大气数据系统

➢ 推导标准气压高度公式时，假设了标准大气和标准海平面， 但实际海平面大气参数与标准海平面大气参数不同
➢ 构造误差
– 压力敏感元件的温度误差 – 摩擦误差
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气压高度的测量系统
高度与大气压力关系 为非线性
为使气压高度系统能 用来测量飞机所在处 相对于某一参考基准 面的相对高度，系统 中必须设有气压修正 机构，并保证修正量 与测高系统输出量之 间成线性关系
大气数据系统
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大气数据系统
发展历史
➢ 50年代前期，分立式仪表 ➢ 50年代后期，机载设备相继增多 ➢ 模拟式中央大气数据计算机 ➢ 各种模拟器件,伺服系统 ➢ 70年代,混合式大气数据计算机 ➢ 80年代,数字式的 ➢ 大气数据计算机的出现，为飞机提供更多的大气数据参数
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大气数据有关的参数
与大气数据有关的参数
➢ 静压：飞机周围自由空气的压力 ➢ 动压：气流的定向运动具有动能，当气流到达驻点时，动能
变为压力能和热能。单位面积上升高的压力称为动压
pd=1/2ρυ2 ρ为标准大气H高度上的空气密度
➢ 冲压：定义与动压相同。区别是：动压是不可压缩的流体的 理想定义，而冲压是考虑了空气的可压缩性
TH=Tb+(HHb)
国际标准大气，气压与高度关系：
H=Tb[(pH)Rgn
pb
1]Hb
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大气参数的测量单位
压力单位
➢ 帕斯卡[Pa]：每平方米的面积上作用有1牛顿的力,1[Pa]=1[N/m2] ➢ 标准大气[atm]：1[atm]=101325[Pa]
➢ 工程大气压[at]：1[at]=1[Kgf/cm2]=9.80665×104[Pa]
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气流角
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标准大气（一）
国际标准大气的规定
➢ 空气为干燥清洁的理想气体，并遵循理想气体方程所确立的关系
P R*T RT
M
➢ 国际标准大气以平均海平面作为零高度 ➢ 气压为1个标准大气压，气温15º，密度为0.125kg/m3
为便于探讨大气中的压力分布，国际标准大气引用了重 力势高度的概念。
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与大气数据有关的参数
➢ 全压：动压和静压之和，即气流到达驻点时，单位面积上的 总压力
➢ 总温：气流到达驻点时获得的气温叫总温 ➢ 静温：飞机周围自由空气所具有的温度 ➢ 攻角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角（飞
机竖轴和纵轴所在平面内测量的角度） ➢ 侧滑角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角
重力加速度随地理纬度的变化：
g 9 . 8 0 6 1 6 1 0 . 0 0 2 6 3 7 3 c o s 2 0 . 0 0 0 0 0 5 9 c o s 2 2
重力势高度与几何高度的关系
H=rh/(r+h)
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标准大气（三）
每一层大气的温度与重力势高度之间的关系：
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空速的测量
飞机相对于气流的速度即为气流相对于飞机的速度
不考虑空气的压缩性（密度、温度不变）时，pd
1 V 2
2
考虑空气的压缩性（密度、温度变化）时，上式不正 确。
空气流速等于或大于音速时会产生激波，状态参数发 生很大变化。
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空气流速小于音速时空速测量的理论基础
Ps 12sV12 Pt （不考虑空气压缩性）
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空气流速小于音速时空速测量的理论基础
考虑音速的表达形式：
a kRs TksP / s
Q
c
P
s
P 1
s
1
k
k V 2 a
2
2
1
V a
k 8
2 2
V a
k k
1 4
1
k 2
48
k
V
a
（飞机横轴和纵轴所在平面内测量的角度）
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气流角 （空速向量与机体轴系的关系）
攻角：空速向量在飞机对称面上的投影与机体轴的夹 角，以速度向量的投影在机体轴之下为正（飞机的上 仰角大于轨迹角为正）；
