飞机空速管工作原理是什么,是怎样测速的?

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飞机空速管又被称为皮托管,其工作原理是测量气流的总压和静压,一般由2个同心圆管组成,内圆管为总压管,外部为静压管。当飞机向前飞行时,气流进入空速管,管中的感应器能测量到气流的力量,这个数值就是动压。飞机飞得越快,动压就越大。这时将空气静止的静压和动压相比就得出进入空气的速度。

测量空速的工具又被称为膜盒,它由上下两片很薄的金属片制成,该盒子为密封状,并和空速管相连。飞机速度越快,动压越大,膜盒也会鼓起越大,它通过连接装置以数字的形式呈现出来,就形成了最简单的飞机空速表。

18世纪初,法国工程师亨利·皮托发明了空速管,皮托管也因此得名。后来法国科学家亨利·达西在此基础上改进为现代的皮托管。空速管得出的数值并非飞机真正相对于地面的速度,它只是相对于空气的速度,也被称为空速。这时我们还需要考虑到风速的因素,比如顺风飞行和逆风飞行会的出差异非常大的结果。

皮托管是飞机上最重要的测量仪器之一,大型客机的皮托管都会有加热设备防止其堵塞。皮托管故障、堵塞也会带来致命性后果。最著名的涉事空难是2009年6月1日的法国航空447号航班空难,当时一架空客A330型客机在大西洋上空巡航时,客机的皮托管结冰,错误的读数导致飞行员连续操作失误,从而导致客机失速坠机,事故共导致228人遇难。而1996年10月2日,秘鲁航空603号航班空难肇因,也是因为客机在维护时堵塞了皮托管。


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空速管,18世纪由法国工程师皮托发明,所以又可以被称作“皮托管(Pitot tube)”,它是飞机上用来测量空速的传感器。所谓的空速是飞机相对空气运动的速度,并非飞机对地面的飞行速度(地速),因为有风的存在。所以理论上地速=空速+风速。

空速管前端是一个管状元件,飞机飞行时迎面吹来的空气会进入管子中,并且到管底部受到阻滞而停止,这时管底的压力传感器可以感受到空气吹进管中的压力,我们把这个压力称之为“全压”。

全压由空气因流动产生的“动压”以及空气本身的压力“静压”组成,即:全压=动压+静压。但是要知道空气的流动速度,我们得知道的是动压。而动压很难直接测量,不过空速管已经测得了空气的全压了,因此我们只需再测出空气的静压,用全压减去静压就可以得到动压了。

至于静压如何测量,这就得要飞机上另外一个传感器来帮忙了,那就是“静压孔”。静压孔一般位于机身前段的侧下方,这个位置不容易不受到气流的干扰。空气从这里缓慢流入孔内,由压力传感器测出飞机所处位置的大气压力也就是“静压”。

(上图为飞机的静压孔)

空速是飞行员判断飞机是否进入失速危险区域的重要参数,事关飞行安全。一般的飞机上都安装了2组以上的空速管,这样设计是为保证一定的安全冗余度,以防止万一其中一个因故障失效,其余空速管还能正常工作。

(上图黄色箭头所标示的是波音777的空速管)

(上图红圈内所示的为波音737的空速管)

平时飞机停场时,空速管都要戴上保护套来防止堵塞,飞行将保护套取下。保护套上系有一根红色丝带用以醒目提示。飞机飞行前,检查空速管是否被堵塞,空速管保护套是否摘下都是机长和地勤人员检查的例行项目。如果空速管出现结冰阻塞或者保护套未取下,空速管就无法显示出正确的空速读数,弄不好就会造成机毁人亡的重大事故。有兴趣的童鞋可以去了解一下2009年法航447航班事故。


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图注:T-50机头的空速管

空速管也称大气传感器,或者皮托管、总压管等,它是测量飞机飞行时周边气流的总压和静压等数据,并将测得的大气压力数据传送至飞机大气数据计算机和驾驶舱内飞行仪表的装置。

