Как работает высотомер самолета

Высотоме́р (или альтиме́тр от лат. altus высоко) — прибор, предназначенный для измерения высоты. [1] В случае пилотируемого летательного аппарата, высотомер является пилотажно-навигационным прибором указывающим высоту полёта. По принципу устройства высотомеры делятся на барометрические, радиотехнические (в том числе радиовысотомеры), инерциальные, ионизационные и прочие. [1]

В старину высотомером называли простейший угломерный инструмент для определения высоты светил (планет, звёзд).

Содержание

Барометрический высотомер [ править | править код ]

Принцип действия РВ основан на измерении отрезка времени между посылкой и приёмом электромагнитных волн, отражённых от поверхности, до которой измеряется высота (земля либо вода). В отличие от барометрических высотомеров радиовысотомер измеряет истинную высоту полёта, поэтому не зависит от наличия информации о давлении воздуха, отличается также более высокой точностью. На практике радиовысотомеры используются на малых высотах, вблизи земной (либо водной) поверхности, потому как применение данной технологии с больших высот требует мощного источника излучений, а также аппаратуры, способной эффективно противостоять помехам.

Конструктивно прибор состоит из СВЧ радиопередатчика, направленная антенна которого расположена «на брюхе» воздушного судна, приёмника отражённого сигнала, устройств обработки сигналов, а также индикатора на приборной доске экипажа, на который передаются данные о текущей высоте. Радиовысотомеры делятся на РВ малых высот (например, отечественные РВ-3, РВ-5), которые предназначены для определения высот до 1500 метров и, как правило, работают в режиме непрерывной радиолокации, и высотомеры больших высот (более 1500 м, наподобие РВ-18, измеряющего высоты до 30 км), обычно работающие в импульсном режиме. Практически у всех РВ имеется сигнализатор малой высоты, подающий световой и звуковой сигнал при понижении высоты ниже заданной, установленной лётчиком.

К недостаткам прибора можно отнести выраженную направленность измерений (направление луча передатчика, направленного перпендикулярно вниз). По этой причине применение радиовысотомеров эффективно только в равнинной местности и практически бесполезно в горных и сильно пересечённых районах. В крене РВ показывает завышенную высоту, так как высота — вертикальный катет треугольника, а луч радиовысотомера в крене направлен по гипотенузе, поэтому при значительных кренах (более 15-20 градусов) может включаться предупреждающая световая сигнализация. Тангаж обычно не учитывается, так как у транспортных летательных аппаратов он редко превышает упомянутые 15-20°. Кроме того, вызывает вопросы экологичность радиоизмерений, так как для обеспечения требуемой точности необходимо [ источник не указан 1100 дней ] применять коротковолновые мощные [ источник не указан 1100 дней ] передатчики, несущие явную опасность [2] для биосферы.

Читайте также:  Как снять боковые дефлекторы на ваз 2110

GPS [ править | править код ]

Для определения высоты могут использоваться также GPS-приёмники. Принцип действия основан на одновременном измерении расстояния до нескольких (как правило — от четырёх до шести) вещающих спутников, находящихся на известных и специально корректируемых орбитах. На основании математических вычислений прибор определяет точку в пространстве — координаты φ, λ — широту и долготу места на модели поверхности Земли, а также высоту Н относительно уровня моря модели иили высоту над эллипсоидом (наиболее распространённый в GPS технике эллипсоид это WGS84). Минимальное число спутников, необходимое для расчёта высоты, равно трём. Только координат — двум. Для определения времени достаточно сигнала одного спутника. Большее число спутников позволяет увеличивать точность вычисления параметров. С точки зрения истинности определения абсолютной высоты имеет преимущество как перед барометрическими, так и перед радиотехническими высотомерами, так как не зависит ни от атмосферного давления, ни от измерения расстояния до физического рельефа местности.

Тем не менее, надо помнить, что на скоростях спуска сильно проявляется доплеровский эффект, да и на вычисление параметров приёмнику нужно некоторое время (до секунды), что приводит к отставанию вычисленной координаты от реальной. Специальные парашютные высотомеры ведущих фирм имеют коррекцию на скорость, однако, так как скорость вычисляется по тем же сигналам, точность GPS приборов в условиях прыжка всё равно остаётся довольно низкой. Например, в автомобилях со встроенной системой GPS, приёмник получает сигнал от автомобильного датчика скорости и использует его для коррекции своих показаний. Их достоинство — низкая цена и вес. Использование для бейсджампинга и прочих маловысотных прыжков не рекомендуется. Кроме того, из-за отражений GPS сигнала от скал или опор показания GPS высотомера могут стать вовсе непредсказуемыми. Для бейсджампинга рекомендуются барометрические высотомеры, механические или электронные.

