空速管是什麼？新戰機試飛期間，為何都要帶上一根長長的管子！

在2018年2月 就在美軍一架B2轟炸機在太平洋關島進行日常訓練時 意外發生了 B2剛起飛不到20秒 其操作檯就突然失靈 導致戰機突然墜毀在跑道上 這次事故呢 直接讓美國損失高達24億美元 而造成本次事故的原因 卻僅僅是因爲機頭的那根小管子 空速管 今天大兵來和各位詳細講解一下這個裝置 看看它對於戰機到底有多重要 話不多說 我們直接進入正題 空速管也叫皮托管 總壓管 總靜壓管 該設備呢 是感受氣流的總壓和靜壓 並將測得的壓力數據傳送給大氣數據計算機 飛行儀表的裝置 主要是用來測量飛機飛行的速度 同時還兼具其他多種功能 一般呢 安裝在機頭正前方 垂尾或一肩前方 整個裝置是由兩個同心圓管組成 內圓管爲總壓管 外套管爲靜壓管 至於空速管測量飛機速度的原理 當飛機向前飛行時 氣流會衝進空速管 管子末端的感應器會感受到氣流的衝擊力量 擠動壓 飛機速度越快 動壓越大 如果將空氣靜止時的壓力擠靜壓和動壓相比 就能知道衝進來的空氣有多快 也就得知了 飛機速度有多快 而內部比較兩種壓力的工具 是用一個上下兩片很薄的金屬片製成的表面帶波紋的 空心圓形盒子 稱爲模盒 整個盒子是密封的 但有一根管子與空速管相連 如果飛機速度加快 動壓便會增大 磨合內壓力增加 磨合就會鼓起來 用一個有小槓桿和齒輪等組成的裝置 能夠將磨合的變形測量出來 並且用指針顯示 這就是最簡單的飛機空速表 與此同時呢 爲了更加精確 單架飛機大多會安裝兩套以上的空速管 有的飛機在機身兩側有兩根小的空速管 例如美國F117夜鷹 就在機頭最前方安裝了四根全向大氣數據探管 因此F117不僅能測量大氣動壓 靜壓 還能測量飛機的側滑角和迎角 此外呢 有些飛機的空速管外側還裝有幾個小葉片 能夠起到類似的作用 垂直安裝的用來測量飛機的側滑角 水平安裝的可以測量飛機迎角 爲了防止空速管結冰 還會對探頭進行加溫防冰 能防止結冰堵塞測量孔 影響探測精度 而爲了防止動靜壓系統聚集水分 空速管還配置有排水孔和動靜壓系統管路排水接頭 大兵開頭所提到的b2轟炸機墜毀事件 原因就是雨水堵住了空速管的傳感器 造成了系統數據計算錯誤 誤以爲飛機的飛行速度過快 自動減速了 最終卻因爲動力不足而墜毀了 此外呢 空速管測量出來的速度 其實並不是飛機真正相對於地面的速度 而只是相對於大氣的速度 所以稱爲空速 如果有風 飛機相對地面的速度稱地速 還應加上風速或者減去風速 另外呢 空速管測速原理利用到動壓 而動壓和大氣密度有關 相對氣流速度一樣的情況下 大氣密度越低 動壓越小 空速表中的磨合變形就越小 所以相同的空速在高空只是值比在低空小 這種空速一般被稱爲錶速 而現代空速表上都有兩根指針 一根比較細 一根比較寬 寬的指針只是錶速 細的一根指示是經過各種修正 相當於地面大氣壓力時的空速稱爲時速 當然了 空速管的作用還不止這些 它測量出來的淨壓還能用來作爲高度表的計算參數 如果磨合完全密封 裏面的壓力始終保持相當於地面空氣的壓力 這樣 當飛機飛到空中時 隨着高度增加 空速管得到的淨壓下降 磨合便會鼓起來 測量磨合的變形既可以測得飛機高度 這種高度表呢 稱爲氣壓式高度表 而且利用測得的淨壓還能製成升降速度表 