Скорость полета самолета и трубка Пито.

Здравствуйте, друзья!

Скорость полета. Одна из важнейших характеристик  для любого летательного аппарата.  Мы все привыкли, что самолет обязательно означает «быстро». Все ассоциации работают только в этом направлении. Скорость многим нравится. Практически любой человек не прочь прокатиться «с ветерком» на своем авто (если, конечно, полиция не помешает 🙂 ) . И информацию о движении здесь получить несложно. Достаточно взглянуть на спидометр, который механическим или электронным способом соединен с колесом. Скорость вращения колеса дает нам в конечном итоге скорость, с которой автомобиль движется по дороге.

Но а как же быть с самолетом? Нет ведь в воздухе дорог, по которым можно было бы ехать :-). Единственная среда, с которой летательный аппарат контактирует непосредственно — это воздух. Вот от него-то он большую часть информации о своем движении и получает. Что касается конкретно скорости полета, то вполне понятно, что чем быстрее самолет летит, тем сильнее на него давит встречный воздушный поток (скоростной или динамический напор). Отсюда логично было бы определять скорость полета в зависимости от величины этого давления. Так же как, кстати, и с атмосферным давлением и высотой. Ведь чем выше летит самолет, тем атмосферное давление ниже. О высоте, однако, поговорим в одной из следующих статей, а пока на повестке дня скорость полета.

Для сбора и обработки такого рода данных на современных самолетах существуют специальные системы. Одно из названий для них — система воздушных сигналов (СВС).

Работа датчиков такой системы, собирающих данные для определения скорости полета основана на двух уже почтенного возраста изобретениях. Первое — это трубка Пито. Она изобретена в 1732 году французским ученым А.Пито. Он занимался гидравликой, то есть изучал течение жидкости в трубах. Как известно законы гидравлики при определенных условиях вполне применимы для газов, то есть для воздуха. Его мы в дальнейшем и будем иметь ввиду. 

Скорость полета самолета и трубка Пито

Схема классической трубки Пито

Трубка Пито представляет собой L — образную трубку, один конец которой помещен в скоростной (воздушный :-)) поток. Этот поток в трубке тормозится, создавая в ней избыточное давление, по величине которого и можно судить о скорости потока, то есть по сути дела скорости полета, если эта трубка установлена на летательном аппарате. Вобщем-то принцип достаточно простой :-).

Однако здесь надо не забывать еще об одной важной вещи. Все, что находится внутри земной атмосферы, существует в ней под постоянным  атмосферным (статическим) давлением. Мы его практически не ощущаем (если, конечно, все в порядке со здоровьем :-)), но оно есть и так или иначе оказывает влияние практически на все физические процессы, происходящие вокруг нас, то есть на всю нашу жизнь. Прямо как в фильме «ДМБ» :-):

— Видишь суслика?
— Нет…
— И я не вижу…  А он — есть!

Если серьезно, то то давление, которое мы получаем при торможении воздушного потока в трубке Пито – это так называемое полное давление. Оно, на самом деле, равно сумме двух других давлений.

Полное давление = динамическое давление (скоростной напор) + статическое давление.

Это, между прочим, упрощенное изложение уравнения Бернулли, того самого ученого, о котором мы уже упоминали в статье о подъемной силе. Все правильно, ведь в обоих статьях мы говорим о газовых потоках, а это стихия любого летательного аппарата :-).

Динамическое давление, его еще называют скоростной напор, это то самое давление, которое и дает нам скорость полета. Статическое давление – это наше незаметное (как суслик :-)) давление. И при измерении скорости его обязательно надо учитывать, ведь оно в разных точках пространства может иметь различные значения, особенно с изменением высоты полета, и тем самым оказывать влияние на величину измеренной скорости полета.

Теперь для простоты понимания приведу пару формул. Именно для простоты понимания, хоть это и не в традициях сайта :-). Итак обзовем (как говорил мой преподаватель по физике) полное давление Р, динамическое — Р1, статическое — Р0 , скорость полета (потока) – V. И еще нам понадобится такой физический параметр, как плотность воздуха ρ. Я думаю все еще со школы помнят, что это такое :-).

