Về ngun lí thì ống pitot tĩnh hoạt đợộ̣ng theo định luật Bernoulli. Lỗ vng góc với dịng chảy sẽ đo áp suất tĩnh. Áp suất tĩnh sẽ chảy vào static chamber hay còn gọi là buồng áp tĩnh, tạo nên áp suất tạm gọi là p1. Còn các lỗ còn lại đo áp suất tổng. Áp suất tổng sẽ chạy vào pressure chamber (buồng áp suất), tại đây ta gọi áp suất tổng là p2.
22
Hình 23. Minh họa ngun lí hoạt động của ống pitot tĩnh.
Ở giữa hai buồng sẽ có vách ngăn. Khi có áp suất màng ngăn giữa các khoang biến dạng về phía khoang tĩnh bởi vì áp suất trong buồng khác cao, màng ngăn được kết nối với mộộ̣t bộộ̣ chuyển đổi áp suất (pressure transducer) để tạo ra sự chênh lệch áp suất. Theo định luật Bernoulli ta có:
P2=p1 + pđ với( pđ= 1/2.ρ.v^2)
Ta có thể viết lại: p2=p1 + 1/2.ρ.v^2
Từ đây có thể tìm ra vận tốc gió.
2.3. Pitot-Static Instruments
23
2.3.1. Altimeter
Máy đo độộ̣ cao là mộộ̣t công cụ được sử dụng để chỉ độộ̣ cao của máy bay trên mộộ̣t mức xác định trước, chẳng hạn như mực nước biển hoặc địa hình bên dưới máy bay. Khi đợộ̣ cao tăng, áp suất khơng khí giảm. Số lượng mà nó giảm có thể đo lường được và nhất quán đối với bất kỳ sự thay đổi độộ̣ cao nhất định nào. Do đó, bằng cách đo áp suất khơng khí, có thể xác định được đợộ̣ cao.
Máy đo độộ̣ cao đo độộ̣ cao của máy bay bằng cách đo áp suất của khơng khí được gọi là máy đo đợộ̣ cao áp suất. Máy đo độộ̣ cao áp suất được chế tạo để đo áp suất khơng khí xung quanh tại bất kỳ vị trí và đợộ̣ cao nhất định nào. Trong máy bay, nó được kết nối với static vent thông qua đường ống trong hệ thống pitot-static. Mối quan hệ giữa áp suất đo được và độộ̣ cao được biểu thị trên mặt thiết bị, được hiệu chỉnh theo đơn vị feet. Những thiết bị này là công cụ đọc trực tiếp để đo áp suất tuyệt đối. Aneroid (hay aneroid bellows) là cốt lõi của hoạt độộ̣ng bên trong của máy đo độộ̣ cao áp suất. Gắn với màng chắn kín này là các liên kết và bánh răng kết nối nó với kim chỉ thị. Áp suất khơng khí tĩnh đi vào hợộ̣p dụng cụ kín khí và bao quanh aneroid. Ở mực nước biển, máy đo độộ̣ cao chỉ số 0 khi áp suất này được tác đợộ̣ng bởi khơng khí xung quanh lên aneroid. Khi áp suất khơng khí giảm xuống bằng cách di chuyển máy đo đợộ̣ cao lên cao hơn trong khí quyển, aneroid sẽ mở rợộ̣ng và hiển thị độộ̣ cao trên thiết bị bằng cách xoay con trỏ. Khi hạ thấp máy đo đợộ̣ cao trong khí quyển, áp suất khơng khí xung quanh aneroid tăng lên và kim chỉ thị chuyển độộ̣ng theo hướng ngược lại.
24
Hình 24. Sự sắp xếp bên trong của một máy đo độ cao áp suất màng kín.
