ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЫСОТЫ И СКОРОСТИ ПОЛЕТА НА ВОЗДУШНОМ СУДНЕ

АННОТАЦИЯ

В программах обучения специалистов авиационной отрасли изучение профильных дисциплин начинается с аэродинамики. Данный предмет часто представляет сложность для студентов из-за трудностей в визуализации и понимании физических принципов. Иллюстрация дисциплины только примерами является недостаточной, так как необходимо понимание изменения скоростей, давления, плотности и температуры в пространстве и во времени. Формулы точно устанавливают количественные зависимости, но их интерпретация в наглядную картину часто сложна.

Целью данной работы является разработка учебной программы, предназначенной для облегчения освоения авиационных дисциплин студентами. Использование компьютерного моделирования и визуализации представляется актуальным решением. Рассмотрена программа, разработанная на языке Python, позволяет визуализировать формулы при изменении вводных данных. Это дает возможность наглядно отслеживать динамику изменения выходных параметров, их графическое представление, а также схематическое отображение положения самолета, крыла, элеронов и других элементов. Такой подход способствует более глубокому пониманию аэродинамических принципов и явлений.

ABSTRACT

In the training programs of specialists in the aviation industry, the study of specialized disciplines begins with aerodynamics. This subject is often difficult for students due to the difficulties in visualizing and understanding the physical principles. Illustrating the discipline with examples alone is insufficient, as it is necessary to understand the changes in velocities, pressure, density, and temperature in space and time. Formulas accurately establish quantitative relationships, but their interpretation into a visual picture is often challenging.

The purpose of this work is to develop a training program designed to facilitate the learning of aviation disciplines by students. The use of computer modeling and visualization is an appropriate solution. The presented program, developed in Python, allows for the visualization of formulas when the input data is changed. This enables a clear understanding of the dynamics of the output parameters, their graphical representation, and the schematic display of the aircraft, wing, ailerons, and other elements. This approach contributes to a deeper comprehension of aerodynamic principles and phenomena.

Ключевые слова: Python; авиационные дисциплины; измерение скорости; датчик давления

Keywords: Python; aviation disciplines; speed measurement; pressure sensor

Одним из фундаментальных разделов аэродинамики является принцип измерения скорости воздушного судна.

В качестве конкретного объекта исследования рассмотрен современный приемник воздушного давления (ПВД). Программа осуществляет преобразование введенных данных в наглядное графическое представление.

Измерение воздушной скорости осуществляется с использованием ПВД – устройства, предназначенного для отбора сигналов атмосферного давления и их передачи в системы статического и динамического давления. Дополнительно учитываются параметры внешней температуры воздуха. На основе этих данных вычисляются приборная и истинная воздушные скорости, а также высота полета (эшелон). Зависимость между указанными параметрами визуализируется в разработанной программе и представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Имитационная модель работы датчиков давлений

Описание имитационной модели датчиков давления и ее сравнение с существующими

На рисунке 1 представлена разработанная модель, демонстрирующая вертикальное перемещение самолета относительно шкалы высоты (эшелона) полета. Одновременно с движением самолета отображаются два вектора, визуализирующие истинную и приборную скорости. Длина векторов изменяется пропорционально численным значениям соответствующих скоростей. Помимо детальной визуализации, численные значения параметров также представлены в виде графиков.

Разработанная программа представляет собой самодостаточный обучающий модуль, легко переносимый между компьютерами и запускаемый на различных устройствах. Программа реализована на языке программирования Python.

Программа "Датчики аэрометрических давлений" наглядно демонстрирует принцип работы современного приемника воздушного давления (ПВД). В основе расчетов и преобразования входных параметров в выходные лежит математическая модель, учитывающая характеристики современного ПВД, включая температуру воздуха, поправки на сжимаемость воздуха, инструментальные погрешности и другие факторы.

Входные параметры задаются пользователем в соответствующем интерфейсе (левый нижний угол экрана), а вычисленные значения скоростей и высоты полета наглядно отображаются в центральной части экрана. Для каждого из шести ключевых параметров представлена графическая визуализация его изменения во времени. Это позволяет одновременно анализировать динамику всех параметров, выявлять зависимости (пропорциональность, нелинейность), оценивать скорость изменения графиков и выполнять сравнительный анализ.

Возвращаясь к приемнику воздушного давления (ПВД), следует отметить, что он передает сигналы на различные датчики, обеспечивающие отображение летной информации.

К числу потенциальных недостатков относится возможность обледенения устройства в условиях низких температур на больших высотах. Образование ледяных пробок в приемных отверстиях может привести к некорректным измерениям воздушной скорости анероидно-мембранными приборами.

Для предотвращения закупоривания трубок ПВД используются мощные системы противообледенительного обогрева с обязательным контролем работоспособности перед полетом или непрерывным мониторингом в процессе полета.

Некорректная работа или отказ приемников давления может привести к искажению показаний приборов в кабине экипажа, а также к нарушению функционирования автоматических систем управления полетом и автоматики двигателей. В свою очередь, это может спровоцировать развитие аварийной ситуации, вплоть до катастрофических последствий.

Современные ПВД относятся к контрольно-измерительной аппаратуре и применяются для определения высоты и скорости полета воздушных судов на основе аэрометрического метода. Типичный датчик аэрометрических давлений включает в себя корпус с двумя отверстиями, сообщающимися с измеряемой средой, внутри которого расположен анероидный чувствительный элемент. Этот элемент образован верхней и нижней мембранами, герметично прикрепленными по периметру к корпусу и образующими зазор за счет разнесения по высоте. Отверстия в корпусе расположены выше и ниже этого зазора, в котором находятся фотоприемные линейки. В зазоре также размещено устройство формирования оптических лучей, жестко закрепленное на боковой стенке корпуса, к которой прикреплены и фотоприемные линейки. В геометрических центрах мембран установлены криволинейные отражатели оптических излучений. Данная конструкция обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений давления, а, следовательно, и высоты, и скорости полета воздушного судна."

В фотоприемной линейке отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы этих устройств основан на формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Это достигается за счет фоточувствительного p-n перехода (аналогично обычному фотодиоду), через который происходит разряд конденсатора фотоприемного элемента. Интенсивность разряда конденсатора напрямую зависит от мощности оптического излучения, попадающего на пиксель: чем выше оптическая мощность, тем больше ток фотодиода и тем быстрее разряжается конденсатор. В конце цикла измерения производится считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.

Таким образом, предлагаемый датчик давления, в сочетании с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.

Предлагаемое устройство, сохраняя все преимущества прототипа, обеспечивает работоспособность при значительно меньших деформациях упругого элемента. Это достигнуто благодаря использованию криволинейного отражателя и высокочувствительного фотоприемного устройства. Снижение деформаций позволяет минимизировать влияние ряда погрешностей, таких как: остаточная деформация, нелинейность, упругие несовершенства материала, температурные колебания, воздействие линейных ускорений и вибраций, а также изменение свойств материала со временем. Кроме того, отсутствие дополнительных элементов (шторок, излучателей и фотоприемных линеек) в геометрических центрах мембран улучшает динамические характеристики датчика.

Список литературы:

1. Ковальчук А. В. Программное моделирование электронных систем. - Новосибирск: НГТУ, 2020. - 198 с.
2. Милашкина О.В., Милашкин А.А. // Исследование силоизмерительных устройств с помощью оптико-электронных преобразователей линейных и угловых перемещений - Международный научный журнал "Вектор научной мысли" - №6 (23), Июнь 2025 - С. 67-72.