Скоростной напор выражается такой формулой Р1 = ρV²/2.

В итоге мы имеем такое уравнение: Р =  Р0 + Р1 = Р0 +  ρV²/2

Из него очень просто получить искомую скорость полета: V = √((2(Р — Р0))/ρ)

Исходя из этого несложного выражения работают все авиационные воздушные (аэродинамические) измерители скорости. Как пример можно привести достаточно простой указатель скорости для малоскоростных самолетов УС-350.

Указатель скорости УС-350.

Как видите, нам, чтобы определить скорость полета, нужно измерить полное давление потока и статическое давление. Классическая трубка Пито дает только полное давление. Поэтому статику приходится измерять отдельно. Во избежание этого неудобства трубка Пито была усовершенствована.

Это второе изобретение (а точнее усовершенствование) из тех двух, о которых я говорил выше. Его сделал немецкий ученый-физик Людвиг Прандтль, которого даже иногда называют отцом современной аэродинамики. Он объединил измерение полного давления потока и статического давления в одной трубке. Для этого в ней есть одно отверстие в направлении потока для полного давления и ряд отверстий на поверхности, обычно расположенных по кольцу, для статического давления. Оба эти давления обычно отводятся в герметичные емкости, разделенные чувствительной мембраной и уже ее движение передается на стрелочный указатель скорости полета. Вот и все. Все гениальное просто, как известно :-)… Такое устройство называют трубкой Прандтля или Пито-Прандтля. На рисунке: 1 — трубка Прандтля, 2 — воздуховоды, 3 — шкала указателя скорости (УС), 4 — чувствительная мембрана.

Скорость полета самолета и трубка Пито

Схема работы трубки Прандтля (ПВД).

Работа указателя скорости неплохо показана в этом небольшом ролике.

На современных летательных аппаратах эти устройства получили новое, более простое и правильное название: приемники воздушного давления (ПВД). Они дают первичные данные в сложный комплекс системы воздушных сигналов. Трубки Пито в чистом виде сейчас практически не применяются. Хотя кое-где в малой авиации они еще встречаются. В комплекте к ним тогда обязательно идут приемники статического давления в виде плиты с рядом отверстий на обшивке летательного аппарата.

Скорость полета самолета и трубка Пито.

Трубка Пито под крылом самолета Cessna 172.

Чаще используются так называемые комбинированные ПВД. Они по конструкции представляют собой типичные трубки Прандтля. Эти устройства обязательно снабжаются мощной системой электрического обогрева, так как небольшие отверстия для замера давлений при обледенении самолета вполне могут быть закупорены льдом, что, конечно, может помешать их корректной работе. На стоянках приемники воздушных давлений закрываются специальными заглушками или чехлами для исключения попадания посторонних предметов и грязи в отверстия.

Типичный ПВД современного самолета.

Приемник воздушного давления на СУ-24М (цифры 1 и 2).

Все данные, выдаваемые ПВД, как я уже говорил, в итоге передаются на стрелки специальных приборов – указателей скорости полета. Они довольно разнообразны, как разнообразны и определения для скоростей полета летательного аппарата. Ведь он передвигается не только относительно земли, но и относительно атмосферы, которая сама по себе среда очень нестабильная.

Итак, скорости летательного аппарата.

Воздушная скорость (самая важная :-)). Она делится на два вида:

Истинная воздушная скорость ( True Airspeed (TAS) )  и Приборная воздушная скорость ( Indicated Airspeed (IAS) )

Приборная скорость – эта та скорость, которую летчик видит в своей кабине на приборе-указателе скорости. Она используется для пилотирования летательного аппарата непосредственно в данный момент времени.

Истинная скорость – это фактическая скорость полета самолета относительно воздуха. Она используется для навигации. Зная ее, например, рассчитывается время прибытия в конечный пункт маршрута и возможные при этом отклонения. Измерить эту скорость обычно невозможно. Она рассчитывается с использованием приборной скорости, давления воздуха и его температуры. При этом учитываются погрешности указателя приборной скорости. Они всегда есть, как у любого измерительного прибора на нашей земле :-). Эти погрешности (или ошибки) бывают:

Инструментальные. Возникают из-за несовершенства и особенностей изготовления самого прибора.

