民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)全靜壓系統(tǒng)設(shè)計研究

龔和 陶建偉

摘 要：全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計是民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，對飛機(jī)的安全性有至關(guān)重要的影響作用。該文簡要介紹了全靜壓系統(tǒng)設(shè)計的流程，主要由氣動分析、全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、確定傳感器的安裝位置和精度要求、試驗(yàn)驗(yàn)證以及完成全靜壓系統(tǒng)設(shè)計等環(huán)節(jié)組成。同時，該文詳細(xì)介紹了兩種不同的全靜壓傳感器架構(gòu)，即基于靜壓孔和全壓探頭的傳感器架構(gòu)以及基于全靜壓探頭的傳感器架構(gòu)，并且給出了兩種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，對于指導(dǎo)民用飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) 大氣數(shù)據(jù) 全靜壓系統(tǒng) 全壓 靜壓

中圖分類號：V226 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0124-02

在民用飛機(jī)的飛行過程中，常常需要使用空速、高度、垂直速度等大氣數(shù)據(jù)參數(shù)。這些參數(shù)往往不能被直接測量得到，而是需要通過測量飛機(jī)周圍大氣壓力（包括靜壓和全壓）等信息，并根據(jù)特定的關(guān)系進(jìn)行換算得到的。對于飛機(jī)靜壓和總壓信息的測量，以及后續(xù)的計算過程等，就是由飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的全靜壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)的。

全靜壓系統(tǒng)在計算出飛機(jī)的空速、高度、垂直高度等信息后，會發(fā)送這些信息供顯示、飛控、飛管等系統(tǒng)使用。因?yàn)榭斩?、高度等參?shù)的測量直接影響到飛機(jī)的飛行安全，所以全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計是飛機(jī)設(shè)計中的非常重要的組成部分。

在傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計中，大氣數(shù)據(jù)的儀表是機(jī)械式的，如氣壓高度表，是基于高度升高則大氣壓力減少的原理，利用真空膜盒測量大氣壓力的變化，然后通過傳動機(jī)構(gòu)和指針指示飛機(jī)的飛行高度。而在現(xiàn)代的飛機(jī)設(shè)計中，大氣數(shù)據(jù)的儀表往往是電動式的，對于氣壓高度表，則是通過大氣數(shù)據(jù)計算器測量大氣壓力的變化，并轉(zhuǎn)化成電學(xué)的高度信號，供顯示系統(tǒng)和其他系統(tǒng)使用。

1 全靜壓系統(tǒng)設(shè)計流程

在現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計中，全靜壓系統(tǒng)一般包括傳感器、全靜壓管路和大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)。其中傳感器感知全壓和靜壓信息，并通過全靜壓管路與大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)相連，大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)將壓力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并按照一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)化為空速、高度、垂直速度等大氣數(shù)據(jù)參數(shù)?？傮w上，民用飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

1.1 氣動分析

氣動分析是開展全靜壓系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，一般需要通過CFD（Computational Fluid Dynamics）計算或風(fēng)洞試驗(yàn)研究飛機(jī)不同位置處的氣動特性。主要包括研究不同測量位置處的靜壓和總壓測量誤差，以及不同測量位置的防冰特性。同時，需要初步確定飛機(jī)上有哪些測量點(diǎn)適于安裝全靜壓系統(tǒng)的傳感器，這為后續(xù)確定全靜壓系統(tǒng)的架構(gòu)和傳感器設(shè)備的安裝位置提供了依據(jù)。

1.2 全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在前期氣動分析的基礎(chǔ)上，需要確定全靜壓系統(tǒng)的整體框架。這包括確定全靜壓系統(tǒng)傳感器的類型和數(shù)量，以及相應(yīng)的系統(tǒng)組成情況。傳感器感受到飛機(jī)的靜壓和全壓信息，并通過全靜壓管路與相應(yīng)的大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)相連，在大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)中計算得到空速、高度等大氣數(shù)據(jù)參數(shù)。