Точность измерений при необходимости может достигать порядка нескольких сантиметров, при использовании закрытого военного канала L1, лицензию на который выдаёт министерство обороны США (не бесплатно и не всем), с применением дорогостоящего оборудования, и по этой причине в быту не применяются. [ источник не указан 3010 дней ] Точность измерения бытовых приборов GPS в статике (отсутствии движения) — порядка 10 метров, что вполне достаточно для большинства задач ориентирования. [ источник не указан 3010 дней ]

Гамма-лучевой высотомер [ править | править код ]

В конструкции высотомера используется источник гамма-излучения (обычно — изотопы 60 Со, 137 Сs). Приёмник фиксирует обратное рассеяние, отражённое от атомов внутри подстилающей поверхности. Гамма-лучевые высотомеры используются на малых высотах (метры, десятки метров от поверхности). Основное применение — формирование исполнительного сигнала для системы мягкой посадки спускаемых аппаратов космических кораблей. [3] В частности, в КК «Союз» гамма-лучевой высотомер (шифр изделия «Кактус») установлен у днища спускаемого аппарата, и место его установки маркировано знаком радиационной опасности.

Заключение [ править | править код ]

Измерение высоты полёта воздушного судна — чрезвычайно важная и ответственная задача, связанная с обеспечением безопасности полётов. При этом подход к исполнению данной задачи должен быть комплексным, применяющим все известные способы определения истинного положения воздушного судна в пространстве. По этой причине на современных воздушных судах применяются все вышеперечисленные приборы, а экипажи проходят профессиональную подготовку для их грамотного совместного использования. Отказ хотя бы одного прибора, измеряющего высоту полёта, в авиации считается особым случаем и расценивается соответствующими службами как предпосылка к лётному происшествию.

По принципу своего устройства барометрический высотомер по сути представляет собой барометр-анероид с тем лишь отличием, что его шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты. Слово «анероид» в переводе с греческого означает «безводный» и используется в противоположность водяному ртутному барометру.

Чувствительным элементом высотомера (рис. 6.7) является анероидная коробка 4 (обычно используется блок из двух анероидных коробок).

Рис. 6.7. Принципиальная схема барометрического высотомера

Анероидная коробка является герметичной, запаянной, из нее выкачан воздух и поэтому в ней сохраняется давление, близкое к нулю. Когда высотомер находится у земли, коробка под действием атмосферного давления находится в наиболее сжатом состоянии. При подъеме на высоту, когда атмосферное давление снаружи анероидной коробки падает, она расширяется, поскольку поверхность коробки гофрирована и ведет себя как пружина. При снижении под действием увеличивающегося атмосферного давления коробка сжимается.

С анероидной коробкой через передающий механизм 3 связана стрелка 2, перемещение которой относительно шкалы прибора 1 соответствует расширению (сжатию) коробки и, следовательно, изменению высоты.

Анероидная коробка помещена в герметичный корпус прибора 5, в который через штуцер трубопровода 6 поступает атмосферное давление за бортом PH. Это же давление часто называют статическим давлением Pст, то есть давлением, которое имеет место в спокойной атмосфере на высоте расположения высотомера без учета дополнительного давления, возникающего из-за набегающего потока при движении ВС. Если на любой высоте поместить неподвижный обычный барометр, то он и покажет статическое давление.

Статическое давление поступает в трубопровод системы статического давления из приемника воздушного давления 7 (ПВД) или приемника статического давления.

ПВД предназначен для приема не только статического давления, но и полного давления. ПВД закрепляется снаружи фюзеляжа и представляет собой трубку, ориентированную по направлению полета. Отверстие, направленное навстречу набегающему потоку воздуха, предназначено для приема полного давления, которое в высотомере не используется, но необходимо для указателей скорости. Статическое же давление принимается боковыми отверстиями, которые расположены так, чтобы в них по-возможности не попадал набегающий поток.

На многих типах ВС статическое давление принимается отдельным приемником статического давления, который представляет собой цилиндрический штуцер, не выступающий за обшивку самолета. А полное давление на таких типах ВС принимается отдельно расположенным приемником полного давления (ППД).

Существует много типов барометрических высотомеров. Принцип их работы одинаков, различаются же они в основном устройством шкал. В двухстрелочных высотомерах по короткой стрелке отсчитываются тысячи метров (километры высоты), а по длинной – десятки и сотни метров. В однострелочных высотомерах – тысячи метров индицируются цифрами в специальном окошке (рис. 6.8). Возможны и другие варианты.

