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空速管发展趋势

日期:2020-03-28 19:47
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摘要:在飞机的机头或机翼上一般都会有一根细长的方向朝着飞机的正前方管子。这就是空速管。空速管也叫皮托管,总压管。风标传感器,也叫气流方向传感器或流向角感应器,与精密电位计(或同步机或解析器)连接在一起,提供出一个表示相对于大气数据桁架纵轴的空气流方向的电信号,测量飞行攻角和侧滑角。 空速管是飞机上极为重要的测量工具。它的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,一般在飞行器机头正前方,垂尾或翼尖前方。为提高测量精度,准确测量总压、静压,空速管轴向应尽量与气流方向平行,空速管的*佳安装位置就是在与机身轴线相同的机头前方,大气数据计算机的误差修正精度、换算得的数据更容易保证。有的飞机采用机头进气方式,空速管是安装在机头下,可以设置相当长的探杆,但缺点是结构重量过大,对地面活动的影响也比较多;苏-27是机头雷达罩前空速管,只不过利用安装位置优势缩短空速管长度。

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瑞士史密泰克.伯格(Simtec Buergel AG, swiss-airdata)公司经典空速管|攻角传感器|侧滑角传感器

  在飞机的机头或机翼上一般都会有一根细长的方向朝着飞机的正前方管子。这就是空速管。空速管也叫皮托管,总压管。空速管是飞机上极为重要的测量工具。它的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,一般在飞行器机头正前方,垂尾或翼尖前方。为提高测量精度,准确测量总压、静压,空速管轴向应尽量与气流方向平行,空速管的*佳安装位置就是在与机身轴线相同的机头前方,大气数据计算机的误差修正精度、换算得的数据更容易保证。有的飞机采用机头进气方式,空速管是安装在机头下,可以设置相当长的探杆,但缺点是结构重量过大,对地面活动的影响也比较多;苏-27是机头雷达罩前空速管,只不过利用安装位置优势缩短空速管长度。

  尽管空速管技术是目前zui成熟、应用zui为广泛的大气数据测量技术,空速管直到现在仍然是飞机空速测量的重要手段。但远期来看随着航空航天技术的发展,新技术的出现以及新飞行器特殊的飞行要求等综合因素下,传统的空速管的新问题和无法满足新需要开始凸显。特别是,在当下几个主要军事强国争相发展的高超音速飞行器领域,空速管的上述问题更为突出。不仅是高超声速飞行状态时,空速管所产生的激波将干扰飞行器的整体气动特性,不利于对飞行器的攻角、侧滑角等实现**控制,而且高超音速飞行所产生的气动热更是很可能将传统的空速管烧蚀。

空速管发展趋势:传统的空速管和大气数据测量系统存在三种缺陷。一、空速管测量范围已经不能满足现代战斗机的要求。传统的空速管和大气数据测量系统维护和校准成本较高。三、伸出机身蒙皮的空速管破坏了精心设计的用来降低雷达截面积的机身外形,影响隐身性能。


空速管发展趋势之一:嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data System FADS)

 

  


在60年代,美国国家航空航天局(NASA)为了满足航天飞机进入大气层时的大气数据测量需求,提出了融于飞行器表面流线的大气数据传感器技术。这种技术依靠嵌入在飞行器前端或机翼的压力传感器阵列来测量飞行器表面的压力分布,并由压力分布间接获得飞行参数的数据传感系统,这就是嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing FADS)。

美国在60年代开始了对嵌入式大气数据传感系统的研究。在90年代初期,美国开始应用于超声速战斗机的试验研究上,当时主要目的是解决战斗机大攻角机动时的大气数据测量问题。90年代中期时嵌入式大气数据传感系统(FADS)应用在了X-33上,整个系统算法的稳定性基本得到解决。此后,又集中在嵌入式大气数据传感系统的算法执行性、故障检测与排除、误差分析与校准等问题上。直到嵌入式大气数据传感系统(FADS)的日趋成熟在F-35上的应用。一些飞机在完成早期试验阶段相关测试的大量数据收集工作后取消机头的空速管,也由机头侧面的嵌入式大气数据传感系统代替。嵌入式大气数据传感系统(FADS)在追求高机动性、超音速巡航能力的新一代隐身战机中的应用,也侧面表明其将成为未来大气数据传感技术未来的发展方向。

