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

龔和 陶建偉

摘 要：全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，對(duì)飛機(jī)的安全性有至關(guān)重要的影響作用。該文簡(jiǎn)要介紹了全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程，主要由氣動(dòng)分析、全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)等環(huán)節(jié)組成。同時(shí)，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(duì)于指導(dǎo)民用飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)：V226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)量得到，而是需要通過測(cè)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(duì)于飛機(jī)靜壓和總壓信息的測(cè)量，以及后續(xù)的計(jì)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(jì)算出飛機(jī)的空速、高度、垂直高度等信息后，會(huì)發(fā)送這些信息供顯示、飛控、飛管等系統(tǒng)使用。因?yàn)榭斩取⒏叨鹊葏?shù)的測(cè)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(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)中的非常重要的組成部分。

在傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)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(cè)量大氣壓力的變化，然后通過傳動(dòng)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(jì)中，大氣數(shù)據(jù)的儀表往往是電動(dòng)式的，對(duì)于氣壓高度表，則是通過大氣數(shù)據(jù)計(jì)算器測(cè)量大氣壓力的變化，并轉(zhuǎn)化成電學(xué)的高度信號(hào)，供顯示系統(tǒng)和其他系統(tǒng)使用。

1 全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)相連，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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)。總體上，民用飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1 氣動(dòng)分析

氣動(dòng)分析是開展全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，一般需要通過CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算或風(fēng)洞試驗(yàn)研究飛機(jī)不同位置處的氣動(dòng)特性。主要包括研究不同測(cè)量位置處的靜壓和總壓測(cè)量誤差，以及不同測(cè)量位置的防冰特性。同時(shí)，需要初步確定飛機(jī)上有哪些測(cè)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(jì)

在前期氣動(dòng)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(jì)算機(jī)相連，在大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)中計(jì)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(gè)傳感器的安裝位置和安裝精度指標(biāo)要求。在前期氣動(dòng)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(cè)量受外界環(huán)境的影響較小。一般而言，對(duì)于民用飛機(jī)，靜壓的測(cè)量相對(duì)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(cè)量誤差，而全壓的測(cè)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(shí)，對(duì)于與靜壓測(cè)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(cè)量誤差。同時(shí)，鑒于靜壓的測(cè)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(cè)量誤差，在很多民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，在大氣數(shù)據(jù)計(jì)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(cè)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(cè)量精度與安裝位置息息相關(guān)，需要根據(jù)氣動(dòng)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(jì)和實(shí)現(xiàn)后，需要通過試驗(yàn)去測(cè)試和驗(yàn)證全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)去測(cè)試全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)

根據(jù)飛行測(cè)試結(jié)果可以判斷全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)。如果不能滿足相應(yīng)的條款要求，需要研究并調(diào)整整個(gè)方案的設(shè)計(jì)以滿足條款要求。可能的調(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(jì)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(cè)試試驗(yàn)的前提，所以更改全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)影響整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)度，需要重新進(jìn)行一系列的氣動(dòng)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(jì)非常依賴前期的氣動(dòng)分析，應(yīng)當(dāng)在充分的CFD計(jì)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(jì)。

2 全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在全靜壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)量，而全靜壓探頭可以在一個(gè)傳感器上同時(shí)測(cè)量出全壓和靜壓信息。

由于全壓、靜壓的測(cè)量對(duì)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(jì)三套相互獨(dú)立的全靜壓測(cè)量通道，以相互備份從而滿足安全性指標(biāo)的要求。同時(shí)，由于靜壓的測(cè)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(gè)對(duì)稱分布的靜壓傳感器的測(cè)量值取平均后作為一個(gè)獨(dú)立的靜壓測(cè)量值使用。因而，在每一套全靜壓測(cè)量通路中，一般包括一個(gè)全壓傳感器和兩個(gè)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(jì)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(jì)算機(jī)，Pt/Ps代表全靜壓探頭，每?jī)蓚€(gè)全靜壓探頭對(duì)稱分布，每個(gè)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(shí)分別提供兩路靜壓測(cè)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(cè)量值。該架構(gòu)下，總共利用了4個(gè)全靜壓探頭提供了3路全靜壓測(cè)量通路。

其中ADC代表大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，Pt代表全壓探頭，Ps代表靜壓孔。每?jī)蓚€(gè)靜壓孔對(duì)稱分布，測(cè)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(gè)靜壓孔和3個(gè)全壓探頭以提供3路全靜壓測(cè)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(duì)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(huì)低于靜壓孔，而且單個(gè)設(shè)備的損壞會(huì)導(dǎo)致全壓和靜壓的測(cè)量均不可靠，因而在大型飛機(jī)上的使用較少，對(duì)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(jì)算機(jī)，從而減少全靜壓管路設(shè)計(jì)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(cè)量誤差。

3 結(jié)語

全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是是民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)要介紹了全靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程，主要包括氣動(dòng)分析、全靜壓系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)這個(gè)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。

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