Для чего нужен вариометр

Глава 6 ВАРИОМЕТР, УКАЗАТЕЛЬ ПОВОРОТА И СКОЛЬЖЕНИЯ

Назначение и принцип действия вариометра. Во время полета самолет может перемещаться не только горизонтально, но и в вертикальной плоскости. Скорость увеличения или уменьшения высоты полета, или, иначе говоря, скорость подъема или снижения, называется вертикальной скоростью полета. Для измерения этой скорости полета на самолетах применяется прибор, называемый вариометром.

Шкала этого прибора обычно градуируется в м/сек.

Действие вариометра основано на принципе измерения разности между статическим давлением атмосферы, окружающей самолет, и давлением внутри сосуда, сообщающегося с атмосферой через капиллярную трубку.

В основе устройства вариометра (рис. 115) используется манометрическая коробка 1, внутренняя полость которой сообщается с атмосферой. Коробка имеет очень тонкие мембраны, способные заметно прогибаться при незначительных изменениях давлений.

Рис. 115. Принципиальная схема вариометра:

_{1 — манометрическая коробка; 2 — тяга; 3 — сектор; 4 — трибка; 5 — стрелка; 6 — шкала, 7 — капилляр; 8 — приемный штуцер}

Движение верхнего жесткого центра манометрической коробки передается с помощью тяги 2 зубчатому сектору 3, сцепленному с трибкой 4. Стрелка 5 укреплена на одной оси с трибкой 4 и указывает по шкале 6 скорость подъема или снижения самолета. Если самолет летит горизонтально, то атмосферное (статическое) давление внутри манометрической коробки 1 и давление внутри корпуса прибора (при условии хорошей герметичности прибора) будут одинаковы и, следовательно, разность между этими давлениями будет равна нулю. В этот момент мембрана манометрической коробки находится в состоянии равновесия и стрелка прибора устанавливается на нулевой отметке шкалы.

Предположим, что самолет, летящий строго горизонтально на некоторой высоте H₁, которой соответствует статическое давление Р₁, поднимается выше и через одну секунду достигает высоты Н₂, которой соответствует статическое давление P₂. Так как манометрическая коробка сообщается со статической камерой ПВД через трибку большого сечения, то в полости манометрической коробки почти мгновенно устанавливается давление Р₂, соответствующее новой высоте полета. В то же время в корпусе прибора, полость которого соединяется со статической камерой ПВД через капилляр 7, давление не успеет измениться с такой скоростью, с какой оно меняется внутри манометрической коробки, и будет некоторое время равно первоначальному давлению Р₁. Поэтому при подъеме разность давлений Р₁ и Р₂ заставит мембраны манометрической коробки сжиматься и указывающая стрелка прибора остановится на отметке шкалы соответствующей скорости набора высоты в м/сек.

При снижении самолета разность давлений направлена противоположно, манометрическая коробка будет расширяться и стрелка прибора укажет скорость снижения самолета также в м/сек.

§ 53. УСТРОЙСТВО ВАРИОМЕТРА ТИПА ВР-10

Чувствительным элементом вариометра ВР-10 является двухмембранная манометрическая коробка 2 (рис. 116 и 117).

Рис. 116. Общий вид вариометра типа ВР-10

Рис. 117. Схема механизма вариометров типа ВР-10 и ВР-30:

_{1 — капилляр; 2 — манометрическая коробка; 3 — тяга; 4 — стойка; 5 — плоская пружина; 6 — трубопровод; 7 — шкала; 8 — стрелка; 9 — кольцо с поводком; 10 — валик сектора; 11 — спиральная пружина; 12 — сектор; 13 — эксцентрик; 14 — пластинка упора; 15 — рычаг; 16 — валик; 17 — балансир; 18 — валик кремальеры; 19 — шестерня кремальеры; 20 — головка кремальеры; 21 — шестерня эксцентрика; 22 — штифт; 23 — штуцер; 24 — трибка}

Внутренняя полость манометрической коробки при помощи трубопровода 6 и штуцера 23 соединена с атмосферой через статическую камеру приемника воздушных давлений указателя скорости.

