления движением по траектории в ряде случаев необходимо измерять производные линейных и угловых координат: угловые скорости и ускорения относительно связанных осей (w_x, w_y, w_z, ), линейное ускорение j по направлению связанной оси.

Режим работы силовой установки характеризуется комплексом параметров, определяющих тягу P_т, удельный расход топлива G_{уд. т}, температурную и динамическую напряженность его деталей и устойчивость работы. К этим параметрам относят степень повышения давления в компрессоре П_к^*, температуру газов T_з^* перед турбиной, расход G_в воздуха через двигатель, давление и скорость воздуха и газов по тракту двигателя и т.п.

Основными из отмеченных параметров являются величины T_з^* и П_к^*. В рабочих режимах обычно ограничиваются условием П_к^*=const; T_з^*= const. При неизменных параметрах внешних условий величина П_к^* пропорциональна частоте вращения n в единицу времени. Поэтому в качестве измеряемых параметров при определении тяги, удельного расхода топлива, динамической и температурной напряженности деталей двигателя используют параметры n и T_з^*. Параметры n и T_з^* можно регулировать изменением расходов G_т основного и G_ф форсажного топлива, площади реактивного сопла, а также изменением угла установки лопаток направляющего аппарата компрессора.

В связи с тем, что условия работы приборов на самолете отличаются от условий работы приборов на земле разнообразием и сложным сочетанием различных внешних факторов, влияющих на работу приборов, к измеряемым на самолете параметрам относят также параметры окружающей среды и механических воздействий (вибраций, перегрузок).

Основные параметры, характеризующие режимы полета самолета и их измерители приведены в табл. 1.1.

Измерители основных параметров полетаТаблица 1.1

Наименование параметра	Обозначение	Применяемый параметр
Пилотажно-навигационные параметры
Углы: рыскания тангажа крена курса   Истинная воздушная скорость Индикаторная скорость   Число Маха Путевая скорость   Высота полета   Боковое отклонение Пройденное расстояние   Вертикальная скорость   Угол атаки Угол скольжения Угловая скорость Угловое ускорение Линейное ускорение Угол сноса   Перегрузка	D ψ u γ ψ, ψм, ψк, ψо   V   Vи M Vп H, Hист, Hотн Z L Vв   α β ω j βс nп	Гирополукомпас, курсовая система Авиагоризонт, гировертикаль Авиагоризонт, гировертикаль Гироиндукционный компас, курсовая система Измеритель скорости, система воздушных сигналов Измеритель скорости, система воздушных сигналов Система воздушных сигналов Доплеровский измеритель скорости и угла сноса Корректор высоты, система воздушных сигналов Автоматическое навигационное устройство, навигационное вычислительное устройство Вариометр, дифференцирующее устройство Датчик угла атаки Датчик угла скольжения Датчик угловой скорости Дифференцирующее устройство Датчик линейных ускорений Доплеровский измеритель скорости и угла сноса Датчик перегрузок
Таблица 1.1 (продолжение)
Наименование параметра	Обозначение	Применяемый параметр
Параметры режимов работы силовых установок
Частота вращения Температура в двигателе: перед турбиной за турбиной масла воздуха Давление в двигателе: топлива масла за компрессором в воздухозаборнике Перепад давлений на турбине Расход топлива: основного форсажного Количество топлива в баках: объемное весовое Крутящий момент Тяга двигателя Амплитуда вибрации Частота вибрации	n Tз* T4 Tм Tв Pм Pк Pпр   εт Gт Gф Vт Gт Mкр Pт aв fв	Измеритель частоты вращения   Термометры   Манометры     Дифманометр   Расходомеры Топливомеры Моментомер Измеритель тяги Аппаратура для измерения параметров вибрации

Таблица 1.1 (продолжение)

Наименование параметра	Обозначение	Применяемый параметр
Параметры окружающей среды
Параметры атмосферы: плотность относительная плотность температура давление влажность скорость ветра	ρ Δп T р χ W	Плотномеры   Термометр Манометр (барометр) Гигрометр Измеритель скорости

Авиационные приборы и измерительные системы можно классифицировать по назначению, принципу действия, дистанционности и способу воспроизведения измеряемой величины.

По назначению приборы и системы подразделяют на пилотажно – навигационные приборы и системы, приборы контроля работы силовых установок, приборы для измерения параметров окружающей среды и приборы контроля за работой отдельных систем и агрегатов самолета.

По принципу действия приборы могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, оптическими и др., а также комбинированными (электромеханическими и т. п.).

По способу управления приборы разделяют на недистанционные и дистанционные. Для дистанционного прибора характерно наличие линии связи, соединяющей разнесенные на некоторое расстояние датчик и индикатор. Линия связи может быть электрической, оптической, механической, пневматической, гидравлической.

По способу воспроизведения измеряемой величины приборы могут быть: с непосредственной выдачей информации, регистрирующими и измерительными преобразователями (датчики). Приборы с непосредственной выдачей информации подразделяют: на приборы с индикацией информации в виде цифровых или аналоговых данных; на приборы с выдачей изображения в виде силуэта самолета, экрана с картой обстановки и т. п.; на приборы, выдающие информацию в виде световых табло с надписями; на приборы, выдающие информацию в виде звукового сигнала, и др.

Регистрирующие приборы фиксируют информацию непрерывно на бумаге, магнитных лентах или дискретно с помощью печатающего устройства.