侧滑角 ：速度向量与飞机对称面的夹角。以速度向量 处于飞机对称面右边时为正。
6
L
L
1
冲压可表示并化解为：
K为空气的绝热指数
K=1.4
kPs V 2a2
1 2
sV
2 1
2 1
1 V 4 a 1 V 4 a
2
2
2k 24
2k 24
V a V a
4
L
4
L
L L
1 2
sV
2 1
1 4
V a
2
1 40
V a
4
L
1 4
M
2
a
1 40
➢ 飞机相对空气运动的速度(横轴-机翼所在的轴，纵轴-机身轴)
– 侧滑速度：飞机在垂直截面内横轴相对于气流的运动速度 – 空速：飞机在纵轴对称面内相对于气流的运动速度
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地速的测量
W(地速）=Vt（真空速）+V（风速） 地速：飞机相对于地面的速度 风速：空气相对于地面的运动速度 空速：飞机相对于气流的速度 地速的测量：线加速度积分法和多卜勒效应法
M
4
a
L
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空速与动压的关系
qc((×9.8Pa)
当飞机在同一高度、 同一速度飞行时， 考虑空气压缩性比 不考虑空气压缩性 所得的动压大。 马赫数为0.6~0.7时， 不考虑空气的压缩 性，计算空速时， 会造成9~13%的误差。
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空气流速大于音速时的空速
飞机下降，开口膜 盒内气压大于膜盒 外气压，膜盒膨胀， 指针下指
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飞行速度
定义 当飞机在所选坐标系内运动时，沿其重心运动轨迹切 线方向的速度称为飞行速度。
速度的种类
➢ 飞机相对于地球运动的速度
– 升降速度：飞机重心沿地垂线方向运动的速度分量 – 地速：飞机重心沿地平面运动的速度分量
➢ 重力势表示地球大气层内某一给定点上空气微粒的势能。重力势 高度以平均海平面作为重力势高度和几何高度的共同基准。重力 势高度又称为标准气压高度。
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标准大气（二）
当空气微粒沿地球法线移动，单位质量所做的功为：
dΦ=ghdz= ghdh
h
0 ghdh
重力势高度：H= Φ/gn
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地球大气层
对流层（变温层）、平流层（同温层）、中间层、电离层（热 层）、散逸层
对流层：
距地球中纬度11km，赤道17km，两极8km 包含了大气质量的3/4
平流层：
对流层顶部到离地约30km，温度几乎不变，包含了大气质量的约1/4
中间层
30km到80~100km为止，大量的臭氧
当空气与飞机间的相对运动速度大于音速时将产生激 波，空气在激波前后状态参数差别很大，伯努力方程 已经不适用，涉及高速空气动力学知识，推导复杂。
V 2qc
s1
式中，为马赫数大于1时，空气压缩性修正系数
273M 8.4a2591M2.a551M .49a221
标准气压高度是国际上通用的高度，主要防止同一空域或同 一航线上的飞机在同一气压面上飞行，发生两机相撞的可能。
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高度测量方法
利用大气的物理特性测高
➢ 通过测量大气压力（静压）间接测高 ➢ 通过测量大气密度来测量飞行高度
利用无线电 波的反射特性测量飞行高度（测真实高度）
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飞行高度及高度变化率的测量
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高度定义
定义 飞机的重心在空中距离某一测高基准面的垂直距离。
➢ 绝对高度：基准面为实际海平面 ➢ 相对高度：基准面为某一参考平面 ➢ 真实高度：基准面为飞机正下方的地面目标之最高点在内的
并与地平面平行的平面 ➢ 标准气压高度：基准面为标准海平面
系统的静态误差 绝对误差 被测参数的给出值与相应的真值之差的绝对值。 相对误差
➢ 标称相对误差：mm取测量的指示值 ➢ 实际相对误差： m取测量的真实值 ➢ 额定相对误差： m取仪表的满刻度值 ➢ 最大额定相对误差：额定相对误差的最大值 基本误差、附加误差和工作误差 ➢ 基本误差 与标准设备进行对比和校准的差值 ➢ 附加误差 使用条件偏离标准条件 ➢ 工作误差 工作环境因素变化情况下的误差极限值
➢ 巴[bar]：1[bar]=106[dyn/cm2]= 105 [Pa] ➢ 毫米液柱：以液柱高度来表示压力的大小
1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa]
1[mmH2O]=9.80665[Pa] ➢ 磅/英寸2[PSi]：1[PSi]=1[bf/in2]=6.89476×103[Pa]
温标
➢ 摄氏温标（t）、华氏温标（F）、热力学温标（T）、国际实用温
标 F9t32
Tt27 .13 5
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测试系统的静态动态特性及误差
输入/输出特性曲线（难以用精确的解析式表示）
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测试系统的静态动态特性及误差
串联测试系统
Y1
Y2
Y
X
Y1
Y2
Y
X
Y1
Y2
用图解法求测试系统的输入输出关系。
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用图解法求测量环节的特性曲线
y2=f2(y1) y1
y1=f1(x)
y2=f2(y1) y1
y1=f1(x)
y2
xy
x
y=f3(y2)
y
串联测试系统静态特性曲线
y
两个测试系统静态特性曲线
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测量系统特性描述参数（一）
若切面1处空气未受扰动，其压力和密度即为该处静压 和空气密度，它与物体相对速度为V，设法使空气流 在切面2处全阻滞，所有动能全部转化为压力能和内能。 （压力为全压）使用全静压管收集全静压，使切面1处 气流不被扰动，2处气流流速为零。
Байду номын сангаас
V12 k P1 k Pt
2 k1 1 k1 t
(考虑空气压缩性）
电离层：中间层到离地500km，空气稀薄，听不到声音 散逸层：离地500~1600km之间，也称为外层大气
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大气紊流
大气紊流（湍流）： 空气紊乱流动的现象，旋涡和不规则的波动，使得大 气中的风向、风速呈随机变化。
风切变： 空间任意两点之间风矢量的变化
微下冲气流： 较强的下降气流，飞机在起飞、着陆过程中遇到超过 自己爬升或下降速率的下降气流，对飞行的危害最大。
选用弹性模数温度系 数小的恒弹性合金或 熔凝石英
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机械式气压高度表
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气压式高度表的使用
标准气压高度的测量 绝对高度的测量 相对高度的测量
气压调节旋钮，调节测 量高度基准面的大气 压力，单位：英寸汞 柱、百帕
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高度传感器
用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的从动轴转角Ф与 主动轴转角θ间的函数关系Ф=f(θ),保证该传感器输出 角θ与高度（H）间是线性关系，θ=KθH 。
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高度变化率的测量
飞机平飞，表壳内 外气压相等，膜盒 不膨胀不收缩，指 针指零
飞机上升，开口膜 盒内气压小于膜盒 外气压，膜盒收缩， 指针上指
h1 cc2l
2
通过测量飞机的垂直加速度，再二次积分得飞行高度
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气压式高度表
利用测量绝对压力的弹性敏感元件来测量大气静压， 根据高度与大气静压的关系，利用转换机构输出标准 气压高度（相对于标准海平面的重力势高度） 真空膜盒、膜盒串、波纹管
气压式高度表的误差
➢ 推导标准气压高度公式时，对标准大气作了一些假设，而实 际大气并不完全符合这些假设
灵敏度 输出量微小变化与输入量微小变化之比
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测量系统特性描述参数（三）
分辨率 输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小 迟滞 同一工作条件下，同一参数的测量值正反行程不同 重复性 同一方向多次改变参数时，对同一被测参数所得
的输出值之间的接近和重复程度。
系统的动态误差 在动态测量时输入参数与输出参数之间随时间而变化的函 数关系。
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系统的静态误差（二）
系统误差、随机误差和过失误差
➢ 原理误差
➢ 构造误差 系统误差(误差恒定不变或按一定规律变
化）
➢ 环境误差
➢ 人员误差
➢ 随机误差 多次测量所得各次的误差
➢ 过失误差 测量者读数、记录、计算所造成的误差
精密度、准确度和精度 误差的反义词
测量范围、量程 测量上限、下限