殷玉娟+韓先兵

摘 要： 空速的準確測量對飛艇的安全飛行具有重要意義，在飛艇飛行速度較低時，超聲波測風儀比皮托管測量空速的精度更高。通過使用驗證，表明了三維超聲波測風儀在低空低動態(tài)飛艇上測量空速是可行的。

關(guān)鍵詞： 超聲波測風儀；飛艇；空速

1、引言

飛艇采用比空氣輕的氦氣，從而產(chǎn)生浮力使飛艇停留在空中。由于不需要空氣動力來提供升力，且飛艇囊體不能夠承受太大外力，飛艇的飛行速度往往較低。利用皮托管測量空速的方法很難滿足飛艇的空速測量精度要求。

飛艇空速是指飛艇相對于空氣的運動速度，若以飛艇為參照物，則飛艇空速可認為是空氣相對于飛艇的運動速度，即風速。因此，利用測風儀測量飛艇空速從原理上是可行的。

2、三維超聲波測風儀的原理、特點及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 三維超聲波測風儀工作原理

三維超聲波測風儀是應(yīng)用超聲波探測空氣相對飛艇運動速度和方向，通過三組正交安裝的超聲波發(fā)射器和接收器，計算超聲波正向傳輸與反向傳輸?shù)臅r間差，進而計算空速的三軸分量；通過坐標變換，轉(zhuǎn)換為相對飛艇機體坐標系的三軸空速，并由導航計算機進一步計算出飛艇的真空速、攻角、側(cè)滑角。

2.2 超聲波測風儀特點

相比較機械式測風儀，超聲波測風儀的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，沒有旋轉(zhuǎn)機械部件，不存在磨損和因結(jié)冰而凍住機械部件的問題；環(huán)境適應(yīng)性強；啟動風速低；反應(yīng)速度快；測量范圍廣；而且在風速全量程范圍內(nèi)的輸出為線性，且精度高。

2.3 超聲波測風儀應(yīng)用領(lǐng)域

因此，超聲波測風儀廣泛應(yīng)用于氣象站風速風向信息采集、建筑的震顫分析、機場低空風切變的監(jiān)測、航海中風速風向的監(jiān)測、海-氣界面的通量交換監(jiān)測、氣體湍流測量、密閉環(huán)境下的氣流追蹤等領(lǐng)域[1]，其可靠性和精度也得到了廣泛的印證，取得了較好的效果。

3、超聲波測風儀在某型飛艇上的應(yīng)用

3.1 超聲波測風儀選型

某型低空低動態(tài)飛艇相關(guān)使用要求如下：

最大飛行高度：3000 m。

最大飛行速度：35 m/s。

供電體制：28V DC。

信號接口：RS422。

根據(jù)飛艇需求，超聲波測風儀選用英國GILL公司研制生產(chǎn)的WindMaster Pro型超聲波風速風向儀，產(chǎn)品外觀圖見圖1。該產(chǎn)品具有免維護、海洋級316不銹鋼結(jié)構(gòu)、三維風向測量、32Hz標準輸出，最大風速可測量至65m/s、增強的垂直方向分辨率和聲速精度等特性。

Windmaster Pro測量超聲波從上面的發(fā)射器到達下面的接收器之間的時間，并且與相反方向傳輸?shù)臅r間相比較。同樣地也比較其它上下兩對發(fā)射器和接收器之間超聲波傳輸?shù)臅r間[2]。

功耗：工作直流電源9V～30V，功耗不大于2W。

信號接口：RS422/RS232/RS485。

重量：不大于1.7kg（不包括安裝附件）。

3.2 機械設(shè)計

超聲波測風儀安裝于飛艇前腹部，該處前部無遮擋，且用支架（見圖2）加大超聲波與囊體之間距離，保證所測量的風速受到的擾動最小。安裝時，超聲波指北標記“N”指向飛艇艇首方向。

超聲波測風儀在飛艇上的安裝如圖3所示，超聲波采用倒掛式安裝。

3.3 電氣設(shè)計

超聲波測風儀功耗很小，為布線方便及減少艇上電源系統(tǒng)接口，超聲波用電由與其有通信關(guān)系的大氣數(shù)據(jù)計算機提供。大氣數(shù)據(jù)計算機整合所有大氣數(shù)據(jù)傳輸至慣導部件，然后經(jīng)由遙測系統(tǒng)下傳至地面顯示，如圖4所示。

超聲波測風儀直接輸出的為三軸向風速，經(jīng)計算得出空速。計算方法見式1。

式中：

V—空速

Vut—超聲波U軸風速，單位m/s。

Vvt—超聲波V軸風速，單位m/s。

Vwt—超聲波W軸風速，單位m/s。

3.4 使用情況

某型飛艇在3年間，經(jīng)過數(shù)十次飛行，飛行結(jié)果表明采用超聲波測風儀測量的空速結(jié)果滿足使用要求。

4、總結(jié)

本文論述了超聲波測風儀原理，在飛艇應(yīng)用中的選型、機械設(shè)計及電氣設(shè)計等方面，并通過實際應(yīng)用驗證了超聲波測風儀在飛艇空速測量方面的可行性。從實際應(yīng)用結(jié)果可見，超聲波測風儀可滿足低空低動態(tài)飛艇的空速測量要求。

參考文獻

[1]張捷光，齊文新，齊字.三維超聲波測風原理與應(yīng)用[J].計算機與數(shù)字工程，2013，45（1）：124-126.

[2]www.gill.co.uk.英國GILL公司網(wǎng)站.