Ởmực nước biển và các điều kiện khí quyển tiêu chuẩn, liên kết gắn với màng ngăn có thể mở rợộ̣ng tạo ra chỉ số bằng không. Khi độộ̣ cao tăng, áp suất tĩnh ở bên ngoài màng ngăn giảm và aneroid mở rợộ̣ng, tạo ra mợộ̣t dấu hiệu tích cực về đợộ̣ cao. Khi đợộ̣ cao giảm, áp suất khí quyển tăng lên. Áp suất khơng khí tĩnh ở bên ngồi màng ngăn tăng lên và con trỏ di chuyển theo hướng ngược lại, cho thấy độộ̣ cao giảm.
Mặt hoặc mặt số của đồng hồ đo độộ̣ cao tương tự được đọc tương tự như đồng hồ. Khi con trỏ dài nhất di chuyển xung quanh mặt số, nó đang đăng ký đợộ̣ cao tính bằng hàng trăm feet. Mợộ̣t c̣ộ̣c cách mạng hồn chỉnh của con trỏ này cho biết độộ̣ cao 1.000 feet. Điểm dài thứ hai di chuyển chậm hơn. Mỗi khi nó đạt đến mợộ̣t chữ số, nó chỉ ra đợộ̣ cao 1.000 feet. Mợộ̣t khi xung quanh mặt số cho con trỏ này bằng 10.000 feet.
Khi con trỏ dài nhất di chuyển hồn tồn quanh mặt số mợộ̣t lần, điểm dài thứ hai chỉ di chuyển khoảng cách giữa hai chữ số — cho biết đã đạt được độộ̣ cao 1.000 feet. Nếu được trang bị như vậy, con trỏ thứ ba, ngắn nhất hoặc mỏng nhất sẽ ghi lại độộ̣ cao theo gia số 10.000 feet. Khi con trỏ này đạt đến mộộ̣t chữ số, độộ̣ cao 10.000 feet đã đạt được.
25
Đôi khi mộộ̣t vùù̀ng gạch chéo đen trắng hoặc đỏ trắng được hiển thị trên mặt của thiết bị cho đến khi đạt đến mức 10.000 foot.
Hình 25. Một máy đo độ cao nhạy với ba con trỏ và vùng giao nhau được hiển thị trong quá trình hoạt động dưới 10.000 feet.
Nhiều máy đo độộ̣ cao cũng chứa các liên kết xoay bợộ̣ đếm số ngồi việc di chuyển các con trỏ xung quanh mặt số. Cửa sổ tham chiếu nhanh này cho phép phi công chỉ cần đọc số đợộ̣ cao tính bằng feet. Chuyển đợộ̣ng của các chữ số quay hoặc bợộ̣ đếm kiểu trống trong q trình lên hoặc xuống nhanh chóng gây khó khăn hoặc khơng thể đọc các số. Sau đó, tham chiếu có thể được chuyển hướng đến chỉ báo kiểu đồng hồ cổ điển.
26
Hình 26. Bộ đếm kiểu trống có thể được điều khiển bởi thiết bị đo độ cao để hiển thị độ cao bằng số. Trống cũng có thể được sử dụng cho các chỉ báo cài đặt của máy đo độ
cao.
2.3.2. Vertical Speed Indicator
Mộộ̣t chỉ báo tốc đợộ̣ dọc tương tự (VSI) cũng có thể được gọi là chỉ báo vận tốc thẳng đứng (VVI), hoặc chỉ báo tốc đợộ̣ leo dốc. Nó là mợộ̣t máy đo áp suất chênh lệch đọc trực tiếp, so sánh áp suất tĩnh từ hệ thống tĩnh của máy bay được dẫn vào màng ngăn với áp suất tĩnh bao quanh màng ngăn trong hợộ̣p thiết bị. Khơng khí được lưu thơng tự do không hạn chế vào và ra khỏi màng ngăn nhưng được tạo ra để chảy vào và ra khỏi thùù̀ng máy thông qua mộộ̣t lỗ được hiệu chỉnh. Mộộ̣t con trỏ gắn vào màng ngăn cho biết tốc độộ̣ thẳng đứng bằng khơng khi áp suất bên trong và bên ngồi màng ngăn là như nhau. Mặt số thường được chia đợộ̣ bằng 100 feet / phút. Vít điều chỉnh zeroing, hoặc núm, trên mặt của thiết bị được sử dụng để căn giữa con trỏ chính xác về số 0 khi máy bay đang ở trên mặt đất.