Аэродинамические. Это ошибки, возникающие при замере статического давления. Обусловлены конструкцией самолета, местом расположения датчиков и скоростью полета.

Методические. Эти ошибки обусловлены тем, что каждый указатель скорости рассчитывается и тарируется  под определенные условия. В физике такие условия называются нормальными. Это когда атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., а температура воздуха 15°  С. Но на самом деле с подъемом на высоту эти условия меняются. Меняется и плотность воздуха и следовательно скорость, которую показывает прибор, то есть приборная. С подъемом на высоту приборная скорость всегда меньше истинной.  Они равны только при нормальных атмосферных условиях. Все эти погрешности учитываются в виде поправок при навигационных расчетах.

Путевая скорость (Ground Speed (GS)). Это скорость летательного аппарата относительно земли. Она рассчитывается на основании истинной скорости с учетом скорости ветра и используется при решении навигационных задач.

Крейсерская скорость. При этой скорости величина отношения потребной тяги к скорости полета минимальна. То есть летательный аппарат на этом режиме максимально экономичен при сохранении скорости, достаточной для выполнения задачи. Крейсерская скорость обычно равна 0,7-0,8 от максимальной. На ней выполняются долговременные полеты по маршрутам.

Вот пока, пожалуй, и все. Однако в завершение скажу об одной важной детали. Говоря в этой статье о воздушных потоках и скоростях, мы имели ввиду скорости до 350-400 км/ч. Дело в том, что начиная с этих скоростей проявляется новый эффект воздушного потока – сжимаемость. Она порождает новую методическую ошибку в измерении скорости, которую тоже надо учитывать. Влияние сжимаемости с ростом высоты и скорости полета растет, переходя в эффекты сверхзвука. Но скорость полета на сверхзвуке, трубка Пито на этом режиме и другие приборы измерения скорости — это уже тема следующей статьи…

До новых встреч :-)…

P.S. В заключении предлагаю вам посмотреть дополнительный ролик, рассказывающий о трубках Пито и Прандтля.

{lang: 'ru'}

No related posts.

This entry was posted in АЭРОДИНАМИКА. ЭЛЕМЕНТАРНО., МИР АВИАЦИИ and tagged . Bookmark the permalink.

71 Комментариев: Скорость полета самолета и трубка Пито.

  1. Денис говорит:

    Не могли бы вы мне, глупому, пояснить, почему статическое давление регистрируемое самолётом через отверстие перпендикулярное потоку не зависит от скорости, или давление не стенку трубы в первом примере на видео также не зависит от скорости жидкости? Ведь, рассматривая трубку Вентури или профиль крыла, объясняют, что давление уменьшается с ростом скорости.

    • Юрий говорит:

      Я бы объяснил это так. В трубке Вентури и при обтекании потоком профиля крыла падение статического давления при увеличении скорости потока выводится из постоянства полного давления в потоке, то есть закона Бернулли. Динамическое больше, значит статическое меньше. Однако закон Бернулли — это следствие закона сохранения энергии, который в свою очередь выводится для изолированной (или замкнутой) физической системы. Трубка Вентури (достаточно приближенно) может рассматриваться, как система замкнутая. Приемник же статики на борту самолета вкупе с атмосферой, от которой он эту статику берет, под определение замкнутой совсем не подходит и закон Бернулли здесь неприменим. Приемник просто фиксирует постоянное атмосферное давление.

  2. Юлий Давидович говорит:

    Здравствуйте, Юрий.
    https://yadi.sk/d/Ru8iju4N36dqCo
    Прочитайте нашу статью и скажите своё мнение.
    Можно ли на базе ЛАГ подняв его чувствительность для воздуха в принципе сделать измеритель воздушной скорости для каких то частных задач.

    • Юрий говорит:

      Я так и не смог, к сожалению, прочитать Вашу статью. Или ссылка неверна или поздно взялся и вы закрыли доступ….

