MASURAREA VITEZEI DE ZBOR

MASURAREA VITEZEI DE ZBOR

Scopul lucrarii

Prin realizarea acestei lucrari se asigura experimentarea metodei aerodinamice de masurare a vitezei de zbor precum si cunoasterea instalatiilor utilizate in acest scop. Totodata, se asigura formarea deprinderilor practice privind masurarea instalatiilor precum si explicarea erorilor care apar in procedeul de masurare.

2. Partea teoretica a lucrarii

Evolutia centrului de masa al unei aeronave in raport cu pamantul este caracterizata cu ajutorul vectorului viteza totala (tangent la traiectoria aeronavei), ce poate avea o orientare oarecare. In pilotaj si navigatie ne intereseaza insa componentele vectorului, luate in raport cu sistemul de coordonate orizontal. Axele acestui sistem sunt: directia est Ox, directia nord geografic. Oh, si verticala locului Oz,. Dupa cum bine se cunoaste, curba descrisa in spatiu de catre centrul de masa al aeronavei se numeste traiectorie (curba A'B') (Fig. 1). Proiectia traiectoriei pe planul orizontal Oxh, se numeste traiectoria de zbor (curba A'B'). Proiectia vectorului in plan orizontal reprezinta viteza de drum , iar proiectia lui dupa axa verticala Oz-viteza verticala Daca a este unghiul format de axa vectorului cu planul orizontal (se numeste si unghi de incidenta), atunci:

Dar viteza vericala este si derivata latitudinii, deci:

Viteza de drum se compune din viteza de deplasare fata de masele de aer si din viteza maselor de aer , respectiv "viteza vantului' (Fig. 2). Unghiul format de vectorul si se numeste unghiul de deriva D. Unghiul dintre directia nordului adevarat - NA si vectorul este CA capul adevarat, iar vectorul DA drumul adevarat.

Relatia dintre cele trei viteze, care formeaza asa-zisu! "triunghi al vitezelor' este:

= +

Asupra vitezei trebuie facute urmatoarele precizari:

- daca ea este masurata pe baza presiunii aerodinamice in conditiile standard atunci ea se noteaza cu si se numeste viteza aerodinamica sau viteza indicata.

Aparatele care permit masurarea acestei viteze se numesc vitezometre aerodinamice (vitezometre). Cum viteza este detreminata in conditii standard si , atunci aparatele sunt gradate in parametrii atmosferei standard. Deoarece este masurata presiunea aerodinamica, indicatiile vitezometrelor se folosesc pentru rezolvarea problemei de pilotaj (deoarece dau indicii asupra fortei de portanta

Dezavantajul principal al pilotarii dupa viteza indicata , este acela al aparitiei unei erori de masura ce creste cu altitudinea (cu cresterea inaltimii, densitatea aerului scade si pentru a mentine forta de potanta P la inaltimea H, viteza trebuie sa creasca, cu toate ca vitezometrul va indica o viteza constanta, el fiind gradat dupa parametrii atmosferei standard)

- daca este masurata in raport cu masele de aer in conditii reale de zbor, se numeste viteza adevarata sau viteza proprie si este tocmai vectorul din triungiul vitezelor (Fig 2).

Raportul dintre viteza V si viteza de propagare in aer a sunetului a se numeste numarul Mach,M M = V/a

In general V > V_i deoarece:

Unde: este corectia vitezei aerodinamioce (indicate) cu altitudinea;

- corectia vitezei aerodinamice cu temperatura;

-corectia vitezei aerodinamice cu compresibilitatea pt M>1.

Instrumentele cu care se masoara viteza aerodinamica se numesc vitezometre, viteza verticala - variometre, iar cele care masoara numarul M-machmetre.

2.1. Metode de masurarea vitezei de zbor

Pentru masurarea vitezei de deplasare a aeronavelor in raport cu masele de aer - V - se pot utiliza mai multe metode printre care amintim:

Þ            Metoda manometrica sau aerodinamica - se bazeaza pe masurarea diferenteidintre presiunea totala p_t si pe presiunea statica p a fileurilor incidente de aer (p_t - p), sau a raportului dintre aceste doua presiuni p_t /.p.Presiunile p_t si p se capteaza cu ajutorul unor prize de presiune.

Aparatul se comporta ca un manometru diferential care masoara presiunea dinamica ca diferenta intre presiunea totala preluata de la sonda de presiune totala si presiunea statica preluata de la sonda de presiune statica.

