测量飞机速度

1主要内容飞行速度的种类空速测量马赫数测量升降速度测量地速测量2纵轴：飞行方向及飞机推力和阻力作用方向；横轴：飞机测滑或横向力作用方向；垂直轴：飞机升力和重力作用方向。飞机（右手）坐标系垂直(法向)轴Y纵轴X横轴Z上升下沉侧滑向前运动偏航俯仰横滚3飞机的XY平面迎角地速空速俯仰角4飞机的XZ平面侧滑角倾斜角侧滑速度升降速度52.1飞行速度的种类（1）飞行速度指飞机在所选坐标系内运动时，沿其重心运动轨迹切线方向的速度。飞机相对地球坐标系的运动速度地速：飞机沿地平面运动的水平速度分量。升降（垂直）速度：飞机沿地垂线方向运动的速度分量。yv62.1飞行速度的种类（2）飞机相对空气的运动速度空速：飞机在纵轴对称平面XY内相对气流的运动速度。测滑速度：飞机在垂直截面YZ内横轴Z相对气流的运动速度。vzv7飞机的YZ平面航向角偏流角风速风向角地速空速82.2空速测量(1)根据空速，飞行员可以判断作用在飞机上的空气动力情况，从而正确地操纵飞机；根据空速，可以计算出地速，从而确定飞机已飞距离和待飞距离。92.2空速测量(2)飞机的空速可分为——(真)空速：飞机相对于空气运动的真实速度；指示空速：根据海平面标准大气条件下动压测定的空速，又称表速；马赫数：(真)空速与飞机所在高度的音速之比。102.2.1空速测量的理论基础（1）假设气流是由许多流管组成的。机翼上表面气流流管细、流速快、压力低；机翼下表面气流流管粗、流速慢、压力高。处于空气流管中的机翼（横向剖面）112.2.1空速测量的理论基础（2）连续性定理（流管流速与管截面关系）当空气稳定地流过直径变化的流管时，在同一时间内，流入任一截面的气流质量与从另一截面流出的气流质量相等，即（如果气体密度不变）空气流管常数2211vSvSiviS122.2.1空速测量的理论基础（3）伯努利定理（流速与压力的关系）当空气稳定流动且绝热，又不考虑流体压缩效应（即密度不变，流速小于300km/h）时，不同截面处气流所具有的静压和动压之和保持不变。此条件下的伯努利方程为：其中，为静压，为动压(与流速有关)。静压与动压之和称为总压。常数2222222111vpvpip2/2iivspcq132.2.1空速测量的理论基础（4）动压：由气体动能转变成的压力。静压（大气压力）：气体未受扰动时本身实际具有的压力。142.2.1空速测量的理论基础（5）222211211212pkkvpkkv当气流速度较大（大于300km/h，但不超过音速），考虑到流体压缩效应（即密度变化），且压缩过程是绝热过程，则伯努利方程表示为：其中，k为绝热系数，对于空气k=1.4。152.2.1空速测量的理论基础（6）当空气与飞机间的相对速度大于音速，将产生激波，激波后的空气压力、密度和温度将发生急剧变化，前述的伯努利方程已不适用。162.2.1空速测量的理论基础（7）对于超音速流，空气的总压、静压（即大气压力）与流速之间的关系：即其中，为空气总压，为空气静压,c为音速112122111222121111kkkkkksstcvkkcvkkppp1)7(922.1665.22227cvcvpppssttpsp172.2.1空速测量的理论基础（8）空气中的音速音波传递将扰动空气，使空气压力、密度发生变化。绝热过程中，音速表达式：(R为空气的气体常数)音速在空气中表达式其中，为标准海平面的气温和相应的温度梯度，H为高度。HTc004680.20,0TssskRTpkc182.2.1空速测量的理论基础（9）马赫数（空速与飞机所在高度的音速的比值）在11000～20000m高度，cvMa0695.295vMa192.2.2压力法空速测量原理（1）原理：通过测量空气压力来测量空速。测压元件：皮托管(空速管)，即总静压管。用皮托管引入气流来测量其压力。皮托管测压原理分界流管总压静压212.2.2压力法空速测量原理（2）皮托管测压原理皮托管由两个同心圆管组成。内管的端部对准气流，外管的端部封闭，但在外侧面开有许多圆形小孔。当气流流过圆管时，被圆管前缘分为两部分：一部分流过圆管上部，另一部分流过圆管下部。中间存在一个分界流管，这个流管既不向上弯，也不向下弯，沿法向方向接近圆管，撞击在圆管上(A点)，气流受阻滞而完全失去动能。232.2.2压力法空速测量原理（3）A点称为停滞点或驻点。在A点，气流速度变为0，气流动能完全转变为压力能。这一点的压力即为总压。由伯努利方程，I和II截面处在截面III处，可认为气流未受扰动，即所以，从皮托管外侧小圆孔引入的压力即为大气静压。