      • Юлий Давидович говорит:

        Добрый день, Юрий!
        Направляю Вам журнал Лазер-Информ с нашей статьёй https://yadi.sk/i/dYOphQ6J3D7kr3
        На базе наших работ в принципе возможно разработать бортовые измерители скорости не только для наземных и морских транспортных средств, но и для воздушных, в первую очередь, для вертолётов и беспилотников.
        Возможно измерение 2-3 состовляющих вектора скорости.
        Как Ваше мнение, какие основные технические требования к такому прибору.
        С уважением, Ю.Д. Каминский
        м.т. +7(916)062-0899

  3. Дима говорит:

    Скажите пожалуйста, какая разница между статическим давлением и атмосферным давлением.

    • Юрий говорит:

      По сути дела статическое давление и есть атмосферное или говоря точнее давление столба атмосферного воздуха на мембрану прибора в данном конкретном месте и в конкретный момент времени (атмосферное давление в данном конкретном месте).

  4. Александр говорит:

    Спасибо за информацию, мне скоро ехать на первую сессию (поступил в авиационный университет) сайт очень хороший, буду много времени на нём проводить=)

  5. Алексей говорит:

    Так оно и есть и как с этим бороться — не понятно. Сейчас посмотришь на молодых пилотов, все такие манерные, постоянно в тёмных очках… однажды АБСУ отказала в условиях болтанки — так вот этот «крутой» пилот побелел и по зеленел, руки затряслись, начал путаться в речи при радиообмене с диспетчером, чуть не раскачал самолёт по кренам… а после посадки долго всем рассказывал в какую (_|_) он попал. Сейчас ни один современный пилот не сможет на эшелоне руками (без АП) удержать самолёт от раскачки по тангажу. Вы верно сказали — это не пилоты, это операторы.

    • Николай Китаев говорит:

      Да это не я… Читаю тут всякую фигню, на вроде «Crew Resource Managment Training B-737». Кто только в кабине не обитает — и Human, и Peoples, и Operator. Иногда появляются Inspector и Examiner. Вот думаю — к концу документа на 256 стр я хоть раз увижу слово Pilot?! 🙂

  6. Николай Китаев говорит:

    У ПВД есть диапазон рабочих углов атаки. Обычно это ±20°. Плоский штопор — это где то от 60 и выше. В зависимости от места установки ПВД может попасть в зону каких то образовавшихся вихрей, которые никакого отношения к реальной воздушной скорости не имеют.

    Одним словом — ПВД не в эксплуатационном диапазоне, поэтому указатель может показывать все что угодно. Обычно полную ерунду. На моем самолете в этот момент вариометр ВР-15 например, делает больше чем пол оборота и показывает набор высоты +12 м/с, хотя большая стрелка высотомера в этот момент крутится на уменьшение высоты быстрее секундомера…

    • Алексей говорит:

      Спасибо за ответ Николай! Я знал, что 160-ти там не было, иначе он бы вышел. Я писал испытателям и пользователям Zlin-42, расписывал всё происшествие в деталях. Крутят пальцем у виска и говорят, что подобные срывы в штопор и выводы из них делаются на высоте минимум 1700 метров и то если это опытный пилот-инструктор. А тут 250 метров — выйти маловероятно, а разгон из плоского штопора требует времени несколько больше чем 3 секунды. Не надо было вообще лететь в условиях обледенения, а если и лететь, то набирать высоту и лететь, а не крутиться на высоте 250 метров. Произошло обмерзание входного коллектора и сильное обогащение рабочей смеси, гореть она стала долго и плохо, а потом и вовсе перестала гореть. Даже если бы не штопор, то при остановке двигателя при выпущенных закрылках скорость 108 км/ч и сыпучка -4,2 м/с — но приземляться на колдобины и деревья при скорости 108 км/ч не очень большое удовольствие — капот обеспечен, да ещё и не раз. Эх тяжко всё это. Обидно и досадно.

