2.1.2. Static Pressure
Static pressure là áp suất tĩnh được đo bởi static port của máy bay. Áp suất tĩnh chủ yếu cung cấp thông tin cho đồng hồ đo độộ̣ cao và đồng hồ chỉ thị vận tốc dọc. Như đã nói ở trên thì khi áp suất đợộ̣ng tràn vào static port có thể gây ra sai số, sự khác biệt giữa áp suất tĩnh đo được và áp suất tĩnh thực tế được gọi là static source error (sai số nguồn tĩnh), viết tắt là SSE. SSE phụ tḥộ̣c vào hình dạng thân máy bay, tốc đợộ̣ bay và góc tới của máy bay. Các vị trí cánh tà và hợộ̣p số cũng ảnh hưởng đến SSE. Trước đây, các phi công thường sử dụng các sơ đồ từ sách hướng dẫn bay để điều chỉnh các chỉ dẫn. Ngày nay, các air data computer (ADC) (máy tính dữ liệu khơng khí) tự đợộ̣ng tính tốn hệ số hiệu chỉnh để bùù̀ cho SSE.
14
Hình 14. Mơ phỏng static pressure system.
Cũng có mợộ̣t tình huống bay ảnh hưởng đến áp suất tĩnh đo được, đó là thao tác side slip (trượt bên) (side slip: sự trượt cạnh là mợộ̣t trạng thái khơng cân bằng của tàu bay, khi đó tàu bay chuyển đợộ̣ng xuống dưới hạ đợộ̣ cao và lạng vào phí trong của vịng cua). Trong q trình chuyển đợộ̣ng trượt bên, luồng khơng khí tạo ra áp suất tĩnh cao hơn bình thường ở phía bên trái của thân máy bay, điều này là do ram effect (ram effect hay hiệu ứng độộ̣ng áp suất là sự tăng áp của dịng khí tại cửa vào đợộ̣ng cơ air intake do chuyển đợộ̣ng tiến về phía trước của tàu bay). Do đó, áp suất tĩnh ở phía bên phải của thân máy bay giảm. Để bùù̀ đắp cho tác độộ̣ng của cơ độộ̣ng trượt hai bên, mộộ̣t static port được lắp đặt ở mỗi bên của máy bay. Cả hai static ports được kết nối với nhau bằng cách sử dụng mộộ̣t ống cổng chéo giúp cân bằng áp suất tĩnh cho các thiết bị.
15
Hình 15. Mơ phỏng khi tàu bay side slip.
2.2. Pitot Pressure
2.2.1. Pitot Tube
Pitot tube hay ống pitot là mộộ̣t thiết bị đo áp suất dùù̀ng để tính vận tốc của dịng chất
lưu. Ống pitot được phát minh bởi kỹ sư người Pháp Henri Pitot từ đầu thế kỷ XVIII, và được sửa đổi thành kiểu hiện đại như ngày nay bởi nhà khoa học người Pháp Henry Darcy người đã thực hiện những phép tính đầu tiên để đo tốc đợộ̣ khơng khí.
16
Hình 16. Các loại ống pitot.
Ống pitot ban đầu được sáng tạo ra để đo dòng chảy của sơng Seine quanh Paris. Thì chúng có thiết kế rất đơn giản chỉ là mợộ̣t ống có phần nằm ngang sau đó hướng lên. Như đã biết thì ống có hình dạng thẳng đứng thì nước sẽ đi vào và dâng lên cho đến khi nó đạt đến mức bằng với dịng sơng xung quanh đó là áp suất tĩnh của dịng. Cịn khi ống có phần nằm ngang hướng theo dịng chảy thì chiều cao cợộ̣t nước sẽ tăng lên và chiều cao tăng thêm này là do áp suất độộ̣ng gây ra. Khi hạt nước đi vào ống pitot vận tốc của nó sẽ chuyển thành áp suất đợộ̣ng. Vì vậy, chiều cao của cợộ̣t nước là do tổng áp suất đợộ̣ng và áp suất tĩnh.
17
Hình 17. Áp suất tĩnh và áp suất động của dòng chảy.
Và từ đây thì ta có mợộ̣t phát minh là pitot static tube (ống pitot tĩnh) và nó thì đang được sử dụng trên máy bay để cung cấp thông tin cho đồng hồ chỉ thị vận tốc. Nó là sự kết hợp của mộộ̣t ống tĩnh và mộộ̣t ống pitot. Hai ống bây giờ được kết hợp để làm cho chúng đồng trục với mục đích 'tinh giản' thiết kế, và sự chênh lệch áp suất sẽ là được đo bằng đầu dò điện tử, nhưng về cơ bản thiết bị này giống với phát minh ban đầu của Pitot. Do ống Pitot và ống tĩnh thống nhất với nhau nên thiết bị được gọi là ống tĩnh Pitot.
18
Hình 18. Pitot static system chi tiết.
Trên các máy bay, ống pitot tĩnh này được thiết kế phức tạp hơn mợộ̣t chút để có các chức năng phùù̀ hợp. Có 2 lỗ trong ống: mợộ̣t lỗ hướng thẳng vào dịng chảy để cảm nhận áp suất tổng, và lỗ còn lại vng góc với dịng chảy để đo áp suất tĩnh. Các ống pitot tĩnh đều có khe hút gió cho tổng áp suất ở phía trước. Lưu ý là mép đầu của ống phải ln trong tình trạng tốt để khơng ảnh hưởng đến luồng khơng khí. Bên trong ống có baffle plate (vách ngăn) để ngăn không cho nước hoặc vật lạ xâm nhập vào đường ống áp suất pitot. Trên ống này cịn sẽ có các heater (ống có lỗ kết hợp mộộ̣t hệ thống sưởi ấm) là bao gồm các điện trở khi chúng được bật từ buồng lái làm cho ống nóng lên. Chúng được tạo ra nhằm trường hợp khi đầu vào của ống pitot tĩnh bị đóng băng. Các heater này có nhiệm vụ làm tan chảy băng tránh làm tắc ống dẫn đến kết quả đo bị sai. Để điều khiển các heater có pitot heater switch. Cơng tắc nằm ở bên trái của bảng điều khiển. Hệ thống nhiệt Pitot hoạt độộ̣ng với điện áp 28 VDC, được cung cấp thông qua bộộ̣ ngắt mạch PITOT HEAT 7,5 amp trên NON-ESSENTIAL BUS.
19
Hình 19. Pitot heater switch trên bảng điều khiển.
Mợộ̣t lỗ khác cũng có chức năng khá quan trọng với ống pitot tĩnh là drain hole (lỗ thốt nước). Đây là mợộ̣t lỗ nhỏ ở phía sau của ống pitot tĩnh cho phép thốt nước ra khỏi hệ thống trong trường hợp bay trong điều kiện mưa hoặc khi băng tan bằng nhiệt. Như chúng ta có thể thấy ống có lỗ này được thiết kế để loại bỏ bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra trong phép đo áp suất.
20
Hình 20. Một lỗ drain hole dùng để thoát nước trong ống pitot.
2.2.2. Pitot Pressure
Pitot pressuse là áp suất được đo bởi ống pitot tĩnh. Áp suất đo được là tổng áp suất, là tổng của áp suất độộ̣ng tạo ra bởi tốc đợộ̣ khơng khí và áp suất tĩnh. Vị trí của ống pitot được nhà sản xuất máy bay lựa chọn để đảm bảo áp suất pitot không bị xáo trộộ̣n. Hiện tại để đảm bảo rằng ống trục này thực hiện mợộ̣t phép đo thích hợp, điều quan trọng là nó phải được căn chỉnh với trục dọc của máy bay. Ví dụ, trên máy bay qn sự, bạn tìm thấy nó ở mũi máy bay. Trên máy bay nhỏ, bạn tìm thấy ống pitot bên dưới cánh hoặc phía trước cánh. Trên các máy bay lớn, các ống pitot thường nằm ở phần phía trước của thân máy bay.
Hình 21. Vị trí của pitot trên một số tàu bay.
Mộộ̣t lưu ý là nếu máy bay đậu trên mặt đất trong thời gian dài hơn, ống Pitot phải được bảo vệ bằng nắp đậy để ngăn nước và các vật thể lạ, như côn trùù̀ng, xâm nhập vào ống pitot. Nắp có mợộ̣t lá cờ sáng thường là màu đỏ, bên trên có dịng chữ “REMOVE BEFORE FLIGHT” để cảnh báo cho thợ máy hoặc phi cơng rằng nó phải được lấy ra trước chuyến bay tiếp theo.
21
Hình 22. Nắp đậy bảo vệ pitot ở dưới mặt đất.
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 đợộ̣ 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 độộ̣ 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 đợộ̣ 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 độộ̣ cao lên cao hơn trong khí quyển, aneroid sẽ mở rợộ̣ng và hiển thị đợộ̣ 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 đợộ̣ng 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 rộộ̣ng 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. Mộộ̣t 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 cơng chỉ cần đọc số đợộ̣ cao tính bằng feet. Chuyển đợộ̣ng của các chữ số quay hoặc bộộ̣ 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 khơng 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 mợộ̣t 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