1.3 確定傳感器的安裝位置和精度要求

在確定全靜壓系統(tǒng)的架構(gòu)后，需要確定每個傳感器的安裝位置和安裝精度指標(biāo)要求。在前期氣動分析的基礎(chǔ)上，需要確定哪些安裝位置處的靜壓和全壓測量受外界環(huán)境的影響較小。一般而言，對于民用飛機(jī)，靜壓的測量相對較容易受飛機(jī)構(gòu)型和姿態(tài)等的影響，容易產(chǎn)生較大的測量誤差，而全壓的測量往往視為誤差較小甚至無誤差。所以在確定傳感器的安裝位置時，對于與靜壓測量相關(guān)的傳感器，需要詳細(xì)研究并選擇合理的安裝位置以降低測量誤差。同時，鑒于靜壓的測量誤差可能較大，僅僅依靠靜壓傳感器自身往往無法完全消除靜壓測量誤差，在很多民用飛機(jī)的設(shè)計中，在大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)的軟件中通常具備靜壓源誤差修正功能，從而盡可能補(bǔ)償靜壓測量誤差；另一方面，鑒于全靜壓傳感器尤其是靜壓傳感器的測量精度與安裝位置息息相關(guān)，需要根據(jù)氣動分析結(jié)果研究相應(yīng)的安裝精度指標(biāo)要求。

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成全靜壓系統(tǒng)的初步設(shè)計和實(shí)現(xiàn)后，需要通過試驗(yàn)去測試和驗(yàn)證全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計是否能夠滿足航空規(guī)章的要求（主要為CCAR25部和CCAR91部）。在飛機(jī)首飛之前，往往是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和地面試驗(yàn)去初步測試全靜壓系統(tǒng)的性能并用于飛機(jī)首飛。在飛機(jī)首飛后，需要根據(jù)飛行測試實(shí)驗(yàn)去測試全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計能否滿足航空規(guī)章中相應(yīng)條款的要求。

1.5 完成全靜壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)飛行測試結(jié)果可以判斷全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計能否滿足相應(yīng)條款的要求，如果滿足則可以凍結(jié)并完成全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計。如果不能滿足相應(yīng)的條款要求，需要研究并調(diào)整整個方案的設(shè)計以滿足條款要求?？赡艿恼{(diào)整包括更改和優(yōu)化傳感器的安裝位置；更改靜壓源誤差的修正方案；調(diào)整全靜壓傳感器的架構(gòu)等待。但是由于全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計直接影響空速校準(zhǔn)試驗(yàn)的結(jié)果，而完成空速校準(zhǔn)試驗(yàn)往往是進(jìn)行其他飛行測試試驗(yàn)的前提，所以更改全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計可能會影響整個飛機(jī)的設(shè)計進(jìn)度，需要重新進(jìn)行一系列的氣動分析，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

總之，全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計非常依賴前期的氣動分析，應(yīng)當(dāng)在充分的CFD計算和風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定合理的全靜壓傳感器布局，而且在全靜壓系統(tǒng)整體架構(gòu)和布局方案確定后，應(yīng)當(dāng)盡量避免更改全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計。

2 全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計流程中，全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)的確定是非常重要的環(huán)節(jié)。

在全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，核心是確定全靜壓傳感器的類型和數(shù)量，以及相應(yīng)的傳感器架構(gòu)。一般而言，全靜壓系統(tǒng)的傳感器包括全壓探頭（也稱為皮托管）、靜壓孔和全靜壓探頭。其中全壓探頭和靜壓孔是各自獨(dú)立的進(jìn)行全壓或靜壓信息的測量，而全靜壓探頭可以在一個傳感器上同時測量出全壓和靜壓信息。

