某型飛機燃油計算軟件算法研究

謝艷嬌，黃 華，陳雄昕，韓亦俍

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

1 某型飛機油量測量系統(tǒng)簡介

油量是飛機重要的基礎(chǔ)信息。飛機在空中飛行時，剩余油量將直接影響飛行安全及任務(wù)完成，因此飛行員需要準確知道油箱內(nèi)的燃油量信息。本文以某型飛機為例，提出了油箱油量信息解算方法，根據(jù)該型飛機油箱的幾何特征、油量傳感器分布情況及飛機過載信息，解算出油箱內(nèi)的油量值。

某型飛機一共有4個油箱，分別布置于左、右機翼內(nèi)，見圖1。

圖1 某型飛機油箱分布

某型飛機燃油測量系統(tǒng)由4根油量傳感器、信號轉(zhuǎn)換盒和燃油計算模塊組成，其中，燃油計算模塊集成在飛行參數(shù)采集器中。油量傳感器分別安裝于4個油箱內(nèi)，實時輸出一個電容信號，該電容信號可依據(jù)油面高度變化而改變；信號轉(zhuǎn)換盒將油量傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換為油面高度信號，并輸送給飛行參數(shù)采集器；飛行參數(shù)采集器將實時存儲各油箱的油面高度數(shù)據(jù)；燃油計算模塊將各油箱的油面高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各油箱油量并計算出全機油量，輸出給飛行參數(shù)采集器和多功能顯示器，以存儲和顯示各油箱油量數(shù)據(jù)和全機油量數(shù)據(jù)。

2 某型飛機燃油測量計算軟件工作原理

燃油計算軟件安裝在飛行參數(shù)采集器的燃油計算模塊中，屬于實時任務(wù)程序，通過硬件驅(qū)動程序和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換盒輸出的各油箱油面高度數(shù)據(jù)進行處理和判斷，解算出飛機4個油箱的實時油量、總油量及故障信息。燃油測量計算軟件工作原理見圖2。

圖2 燃油測量計算軟件工作原理圖

燃油測量計算軟件的工作原理為：依據(jù)信號轉(zhuǎn)換盒輸出的油面高度和油面角數(shù)據(jù)，查詢表征油面高度、油面角與燃油量、燃油重心等對應(yīng)關(guān)系的燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫，經(jīng)差值解算和信息后處理得到油箱油量數(shù)據(jù)。燃油測量計算軟件的輸入和輸出參數(shù)如表1所示：

表1 燃油測量計算軟件的輸入和輸出參數(shù)

3 軟件算法

3.1 燃油量計算

3.1.1 油面高度

每個油箱的油量傳感器需對零油量和滿油量位置進行標定，稱為“調(diào)零”和“調(diào)滿”。綜合顯示器上設(shè)置相關(guān)按鈕，可以對每根油量傳感器進行調(diào)零調(diào)滿。飛機調(diào)零和調(diào)滿時需將當前數(shù)據(jù)進行存儲，用于油量計算；再次調(diào)零和調(diào)滿時將覆蓋原數(shù)據(jù)。

燃油計算軟件根據(jù)信號轉(zhuǎn)換盒輸出的油面高度計算出對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的油面高度。計算方法如下：

數(shù)據(jù)庫中油量為零時對應(yīng)的高度為y1，滿油時對應(yīng)的高度為y2，調(diào)零時油量傳感器輸出的油面高度為x1，調(diào)滿時油量傳感器輸出的油面高度為x2，h為信號轉(zhuǎn)換盒輸出的油面高度，可以依據(jù)以下公式計算出高度h在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的油面高度H，見圖3。

