飛機空速管工作原理是什麼,是怎樣測速的?

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飛機空速管又被稱為皮托管,其工作原理是測量氣流的總壓和靜壓,一般由2個同心圓管組成,內圓管為總壓管,外部為靜壓管。當飛機向前飛行時,氣流進入空速管,管中的感應器能測量到氣流的力量,這個數值就是動壓。飛機飛得越快,動壓就越大。這時將空氣靜止的靜壓和動壓相比就得出進入空氣的速度。

測量空速的工具又被稱為膜盒,它由上下兩片很薄的金屬片製成,該盒子為密封狀,並和空速管相連。飛機速度越快,動壓越大,膜盒也會鼓起越大,它通過連接裝置以數字的形式呈現出來,就形成了最簡單的飛機空速表。

18世紀初,法國工程師亨利·皮託發明了空速管,皮托管也因此得名。後來法國科學家亨利·達西在此基礎上改進為現代的皮托管。空速管得出的數值並非飛機真正相對於地面的速度,它只是相對於空氣的速度,也被稱為空速。這時我們還需要考慮到風速的因素,比如順風飛行和逆風飛行會的出差異非常大的結果。

皮托管是飛機上最重要的測量儀器之一,大型客機的皮托管都會有加熱設備防止其堵塞。皮托管故障、堵塞也會帶來致命性後果。最著名的涉事空難是2009年6月1日的法國航空447號航班空難,當時一架空客A330型客機在大西洋上空巡航時,客機的皮托管結冰,錯誤的讀數導致飛行員連續操作失誤,從而導致客機失速墜機,事故共導致228人遇難。而1996年10月2日,秘魯航空603號航班空難肇因,也是因為客機在維護時堵塞了皮托管。


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空速管,18世紀由法國工程師皮託發明,所以又可以被稱作“皮托管(Pitot tube)”,它是飛機上用來測量空速的傳感器。所謂的空速是飛機相對空氣運動的速度,並非飛機對地面的飛行速度(地速),因為有風的存在。所以理論上地速=空速+風速。

空速管前端是一個管狀元件,飛機飛行時迎面吹來的空氣會進入管子中,並且到管底部受到阻滯而停止,這時管底的壓力傳感器可以感受到空氣吹進管中的壓力,我們把這個壓力稱之為“全壓”。

全壓由空氣因流動產生的“動壓”以及空氣本身的壓力“靜壓”組成,即:全壓=動壓+靜壓。但是要知道空氣的流動速度,我們得知道的是動壓。而動壓很難直接測量,不過空速管已經測得了空氣的全壓了,因此我們只需再測出空氣的靜壓,用全壓減去靜壓就可以得到動壓了。

至於靜壓如何測量,這就得要飛機上另外一個傳感器來幫忙了,那就是“靜壓孔”。靜壓孔一般位於機身前段的側下方,這個位置不容易不受到氣流的干擾。空氣從這裡緩慢流入孔內,由壓力傳感器測出飛機所處位置的大氣壓力也就是“靜壓”。

(上圖為飛機的靜壓孔)

空速是飛行員判斷飛機是否進入失速危險區域的重要參數,事關飛行安全。一般的飛機上都安裝了2組以上的空速管,這樣設計是為保證一定的安全冗餘度,以防止萬一其中一個因故障失效,其餘空速管還能正常工作。

(上圖黃色箭頭所標示的是波音777的空速管)

(上圖紅圈內所示的為波音737的空速管)

平時飛機停場時,空速管都要戴上保護套來防止堵塞,飛行將保護套取下。保護套上繫有一根紅色絲帶用以醒目提示。飛機飛行前,檢查空速管是否被堵塞,空速管保護套是否摘下都是機長和地勤人員檢查的例行項目。如果空速管出現結冰阻塞或者保護套未取下,空速管就無法顯示出正確的空速讀數,弄不好就會造成機毀人亡的重大事故。有興趣的童鞋可以去了解一下2009年法航447航班事故。


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圖注:T-50機頭的空速管

空速管也稱大氣傳感器,或者皮托管、總壓管等,它是測量飛機飛行時周邊氣流的總壓和靜壓等數據,並將測得的大氣壓力數據傳送至飛機大氣數據計算機和駕駛艙內飛行儀表的裝置。

早期的空速管一般是槍式空速管,設置在飛機機頭整流罩前,因此也叫“風向標”;後來的空速管後移,一般設置在戰鬥機整流罩後的機頭側面。還有的設置在垂尾或者機翼上。之所以設置在這些位置,是因為空速管為了保證測得的氣流數據準確,安裝位置一定要在飛機外面氣流較少受到飛機影響的區域。為了保證測得數據的準確,空速管一般要準備至少2套以上。

