Акустический метод измерения высоты полета аналогичен радиоволновому, но отличается лишь тем, что вместо электромагнитных колебаний генерируются на самолете и отражаются от Земли звуковые колебания. Основанный на этом принципе действия акустический высотомер состоит из источника звука А1 и приемника звука А2, расположенных на самолете на расстоянии l друг от друга аналогично приемной и передающей антенне радиовысотомера (см. рис. 11.3).
Время прохождения звукового сигнала от самолета до Земли и обратно после его отражения зависит от скорости движения
самолета (рис. 11.7):
,
где — скорость распространения звука в воздухе в м/сек;
к — постоянная адиабаты, равная для воздуха 1,4;
R — газовая постоянная (R =29,27 м/град);
Т — абсолютная температура воздуха в °К;
V — скорость полета в м\сек.
Прямой сигнал может быть передан от источника звука к приемнику звука не по воздуху, а по проводам (непосредственно от электрического генератора звуковых колебаний). В этом случае время прохождения прямого сигнала сек.
Интервал времени между приемом прямого и отраженного сигналов
.
Учитывая, что время t1 пренебрежимо мало по сравнению с t2, получим
сек.
Измеряя интервал времени , можно определить высоту полета, для чего принимаемые звуковые сигналы нужно преобразовать в электрические.
Способы измерения т могут быть такими же, как и в радиовысотомерах, к ним относят: способ частотной модуляции излучаемых звуковых колебаний с выделением разности частот прямых и отраженных сигналов или же способ, основанный на импульсном излучении звука с определением расстояния между прямым и отраженным импульсом на катодно-лучевой трубке.
Акустическому высотомеру присущи следующие методические погрешности, которые отсутствуют у радиовысотомеров:
а) температурная погрешность, обусловленная тем, что скорость распространения звука в воздухе пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры; эта погрешность изменяет чувствительность прибора (масштаб измерения); температурная погрешность может быть уменьшена путем измерения температуры окружающего воздуха и введением в прибор схемы температурной компенсации;
б) скоростная погрешность, обусловленная тем, что время прохождения звукового сигнала от самолета до Земли и обратно зависит от скорости движения летательного аппарата (11.4). При скорости полета, превышающей скорость звука, отраженный сигнал вообще никогда не вернется на самолет, из-за чего акустический метод измерения высоты неприменим при полете со сверхзвуковой скоростью;
в) погрешность от помех, создаваемых шумом авиадвигателя; относительная величина этой погрешности возрастает с увеличением высоты, поскольку при этом уменьшается мощность отраженного сигнала.
4. Оптический метод [9]
Оптический метод измерения высоты полета аналогичен радиоволновому и основан на отражении от Земли светового луча. Передатчиком служит оптический квантовый генератор (лазер), приемником — фотоэлемент. Соотношение, определяющее временной интервал между приемом прямого и отраженного сигналов, полученное для радиовысотомеров, остается в силе и для лазерного высотомера.
Другой вариант оптического метода основан на измерении вертикальных углов земных ориентиров (вертикальный угол — это угол между направлением на земной ориентир и вертикалью). Если с помощью оптического визира измерить вертикальный угол некоторого ориентира, лежащего на линии полета на заранее известном расстоянии s, то высота полета может быть вычислена по формуле . Этот метод применим в основном для контроля других типов высотомеров во время полета.
5. Инерциальный метод [13]
Инерциальный метод измерения высоты полета основан на двойном интегрировании вертикального ускорения летательного аппарата. Высотомер, построенный по этому принципу, состоит из акселерометра (датчика линейных ускорений) и интегрирующего устройства. Ось чувствительности акселерометра ориентирована по направлению земной вертикали с помощью гиростабилизированной платформы. Сигнал акселерометра пропорционален алгебраической сумме вертикального ускорения и ускорения силы тяжести g:
.
Для исключения погрешности, вызванной интегрированием ускорения силы тяжести, на вход интегрирующего устройства необходимо подавать разность
где u2 = Kg — постоянный сигнал, компенсирующий влияние силы
тяжести.
При этом сигнал на выходе интегрирующего устройства (после двойного интегрирования) будет
,
где Н0 — высота, соответствующая началу интегрирования.
Если интегрирование начинается в момент взлета (Н0 = 0), то сигнал инерциального высотомера будет пропорционален относительной высоте полета (относительно места взлета).
Погрешности инерциальцого высотомера складываются из погрешностей акселерометра (в том числе погрешностей из-за неточной ориентации оси его чувствительности по вертикали), погрешностей от неточной компенсации силы тяжести и погрешностей интегрирующего устройства. Основным недостатком метода является нарастание погрешности с течением времени (постоянная погрешность на входе интегратора дважды интегрируется и погрешность на выходе интегратора возрастает пропорционально квадрату времени). Поэтому для реализации инерциального метода необходимы прецизионные устройства.
В результате сопоставления рассмотренных методов можно установить, что истинную высоту полета измеряют радиовысотомеры, акустические и оптические высотомеры, т. е. высотомеры, основанные на свойствах земной поверхности отражать волновые колебания; инерциальный высотомер измеряет относительную высоту Нотн, а барометрический высотомер — барометрическую высоту Нбар.
Акустический и оптический методы практически не используются на летательных аппаратах: акустический метод принципиально неприменим на сверхзвуковых скоростях полета, а на дозвуковых он не нашел применения из-за больших погрешностей, однако не исключена возможность его использования для построения посадочного прибора; оптический метод пока еще не получил практического применения, но не исключено его использование по мере развития конструкций оптических квантовых генераторов.
Основное применение на летательных аппаратах нашли барометрический, радиотехнический и в меньшей степени инерциальный методы измерения высоты полета. Область применения инерциального метода ограничена летательными аппаратами кратковременного действия из-за нарастания с течением времени погрешностей измерения высоты.
Ниже излагаются теория и особенности конструкции барометрических высотомеров.