圖3 油面高度換算圖

先計算出高度h在調(diào)零調(diào)滿高度所占的百分比k：

再計算出高度h在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的高度H：

軟件計算時，將左、右機翼內(nèi)側(cè)油箱視為A油箱組，左、右機翼外側(cè)油箱作為B油箱組。

若計算得到的H不在區(qū)間[y1，y2]之內(nèi)，則輸出傳感器故障信號至飛行參數(shù)采集器；若傳感器故障信號持續(xù)5s，則判斷該傳感器故障，將該油箱油量置為同組油箱另外一根傳感器采集油量；若同組油箱兩根傳感器均故障，則將同組油箱燃油均置為零。傳感器故障信號將被飛行參數(shù)采集器記錄，并且座艙綜合顯示器將出現(xiàn)相應(yīng)的告警。

3.1.2 油面角

通常飛機油箱的外形尺寸相對于機體坐標系給出,機體坐標系如圖4所示。

圖4 機體坐標系

機體坐標系中，X方向沿飛機縱軸線向前；Y方向垂直于X軸并沿飛機法線向上；Z方向垂直于XY平面并沿飛機翼展向右。

俯仰角θ為飛機繞Z軸轉(zhuǎn)過的角度，飛機抬頭時俯仰角為正；滾轉(zhuǎn)角Ф為飛機繞X軸轉(zhuǎn)過的角度，飛機右傾時滾轉(zhuǎn)角為正；偏航角ν為飛機繞Y軸轉(zhuǎn)過的角度，機頭朝左時偏航角為正。

油量傳感器垂直安裝于油箱內(nèi)部，與Y軸平行。飛機水平飛行時，油量傳感器軸線與油箱油面垂直；當飛機的飛行姿態(tài)改變時,在重力作用下,油量傳感器軸線與油面的夾角發(fā)生改變,從而使油量傳感器輸出的電容信號無法反映油箱內(nèi)真實油量。這種因飛行姿態(tài)使油量傳感器產(chǎn)生的誤差稱為“姿態(tài)誤差”。

偏航角為飛機繞地垂線轉(zhuǎn)動形成的夾角,不影響油箱與油面的相對位置關(guān)系,也不會影響傳感器與油面的夾角,不會造成姿態(tài)誤差。因此，只有俯仰角和滾轉(zhuǎn)角會引起油量測量的姿態(tài)誤差。

燃油計算軟件根據(jù)飛行參數(shù)采集器輸出的X、Y、Z三個方向過載系數(shù)分別計算出飛機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。

俯仰角θ的計算公式：

滾轉(zhuǎn)角Ф的計算公式：

式中，nx為X方向過載系數(shù)，ny為Y方向過載系數(shù)，nz為Z方向過載系數(shù)。

3.1.3 燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫

燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫中存儲了各油箱在飛機處于不同油面高度H、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角Ф狀態(tài)下的油量數(shù)據(jù)，俯仰角θ的范圍為[-20°，20°]，變化步長為0.5°，滾轉(zhuǎn)角Ф的范圍為[-10°,10°]，變化步長為0.5°，油面高度的變化步長為5mm。燃油計算軟件根據(jù)H，θ，Ф，通過數(shù)據(jù)分類、計算、插值、存儲和調(diào)用等各種復(fù)雜運算得出各油箱油量和全機油量，該數(shù)據(jù)被輸出至飛行參數(shù)采集器并在多功能顯示器上顯示油量數(shù)據(jù)。當油面高度、俯仰角或滾轉(zhuǎn)角的值在步長之間時，使用線性插值得出油量。因A組、B組油箱幾何特征和油量傳感器布局均對稱，故A組油箱查詢數(shù)據(jù)庫中同一組油量數(shù)據(jù)，B組油箱查詢數(shù)據(jù)庫中另一組油量數(shù)據(jù)。

以俯仰角[-0.5°，0°]，滾轉(zhuǎn)角[-0.5°，0°]，油面高度[0，15]mm為例，給出數(shù)據(jù)庫中存儲的油量數(shù)據(jù)，具體見表2。