tptppvp221122pspppvv1313,sp242.2.2压力法空速测量原理（4）飞行速度较小，不考虑空气压缩性则或由，可得22vppsst),,()(2sstsstppfppv),(2scscqfqvsssRTp),,(sscTpqfv252.2.2压力法空速测量原理（5）飞行速度小于音速，但考虑空气压缩性根据气体状态方程，并假设空气压缩为绝热过程，有则ssttppkkv12kststpp/1),,(1)1(21sstkkstssppfpppkkv262.2.2压力法空速测量原理（6）由此，应用二项式定理),,(11)1(21ssckkscspqfpqRTkkv1211122kksccvkpq42224241121cvkcvvqsc272.2.2压力法空速测量原理（7）为压缩效应修正系数当飞行速度大于音速或),,(sstppfv),,(sstTppfv)1(2scqv4240141cvcv)1(2'scqv282.2.2压力法空速测量原理（8）为飞行速度大于音速时的压缩效应修正系数：'1492.117459.23825.225'cvcvcv292.2.3热力法空速测量原理（1）原理：空气压力和密度与空气温度有关，故通过测量空气温度可测出空速。由于，飞行速度小于音速时，伯努利方程可写做在驻点A处，即RTp/2221211212RTkkvRTkkv2121112RTkkRTkkv121221TvkRkT302.2.3热力法空速测量原理（2）驻点A的温度由两部分组成，一部分是未受扰动气流的温度，即大气静温；另一部分由动能转换成热能所产生的温度，与流速有关，称为动力(附加)温度。驻点温度称为总温：即或2T1TsTtT221vkRkTTst),(stTTfv2211cvkTTst312.2.3热力法空速测量原理（3）由于在驻点空气的动能不可能全部转换成热能（存在热损失），则其中，为阻滞系数或恢复系数。2211cvkTTst132空速指示器332.2.4空速表原理（1）通过测量动压、静压和静温得到（真）空速。在飞机上直接准确地测量静温也很困难，使这一测量原理较少应用。由于静温与静压存在对应关系，可将静温量转换为静压量，从而简化测量。342.2.4空速表原理（2）原理：通过测量动压和静压得到空速。则其中，K为常数。),,(sscTpqfvngRssppTT/004.05.0)/1(/002scgRscgRpqKpqpRTvnn352.2.6指示空速测量（1）空速的表达式可归结为:其中，分别为飞机所在处的大气静压、密度和压缩效应修正系数。指示空速的表达式其中，分别为标准海平面上的大气静压、密度和压缩效应修正系数。)1()(2ssttppv和ssp,)1()(2000ppvti000,和p362.2.6指示空速测量（2）指示空速本质上是动压的函数，且仅是动压的度量；而（真）空速不仅与动压，还和静压、静温有关。指示空速表是根据海平面标准大气条件下，空速与动压的关系，利用开口膜盒测动压，从而表示指示空速。2.3马赫数测量（1）飞机在接近音速飞行时，飞机的某些部分会出现局部激波，使阻力急剧增加，飞机的稳定性和操纵性变差，甚至产生激波失速。此时，马赫数指示具有与低速飞行时的指示空速类似的作用：使飞行员直接了解动压状态。根据真实空速与动压、静压、静温的关系以及音速与静温的关系，可以推出马赫数是动压和静压的函数。2.3.1马赫数测量原理当飞行速度小于音速，根据前面的推导代入，则当飞行速度大于音速，可推出121112kkscMakpq4.1k12.015.32Mapqsc1)17(922.1665.227MaMapqsc马赫数指示器2.4升降速度测量（1）升降速度（垂直速度）为单位时间内飞行高度的变化量，即测量升降速度的方法：测量飞机垂直于地面的线加速度，再积分；基于多普勒效应的测量；测量飞行高度，再微分；测量大气压力变化量，即得到飞行高度的变化量。yvdtdHvy压力式升降速度表原理结构扇齿开口膜盒毛细管静压2.4升降速度测量（2）表壳中设一个极灵敏的开口膜盒，经过内径较大的导管与大气相通，飞机上升或下降时，膜盒中的压力随外界大气压力（静压）同时改变。膜盒外的空气经过一个内径很小的毛细管与大气相通，由于毛细管对空气的阻滞作用，飞机上升或下降时，膜盒外的气压变化较慢。2.4升降速度测量（3）由此，膜盒内外产生压力差。受此压力差作用，膜盒变形，通过传动机构可使仪表指针指示该变化。当表壳内外的气压变化率相等，膜盒变形量一定，指针指示一定的升降速率。当飞机转入水平飞行时，飞机外部的大气静压不变，表壳内的压力通过毛细管逐步恢复到与大气静压相等，指针逐渐回到零点。2.4升降速度测量（4）当飞机上升，外界气压不断减小，膜盒内与表壳中空气同时向外流动。膜盒内的空气通过粗导管能够迅速与外界保持平衡。表壳中空气通过毛细管，气流受阻滞，流动较慢，气压减少较慢，高于外界气压，产生压力差。飞机上升越快，压力差越大。受此压力差作用，膜盒收缩；使指针上指，表示上升。当飞机下降，上述情况相反，膜盒膨胀，使指针下指，表示飞机下降。升降速指示器2.5地速测量测量地速的方法之一：根据测出的空速和航向角，在给定风速和风向条件下，利用速度三角形算出地速。航向角偏流角风速风向角地速空速空速表