早期的空速管一般是枪式空速管,设置在飞机机头整流罩前,因此也叫“风向标”;后来的空速管后移,一般设置在战斗机整流罩后的机头侧面。还有的设置在垂尾或者机翼上。之所以设置在这些位置,是因为空速管为了保证测得的气流数据准确,安装位置一定要在飞机外面气流较少受到飞机影响的区域。为了保证测得数据的准确,空速管一般要准备至少2套以上。

至于空速管的测速原理,我们可以看到空速管的前端有一个小孔,实际上它由两个同心圆管组成,内圆管为总压管,外套管为静压管。当飞机向前飞行时,气流便进入空速管前端的小孔,而安装在管子末端的传感器就能感受到气流冲击的力量——这实际上就是一个压力传感器,感受到的压力被称作动压。飞机飞得越快,气流冲击力越大,动压就越大。而此时将空气静止时的静压与动压相比,就可以得出压差。早期的压力传感器是典型的机械式传感器,我们称之为膜盒,它实际上是一个用上下两片非常薄的金属片制成的表面带波纹的空心圆形盒子,膜盒通过一根管子与空速管相连,空速管中的气流可以吹到膜盒里,动压造成膜盒金属片发生形变,用一个由小杠杆和齿轮等组成的装置可以将膜盒的变形测量出来并用指针显示,这就是早期的空速管和空速表,也被称作机械式空速管和空速表。当然后来空速管发生了很大变化,出现了电子式空速管,即采用压敏元件来替代机械式膜盒。压敏传感器制造的空速管,比起早期机械式空速管测量更加精确。

但必须指出的是,空速管测量出来和空速表显示的速度,不是飞机相对于地面的速度(即所谓地速),而是飞机相对于大气的速度(即所谓空速),地速和空速是通过加减大气的流速(风速)而进行相互换算的。即便是相同的空速,在低空和高空,由于大气密度不同,空速管测量的同一飞行速度下的动压也不一样,同样的空速,在高空中气流更稀薄,动压测量数值更低,因此空速表显示的数值更低;而在低空空气密度高,动压测量数值高,因此空速表显示的数值更高,所以空速表上读出的空速数值,也被称作“表速”。试飞英雄李中华试飞的歼-10“低空大表速”科目中的表速,就是这个东西。所以现代的空速表,一般都有两个指针,一粗一细,其中宽的指针显示的是“表速”,而细的指针显示的则是经过修正的、相当于标准大气压力水平下的真实空速,这个空速被称作“实速”。

空速管是飞机上非常重要的传感器之一,它能显示飞机的飞行速度。而如果空速管出现故障或者结冰阻塞,无法显示出正确的飞行速度读数,甚至会造成机毁人亡的重大事故。


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空速管又叫全-静压管。

在空气中运动的物体,会对头部前端的空气压缩,压力升高,这是动压。而侧面的气流由于没有受到扰动,与大气环境的压力保持一致。静压就是飞机静止时的气压,全压就是飞机运动产生的动压力和静压力之和。

测量两者的压力差,就可以根据公式计算出物体的飞行速度。

空速管前端有一个开口,空气进到一个半闭合腔内,被压缩。空速管侧面也有开口,这个空气静压力和全压力被导入仪表内部的两个波纹膜盒,经过精密齿轮差动、放大,带动指针偏转。在仪表面板上指针偏转,指示空气速度。

这种真空膜盒式空速表还要加上温度和高度补偿。低空大气密度高、温度高,高空大气密度低、温度低,对测量结果会产生偏差。


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空速管利用的其实是压差。

原理图如下。红色的是总压,黄色是静压,两者压差导致指针变化,经过校核后,就可以指针速度。

下图是计算公式。总压等于静压加动压,动压随速度变化而变化。从而速度就可以表示成总压与静压的关系式。


基础原理就是这样,实际使用的时候,会考虑误差补偿,尽量提高精度。


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飞机在大气中飞行时,气流冲进空速管,受到气流冲击的力量即是动压,飞行速度越快动压越大。空气静止时的压力是静压,把空速管飞行时的动压与静压的数值比对,通过精密的飞行仪表即可测量出飞机的飞行速度。另外,飞机的飞行高度和爬升率,也是用空速管静压值比对测量的数据,因此,飞机上的空速管是极为重要的测量传感器,一架飞机通常设置两副空速管。在军用战机上通常设置四副多参数高精密的空速管。



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