由于全壓、靜壓的測量對于飛機(jī)的安全性有著非常重大的影響，在現(xiàn)代民用客機(jī)上往往需要設(shè)計三套相互獨(dú)立的全靜壓測量通道，以相互備份從而滿足安全性指標(biāo)的要求。同時，由于靜壓的測量受到飛機(jī)側(cè)滑等的影響較大，為減少側(cè)滑影響，一般選擇將兩個對稱分布的靜壓傳感器的測量值取平均后作為一個獨(dú)立的靜壓測量值使用。因而，在每一套全靜壓測量通路中，一般包括一個全壓傳感器和兩個靜壓傳感器。

根據(jù)全靜壓傳感器類型的不同，有兩種主流的傳感器架構(gòu)設(shè)計方案。一種是基于靜壓孔和全壓探頭的傳感器架構(gòu)；另一種是基于全靜壓探頭的傳感器架構(gòu)。這兩種方案的架構(gòu)示意圖（見圖2和圖3所示）。

其中ADC代表大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)，Pt/Ps代表全靜壓探頭，每兩個全靜壓探頭對稱分布，每個全靜壓探頭均提供一路全壓（Pt/Ps_L2的全壓不被系統(tǒng)使用），Pt/Ps_L1和Pt/Ps_R1是能夠同時分別提供兩路靜壓測量值的全靜壓探頭，而Pt/Ps_L2和Pt/Ps_R2僅需要提供一路靜壓測量值。該架構(gòu)下，總共利用了4個全靜壓探頭提供了3路全靜壓測量通路。

其中ADC代表大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)，Pt代表全壓探頭，Ps代表靜壓孔。每兩個靜壓孔對稱分布，測量的靜壓取平均后作為一路靜壓值使用，以消除側(cè)滑的影響。在該架構(gòu)下，總共使用了6個靜壓孔和3個全壓探頭以提供3路全靜壓測量通路。

由于大氣數(shù)據(jù)的傳感器往往布局在飛機(jī)機(jī)頭或前機(jī)身，空間有限，而且安裝位置也要求受擾流影響較低，可供選擇的安裝位置非常有限。因而使用全靜壓探頭可以顯著降低大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳感器的數(shù)量，從而減少對傳感器布局點(diǎn)數(shù)的要求。所以基于全靜壓探頭的傳感器架構(gòu)在支線飛機(jī)或公務(wù)機(jī)上運(yùn)用較多。但是全靜壓探頭設(shè)備的安全性指標(biāo)一般會低于靜壓孔，而且單個設(shè)備的損壞會導(dǎo)致全壓和靜壓的測量均不可靠，因而在大型飛機(jī)上的使用較少，對于大型干線飛機(jī)，往往是采用靜壓孔和全壓探頭進(jìn)行組合的傳感器架構(gòu)以提高安全性。

在確定傳感器架構(gòu)后，一般選擇在與相應(yīng)傳感器相鄰的位置布置大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)，從而減少全靜壓管路設(shè)計的復(fù)雜程度和壓力傳輸?shù)难舆t，以減少靜壓和全壓的測量誤差。

3 結(jié)語

全靜壓系統(tǒng)設(shè)計是是民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，直接影響到飛機(jī)的安全性指標(biāo)。該文簡要介紹了全靜壓系統(tǒng)設(shè)計的流程，主要包括氣動分析、全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、確定傳感器的安裝位置和精度要求、試驗(yàn)驗(yàn)證以及完成全靜壓系統(tǒng)設(shè)計等環(huán)節(jié)。該文詳細(xì)介紹了全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計這個核心環(huán)節(jié)，并分析了兩種不同的全靜壓傳感器架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 王勇，于宏坤.機(jī)載計算機(jī)系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 王成豪.航空儀表[M].科學(xué)出版社，1992.

[3] Ian Moir， Allan Seabridge.（著）.[M].飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)械、電氣和航空電子分系統(tǒng)綜合[M].凌和生，譯.航空工業(yè)出版社，2011.

[4] 肖建德.大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社，1992.

[5] FAR 25-Airworthiness Standards， Transport Category Airplanes[S].