Þ              Metoda termodinamica - se bazeaza pe masurarea incalzirii aerului franat datoritafenomenului de franare dinamica a fileurilor incidente de aer. Traductoarele folosite in acest caz sunt elemente sensibile la temperatura, respectiv termocuplete.

Þ              Metoda anemometrica - se masoara viteza de rotatie a unei turbine dispusa in curentul de aer. Aceasta viteza de rotatie este direct proportionala cu viteza de deplasarea fileurilor de aer, daca se neglijeaza frecarea in lagare. Aparatul care foloseste aceasta metoda de masurare se numeste anemometru si el este folosit la bordul aeronavelor, metoda este foarte raspandita in meteorologie.

Þ              Metoda rezolvarii unghiului vitezelor - se foloseste pentru determinarea vitezei de drum W, cunoscand vectorii V si U . Modulul vectorului V se masoara in zbor orizontal cu ajutoru vitezometrului pentru viteza adevarata, iar orientarea lui cu compasul si vectorul vitezei vantului U se determina din datele meteorologice comunicate de la sol, sau daca vizibilitatea permite prin metoda vizarii unor repere terestre. Cunoscandu-se astfel cele doua componente, calculul lui W se poate face manual cu rigla de navigatie.

Þ              Metoda vizarii reperelor terestre - se bazeaza pe operatia de vizare a unor repere terestre care se gasesc in campul de observatie al vizorului optic si permite determinarea vitezei de drum W. Metoda masoara practic timpul t scurs de la vizarea verticala a unui reper pana la un unghi oarecare a. Aparatele pentru determinarea lui W cu aceasta metoda se numesc cinemometre. Daca aparatul permite masurarea atat a lui W cat si a derivei, el se numeste cinemoderivometru.

Þ              Metoda Doppler- determina viteza de drum W si unghiul de deriva D prin efectul Doppler. Acest fenomen consta in variatia frecventei oscilatiilor electromagnetice a undei emise fata de cea reflectata atunci cand emitatorul si receptorul se afla intr-o miscare relativa fata de un obstacol.

Þ              Metoda inertiala - se bazeaza pe proprietatea unui corp greu ce se roteste cu o viteza apreciabila de a-si pastra pozitia in spatiu. Astfel, prin schimbarea pozitiei acestui corp (giroscop) este masurata acceleratia de miscare pe trei directii. Prin integrarea acestei acceleratii se obtine viteza de miscare a giroscopului care este solidar cu aeronava, deci a aeronavei.

Dintre metodele prezentate anterior in aviatie, cele mai utilizate sunt metoda manometrica pentru determinarea vitezei adevarate si metoda Doppler si inertiala pentru determinarea vitezei de drum.

2.2. Teoria vitezelor aerodinamice

Prezentand metoda aerodinamica de masurare a vitezei si a numarului Mach este necesar sa se stabileasca relatiile dintre marimile p₁,p ₂,p_d ,V, M si T . In acest scop se aplica ecuatia Bernoulli unui tub de curent separat din fluxul incident de aer si franat in punctul critic al prizei de presiuni (Fig 3). Punctul critic este caracterizat prin anularea vitezei V.

In cazul vitezelor mici (M,0.5) se poate scrie si ecuatia lui Bernoulli neglizand compresibilitatea aerului =const, in sectiunile 1 si 2 sub forma:

unde V₁=V este viteza fileurilor de aer in amonte de priza V₂ = 0 deoarece tubul de curent in sectiunea 2 se franeaza complet iar p₂=p_t si p₁=p sunt presiunile totala si respectiv statica. Cu aceste observatii si p₁= p₂= p=const devine:

2.3 Constructia vitezometrelor aerodinamice

Vitezometrul pentru viteza indicata este un manometru care masoara presiunea aerodinamica q_e. Cadranul acestuia este etalonat in unitatii de viteza, considerandu-se parametrii atmosferiei standard. Cum s-a specificat Ia inceputul acestui capitol cunoasterea presiunii qe este necesara pentru evitarea unor greseli de pilotaj, constituind un indiciu asupra fortei portante a aeronavei. De asemenea, acest aparat nu este util pentru rezolvarea problemei de navigatie deoarece V_i V.

Schema constructiva a unui astfel de vitezometru este prezentata in Fig 4. In cazul cand acest aparat se realizeaza intr-o carcasa separata, cu cadran propriu, se iau unele masuri constructive cum ar fi folosirea unei scari atenuante sau afisarea indicatiilor cu ajutorul a doua mecanisme de scara, unul precis si altul grosier.

De regula, aparatul care masoara viteza indicata se gaseste in aceiasi carcasa cu vitezometrul pentru viteza adevarata.