嵌入式大气数据传感系统(FADS)可测量包括动压、静压、迎角、侧滑角等飞行参数。由于嵌入式大气数据传感系统无需传统机械装置,只需将压力转化为电信号,系统更易于集成化、小型化;压力感受装置是内嵌于飞行器内与飞行器表面平齐,因此不会影响气动外形,适用于大马赫数、大迎角飞行状态下大气数据的**测量,也便于气动外形上的隐形。同时,嵌入式大气数据传感系统在硬件和软件上的冗余容错能力,使其在可靠性、稳定性、精度和适应范围上都具有优势。另外,由于嵌入式大气数据传感系统的压力传感器一般置于机体内,这使其更能适应未来高超声速飞行器的恶劣严苛的飞行环境。

技术上,嵌入式大气数据传感系统主要由压力点(嵌入安装的取气装置)、引气管路、压力传感器及总温传感器组件(传感器及信号处理单元)、数据预处理单元、软件算法及相关连接器与数据电缆等组成。系统在工作时,绕特定气动外形流动的气流,被嵌入安装的微小取气装置探测到,并通过引气管路将各路压力信号传给高精度压力传感器,由各传感器实现不同位置压力测量,zui后通过特定算法解算出大气参数。同时,系统可设计总温传感器、辅助修正单元等,用于测量大气总温,动态角度,从而进行非标准大气模型下的高程修正、角度修正补偿等。理论上,压力点至少要布置4个以上才能测量出飞行器的攻角、侧滑角、动压和静压这个四个基本大气参数。多个测压点的冗余又可进一步提高测量精度和可靠性,但压力点的增多也在增加系统的复杂程度,对整个系统的动态特性和稳定又是不利的.


空速管发展趋势之二:光学大气数据测量系统(Optical Air Data System OADS)

由于传统空速测量方法所带来的缺陷,光学大气数据测量系统(Optical Air Data System OADS)的大气测空速系统实现方案和一种矢量风速及大气数据的快速分解反演方法,并基于该方案设计了光学大气测速系统。该光学大气数据测量系统(Optical Air Data System OADS)根据大气中气溶胶粒子米散射和多普勒效应原理,优化了系统受感器、解调器和高速信号采集处理方案。光学大气数据测章系统的出现不仅可以显著降低大气数据测量系统的维护成本,而月能够提高测量精度。问时,大气数据测量系统可以进行埋入式设计,增强飞机的隐身性能。除了为飞机提供大气数据,光学大气数据测量系统还有着更为广泛的用途。

光学大气数据测量系统(Optical Air Data System OADS),具有测量精度高、范围广、远距离非接触测量、响应时间短和设备位于机体内部等优点,相比于传统大气数据系统具有显著优势。介绍了光学大气数据系统的基本组成和工作原理,以及国内外光学大学数据系统的发展和应用情况。国内一些专家和学者通过对光学大气数据系统的结构和原理以及现行*新民用航空规章的分析,研究了光学大气数据系统对民用运输类飞机适航规章和相关的适航审定试验的影响。

OADS (Optical Airdata System)光学大气数据系统利用激光多普勒效应测量空速,利用激光测温获取大气静温,利用已知角度的多束激光解算飞机姿态,获得飞机的迎角和侧滑角信息。目前已知的光学大气数据系统的空速测量精度已经达到0.1m/s,温度测量精度在土.3C[1],其空速测量精度优于传统的大气数据系统,温度测量精度与传统的总温探头相当。光学大气数据系统已经成为一个发展方向,而其除了测量精度高的优点之外,在结构和测量原理上与传统大气数据系统差别很大。光学大气数据系统一般由激光发射/接收探头和光电处理模块组成,激光透过光学玻璃射向远方的大气粒子,在机体之外没有突出物。基于这种差别,因此民用航空规章的要**否适用,如何进行相关的适航审定飞行试验等问题值得我们深入研究。


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