Манометрическая коробка имеет два жестких центра: неподвижный и подвижной.

Неподвижный центр коробки укреплен на плоской пружине 5. Эта пружина с одного конца укреплена неподвижно двумя винтами к нижнему основанию механизма, а другим концом опирается на эксцентрик 13 установочного винта.

Подвижной центр коробки имеет стойку 4, которая шарнирно соединена с тягой 3 передающего механизма. Над подвижным центром манометрической коробки установлена пластинка упора 14, предназначенная для ограничения хода коробки при вертикальных скоростях, превышающих расчетную. Тяга 3 другим концом соединена с рычагом 15, укрепленным на валике 16. Валик имеет кольцо 9 с поводком. На поводке укреплен балансир 17. Поводок соприкасается с валиком сектора. Сектор 12 сцеплен с трибкой 24, на оси которой насажена стрелка 8. На валике сектора укреплена спиральная пружина 11, которая служит для устранения люфтов и затираний в механизме прибора и для передвижения его частей при сжатии чувствительного элемента. Для отсчета показаний прибор имеет шкалу 7, отградуированную в м/сек.

Кремальерное устройство вариометра предназначено для установки стрелки на нуль в том случае, когда в результате длительной работы прибора упругие свойства манометрической коробки изменяются и стрелка отходит от нулевого деления шкалы.

Оттягивая на себя головку кремальеры, приводят в зацепление шестерни 19 и 21. При вращении кремальеры связанный с ней эксцентрик 13 будет поворачиваться, при этом плоская пружина 5 поднимается вверх или опускается вниз. Это движение через передающий механизм сообщается стрелке.

После установки стрелки на нуль кремальеру нужно выдвинуть обратно и завернуть головку 20. Таким образом, наличие на самолете вариометра позволяет летчику определить скорость подъема и спуска самолета в м/сек (рис. 118).

Рис. 118. Показания вариометра при наборе высоты, горизонтальном полете и снижении самолета

В горизонтальном полете стрелка вариометра удерживается в нулевом положении шкалы.

Проверка вариометра ВР-10. Вариометр, как и другие приборы, имеющие пружинные чувствительные элементы, допускает инструментальные ошибки. Вариометр периодически проверяют для определения степени герметичности корпуса и величины погрешностей в показаниях.

При проверке вариометра руководствуются техническими допусками:

— ошибки на всех точках шкалы не должны превышать 1 м/сек;

— смещение стрелки прибора с нулевого деления не должно превышать 0,3 м/сек.

— ограничитель должен вступить в работу в пределах 12–20 м/сек.

Для проверки герметичности корпуса вариометра используется водяной манометр. Проверяют вариометр на точность показаний с помощью барокамеры и вакуумного насоса, затем вариометр регулируют.

§ 54. УКАЗАТЕЛЬ ПОВОРОТА И СКОЛЬЖЕНИЯ

Назначение и принцип действия указателя поворота. Отклонение самолета в горизонтальной плоскости от направления полета определяется с помощью гироскопического прибора, называемого указателем поворота. Прибор указывает летчику наличие вращения самолета вокруг вертикальной оси и наличие поперечного скольжения.

Действия указателя поворота основаны на использовании свойств гироскопа с двумя степенями свободы. Гироскоп устанавливается на самолете в таком положении, чтобы его оси были горизонтальны, причем главная ось гироскопа должна совпадать по направлению с поперечной осью самолета ZZ (рис. 119), а ось вращения рамки YY — с продольной осью самолета XX. При отсутствии поворота самолета вокруг оси YY пружина 4 связана с корпусом прибора и устанавливает ось ротора XX параллельно поперечной оси самолета, чему соответствует нулевое положение стрелки. Поворот самолета вокруг оси XX и ZZ не вызывает прецессии гироскопа (вынужденный поворот гироскопа под воздействием внешних сил), так как эти оси совпадают с плоскостью YY гироскопа. Потому при продольных и поперечных кренах самолета стрелка указателя поворота остается на нуле.