也就是測量飛機的爬升率 該設備內部也有一個磨合 不過磨合內的壓力呢 不是根據空速管測得的動壓 而是通過專門一根在出口處開有一小孔的管子測得的 這根管子上的小孔大小呢 是特別設計的 用來限制磨合內氣壓變化的快慢 如果飛機上升很快 磨合內的氣壓受小孔的制約不能很快下降 而磨合外的氣壓 由於有直通空速管上的淨壓孔 很快能達到相當於外面大氣的壓力 是磨合鼓起來 測量磨合的變形大小就能算出飛機上升的快慢 飛機下降時情況相反 磨合外壓力急速增加 而磨合內的氣壓呢 只能緩慢升高 於是磨合下限帶動指針 顯示覆爬升率即下降速率 飛機平飛後磨合內外氣壓逐漸相等 磨合恢復正常形狀 升降速度表指示爲零 總之 空速管作爲飛機上極爲重要的測量工具 必須認真做好維護 這樣才能確保動靜壓的探測精度 使飛機的壽命長久一些 一旦在測量過程中受到一些其他因素的影響 就會造成所測試的速度有誤 從而導致駕駛員操作失誤 比如空速管管口堵塞 如果飛機長時間沒有使用的話 一些沙塵蚊蟲之類的鑽進管內 造成了全壓管堵塞 這時一旦沒注意直接起飛 空速表的速度指示就會不斷增大 進而發出誤導性的超速警告 那麼既然空速管那麼麻煩 能否將其取消呢 空速管雖然在結果上比較簡單輕便 製造成本也低 但隨着現代戰機的不斷發展 空速管也開始暴露出許多問題 首先 它的存在呢 會影響飛機的雷達裝置 由於空速管是全金屬材質打造 再加上它和雷達裝置安裝的位置 都位於機頭雷達罩中 兩者之間距離太近了 因此空速管金屬發射的雷達波 就會對飛機雷達產生干擾 而取消機頭空速管最直接體現的好處呢 就是大幅降低了雷達罩的結構設計難度 飛機飛行時 空速管受到壓力和彎矩影響 剛性管體的硬力會傳到複合材料的天線罩上 會影響作爲機座的雷達罩位置 精度和受力 特別是在戰機高速機動時 影響更爲明顯 結構上的彈性變形會影響到空速管的測量效果 所以機頭空速管對雷達罩尖端連接位置的材料強度要求 和結構重量都很高 不利於根據雷達技術合理化設計雷達罩的結構 而機頭空速管的取消呢 使得機載雷達罩的結構設計 擺脫了空速管的桎梏 結構設計加工工藝上將更加自由 能夠完全按照雷達信號的有力特點來確定雷達罩的層數 鋪疊方式 罩體厚度和纖維方向來獲得結構強度與重量 以及雷達波透射性能間平衡的有力結構 再者來說 從飛機氣動上來看呢 戰機機頭頂着一個大長杆 在與周圍大氣相互作用形成的激波干擾會進一步影響飛行器的氣動性能 特別是在大影角飛行狀態時 可以說是引起頭部渦流及側向不穩定的主要因素之一 導致操控品質的下降 還有就是 作爲突出于飛行器正向表面的部件 也影響了飛行器的引伸性能 因此 各國從70年代開始呢 戰機都轉而採用機身空速管設計 雖然在數據採集的精度上呢 機身空速管是要稍遜於機頭空速管的 但是通過對稱設計多個L型空速管 利用大氣數據計算機更強的數據處理和修正程序的誤差補償 也能確保測量的精度 另外 機身空速管也更爲輕便 安裝位置更爲靈活 但前提呢 是通過風動測試和試飛所取得的大量氣動數據 測量出數據誤差與速度 弓角 側滑角的關係曲線 才能通過大氣數據計算機的修正程序 對空速管測量的靜壓數據進行補償和修正 這也是各國諸多戰機在原型機試飛 氣動數據積累的階段 