至於空速管的測速原理,我們可以看到空速管的前端有一個小孔,實際上它由兩個同心圓管組成,內圓管為總壓管,外套管為靜壓管。當飛機向前飛行時,氣流便進入空速管前端的小孔,而安裝在管子末端的傳感器就能感受到氣流衝擊的力量——這實際上就是一個壓力傳感器,感受到的壓力被稱作動壓。飛機飛得越快,氣流衝擊力越大,動壓就越大。而此時將空氣靜止時的靜壓與動壓相比,就可以得出壓差。早期的壓力傳感器是典型的機械式傳感器,我們稱之為膜盒,它實際上是一個用上下兩片非常薄的金屬片製成的表面帶波紋的空心圓形盒子,膜盒通過一根管子與空速管相連,空速管中的氣流可以吹到膜盒裡,動壓造成膜盒金屬片發生形變,用一個由小槓桿和齒輪等組成的裝置可以將膜盒的變形測量出來並用指針顯示,這就是早期的空速管和空速表,也被稱作機械式空速管和空速表。當然後來空速管發生了很大變化,出現了電子式空速管,即採用壓敏元件來替代機械式膜盒。壓敏傳感器製造的空速管,比起早期機械式空速管測量更加精確。

但必須指出的是,空速管測量出來和空速表顯示的速度,不是飛機相對於地面的速度(即所謂地速),而是飛機相對於大氣的速度(即所謂空速),地速和空速是通過加減大氣的流速(風速)而進行相互換算的。即便是相同的空速,在低空和高空,由於大氣密度不同,空速管測量的同一飛行速度下的動壓也不一樣,同樣的空速,在高空中氣流更稀薄,動壓測量數值更低,因此空速表顯示的數值更低;而在低空空氣密度高,動壓測量數值高,因此空速表顯示的數值更高,所以空速表上讀出的空速數值,也被稱作“錶速”。試飛英雄李中華試飛的殲-10“低空大表速”科目中的錶速,就是這個東西。所以現代的空速表,一般都有兩個指針,一粗一細,其中寬的指針顯示的是“錶速”,而細的指針顯示的則是經過修正的、相當於標準大氣壓力水平下的真實空速,這個空速被稱作“實速”。

空速管是飛機上非常重要的傳感器之一,它能顯示飛機的飛行速度。而如果空速管出現故障或者結冰阻塞,無法顯示出正確的飛行速度讀數,甚至會造成機毀人亡的重大事故。


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空速管又叫全-靜壓管。

在空氣中運動的物體,會對頭部前端的空氣壓縮,壓力升高,這是動壓。而側面的氣流由於沒有受到擾動,與大氣環境的壓力保持一致。靜壓就是飛機靜止時的氣壓,全壓就是飛機運動產生的動壓力和靜壓力之和。

測量兩者的壓力差,就可以根據公式計算出物體的飛行速度。

空速管前端有一個開口,空氣進到一個半閉合腔內,被壓縮。空速管側面也有開口,這個空氣靜壓力和全壓力被導入儀表內部的兩個波紋膜盒,經過精密齒輪差動、放大,帶動指針偏轉。在儀表面板上指針偏轉,指示空氣速度。

這種真空膜盒式空速表還要加上溫度和高度補償。低空大氣密度高、溫度高,高空大氣密度低、溫度低,對測量結果會產生偏差。


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空速管利用的其實是壓差。

原理圖如下。紅色的是總壓,黃色是靜壓,兩者壓差導致指針變化,經過校核後,就可以指針速度。

下圖是計算公式。總壓等於靜壓加動壓,動壓隨速度變化而變化。從而速度就可以表示成總壓與靜壓的關係式。


基礎原理就是這樣,實際使用的時候,會考慮誤差補償,儘量提高精度。


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飛機在大氣中飛行時,氣流衝進空速管,受到氣流衝擊的力量即是動壓,飛行速度越快動壓越大。空氣靜止時的壓力是靜壓,把空速管飛行時的動壓與靜壓的數值比對,通過精密的飛行儀表即可測量出飛機的飛行速度。另外,飛機的飛行高度和爬升率,也是用空速管靜壓值比對測量的數據,因此,飛機上的空速管是極為重要的測量傳感器,一架飛機通常設置兩副空速管。在軍用戰機上通常設置四副多參數高精密的空速管。



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