Рис. 119. Схема устройства указателя поворота

Поворот самолета вокруг оси YY вызывает появление гироскопического момента, т. е. способность гироскопа сохранять неизменным направление главной оси своего вращения, поворачивающего гироскоп вокруг его оси YY. При этом пружина 4 также создает момент вокруг оси YY, направленной в обратную сторону. При изменении положения оси ротора она через систему рычагов передает свое движение на стрелку, которая отклоняется в сторону разворота самолета. Стрелка остается наклоненной в сторону разворота самолета в течение всего разворота, и угол отклонения ее тем больше, чем с меньшим радиусом и большим креном производится разворот. По окончании разворота и исчезновении гироскопического момента (в прямолинейном полете) стрелка устанавливается в нулевое положение.

Демпфер в указателе поворота предназначен для успокоения колебаний стрелки. Если бы не было демпфера, то в случае малейшего рыскания самолета на курсе колебания стрелки были бы настолько велики, что невозможно было бы пилотировать самолет по указателю поворота.

Принцип демпфирования заключается в том, что рамка гироскопа передвигает поршень в цилиндре с капиллярным отверстием. При резких поворотах рамки воздух не успевает проходить через капиллярное отверстие демпфера, вследствие чего возникает тормозящая сила, ограничивающая колебания рамки гироскопа и связанной с ней стрелки.

В зависимости от способа приведения ротора во вращение различают два вида указателей поворота: пневматический и электрический. В пневматическом указателе поворота ротор гироскопа вращается под действием струи воздуха, в электрическом — ротор вращается с помощью электродвигателя.

§ 55. УСТРОЙСТВО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО УКАЗАТЕЛЯ ПОВОРОТА ТИПА УП-10

Указатель поворота типа УП-10 представляет собой комбинацию в одном корпусе двух приборов: непосредственно указателя поворота и указателя скольжения (рис. 120).

Рис. 120. Указатель поворота типа УП-10

Указатель поворота состоит из следующих основных частей; гироскопического узла передающего механизма, фиксирующей части, демпфирующего механизма и корпуса прибора (рис. 121).

Рис. 121. Устройство указателя поворота УП-10 в разрезе:

_{1 — ротор; 2 — рамка; 3 — пружина; 4 — демпфер; 5 — корпус; 6 — пластинка; 7 — сопло; 8 — ось стрелки; 9 — стопорный винт; 10 — стрелка}

Гироскопический узел. Чувствительным элементом указателя поворота является гироскоп с двумя степенями свободы. Гироскоп состоит из ротора и рамки. Скорость вращения ротора составляет 6000–8000 об/мин.

Передающий механизм служит для передачи движения от рамки на стрелку.

Фиксирующая часть служит для непосредственного определения вращения самолета вокруг его вертикальной оси. Механизм состоит из стрелки и шкалы.

Демпфирующий механизм служит для успокоения колебаний стрелки.

Питание указателя поворота осуществляется через отверстие — сопло 7. Через это отверстие вследствие искусственного разрежения (выкачивания) воздуха при помощи трубки разрежения из корпуса прибора наружный воздух с силой входит внутрь прибора и, попадая на лунки ротора, приводит его в быстрое вращение. Разрежение воздуха внутри корпуса прибора производится через штуцер А (рис. 122).

Рис. 122. Схема питания указателя поворота

§ 56 НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УКАЗАТЕЛЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Указатель скольжения укреплен на шкале указателя поворота и служит для определения скольжения самолета.

Скольжением самолета называется перемещение самолета по направлению, перпендикулярному направлению полета. Вместе с указателем поворота указатель скольжения дает возможность летчику выполнять правильный вираж (рис. 123). Указатель скольжения работает по принципу использования свойств физического маятника.