27
Hình 27. Một chỉ báo tốc độ dọc điển hình.
Khi máy bay lên cao, áp suất khơng khí khơng hạn chế trong màng ngăn giảm xuống do khơng khí trở nên ít đặc hơn. Áp suất khơng khí trong trường hợp xung quanh màng ngăn giảm chậm hơn, phải đi qua phần hạn chế do lỗ thốt khí tạo ra. Điều này gây ra áp lực bên trong và bên ngồi cơ hồnh khơng bằng nhau, do đó làm cho cơ hồnh co lại mợộ̣t chút và kim chỉ thị có dấu hiệu leo lên. Q trình này hoạt đợộ̣ng ngược lại đối với mộộ̣t máy bay hạ nguồn. Nếu duy trì đợộ̣ lên hoặc xuống ổn định, sự chênh lệch áp suất ổn định sẽ được thiết lập giữa màng ngăn và áp suất vỏ xung quanh nó, dẫn đến chỉ báo chính xác về tốc đợộ̣ leo qua các vạch chia trên mặt thiết bị.
28
Hình 28. VSI là một máy đo chênh lệch áp suất so sánh áp suất khơng khí tĩnh chảy tự do trong màng ngăn với áp suất khơng khí tĩnh hạn chế xung quanh màng ngăn trong
hộp thiết bị.
Mợộ̣t thiếu sót của cơ chế tốc đợộ̣ lên cao như được mơ tả là có đợộ̣ trễ từ sáu đến chín giây trước khi có thể thiết lập chênh lệch áp suất ổn định cho biết tốc độộ̣ lên hoặc xuống thực tế của máy bay. Chỉ báo tốc đợộ̣ dọc tức thời (IVSI) được tích hợp sẵn để giảm đợộ̣ trễ này. Mợộ̣t pít-tơng, phản ứng với sự thay đổi hướng của việc leo lên hoặc xuống dốc độộ̣t ngộộ̣t. Khi gia tốc kế nhỏ này làm như vậy, nó sẽ bơm khơng khí vào hoặc ra khỏi màng ngăn, đẩy nhanh việc thiết lập chênh lệch áp suất gây ra chỉ báo thích hợp.
29
Hình 29. Dấu gạch ngang nhỏ trong IVSI này phản ứng đột ngột với việc bơm khơng khí lên hoặc xuống dưới màng ngăn gây ra chỉ báo tốc độ thẳng đứng tức thì.
2.3.3. Airspeed Indicator
Chỉ báo tốc đợộ̣ khơng khí là mợộ̣t thiết bị bay chính khác cũng là mợộ̣t đồng hồ đo chênh lệch áp suất. Áp suất khơng khí Ram từ ống pitot của máy bay được dẫn vào màng ngăn trong mợộ̣t hợộ̣p dụng cụ tốc đợộ̣ khí tương tự. Áp suất khơng khí tĩnh từ (các) lỗ thông hơi tĩnh của máy bay được dẫn vào vỏ bao quanh diaphragm. Khi tốc độộ̣ của máy bay thay đổi, áp suất khơng khí ram thay đổi, mở rợộ̣ng hoặc co lại diaphragm. Liên kết gắn với diaphragm làm cho mộộ̣t con trỏ di chuyển trên mặt thiết bị, được hiệu chỉnh theo hải lý hoặc dặm trên giờ (mph).
30
Hình 30. Một chỉ báo tốc độ khơng khí là một áp kế chênh lệch so sánh áp suất khơng khí ram với áp suất tĩnh.