Кроме стрелок, показывающих высоту, на высотомере обязательно имеется небольшая шкала и связанная с ней кремальера установки давления P, то есть давления, от уровня изобарической поверхности которого отсчитывается высота.

Читайте также:  Как слить антифриз нива

Высотомеры могут различаться и единицами измерения высоты – метры или, как принято за рубежом, футы (в этом случае их называют футомерами). Шкала установки давлений также может быть оцифрована в миллиметрах ртутного столба, гектопаскалях (миллибарах) или дюймах ртутного столба (в США).

Рис. 6.8. Внешний вид барометрических высотомеров

Рис. 6.9. Устройство двухстрелочного высотомера

Очевидно, что на самом деле высотомер, как и обычный барометр, измеряет атмосферное давление на высоте полета. Но шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты, то есть каждому измеренному давлению поставлена в соответствие какая-то высота, которую и показывают стрелки. Ключевым моментом в понимании работы высотомера является то, что при градуировке высотомера связь между измеренным давлением и индицируемой высотой заложена такая же, какая существует между этими величинами в стандартной атмосфере. Как говорят, высотомер отградуирован по стандартной атмосфере, то есть в соответствии с формулой (6.5).

Допустим, что на шкале давлений установлено P=760 мм рт.ст. В этом случае по сути высотомер превращается в механизированную таблицу стандартной атмосферы (см. табл. 6.1). Любому конкретному измеренному давлению соответствует вполне определенная высота, показываемая прибором, а именно та высота, на которой в стандартной атмосфере давление равно измеренному. То есть, если, например, расширение анероидной коробки соответствует давлению 330 мм рт.ст., то стрелки высотомера покажут высоту 6500 м (см. табл. 6.1). А если измерено давление 760 мм рт.ст., то стрелки покажут Н=0.

Эта связь между давлением и высотой однозначна и не зависит ни от фактической (геометрической) высоты самолета над уровнем моря или аэродрома, ни от температуры или характера ее изменения с высотой.

Понятно, что в реальной атмосфере зависимость давления от высоты вовсе не такая и каждый раз разная. Поэтому показания барометрического высотомера (барометрическая высота) вовсе не соответствует фактическому расстоянию до ВС от уровня начала отсчета. Барометрическая высота – это вообще не высота, то есть не расстояние от одного уровня до другого.

Барометрическая высота – показания идеального барометрического высотомера, отградуированного по стандартной атмосфере. Или иначе – это высота в стандартной атмосфере, соответствующая измеренному значению давления.

На шкале давлений высотомера может быть установлено не обязательно значение 760 мм рт.ст., но и любое другое значение P, лежащее в пределах шкалы давления (например, от 650 до 790 мм рт.ст.). Конструктивно высотомер устроен таким образом, что при вращении кремальеры установки давления весь механизм вместе с анероидной коробкой и зубчатыми колесами поворачивается на определенный угол. При этом не только меняется установленное на шкале давление, но и перемещаются стрелки высотомера (примерно на 11 м при изменении давления на 1 мм рт.ст.). Эту операцию можно интерпретировать просто как смещение шкалы отсчета высот. Форма кривой зависимости давления от высоты осталась той же, но шкала высот сместилась так, что по ней нулевое значение высоты соответствует установленному давлению (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Установка давления

Таким образом, высотомер будет показывать нулевое значение высоты, если атмосферное давление в точке его нахождения равно давлению, установленному на шкале давлений.

Поэтому можно приближенно считать, что барометрический высотомер показывает высоту относительно уровня изобарической поверхности с тем значением давления, которое установлено на высотомере. Точным это утверждение будет только в стандартной атмосфере, а во всех остальных случаях показания высотомера, конечно, не будут совпадать с фактической (геометрической) высотой. И расхождение (методическая температурная погрешность) будет тем больше, чем сильнее фактическая температура отличается от стандартной.

Пилот, устанавливая давление, сам выбирает уровень, от которого высотомер будет показывать высоту.

Рис. 6.11. Изменение установленного давления и высоты

Когда пилот в полете выдерживает по высотомеру постоянную барометрическую высоту, это вовсе не значит, что ВС летит на постоянной высоте в геометрическом смысле этого слова. Это означает, что ВС летит так, чтобы статическое давление, то есть давление на высоте, сохранялось постоянным. Ведь именно его на самом деле измеряет высотомер. Следовательно, ВС летит по изобарической поверхности, повторяя все ее изгибы в реальной атмосфере. При этом нетрудно определить и численное значение давления на этой изобарической поверхности, то есть давление за бортом. Если на высотомере установлено давление 760 мм рт.ст., а высотомер показывает высоту, например, 3000 м, то по таблице стандартной атмосферы, по которой и отградуирован высотомер, можно посмотреть соответствующее этой высоте давление. В данном примере 525,7 мм рт.ст.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8560 – | 7411 – или читать все.