Рис. 123. Действия указателя скольжения при правильном вираже

В указателе скольжения в качестве грузика применяется тяжелый шарик из черного стекла, который может перемешаться под действием силы тяжести внутри стеклянной трубки, изогнутой под определенным радиусом. Стеклянный шарик имеет одинаковый с трубкой коэффициент теплового расширения. Трубка заполняется жидкостью — толуолом, который сглаживает резкие колебания шарика. В верхней части трубки имеется небольшой отросток, который называется уводящей камерой. В эту камеру уходят пузырьки воздуха и избыточный объем толуола при его нагреве.

Центральное положение шарика в трубке фиксируется двумя вертикальными линиями. Сзади трубки установлен экран, покрытый светящейся массой, чтобы можно было пользоваться прибором ночью.

Шарик при различных положениях самолета перемещается внутри трубки по дуге определенного радиуса точно так же, как если бы он был подвешен на нитке и раскачивался на ней.

§ 67. ПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИБОРОМ В ПОЛЕТЕ

В полете необходимо пользоваться одновременно показаниями указателя поворота и указателя скольжения. Приведем наиболее характерные случаи полета самолета, при которых необходимо пользоваться совместными показаниями обоих приборов.

Прямолинейный полет без крена. Стрелка указателя поворота стоит против среднего индекса шкалы. Шарик указателя скольжения находится в центре трубки. В этом случае на шарик действует только сила тяжести, которая и удерживает его в самом нижнем положении, т. е. в центре трубки (рис. 124).

Рис. 124. Показания указателя скольжения при прямолинейном полете без крена

Прямолинейный полет с правым креном. Стрелка указателя поворота остается против среднего индекса, так как самолет не поворачивается вокруг своей вертикальной оси.

Шарик указателя скольжения под действием силы тяжести скатывается вправо от центра трубки (рис. 125). При полете самолета с левым креном шарик скатывается влево от центра трубки.

Рис. 125. Показания указателя скольжения при прямолинейном полете с правым креном

Левый вираж без скольжения. Вираж без скольжения называется правильным виражом. При левом вираже стрелка указателя поворота отклоняется влево от среднего индекса шкалы в результате прецессии гироскопа. Шарик указателя скольжения остается в центре трубки, так как на шарик действует не только сила тяжести, но и центробежная сила, возникающая при развороте самолета. Шарик устанавливается по равнодействующей этих двух сил, которая проходит через центр трубки (рис. 126).

Рис. 126. Показания указателя скольжения при левом вираже без скольжения

Левый вираж с внешним скольжением. Внешнее скольжение самолета возникает в том случае, когда вираж производится с большой угловой скоростью. На самолет действует большая центробежная сила, которая и вызывает внешнее скольжение. При левом вираже стрелка указателя поворота отклоняется влево от среднего положения. Под действием увеличивающейся центробежной силы шарик отклоняется вправо от центра трубки (рис. 127).

Рис. 127. Показания указателя скольжения при левом вираже с внешним скольжением

Левый вираж с внутренним скольжением. Внутреннее скольжение самолета возникает в том случае, когда вираж производится с малой угловой скоростью. Величина центробежной силы, действующей на шарик указателя скольжения, будет небольшой, и шарик отклонится от центра трубки влево. Стрелка указателя поворота отклонится от среднего индекса шкалы также влево (рис. 128).

Рис. 128. Показания указателя скольжения при левом вираже с внутренним скольжением

Проверка указателя поворота. При эксплуатации пневматического указателя поворота его осматривают и проверяют герметичность корпуса, чувствительность, затухание колебаний стрелки, угол застоя стрелки и время вращения ротора по инерции.

Расположение пилотажно-навигационных приборов в кабине самолета Як-18 показано на рис. 129.

Рис. 129. Расположение пилотажно-навигационных приборов в кабине самолета Як-18:

_{1 — КИП; 2 — авиагоризонт; 3 — указатель РПК; 4 — ВР-10; 5 — указатель скорости; 6 — высотомер}

Источник

Вариометр. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Вариометр – это измерительный прибор, предназначенный для определения вертикальной скорости полета. Использование устройства позволяет оценивать ускорение при наборе высоты или посадки. Большинство современных приборов способно выполнять и другие функции необходимые для контроля пилотирования.

