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【無人機 學習筆記 7】 真實空速、指示空速、標準空速、當量空速之間的關係

真實空速

真實空速(True Air Speed),又稱真空速。表示飛行器飛行時相對於周圍空氣運動的速度,其英文縮寫形式為TAS,用符號VT表示。飛行器的飛行真空速定義為飛機的重心相對於空氣氣流的運動速度投影到飛機縱軸對稱平面內的分量。飛機相對於空氣的運動速度也可等價地視為飛機不動而空氣以大小相等方向相反的流速流過飛機。根據流體的貝努利方程,流速可以折算成壓力,即動壓(近似地等於衝壓)。根據空氣動力學,當空氣流速等於或大於聲速時會產生激波。激波前後空氣的壓力與溫度等狀態引數會發生劇烈的變化,這與低速氣流流動時有很大差異,因此流體力學中一般將空氣流速分為小於聲速(亞聲速)和大於聲速(超聲速)兩種情況來討論其壓力、溫度、流速等引數之間的約束關係。由於真空速的刻度盤是按照海平面標準大氣狀態標定的,隨著飛行高度改變,空氣密度也相應改變,速度表的指示速度就與航空器相對空氣的真實空速不同了,兩者關係為:

其中:

\rho是飛行高度上的空氣密度

\rho _{0}是海平面標準大氣的密度

V_{T}是飛行高度上的真空速

V_{E}是當量空速

在飛機的效能計算和領航計算中使用真空速。

指示空速

指示空速(Indicated Air Speed),又稱錶速, 它是根據測量得到的動壓,並按海平面標準大氣條件下(760毫米水銀柱,氣溫零上15度)空速與動壓的關係而表示的速度值,其縮寫形式為(IAS),用符號Vi表示。為了飛行的安全,飛行員操縱飛機所依據的就是指示空速。

飛行中的動壓與飛行安全有著非常重要的關係。例如,飛機的升力就與動壓成正比。在“動壓”這一詞條中,

Pd = ρ*V*V*1/2,  其中:ρ為大氣密度,V為飛行速度(真空速)

這是在不考慮空氣壓縮性時情況。

當按海平面標準大氣條件下(760毫米水銀柱,氣溫零上15攝氏度)時,其密度為Pd ,這樣,

式中的Pd是動壓。由此得到的速度就是指示空速。

它實際表示的是飛行器空氣動力的大小,是關乎飛行安全的最重要的飛行資料之一。所以飛機上專門有一塊儀表(或組合儀表中的一個),用來指示它,所以指示空速又稱為錶速。

下圖就是一個典型的組合空速表,其中的粗指標指示的就是指示空速,而細指標指示真空速。

校準空速

校準空速也稱校正空速(Calibrated Air Speed),是指示空速經過修正安裝誤差、儀表指示誤差後,在空速表上顯示的空速,其縮寫形式為(CAS),用符號Vc表示.

若是在高速、高海拔的條件下,校準空速還需要修正由於空氣可壓縮性產生的誤差,此時的校準空速也稱為當量空速(equivalent airspeed,EAS)。當航行在海平面,且在國際標準大氣條件(15°C,1013 hPa,溼度0%)下所得的校準空速和當量空速及真實空速(true airspeed,TAS)相同,若當時無風,此速度也是地面速度(ground speed,GS)。在其他條件下,校準空速可能會和真空速或地面速度不同。

若校準空速的單位是,一般會用KCAS的縮寫,此時的指示空速縮寫則為KIAS。在航空中,校準空速主要有以下二種應用:

(1)導航時,若要從指示空速得知真實空速,需要先得到校準空速。

(2)在飛行控制中,校準空速(或當量空速)由於描述了作用於飛機表面的動壓強,是主要的參考訊號。在控制飛機時會利用當量空速來進行設計,但當高度變動時,簡易的空速表無法顯示當量空速的數值。由於在海平面上,校準空速會等於當量空速,海拔較高時校準空速也近似當量空速,因此會利用校準空速作為校正空速表的基準。

由於全球定位系統及其他先進導航系統的使用,飛行員可以直接讀取地面速度(往往也是真實空速),因此上述的第一項應用的重要性已快速降低。但第二項應用仍然非常重要,例如,在飛機載重相同的情形下,飛機在可以在任何高度滾行及爬升,其校準空速幾乎不變,而地面速度及真實空速卻有顯著的差異。

校正空速是在指示空速數值經過位置誤差修正後的空速表讀數,位置誤差是由於安裝在航空器上一定位置的總、靜壓管處的氣流方向會隨具體型號航空器和迎角而改變,影響了總、靜壓測量的準確度,從而導致的空速誤差。校正空速(

  )與指示空速(  )的關係為:

式中:  

是位置誤差修正值,通過試飛得到並在飛行手冊中給出相關的值,它與飛機迎角、襟翼位置、地面效應、風向及其他影響因素有關。 校正空速多用於表示飛行試驗的速度,如失速速度和起飛速度,但在飛行手冊中的起飛速度仍用指示速度表示。 

當量空速

當量空速(Equivalent Air Speed),是校正空速資料經過具體高度的絕熱壓縮性修正後的空速值,其縮寫形式為(EAS),用符號VE表示。

當量空速不僅是總、靜壓壓差的函式,還與飛行高度的壓強有關,這就要求對應每一個氣壓高度製作一種對應於總、靜壓差的當量速度刻度盤,這顯然是不可能的,所以通常採用以海平面標準大氣狀態為基準的當量速度刻度盤,這種表的讀數只有在海平面標準大氣條件下才是準確的,對其他高度都需要進行修正,該修正稱作附加的絕熱壓縮流修正。當量空速(  )與校正空速(

  )的關係為:

為絕熱壓縮修正值,由公式計算或查表得到,與具體機型無關,只與飛行高度和校正空速有關。 當量速度多用於表示飛機強度計算中所受載荷的速度。