Mối quan hệ giữa áp suất khơng khí ram và áp suất khơng khí tĩnh tạo ra chỉ báo được gọi là tốc đợộ̣ khơng khí được chỉ định. Cũng như với máy đo đợộ̣ cao, có những yếu tố khác phải được xem xét khi đo tốc đợộ̣ khơng khí trong tất cả các giai đoạn của chuyến bay. Những điều này có thể gây ra các kết quả đọc khơng chính xác hoặc các chỉ báo khơng hữu ích cho phi cơng trong mợộ̣t tình huống cụ thể. Trong các chỉ báo tốc đợộ̣ khơng khí tương tự, các yếu tố thường được bùù̀ đắp bằng các cơ chế khéo léo bên trong vỏ và trên mặt quay số của công cụ. Các thiết bị bay kỹ thuật số có thể có các phép tính được thực hiện trong ADC để chỉ báo chính xác mong muốn được hiển thị.
31
Hình 31. Các thơng số trên Airspeed indicator.
Vòng cung màu trắng - thường được gọi là phạm vi hoạt độộ̣ng của flap. Các phương tiện tiếp cận và hạ cánh thường được bay với tốc đợộ̣ trong vịng cung màu trắng. Giới hạn dưới của vịng cung trắng (VS0) —tốc đợộ̣ dừng hoặc tốc độộ̣ bay ổn định tối thiểu trong cấu hình hạ cánh.
Giới hạn trên của vịng cung trắng (VFE) —tốc đợộ̣ tối đa với flap được mở rộộ̣ng.
Vịng cung xanh — phạm vi hoạt đợộ̣ng bình thường của máy bay. Hầu hết các chuyến bay xảy ra trong phạm vi này.
Giới hạn dưới của vòng cung màu xanh lá cây (VS1) —tốc độộ̣ dừng hoặc tốc độộ̣ bay ổn định tối thiểu đạt được trong mợộ̣t cấu hình cụ thể.
Giới hạn trên của vịng cung xanh (VN0) —tthe maximum structural cruising speed. Khơng được vượt quá tốc độộ̣ này trừ khi trong khơng khí êm.
Vịng cung màu vàng — phạm vi thận trọng. Chỉ bay trong phạm vi này trong khơng khí êm dịu và sau đó chỉ cần thận trọng.
32
Đường màu đỏ (VNE) - bất cứ khi nào vượt quá tốc độộ̣. Hoạt đợộ̣ng trên tốc đợộ̣ này bị cấm vì nó có thể dẫn đến hư hỏng hoặc hỏng kết cấu
2.4. System architecture
Mợộ̣t chiếc máy bay nhỏ sẽ có mợộ̣t hệ thống đơn giản gồm altimeter, vertical speed indicator, airspeed indicator. 3 chỉ số này được cung cấp bởi mộộ̣t hệ thống áp suất tĩnh với hai cổng tĩnh. Hệ thống áp suất pitot cung cấp chỉ báo tốc đợộ̣ khơng khí.
Máy bay lớn hơn cần mộộ̣t phi công thứ hai cho các hoạt đợộ̣ng bay và điều này địi hỏi mộộ̣t hệ thống thiết bị chuyên dụng. Hệ thống thiết bị thứ hai này được cung cấp bởi mợộ̣t hệ thống pitot và tĩnh hồn tồn riêng biệt. Mợộ̣t cải tiến an tồn là lắp đặt van chọn nguồn tĩnh thay thế. Nó cho phép cơ trưởng sử dụng hệ thống áp suất tĩnh của phi cơng phụ.
Hình 32. System architecture.
33
Máy bay có thể bay ở độộ̣ cao lớn hơn và tốc độộ̣ bay cần các chỉ báo bổ sung như máy đo MACH, Tốc đợộ̣ khơng khí thực và chỉ báo Nhiệt đợộ̣ khơng khí. Thơng thường trong các máy bay này ADC tính tốn dữ liệu cần thiết và chuyển tín hiệu điện đến các chỉ báo bổ sung. ADC sử dụng hệ thống tĩnh cơ trưởng. ADC cũng sử dụng đầu vào từ đầu dò nhiệt đợộ̣ và cảm biến góc tấn. Dữ liệu được tính tốn từ ADC cũng được cung cấp cho các hệ thống khác như hệ thống lái tự độộ̣ng và hệ thống cảnh báo.