Высотомер, или альтиметр – это пилотажный прибор, предназначенный для определения высоты полета. Он является стационарным оборудованием любого летательного аппарата, а также используется альпинистами.

Назначение высотомера

Альтиметр является важным навигационным прибором. Его наличие позволяет пилоту правильно заходить на посадку. Не имея информацию о высоте сложно рассчитать угол и опуститься на посадочную полосу, чтобы избежать с ней столкновения. Внедрение высокоточных альтиметров в авиацию значительно снизило долю крушений при посадке. Также высотомеры позволяют поддерживать оптимальную высоту, на которой во время полета создается минимальное воздушное сопротивление, что позволяет экономить топливо.

Знать высоту необходимо и при сбросе парашютистов, поскольку если подняться слишком низко, парашют не успеет в достаточной мере затормозить снижение парашютиста. Когда же самолет поднимается чрезмерно высокого, то разреженный воздух за бортом может вызвать у человека потерю сознания.

Данные о высоте необходимы и для воздушных шаров, дельтапланов, парапланов и прочих аппаратов. Не зная высоту можно подняться выше положенного уровня, где сложно дышать, присутствует сильный ветер или двигаются перелетные птицы.

Типы альтиметров по устройству и принципу работы
Существует несколько типов высотомеров:
  • Барометрические.
  • Радиоволновые.
  • GPS.
  • Гамма-лучевые.

Во время полета получение данных о фактической высоте очень важно для безопасности движения. Именно поэтому на борту самолетов и вертолетов зачастую устанавливается сразу несколько типов высотомеров, работающих по разным принципам. Это дает возможность получать более точные данные, и при необходимости пользоваться тем устройством, которое в определенный момент работает с минимальной погрешностью. В каждом из перечисленных типов альтиметров имеются слабые стороны, когда их точность поддается сомнению. К примеру, одни высотомеры работают плохо над горной местностью, а другие ошибаются с высотой при полете на значительном отдалении от земли.

Читайте также:  Замена плунжерной пары тнвд своими руками
Барометрический высотомер

Это механическое устройство, работающее по принципу барометра. Оно высчитывает высоту по давлению атмосферы. Применяемый принцип измерения обоснован изменением атмосферного давления в зависимости от высоты. Чем выше над землей, тем оно ниже.

По факту прибор измеряет только непосредственное давление на высоте полета, а уже его механизм переводит данный показатель в приблизительные метры над землей. Чувствительной частью устройства является герметично запаянная коробка с мембраной. В зависимости от давления, мембрана меняет свое положение, тем самым передает механическое воздействие на привязанный к ней механизм. Тот в зависимости от создаваемого давления, отодвигает стрелку указателя высоты в ту или иную сторону на шкале.

Такие приборы подходят для установки на легких самолетах и вертолетах, летающих низко над землей. Шкала высотомера обычно разделена на 10 пронумерованных секторов. Каждый из них равен высоте в 1 км, а его деление соответстветствует 100 или 200 м. Редко можно встретить барометрический высотомер на 20 км.

На фоне надежности и простоты такого устройства все же нужно выделить и его недостатки:
  • Необходимость ручной регулировки давления перед каждым вылетом.
  • Приблизительная точность.

Чтобы высотомер работал хотя бы приблизительно точно, необходимо настроить на его шкале текущее атмосферное давление на земле. Информация об этом сообщается наземными службами. Обычно пилотам предоставляются показания давления в аэропорту или аэродроме где будет осуществляться посадка. По мере перелета прибор может подстраиваться более точно, если диспетчер сообщит об изменениях давление на точке.

Также выпускаются небольшие ручные альтиметры, работающие по принципу барометра. Они предназначены для определения высоты парашютистов. Персональные устройства обычно носят на руке вместо часов.

Радио-альтиметр

Работает по принципу схожему с радаром. Он отправляет в сторону земли радиосигналы, те отражаются и возвращаются в сторону борта самолета. Устройство их улавливает и анализирует время, которое потребовалось сигналу, чтобы дойти до земли и возвратиться. Имея информацию о скорости волны и времени, затраченного на движение в две стороны, можно определить фактическую высоту воздушного судна.