Сфера использования

Вариометры нашли свое применение в различных сферах. Их используют для определения вертикальной скорости:

Оценка вертикальной скорости позволяет контролировать безопасность пилотирования летательных аппаратов в момент их взлета и посадки. Особенно это важно при завершении полета, поскольку чрезмерное ускорение во время приземления может повлечь столкновение с посадочной полосой.

Вертикальная скорость важна и при управлении не только моторизированными летательными аппаратами, но и дельтапланами, парапланами, воздушными шарами и парашютами. Данные вариометра позволяют прогнозировать возможность столкновения с воздушными преградами при движении в горной местности. По вариометру определяются критические перегрузки на силовые узлы летательного аппарата.

Наличие вариометра в отдельных случаях позволяет отказаться от более дорогостоящего устройства – альтиметра, используемого для определения высоты. Двигаясь более, чем на 150 м над землей сложно визуально оценивать, что аппарат сдвинулся вверх или вниз, если перемещение было непроизвольным и кратковременным. Контроль по шкале вариометра позволяет вовремя отслеживать такие скачки и выравнивать полет. Кроме этого можно определять, что движение осуществляется точно по горизонтали на одной высоте, если стрелка прибора постоянно показывает на нулевую отметку.

Как устроен вариометр и его возможности

Классическая конструкция вариометра имеет много общего с механическим барометром. Устройство тоже работает на принципе изменения атмосферного давления. Корпус прибора сообщается с окружающей средой через капилляр. При резком изменении высоты летательного аппарата или вертикально движущегося объекта тот переходит в зону с другим давлением. Понижение давления говорит о подъеме прибора вверх, а повышение о снижении высоты вниз.

Кинетическая часть устройства переводит в вертикальную скорость ускорение, с которым меняется давление в ту или иную сторону. В зависимости от конструктивных особенностей устройства или его настроек она измеряется в м/сек, м/мин или фут/мин.

Чтобы реализовать идею разности давления на высотах в корпусе устройства предусматривается 2 емкости для воздуха. В одну он проходит беспрепятственно, поэтому давление в коробе соответствует окружающей среде в реальном времени. Во второй емкости имеется маленькое отверстие капилляр. Оно препятствует быстрому прохождению воздуха, поэтому давление в этом резервуаре принимается как эталон. Пока вариометр находится на одной постоянной высоте, условия в обоих коробах одинаковы, поэтому стрелка прибора показывает на нулевую отметку. Если начать менять высоту, то мгновенно создастся разница давления в резервуарах. В зависимости от того какая она, и как быстро произошла, устройство определит скорость спуска или взлета.

Существуют и другие конструкции вариометров. В качестве управляющего стрелкой прибора тела может использоваться мембрана или индикаторные шарики. Кроме механических приборов существуют и электронные устройства, оснащенные экраном вместо циферблата со стрелками. При всей функциональности последних, аэрометрические приборы все же используются практически на всех летательных аппаратах в качестве аварийных. Они не зависят от бортовой сети, поэтому продолжат работу даже в случае перебоев с питанием. Им не нужна батарейка или другое обслуживания, кроме периодической поверки.

Особенности механических вариометров

Механические приборы внешне напоминают автомобильный спидометр или тахометр. При этом их стрелка имеет горизонтальное положение и направляется влево. При горизонтальном лете она указывает на нулевую отметку. В зависимости от направления движения по вертикали она может отодвигаться вверх или вниз. Стандартные устройства имеют шкалу вертикального ускорения до 200 м/сек.

Часто аэрометрический вариометр имеет на панели вертикальную стрелку обычно желтого цвета. Она указывает на показатель крена летательного аппарата. Это позволяет пилоту не отвлекаться. Глядя на одно устройство при проведении вертикально разворота, он дополнительно контролирует уход в сторону до 45°.

