A2 Sistema de Datos de Aire (Pitot - Estática) FUNDAMENTOS TEÓRICOS

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1 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

2 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

3 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: P a, T a, ρ a 2. Variables totales o de remanso: P T, T T, ρ T

4 A2 SISTEMA DATOS AIRE Introducción 4

5 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 5 LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES RELACIONADAS CON EL AIRE

6 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 6 LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (PRESIÓN) TUBO DE ESTÁTICA TUBO DE PITOT

7 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 7 TUBO DE PITOT-ESTÁTICA

8 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 8 LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (TEMPERATURA)

9 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 9 SENSOR DE DATOS DE AIRE PARA ENSAYOS EN VUELO

10 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 10 TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

11 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 11 SISTEMAS MECÁNICOS Y ELECTRÓNICOS

12 A2 SISTEMA DATOS AIRE Medición de las variables del aire 12 INFORMACIÓN A LOS INSTRUMENTOS

13 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 13 ALTIMETRÍA

14 Altitud, elevación y altura A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 14 MODELO DE ATMÓSFERA ESTÁNDAR (I) 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)

15 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

16 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)

17 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 17 VALORES EN LA TROPOSFERA Y LA ESTRATOSFERA VARIABLES ADIMENSIONALES VALORES EN LA TROPOSFERA (altitud en ft) VALORES EN LA ESTRATOSFERA (altitud en ft)

18 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 18 CURVAS DE LAS VARIABLES TERMODINAMICAS

19 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 19 ALTÍMETRO

20 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 20 REGLAJES ALTIMÉTRICOS

21 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 21 ERRORES POR ATMÓSFERA NO ESTÁNDAR

22 A2 SISTEMA DATOS AIRE Altimetría 22 ERRORES

23 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 23 ANEMOMETRÍA

24 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 24 DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (I) VELOCIDADES V T V i V I V C V E Velocidad aerodinámica (TAS): es la velocidad del avión respecto al aire Velocidad indicada por el instrumento (ASIR): es la velocidad que presenta el anemómetro Velocidad indicada (IAS): es la velocidad indicada por el instrumento corregida por error de instrumento Velocidad calibrada (CAS): velocidad indicada corregida por errores de compresibilidad y estática 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 M i M I Número de Mach indicado por el instrumento Número de Mach indicado por el instrumento, corregido por error de instrumento

25 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 25 DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (II) PRESIONES P a Presión estática o ambiente: presión que tiene el aire (corriente libre) en un punto considerado de la atmósfera P T 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: q c Presión de impacto: diferencia entre la presión total y la estática ΔP Presión de impacto captadas por las tomas dp s Error de estática: Error en la presión captada por la toma de estática P s 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 T a Temperatura estática o ambiente: temperatura que tiene el aire en un punto considerado de la atmósfera T T Temperatura total o de remanso: temperatura que tiene el aire cuando se lleva mediante una evolución isentrópica a velocidad nula respecto al avión

26 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 26 OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD AERODINÁMICA Flujo incompresible T a Flujo compresible subsónico VELOCIDAD AERODINÁMICA Flujo compresible supersónico (Otras posibles expresiones que se ven en los libros para supersónico)

27 Definición de velocidad equivalente A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 27 OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD EQUIVALENTE Velocidad equivalente en régimen incompresible Velocidad equivalente en subsónico compresible Velocidad equivalente en supersónico

28 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

29 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 29 EL INDICADOR DE VELOCIDAD (ANEMÓMETRO)

30 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 30 EL INDICADOR DE NÚMERO DE MACH (MACHMETRO)

31 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 31 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 MEDICIÓN TEMPERATURA La temperatura estática se obtiene a partir de la de remanso mediante la expresión anterior

32 A2 SISTEMA DATOS AIRE Anemometría 32 RESUMEN DE RELACIONES VELOCIDAD CALIBRADA, VERDADERA Y NÚMERO DE MACH

33 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 33 ERRORES Y DISEÑO DE LAS TOMAS

34 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

35 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)

36 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

37 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 37 INFLUENCIA DE LOS ERRORES

38 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

39 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 39 DISEÑO DE LA TOMA DE ESTÁTICA

40 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

41 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 41 Errores por efecto de la instalación (I)

42 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 42 Errores por efecto de la instalación (II)

43 Altitud indicada A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 43 VARIABLES INDICADAS ; Velocidad indicada en incompresible ; Velocidad y Mach indicados en subsónico compresible ; Velocidad y Mach indicados en supersónico

44 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 44 Relación entre variables indicadas y calibradas CORRECCIÓN DE ERRORES Corrección en altitud Corrección en velocidad y Mach en subsónico ; Corrección en velocidad y Mach en supersónico ;

45 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 45 TRATAMIENTO DEL ERROR DE ESTÁTICA Error de estática a bajo número de Mach

46 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 46 Error de estática en subsónico medio y transónico Efectos en supersónico

47 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 47 PRESENTACIÓN DE LAS CORRECCIONES POR ERRORES DE ESTÁTICA

48 A2 SISTEMA DATOS AIRE Errores y diseño de las tomas 48 ERROR EN LA SONDA DE TEMPERATURA K T : 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

49 A2 SISTEMA DATOS AIRE Otras variables y la CDA 49 OTRAS VARIABLES Y LA CENTRAL DE DATOS DE AIRE

50 A2 SISTEMA DATOS AIRE Otras variables y la CDA 50 MEDIDA DE LA VELOCIDAD VERTICAL (VARIÓMETRO)

51 A2 SISTEMA DATOS AIRE Otras variables y la CDA 51 MEDIDA DEL ÁNGULO DE ATAQUE

52 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

53 A2 SISTEMA DATOS AIRE Otras variables y la CDA 53 CENTRAL DE DATOS DE AIRE

54 A2 SISTEMA DATOS AIRE ANEXO: Unidades y Referencias 54 ANEXO: UNIDADES Y REFERENCIAS

55 A2 SISTEMA DATOS AIRE ANEXO: Unidades y Referencias 55 Anexo: CONVERSIÓN UNIDADES

56 A2 SISTEMA DATOS AIRE ANEXO: Unidades y Referencias 56 Anexo: UNIDADES

57 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

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