      • Николай Китаев говорит:

        Да, всегда обидно и досадно при разборе авиационных инцидентов, но исправить уже ничего нельзя… И общая закономерность — никогда причиной не бывает одна неисправность или одна ошибка. Как правило — это цепочка ошибок и отказов, нанизанные в «нужной» последовательности и времени проявления.
        Поговорил с пилотажником и летчиком-испытателем. Пилотажник говорит, что на больших углах на УС не смотрит, больше ориентируется на ощущения и внешние признаки (например, Як-52 — характер вибраций по самолету). Первое дело — сойти с больших углов атаки, тогда УС можно уже верить.
        Испытатель примерно тоже самое говорит: самое сложное при срыве на малой высоте отдать ручку от себя для ухода с больших углов и набора скорости. Испытатели привыкшие к полетам на предельных режимах могут так сделать, и на малой высоте протискиваясь между елок вывести самолет в горизонтальный полет. Приводят даже пример: в ЛИИ (г. Жуковский) на взлете у Як-40 полный народу произошел срыв. Поскольку за штурвалом сидел летчик-испытатель, то он моментально перевел самолет в энергичное снижение и к 50 м успел набрать скорость. А Артему Боровику в 2000 г тоже на Як-40 в Шрм-1 в аналогичной ситуации не повезло — самолет упал. Гражданских летчиков не учат таким ситуациям, ибо «они не должны в них попадать». (мнение специалистов и контролирующих органов от ГА)

        • Алексей говорит:

          Это очень плохо, что нас не учат. Не только не учат, а даже запрещают закладывать крены больше 30-ти градусов. Не правильно это. Все лётчики привыкли к штатным ситуациям — двигатель не может заглохнуть, он на это не имеет права — вот так нам и говорят. Этим летом 3-го августа на взлёте пассажирский самолёт CRJ-200 с 50-ю пассажирами на борту, при разбеге на скорости 200 разлетается компрессор, клинит вал и его буквально выворачивает из опор и гондолы. На скорости 180 самолёт резко тащит в сторону, педаль до конца, штурвал в противоположную сторону, от себя и его каким-то чудом удаётся таки удержать на ВПП и остановиться. Отделались мокрой спиной, вернулись на стоянку. До конца ВПП оставалось метров 300 + козырёк. Ещё не много и произошёл бы отрыв передней стойки (в тот момент штурвал уже пошёл на себя), с одним двигателем и полной загрузкой этот самолёт летает мягко скажем не очень хорошо или вообще не летит. Пассажиры так ничего и не поняли. Подумали просто по чему-то не взлетели, какая нибудь ерунда. Через 4 часа прилетел другой борт и забрал всех пассажиров. А нам устроили допрос с пристрастием, мол мы сломали самолёт, а то, что тех.база никакая — никого не волнует и причём здесь мы — штатные пилоты, совершенно не понятно.

          • Николай Китаев говорит:

            Тут в общем то огромный комплекс вопросов. Уровень надежности техники растет и роль пилота постепенно снижается, низводя его до уровня пилотирующего (КВС) или контролирующего (2П) «оператора авиационного комплекса» (без всякого юмора, но это действительно так). А расплатой за прогресс служат вот такие ситуации, которые мы с вами описали. Исход будет зависеть от уровня квалификации. Если за штурвалом будет все таки летчик (как это понималось условно до 2000-х), то все будет хорошо, ну а если оператор — дрова или полный рот земли (Донецк, Пермь, Петрозаводск, Ярославль — замучаешься перечислять).

            Это проблема интернациональная и лучше всех ее решают американцы. Они приветствуют полеты своих пилотов на разнотипной технике и в программе обучения на тренажерах у них есть приобретение навыков на «распознавание и вывод самолета из сложного пространственного положения». То есть прилетя в аэропорт JFK пилот садится в свою Цессну и летит домой — это не запрещено; ситуация позволяет выполнить ручную визуальную посадку с малого круга с выпуском шасси чуть ли не за 30 сек до БПРМ — молодец, выполняй; если попал в нехороший режим, то «морды после будем бить» сначала научись выйти из него целым и невредимым.
            Это не тупая работа контролирующих чиновников («соблюдай РЛЭ и тогда вы не должны туда попадать»), как у нас, а глубокий системный подход.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *