皮托管的结构原理与应用
皮托管是一种测量气流总压和静压以确定气流速度的管状装置,由法国 H.皮托发明而得名。严格地说,皮托管仅测量气流总压,又名总压管;同时测量总压、静压的才称风速管,但习惯上多把风速管称作皮托管。
结构原理:
皮托管的构造如图,头部为半球形,后为一双层套管。测速时头部对准来流,头部中心处小孔(总压孔)感受来流总压 p0,经内管传送至压力计。头部后约 3~8D 处的外套管壁上均匀地开有一排孔(静压孔),感受来流静压 p,经外套管也传至压力计。
根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数,进而再求速度。但在超声速流动中,皮托管头部出现离体激波,总压孔感受的是波后总压,来流静压也难以测准,因而皮托管不再适用。
总压孔有一定面积,它所感受的是驻点附近的平均压强,略低于总压,静压孔感受的静压也有一定误差,其他如制造、安装也会有误差,故测算流速时应加一个修正系数 ζ。ζ 值一般在 0.98~1.05 范围内,在已知速度之气流中校正或经标准皮托管校正而确定。
应用:
皮托管结构简单,使用方便,用途很广。如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管,测量相对空气的飞行速度。应用空速管是飞机上极为重要的测量工具。
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,一般在机头正前方,垂尾或翼尖前方。同时为了保险起见,一架飞机通常安装 2 副以上空速管。
原理:
空速管测量飞机速度的原理是这样的, 当飞机向前飞行时,气流便冲进空速管,在管子末端的感应器会感受到气流的冲击力量,即动压。飞机飞得越快,动压就越大。如果将空气静止时的压力即静压和动压相比就可以知道冲进来的空气有多快, 也就是飞机飞得有多快。
比较两种压力的工具是一个用上下两片很薄的金属片制成的表面带波纹的空心圆形盒子,称为膜盒。这盒子是密封的, 但有一根管子与空速管相连。如果飞机速度快,动压便增大,膜盒内压力增加,膜盒会鼓起来。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,这就是最简单的飞机空速表。
现代的空速管除了正前方开孔外, 还在管的四周开有很多小孔, 并用另一根管子通到空速表内来测量静止大气压力, 这一压力称静压。空速表内膜盒的变形大小就是由膜盒外的静压与膜盒内动压的差别决定的。
其他用途:
空速管测量出来的静压还可以用来作为高度表的计算参数。如果膜盒完全密封,里面的压力始终保持相当于地面空气的压力。这样当飞机飞到空中,高度增加,空速管测得的静压下降,膜盒便会鼓起来,测量膜盒的变形即可测得飞机高度。
利用空速管测得的静压还可以制成 " 升降速度表 " ,即测量飞机高度变化快慢 ( 爬升率) 。表内也有一个膜盒,不过膜盒内的压力不是根据空速管测得的动压而是通过专门一根在出口处开有一小孔的管子测得的。
这根管子上的小孔大小是特别设计的, 用来限制膜盒内气压变化的快慢。 如果飞机上升很快, 膜盒内的气压受小孔的制约不能很快下降, 而膜盒外的气压由于有直通空速管上的静压孔, 可以很快达到相当于外面大气的压力, 于是膜盒鼓起来。 测量膜盒的变形大小即可算出飞机上升的快慢。飞机下降时,情况正相反。膜盒外压力急速增加,而膜盒内的气压只能缓慢升高,于是膜盒下陷,带动指针,显示负爬升率,即下降速率。
空速管测量出来的速度并非是飞机真正相对于地面的速度, 而只是相对于大气的速度,所以称为空速。 如果有风,飞机相对地面的速度 ( 称地速) 还应加上风速 ( 顺风飞行) 或减去风速 ( 逆风飞行) 。