航空油量測量技術研究及其發展現狀

單寶峰 張廣濤 李景春 王 斌

(沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

飛機在飛行過程中飛行姿態多變，精確地測出各種飛行姿態下的油箱載油量，可以準確地計算飛機續航時間，保證安全返航。通過對飛機中各個燃油箱剩余油量的精確測量，有利于調整燃油在各油箱的分布，實現耗油順序的優化，確保飛機重心調整，改善飛行品質［1］;通過對飛機發動機滑油的實時監測，可以保證有足夠的滑油輸送到發動機各轉動機件的軸承和傳動齒輪的嚙合處，實現潤滑，減少機件的磨損，并帶走摩擦所產生的熱量和金屬削［2］。因此，飛機油量測量在整個工作系統中起到了十分重要的作用。本文介紹了國內外航空油量測量技術的研究現狀，并提出了一些今后需要解決的問題。

1 液位傳感器的研究

近年來，國內外飛機主要應用基于計算機技術的數字式油量測量系統，其工作原理如圖1所示。系統把各種姿態組合時的油箱特性曲線(油量與油面高度之間的關系)數據表預先存放在存貯器中，飛行時，傳感器把測得的油面高度和姿態角等信息傳給計算機，通過后臺計算，就可以得出油箱內的剩余油量［3］。其中液位傳感器在整個油量測量系統中占據著十分重要的地位。

圖1 數字式油量測量系統組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of digital measuring system for fuel volume

1.1 液位傳感器的研究現狀

第二次世界大戰以后，電容式液位傳感器在液位測量領域得到了廣泛的應用。油量測量系統利用電容式液位傳感器感受油面變化，把內極管制成油箱形狀有關的成型剖面，使油量和體積之間的變化呈線性對應關系，并模擬電路進行測量和計算［4］。1960年，美國人Jack Telerman首次申請了磁致伸縮位移傳感器的專利權。20世紀80年代，國外投入了大量的人力和財力研究磁致伸縮式位移傳感器，如美國俄亥俄州的Cincinnati大學微電子傳感器實驗室與MENS中心聯合研究的超磁致伸縮傳感器［5］，美國Iowa州立大學、日本海洋科技中心、瑞典的FeredynAB公司、英國的Johnson Matthey公司等機構也都在進行此方面的研究。

在進行液位測量時，傳感器內部的電子部件產生一個電流“詢問”脈沖，此電流同時產生一磁場沿波導管內的感應線向下運行。下液位計管外配有浮子，此浮子隨液位變化沿桿上下移動。由于浮子內安裝有一組磁鐵，所以浮子移動會產生一個磁場。當電流磁場和浮子磁場相遇時，即產生“波導扭曲”脈沖。從“詢問”脈沖發出開始至返回脈沖被電子部件接收到所用的時間為一個脈沖周期，再結合扭曲波速就可得到移動距離，即液體變動的相對位置［6］。

在過去二三十年間，超聲波液位測量技術得到了長足的發展，正在逐漸取代傳統的電容式液位傳感器。在進行液位測量時，由安裝在飛機油箱底部的超聲波探頭按一定的方向與波束角度發出超聲波脈沖，脈沖與液面接觸就會發生反射，反射的脈沖被超聲波探頭采集并轉換成電信號，電信號被輸送給具有微處理功能的指示器，由其計算出超聲波脈沖的反射時間，從而獲取油箱液面高度。

國外傳感器以采用電容式傳感器為主，新機上開始應用超聲波傳感器，現在正在研發磁致伸縮傳感器和光纖傳感器等新型傳感器。系統技術采用機電式系統和數字式系統，且以數字式系統為主。在高端產品上還應用余度技術、BT技術和補償修正技術，使產品在測量精度和可靠性等方面有很大的提高。