Hình 33. Air data computer.
Những cải tiến về đợộ̣ tin cậy của máy tính dữ liệu khơng khí đã làm cho nó có thể thay thế tất cả các thiết bị khí nén và ống dẫn của chúng bằng các chỉ thị điện được điều khiển trực tiếp từ ADC. Kiến trúc này cũng cần mộộ̣t ADC cho phi công phụ. Các ống từ đầu dò tĩnh pitot đi đến ADC. Như bạn có thể tưởng tượng, khơng cho phép mất tồn bợộ̣ các thiết bị dữ liệu khơng khí cơ bản do mất điện. Do đó, các chỉ báo dự phịng cho tốc đợộ̣ khơng khí và đợộ̣ cao phải được cài đặt trên máy bay. Các chỉ báo chờ được cung cấp bởi các ống riêng biệt từ các cổng tĩnh và pitot riêng biệt. Trên mộộ̣t số loại
34
máy bay, hệ thống tĩnh pitot dự phòng này cung cấp ADC thứ ba. Đầu ra của ADC số 3 có thể được sử dụng để cung cấp cho các hệ thống bổ sung hoặc để thay thế ADC 1 hoặc 2 trong trường hợp kiến trúc hệ thống bị lỗi tiếp theo.
Hình 34. System architecture with 3 ADCs.
Trong các máy bay có buồng lái bằng kính kỹ thuật số hiện đại, bạn có thể tìm thấy các air data module (module dữ liệu khơng khí). Được đặt gần cổng tĩnh hoặc ống pitot và chuyển đổi áp suất khơng khí trực tiếp thành mợộ̣t từ dữ liệu kỹ thuật số. Điều này giúp tiết kiệm trọng lượng và chi phí bảo trì vì dữ liệu được gửi đến ADC qua dây mỏng thay vì sử dụng ống. Chỉ các thiết bị dự phịng vẫn cần được cung cấp bằng ống. Mợộ̣t ADC thứ ba được kết nối với ống khí nén của dụng cụ dự phòng bằng cách sử dụng air data module. Mộộ̣t ưu điểm khác của hệ thống này là máy tính dữ liệu khơng khí hiện có thể được tích hợp với hệ quy chiếu quán tính thành cái gọi là ADIRU.
35
Hình 35. Air data module.
Thơng tin thêm về Máy tính dữ liệu khơng khí (ADC) và Máy tính dữ liệu khơng khí kỹ thuật số (DADC)
Các máy bay này thường xuyên hoạt độộ̣ng ở độộ̣ cao lớn, nơi nhiệt đợộ̣ mơi trường có thể vượt quá 50 ° F dưới 0. Khả năng nén của khơng khí cũng bị thay đổi ở tốc đợộ̣ cao và ở đợộ̣ cao lớn. Luồng khơng khí xung quanh thân máy bay thay đổi, gây khó khăn cho việc nhận đầu vào áp suất tĩnh nhất quán. Phi công phải bùù̀ đắp tất cả các yếu tố về nhiệt đợộ̣ và mật đợộ̣ khơng khí để có được chỉ dẫn chính xác từ các thiết bị. Trong khi nhiều thiết bị tương tự có thiết bị bùù̀ được tích hợp sẵn, việc sử dụng máy tính dữ liệu hàng khơng (ADC) là phổ biến cho những mục đích này trên máy bay hiệu suất cao. Hơn nữa, các máy bay hiện đại sử dụng máy tính dữ liệu hàng khơng kỹ thuật số (DADC). Việc chuyển đổi áp suất khơng khí cảm nhận thành các giá trị kỹ thuật số giúp máy tính dễ dàng thao tác hơn để đưa ra thơng tin chính xác đã bùù̀ đắp cho nhiều biến số gặp phải.
36
Hình 36. Máy tính dữ liệu khơng khí 90004 TAS / Plus (ADC) của Teledyne tính tốn thơng tin dữ liệu khơng khí từ hệ thống khí nén tĩnh pitot, đầu dị nhiệt độ máy bay và