При всей внешней безотказности механических вариометров, возможны условия их повреждения во время полета. Существуют подтвержденные факты оборота стрелки устройства больше размеченной шкалы. Такое случается при попадании легкого самолета в быстрый восходящий поток. Стремительный набор высоты или снижение может вызвать оборот стрелки значительно больше предусмотренного, что повреждает элемент кинематики. В таком случае вариометр подлежит обязательной замене. Если же случится оборот стрелки с небольшим выходом за радиус шкалы, то это не несет никакой опасности для пружин и рычагов внутреннего механизма. После прекращения вертикального ускорения аппарата она вернется в нормальное положение.

Особенности электронных устройств

Если для механического вариометра является нормой наличие стрелки показателя крена, то у электронных приборов базовый функционал еще более широкий. Такие устройства, особенно автономные, которые не предназначены для установки в приборную панель летательного аппарата часто имеют:

Портативный электронный вариометр способен сохранять данные скорости по 50-100 последним полетам. Более универсальные устройства наделены и другими функциями, такими как GPS.

Виды вариометров по функционалу и способу исполнения

Самый бедный функционал имеют вариометры для установки в приборную панель летательных аппаратов. Они имеют свой особенный форм-фактор и размер. Обычно нужно, чтобы при разработке вертолета или самолета заранее конструктивно предусматривалась установка определенного вариометра.

Переносные приборы, предназначенные для использования в летательных аппаратах без встроенной измерительной техники условно можно разделить на 3 группы:

Акустические

Звуковой вариометр часто называют «пищалка». Это самое простое электронное устройство, сообщающее об изменении высоты. Оно не имеет дисплея. В результате вертикального ускорения прибор создает звуковой сигнал. Чем выше скорость, тем чаще повторение звуков и их тональность. Сигнал подъема и снижения отличается.

Несмотря на малый функционал и отсутствие дисплея, в целях безопасности устройство может отслеживать уровень зарядки батарейки. При включении в зависимости от производителя оно сообщает одним или двумя звуковыми сигналами о состоянии источника питания. Если устройство молчит, то батарейку нужно поменять.

Недостаток акустического вариометра не только в малой функциональности и отсутствии возможности определения точной скорости, но и затруднениях использования. Применяя прибор на планере или другой пилотируемой технике при сильных ветровых порывах сложно услышать сигнал. Его рекомендуют размещать поближе к уху.

С экраном

Оснащенный дисплеем вариометр дороже акустического в 3-4 раза. Это устройство помимо звукового оповещения выводит на экран цифровые показатели скорости. Нередко даже приборы с монохромным дисплеем имеют встроенный альтиметр (устройство определения высоты полета) и могут выводить график изменения высот. Дисплеи таких устройств имеют антибликовое покрытие, что нужно для нормального считывания данных под ярким солнечным светом.

В вариометрах такого класса имеется цифровой и аналоговый датчик. Это позволяет контролировать точность по двум показателям. Однако диапазон цифрового устройства в несколько раз выше. При несовпадении данных с двух датчиков прибор создает звуковой сигнал об ошибке, что дает понять об опасности доверия к получаемым данным.

С GPS

Вариометры с GPS отличаются от аналогов с дисплеем наличием встроенного навигатора. Это позволяет автоматически составлять карту полета, определять пройденное расстояние. Многие приборы позволяют отслеживать текущее местонахождение в реальном времени. На корпусе устройства может иметься кнопка SOS для подачи сигнала бедствия на ранее запрограммированный адрес электронной почты или номер. Нередко такие приборы сами загружают данные о маршруте и изменениях высоты полета в личный кабинет на сервере производителя, откуда их можно скопировать для внесения в статистику.

По сути это уже не просто вариометр, а целый полетный компьютер. Он может иметь возможность настройки дисплея для вывода только интересующих замеров. Такие устройства пользуются спросом при пилотировании не моторизированных аппаратов.

Источник