我國對航空液位傳感器的研究起步比較晚，20世紀70年代才開始相關技術的跟蹤與研究，并且研究工作僅限于個別廠所，此前僅限于簡單的仿制與生產［7］。國內傳感器基本都采用電容式傳感器，個別機種采用浮子式傳感器。超聲波傳感器仍處于預研階段，傳感器技術和國外相比差距較大。系統技術也采用機電式系統和數字式系統。液位測量系統的技術水平與國外相近，但在測量精度、穩定性、可靠性方面還有很大的差距［8］。

1.2 今后仍需研究的問題

飛機飛行過程中燃油溫度最高可達到250～350℃，滑油溫度最高可達到170℃。高溫會改變油液的物理特性，從而對液位測量造成一定的影響。因此，未來在對液位傳感器研究時必須充分考慮溫度的影響。

①飛機飛行時，油液溫度變化會引起油液密度變化且溫差變化很大。這會引起磁致伸縮傳感器浮子在油液中的浸沒程度受到油液密度變化的影響，導致測量結果不夠精確，必須加以修正。

②超聲波的傳播速度是隨溫度變化而變化的，而且隨著傳播距離的增加，超聲波的聲壓和聲強也會按指數規律衰減，這些因素都會對液位測量產生影響。

2 油量測量計算方法的研究

飛機油量測量是一個十分復雜的過程。由于飛機飛行姿態多變，瞬時產生的俯仰角和橫滾角會使計算過程變得相當復雜;而燃油箱和滑油箱的復雜結構，也直接影響計算結果的準確性。因此，對油量測量計算方法的研究是很有必要的。

2.1 油量測量計算方法的研究現狀

目前，國內外多采用數字式測量系統通過感知傳感器的浸油深度h、飛行姿態角(α，β)和三軸過載信息，計算出油液體積，再結合油液質量特性數據庫來得到油量測量結果［9］。

Schumacher and Daguia等采用三維建模軟件Unigraphics建立X47A飛馬無人機油箱模型，利用傳感器輸出浸油高度，利用姿態角信息建立油平面，并以油平面切割油箱模型，估算剩余油量［10］。蔣軍昌等基于VBA控制CATIA，在油面法線方向上生成一個液位傳感器測量深度h所在的垂直平面。該平面為油箱內的油液平面，以此平面切割油箱實體，利用CATIA的分析功能，得到油液的質量特性數據;接著以一定的步長劃分傳感器的浸油深度h和油平面，使其在可能的范圍內變化;最后整理出油箱特性數據表格，再通過插值計算得到測量結果。段福寬等人利用三維建模軟件Unigraphics建立油箱模型，研究了傳感器的敷設位置方法以及傳感器測量深度h和油箱剩余油液體積之間的對應關系，并提出了運用“層切法”實現不規則形狀油箱的測量［11］。

2.2 今后仍需研究的問題

國內外學者所研究的油量測量計算方法大體一致，即利用計算機接收傳感器的感應信息，然后結合油箱特性曲線，通過插值計算得出油量測量結果。但是，在計算過程中仍存在以下幾個問題。

① 運用插值計算時，將油量V與h、α和β的三元函數關系V=f(h，α，β)作為一元函數處理，降低了計算精度。是否有更加適合的計算方法是今后需要研究的問題。

②存貯器中各種姿態組合的油箱特性曲線需預先經過大量的試驗獲得，試驗工作量大，需占用較多的存貯單元。如何有效簡化大量的操作程序仍待解決。

③飛機飛行過程中由于加速度的存在使油液表面形成波浪狀(計算時視液面平整)，對油量測量結果造成一定影響。今后還需對這種影響進行修正研究。

3 結束語

綜合分析，航空油量測量技術發展前景廣闊，其相關技術還有待進一步深入研究。

①航空油量測量除了受飛行姿態多變的影響外，溫度也是其中的一個重要影響因素，這會對油液特性和液位測量造成一定的影響。所以，在溫度補償方面還要深入研究。

②探索出一種新的油量測量計算方法，即只要測出油箱油面高度和飛行姿態角，無需參照油箱特性曲線就可以在線計算出瞬時油箱剩余油量。

③航空油量測量技術還需朝著數字化、綜合化方向大力發展。

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