Радио-высотомер позволяет определить реальную высоту полета, а не относительную. Это более сложный прибор, не требующий особого внимания от пилота. Он работает полностью автоматически и не нуждается в настройке.

Недостатками такой конструкции можно назвать только несколько моментов:
  • Сложное строение, что снижает надежность аппарата.
  • Потеря точности при полете на больших высотах, в связи с затуханием волн.
  • Практическая бесполезность в горной местности.
  • Вредность отправляемых коротковолновых импульсов.

Генерируемый радио-высотомером сигнал вредит биосфере, поскольку его коротковолновый импульс очень мощный. Такие устройства производят для полетов на высоте до 30 км. К сожалению, даже самые мощные из них при движении над горной местностью получают искаженный сигнал, поскольку он отражается от поверхностей находящихся под углом. Наибольшая точность возможна только при полете над равниной.

GPS альтиметры

Являются самыми распространенными в современной авиации. Они работают по схожему принципу с радиотехническими, но отправляют сигналы не на землю, а на спутники. Те в свою очередь постоянно двигаются на заданной орбите, поэтому являются относительно стабильными. Получая отклик сигнала, GPS альтиметр путем математических вычислений определяет свои координаты и высоту. Чтобы рассчитать координаты высотомер должен связаться с двумя спутниками, а для измерения высоты с тремя.

GPS устройства имеют всего лишь пару недостатков:
  • Снижение точности при работе на скоростных истребителях.
  • Платное использование ресурса спутников.

Фактическая погрешность GPS альтиметров для гражданской авиации составляет до 10 м. При этом имеются устройства более высокого класса, работающие со спутниками по каналам L1. Отклонение у таких приборов всего пара сантиметров. Несмотря на совершенность технологии определения высоты по спутникам, подобное оборудование требует времени для получения сигнала. Тот двигается между передатчиком и приемником около секунды. Если летательный аппарат движется с малой скоростью, то такая задержка создает незначительную погрешность, но на истребителях гражданские высотомеры работают очень неточно.

Гамма-лучевой высотомер

Отправляет на поверхность радиоактивный изотоп, который отбивается и возвращается обратно. Фактически применяется похожий принцип, что и на радиотехническом альтиметре. Такое устройство может работать только на небольших высотах в несколько десятков метров. Отправляемые альтиметром изотопы практически не реагируют на различные преграды в виде пыли или газовых уплотнений, поэтому возвращаются без помех. Эти устройства совершенно непригодны для гражданской авиации. Они используются на космических кораблях в условиях вакуума.

Недостаток гамма-лучевых высотомеров очевиден:
  • Высокая стоимость.
  • Малый диапазон измерение высоты.
  • Радиоактивность.
Парашютные и туристические высотомеры

Надобность в альтиметре может возникнуть не только на борту самолета, но и в других случаях. Высотомеры необходимы для полетов на дельтаплане, воздушном шаре, параплане. Обычно такие альтиметры является частью многофункциональных устройств, которые помимо высоты также определяют вертикальную скорость движения, температуру, давление и т.д.

Однозадачные альтиметры, не обладающие другими функции, работают по барометрическому принципу. Зачастую гражданские версии такого устройства для парашютистов представляют собой подобие обыкновенных наручных часов. Они почти ничего не весят, и дают возможность определять высоту в полете даже до раскрытия парашюта.

Также необходимость в знании высоты может возникать во время горных подъемов. Специально для этого были разработаны туристические высотомеры, созданные для альпинистов. Подобные устройства производят в более широком изобилии, чем парашютные.

Их делают с разным форм-фактором под:
  • Компас.
  • Часы.
  • Ножик.

Самым распространенным является туристический высотомер в виде наручных часов. Часто это многофункциональный прибор, показывающий еще и время, давление, направление на север. Устройства в форме компаса или шайбы зачастую позволяют определять только высоту.

Туристические высотомеры, как и парашютные, обычно делаются противоударными. Они продолжают нормально работать в широком диапазоне температур. Их механизм защищен от промокания. При выборе туристического высотомера необходимо отталкиваться от того, на какую высоту планируется подниматься в горах. Большинство устройств имеют шкалу только на 2,5 км. Если потребуется поднять дальше, то стоит остановиться на альтиметре на 4 км.

Наиболее экзотическим альтиметром можно назвать туристический швейцарский нож, с встроенным высотомером, термометром, таймером и будильником. Это весьма полезное устройство, поскольку позволяет отказаться от множества тяжелого оборудования, что важно в походе.

“>

Оцените статью
Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector