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A2 – SISTEMA DE DATOS DE AIRE 1
A2 Sistema de Datos de Aire (Pitot - Estática)
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Manuel Pérez Cortés DVA/ETSIA Madrid, 28 octubre 2008
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción 2
ÍNDICE
1. Introducción
2. Medición de las variables relacionadas con el aire
3. Altimetría
4. Anemometría
5. Errores y diseño de las tomas
6. Otras variables obtenidas del aire y la central de datos de aire
7. ANEXO: Unidades y referencias
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción 3
INTRODUCCIÓN
1. ¿Por qué es necesario medir las variables termodinámicas del aire?
2. La atmósfera y su comportamiento
3. Las capas de la atmósfera 1. Troposfera
• Tropopausa
2. Estratosfera
• Estratosfera
• Mesosfera
3. Termosferta
• Ionosfera
• Exosfera
4. Dos tipos de condiciones termodinámicas a considerar
1. Variables ambiente o estáticas: Pa, Ta, ρa
2. Variables totales o de remanso: PT, TT, ρT
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción 4
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 5
LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES RELACIONADAS CON EL AIRE
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 6
TUBO DE ESTÁTICA
TUBO DE PITOT
LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (PRESIÓN)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 7
TUBO DE PITOT-ESTÁTICA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 8
LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (TEMPERATURA)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 9
SENSOR DE DATOS DE AIRE PARA ENSAYOS EN VUELO
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 10
TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 11
SISTEMAS MECÁNICOS Y ELECTRÓNICOS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 12
INFORMACIÓN A LOS INSTRUMENTOS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 13
ALTIMETRÍA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 14
MODELO DE ATMÓSFERA ESTÁNDAR (I)
√ Altitud, elevación y altura
• El aire no tiene vapor de agua ni polvo • La atmósfera es una mezcla de gases perfectos
que se comporta como un gas perfecto
• La atmósfera está en reposo (Se aplica la
ecuación de la hidrostática)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 15
MODELO DE ATMÓSFERA ESTÁNDAR (II)
• Se aplican altitudes geopotenciales (Se considera que la aceleración de la gravedad es constante e igual a la del nivel del mar)
• El perfil de temperaturas está definido • A un cierto nivel de referencia (nivel del mar, SL) las
variables termodinámicas de la atmósfera están definidas
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 16
OBTENCIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS
REGIONES DE LA ATMOSFERA ISOTERMAS
(subíndice B valores en la base de la región)
REGIONES DE LA ATMOSFERA CON GRADIENTE CONSTANTE DE
TEMPERATURA (subíndice B valores en la base de la región)
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VALORES EN LA TROPOSFERA Y LA ESTRATOSFERA
VARIABLES
ADIMENSIONALES
VALORES EN LA TROPOSFERA (altitud en ft)
VALORES EN LA ESTRATOSFERA (altitud en ft)
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CURVAS DE LAS VARIABLES TERMODINAMICAS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 19
ALTÍMETRO
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 20
REGLAJES ALTIMÉTRICOS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 21
ERRORES POR ATMÓSFERA NO ESTÁNDAR
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría 22
ERRORES
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 23
ANEMOMETRÍA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 24
DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (I)
VELOCIDADES
VT Velocidad aerodinámica (TAS): es la velocidad del avión respecto al aire Vi Velocidad indicada por el instrumento (ASIR): es la velocidad que presenta el
anemómetro VI Velocidad indicada (IAS): es la velocidad indicada por el instrumento corregida por
error de instrumento VC Velocidad calibrada (CAS): velocidad indicada corregida por errores de
compresibilidad y estática VE Velocidad equivalente (EAS): velocidad aerodinámica referenciada al nivel del mar
NÚMERO DE MACH M Número de Mach: es la relación entre la velocidad aerodinámica y la velocidad del
sonido a la altura considerada
Mi Número de Mach indicado por el instrumento MI Número de Mach indicado por el instrumento, corregido por error de instrumento
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 25
DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (II)
PRESIONES
Pa Presión estática o ambiente: presión que tiene el aire (corriente libre) en un punto considerado de la atmósfera
PT Presión total o de remanso: presión que tiene el aire cuando se lleva mediante una evolución isentrópica a velocidad nula respecto al avión
q Presión dinámica:
qc Presión de impacto: diferencia entre la presión total y la estática ΔP Presión de impacto captadas por las tomas dPs Error de estática: Error en la presión captada por la toma de estática
Ps Presión estática captada por la toma de estática. Si se considera que el error en la
captación de la presión total es despreciable, se obtiene
TEMPERATURA Ta Temperatura estática o ambiente: temperatura que tiene el aire en un punto
considerado de la atmósfera TT Temperatura total o de remanso: temperatura que tiene el aire cuando se lleva
mediante una evolución isentrópica a velocidad nula respecto al avión
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 26
OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD AERODINÁMICA Flujo incompresible
Flujo compresible subsónico
Flujo compresible supersónico
(Otras posibles expresiones que se ven en los libros para supersónico)
Ta
VELOCIDAD
AERODINÁMICA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 27
OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD EQUIVALENTE Definición de velocidad equivalente
Velocidad equivalente en régimen incompresible
Velocidad equivalente en subsónico compresible
Velocidad equivalente en supersónico
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 28
LA VELOCIDAD CALIBRADA Y EL NÚMERO DE MACH Velocidad calibrada en incompresible
Velocidad calibrada en subsónico compresible y número de Mach
;
Velocidad calibrada en supersónico y número de Mach
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EL INDICADOR DE VELOCIDAD (ANEMÓMETRO)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 30
EL INDICADOR DE NÚMERO DE MACH (MACHMETRO)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 31
MEDICIÓN TEMPERATURA
• Sólo es posible medir la temperatura total o de remanso
• Se asume que el aire se frena adiabáticamente hasta velocidad nula en el sensor de temperatura (ver transparencia previa con esquema del sensor)
• La expresión es válida tanto para subsónico como supersónico
• La temperatura estática se
obtiene a partir de la de remanso mediante la expresión anterior
A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría 32
RESUMEN DE RELACIONES VELOCIDAD CALIBRADA, VERDADERA
Y NÚMERO DE MACH
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 33
ERRORES Y DISEÑO DE LAS TOMAS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 34
ERRORES
• Errores del instrumento • Errores debidos a retardos en la presión • Errores de posición (errores en las tomas por posición y diseño)
Errores de instrumento
• Error en factor de escala y mecanización de las ecuaciones
• Campos magnéticos • Cambios de temperatura • Fricción • Inercia de partes móviles
Una vez calibrado el instrumento y determinados estos errores se pasa de “valores indiciados por el instrumento” a “valores indicados”
i I
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 35
ERRORES POR RETARDOS EN LA PRESIÓN
• Afecta a altitud, Mach, velocidad y velocidad vertical • Se presentan cuando el avión cambia H ó V • Se deben a:
o Caidas de presión en los tubos por fricción o Inercia de la masa de aire o Fricción viscosa y cinética o Propagación de la presión a velocidad finita (retardo acústico)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 36
ERRORES DE POSICIÓN (DISEÑO Y UBICACIÓN DE LAS TOMAS)
Las presiones registradas por el sistema de pitot y estática tienen errores
• La corriente no es exactamente “corriente libre” en la posición de las tomas • Los propios sensores tienen error
Una vez corregidos permiten pasar de valores “indicados” a “calibrados”
I c
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INFLUENCIA DE LOS ERRORES
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 38
ERROR EN LA PRESIÓN TOTAL
Con un adecuado diseño y posición del tubo de pitot este error se puede considerar cero
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 39
DISEÑO DE LA TOMA DE ESTÁTICA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 40
ERROR DE ESTÁTICA
Es función del diseño e instalación de la toma de estática Efecto de la longitud, diámetro, posición de las puertas estáticas, distancia a la que se ensancha el tubo (diseño del tubo de estática
Efecto del ángulo de ataque
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 41
Errores por efecto de la instalación (I)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 42
Errores por efecto de la instalación (II)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 43
VARIABLES INDICADAS Altitud indicada
;
;
Velocidad indicada en incompresible
Velocidad y Mach indicados en subsónico compresible
;
Velocidad y Mach indicados en supersónico
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 44
CORRECCIÓN DE ERRORES Relación entre variables indicadas y calibradas
Corrección en altitud
Corrección en velocidad y Mach en subsónico
;
Corrección en velocidad y Mach en supersónico
;
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 45
TRATAMIENTO DEL ERROR DE ESTÁTICA
Error de estática a bajo número de Mach
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 46
Error de estática en subsónico medio y transónico
Efectos en supersónico
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 47
PRESENTACIÓN DE LAS CORRECCIONES POR ERRORES DE ESTÁTICA
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas 48
ERROR EN LA SONDA DE TEMPERATURA
KT: Factor de recuperación de la sonda, por no ser el flujo totalmente adiabático (varía entre 0,7 y 1, aunque en ensayos en vuelo suele estar entre 0,95 y y)
Fuentes de error: • Calibración de la resistencia de
temperatura • Errores de conducción entre el
sensor y la estructura • Errores de radiación (importante a
gran altitud) • Constante de tiempo
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA 49
OTRAS VARIABLES Y LA CENTRAL DE DATOS DE AIRE
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA 50
MEDIDA DE LA VELOCIDAD VERTICAL (VARIÓMETRO)
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA 51
MEDIDA DEL ÁNGULO DE ATAQUE
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA 52
INDICADORES
Altímetro
Altímetro
Variómetro
Indicador de velocidad con indicador de
máxima velocidad permitida
Indicador de velocidad verdadera
Indicador de Mach
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA 53
CENTRAL DE DATOS DE AIRE
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias 54
ANEXO: UNIDADES Y REFERENCIAS
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias 55
Anexo: CONVERSIÓN UNIDADES
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias 56
Anexo: UNIDADES
A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias 57
Anexo: REFERENCIAS
Naval Test Pilot School Flight Test Manual for Fixed Wing Performance Chapter 2 Pitot Static System Performance USAF Test Pilot School Volume I Performance Flight Testing Chapter 5 Pitot-Statics and the Standard Atmosphere NACA Report 919 Accuracy of Airspeed Measurements and Flight Calibration Procedures NASA Reference Publication 1046 Measurement of Aircraft Speed and Altitude FAA Instrument Flying Handbook 2007 NACA Report 1364 Measurement of Static Pressure on Aircraft