Pentru deducerea caracteristicii statice (ecuatia scarii) a aparatului folosim schema structurala a aparatului, prezentata in Fig 5, care pune in evidenta transformarea succesiva a marimilor intermediare din cele trei elemente componente:

Þ    Priza de presiune statica - converteste viteza de masurat Vi in presiune dinamica p_d

Þ    Elementul sensibil, care converteste presiunea dinamica p_d in deplasare rectilinie w. Consideram aceasta caracteristica liniara si egaia cu: w=S₂ p_d unde S₂ este sensibilitatea capsulei.

Þ              Element de transmitere si amplificare are rolul de a converti deplasarea liniara w in miscare de rotatie b a acului indicator. Pentru mecanismul biela-manivela combinat cu angrenajul rotii dintate se poate scrie caracteristica:

unde a si a sunt lungimea si unghiul initial al manivelei, iar - reprezinta raportul de transmitere al angrenajului.

Fig. 5.7 Schema structurala a vitezometrului de viteza indicata

Caracteristica statica a intregului aparat se poate obtine din cele trei caracteristici (6), (7), (8) eliminand marimile intermediare, astfel incat se obtine:

Din (9) se observa ca b=f(V²), deci se obtine o caracteristica cu o sensibilitate crescatoare b =2f'(V₁), in timp ce de fapt este necesara o scara atenuata cu sensibilitate descrescatoare cu cresterea lui b, de exemplu o caracteristica de genul In acest caz problema se rezolva invers, respectiv eliminarea caracteristicii capsulei manometrice astfel incat sa fie indeplinita caracteristica scarii.

2.4. Erorile vitezometrelor

In general vitezometrele sunt afectate atat de erori instrumentale, specifice tuturor aparatelor manometrice cu capsula, cat si de erori metodice. Dintre erorile instrumentale specifice mentionam:

- erorile datorate impreciziei de captare a presiunii p_t si p

- erorile datorate impreciziei de masurare a presiunii de catre manometrul mecanic,iar printre cele mentionate amintim

- erorile datorate variatiei presiunii si temperaturii;

- erorile datorate turbulentei atmosferice.

Aparatura necesara executarii lucrarii

Se utilizeaza urmatorele materiale:

- Instalatie de laborator pentru simularea presiunii dinamice;

- Vitezometrul aerodinamic;

- Surse de alimentare de aviatie;

- Cabluri de legatura.

3.1. Descrierea instalatiei de laborator

Instalatia se alimenteaza de la tensiuni de aviatie: 27V c.c. si 115 V ca. In componenta instalatiei intra urmatorele parti mai importante:

sursa de alimentare de aviatie 27V c.c si 115 V ca;

cabluri de alimentare;

robinet de comanda a presiunii dinamice;

robinet de comanda a presiunii statice;

robinet diferential;

conducta de presiune statica;

7. vitezometrul aerodinamic;

8. conducta de presiune dinamica;

9. instalatie de masura;

10. in conducta de presiune (0 - 200mmHg);

11. conducta de presiune (>200 mmHg);

12. conducte de presiune;

13. pompa de presiune sau vid;

cabluri de alimentare.

3.2 Modul de lucru

Inainte de inceperea lucrului se cupleaza conductele de presiune intre instalatia de masura si vitezometru, respectiv pompa de presiune;

. Se cupleaza cablurile de alimentare la sursa de presiune, fiind atenti la tipul ei;

Se insurubeaza robinetele de presiune;

Se alimenteaza cu tensiune din 1 instalatia de masura 8 si pompa de presiune 12;

. Se aplica tensiune asupra vitezometrului prin actionarea robinetelor 3,4si5;

. Se citeste presinea dinamica pe indicatoarele 9, 10 (in mmHg);

. Se citeste viteza corespunzatoare pe vitezometrul 7.

3.3 Probleme de studiat

Pe timpul lucrarii se vor executa determinarile:

-ridicarea caracteristicilor V=f(p_d) la H=0m si la H=1000m, atat la cresterea vitezei de la 0350 km/h cat si la descresterea ei;

-verificarea experimentala a ecuatiilor de etaloanare 9 si determinarea erorilor relative, stiindu-se ca marimile trebuiesc exprimate in marimi din sistemul international, iar 760mmHg = 1.01325*10⁵Pa (N/mm²)

-de ce caracteristica de urcare nu corespunde cu cea de coborare la aceeasi altitudine? Dar la altitudini diferite?

4. Date experimentale si rezultate

5.Concluzii