還是要在機頭安裝空速管的 這是爲了在大量的試飛測試中獲得 充足準確的氣動數據和可靠的修正係數 在修正程序能夠支撐起數據的修正補償後 機頭空速管就會在量產性中取消 轉而使用機頭側面小巧的機身空速管 或者像f35一樣 應用嵌入式大氣數據傳感技術 那麼這個嵌入式大氣數據傳感技術又是什麼呢 20世紀60年代 美國國家航天局爲了滿足航天飛機進入大氣層時的大氣數據測量需求 提出了 榮于飛行器表面流線的大氣數據傳感器技術 這種技術呢 依靠嵌入在飛行器前端或者機翼的 壓力傳感器陣列來測量飛行器表面的壓力分佈 並且由壓力分佈間接獲得飛行參數的數據傳感系統 這便是嵌入式大氣數據傳感系統的含義 到了上世紀90年代 美國開始將其應用到超聲速戰鬥機的實驗研究上 當時主要的目的是解決戰機大公角機動時的大氣數據測量問題 90年代中期 該系統應用在了x33上 整個系統算法的穩定性基本得到解決 此後呢 又集中在該系統算法執行性 故障檢測與排除 誤差分析與校準等問題上 直到該系統日趨成熟 並應用在f35上 而該系統在追求高機動性 超音速巡航能力的隱身戰機中的應用 也側面表明了 其將成爲未來大氣數據傳感技術的發展方向 戰機飛行期間呢 該系統能夠測量 包括動壓 靜壓 引腳 側滑腳等飛行參數 由於嵌入式大氣數據傳感系統無需傳統的機械裝置 只需要將壓力轉化爲電信號 系統更易於小型化集成化 壓力感受裝置內嵌在飛行器內與飛行器表面平齊 並不會影響戰機的氣動外形 適合於大馬赫數 大引腳飛行狀態下 大氣數據的精確測量 也便於氣動外形上的引伸 與此同時呢 該系統在硬件和軟件上的冗餘 容錯能力 使其在穩定性 可靠性 精度和適應範圍上都極具優勢 另外 由於該系統的壓力傳感器置於機體內部 這使其更能適應未來 高超聲速飛行器的惡劣飛行環境 技術上 嵌入式大氣數據傳感系統 主要是由壓力點 引氣管路 壓力傳感器 總溫傳感器組件 數據預處理單元 軟件算法 以及相關連接器和數據電纜等部分組成 工作時呢 繞特定氣動外形流動的氣流 被嵌入安裝的微小取氣裝置探測到 並通過引氣管路 將各路壓力信號傳給高精度壓力傳感器 由各傳感器實現不同位置壓力測量 最後呢 通過特定的算法 解算出大氣參數 期間系統能設計總溫傳感器 輔助修正單元等 用於測量大氣總溫 動態角度 從而進行非標準大氣模型下 高層修正 角度修正補償等 理論上的壓力點至少要分佈四個以上 才能測量出飛行器的攻角 側滑角 動壓 靜壓 這四個基本大氣參數 多個測量點的冗餘 又能進一步提高測量精度和可靠性 但壓力點的增多呢 也在增加系統的複雜程度 對整個系統的動態特性和穩定呢 又是不利的 總結來說 儘管空速管技術是目前最成熟 應用最廣泛的大氣數據測量技術 但直到現今 仍然是分析空速測量的重要手段 可是長遠來看 隨着航空航天技術的發展 新技術的出現和新飛行器特殊的飛行要求等因素 傳統的空速管的問題和無法滿足需要就開始凸顯 特別是在當下各國爭相發展的高超音速飛行器領域 空速管的上述問題更爲突出 因此 嵌入式大氣數據傳感系統是未來發展的趨勢 好了 今天的視頻就到這裏結束了 如果視頻中有出錯的地方 歡迎各位在評論區內指出 喜歡的朋友請點贊關注 之後大兵會爲大家帶來更多更精彩的視頻 我們下期再見