表2

假設(shè)圖2中的油量處理模塊1計算出的俯仰角為θi，滾轉(zhuǎn)角為Фi，油面高度為Hi，則可以根據(jù)以下步驟計算出此時的油量m。

1）判斷出θi的范圍,θ1<θi≤θ2，θ2-θ1=0.5；

2）判斷出Фi的范圍,Ф1<Фi≤Ф2，Ф2-Ф1=0.5；

3）判斷出Hi的范圍,H1

4）計算線性插值的常數(shù)：

俯仰角為θi的插值常數(shù)：

滾轉(zhuǎn)角Фi的插值常數(shù)：；

油面高度Hi的插值常數(shù)：；

5）計算出Hi在H2到H1之間的線性插值油量：

a)計算俯仰角為θ1、滾轉(zhuǎn)角為Ф1、油面高度為Hi時的油量：

其中，m211為油面高度為H2時的油量，m111為油面高度為H1時的油量；

b)計算俯仰角為θ1、滾轉(zhuǎn)角為Ф2、油面高度為Hi時的油量：

其中，m221為油面高度為H2時的油量，m121為油面高度為H1時的油量；

c)計算俯仰角為θ2、滾轉(zhuǎn)角為Ф1、油面高度為Hi時的油量：

其中，m212為油面高度為H2時的油量，m112為油面高度為H1時的油量；

d)計算俯仰角為θ2、滾轉(zhuǎn)角為Ф2、油面高度為Hi時的油量：

其中，m222為油面高度為H2時的油量，m122為油面高度為H1時的油量；

6）根據(jù)以上得出的油量計算出Фi在Ф2到Ф1之間的線性插值油量：

計算俯仰角為θ1、滾轉(zhuǎn)角為Фi時的油量：

計算俯仰角為θ2、滾轉(zhuǎn)角為Фi時的油量：

7）最后可計算出該油箱油量為

3.2 數(shù)據(jù)后處理

由于飛機飛行不平穩(wěn)等原因造成油面劇烈晃動，將導(dǎo)致油量測量結(jié)果產(chǎn)生較大的浮動（實際油量不會產(chǎn)生較大變化）。為了保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準確反映油箱中的實際油量，需要對浮動的油量測量結(jié)果進行平滑濾波處理。平滑濾波的目的在于消除那些不能真實反映實際油量的測量點，以保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖2中，某型飛機燃油計算軟件中，由油量處理模塊2對數(shù)據(jù)做平滑處理，即：堆棧中設(shè)置10個數(shù)據(jù)單元；首次采集數(shù)據(jù)時，便將該數(shù)據(jù)全部置入10個數(shù)據(jù)單元中；當采集到新數(shù)據(jù)時，將新數(shù)據(jù)計入堆棧最后一位，堆棧中所有數(shù)據(jù)向前移一位，最前面一位數(shù)據(jù)清除。每次接收到新數(shù)據(jù)都對堆棧中10個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，并做取整處理后將油量值輸出給油量數(shù)據(jù)儲存模塊。平滑濾波原理見圖5。

圖5 平滑濾波原理示意圖

定時器每隔1s從油量數(shù)據(jù)儲存模塊讀取1次數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)輸出給飛行參數(shù)采集器。該數(shù)據(jù)為單個油箱的油量，全機油量為4個油箱油量之和。

4 結(jié)論

精準的算法與飛機顯示的油量息息相關(guān)，針對某型機燃油系統(tǒng)油箱和油量傳感器分布情況，給出了該型飛機燃油計算軟件的功能和算法。燃油計算軟件接收信號轉(zhuǎn)換盒的信號，經(jīng)過計算得出該油箱內(nèi)的油面高度；同時燃油計算軟件也接收來自飛行參數(shù)采集器的飛機X、Y、Z三個方向過載信號，經(jīng)過計算求出油面角。飛機各油箱油面高度和油面角對應(yīng)的油量數(shù)據(jù)已預(yù)先存入燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫內(nèi)，從而可精確得出油箱內(nèi)的燃油油量。