大氣數據系統的發展及展望

摘 要：大氣數據指航空器與機體氣流的相對參數，主要包括總壓、靜壓、靜溫、側滑角、高度、指示空速、馬赫數等參數，這些重要的大氣參數是飛機動力系統、飛控系統、導航系統、指示系統等不可缺少的信息。文章針對大氣數據系統發展過程進行描述，并且對其所面臨的技術問題等方面進行深入分析，最后對大氣數據系統的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：大氣；數據系統；發展；展望

1 傳統大氣數據系統介紹

傳統大氣數據系統由全靜壓傳感器、全靜壓管路和大氣數據計算機組成。全靜壓傳感器安裝在機體外部，主要用于準確收集氣流的全壓和靜壓，全壓孔用來收集氣流的全壓，全壓口位于全靜壓傳感器中正對氣流方向，空氣流至全壓孔時，完全受阻，流速為零，因而得到氣流的全壓。靜壓孔用來收集氣流的靜壓，靜壓孔位于機身周圍沒有紊流的地方，靜壓經靜壓管路進入大氣數據計算機。全靜壓傳感器是流線型的管子，表面十分光滑，其目的是減少對氣流的擾動。

大氣數據計算機通過對全靜壓傳感器和全靜壓管路收集到的全壓和靜壓進行解算，得到飛機重要的參數如高度，空速，升降速度，馬赫數等等。

傳統的大氣數據系統的缺陷也十分明顯，首先全靜壓管路存在壓力延遲，若飛機當前壓力變化較快，會出現飛行指示空速或高度滯后于實際飛機空速或高度，對于民航客機，這種情況主要影響地面起飛滑跑，由于飛機起飛時，總壓變化較快，管路的遲滯對起飛速度和滑跑距離有著直接的影響，所以FAA發布109號修正案，針對延遲情況進行了具體的規定。

同時，為了保證測量的準確性，對全靜壓管路的安裝和維護有著很高的要求，同時，管路越長，出現管路堵塞或泄漏的可能性越大，而管路堵塞或泄漏會造成飛機空速和高度的誤指示，給飛機帶來災難性的影響，所以FAA咨詢通報AC25-11A將飛機所有空速高度誤指示定為災難類的風險，法航447事故也是由于全靜壓傳感器的堵塞造成飛行員得到錯誤的空速高度指示，最終導致機毀人亡的慘劇。

但是傳統的大氣數據系統存在的問題也非常明顯，首先，過長的壓力管路會導致管路壓力延遲過大，影響飛機測試參數的實時性；其次，為了保證大氣數據測量的準確性，對大氣數據管路的安裝要求非常高，不利于維護工作；再次過多的組件導致此類大氣數據系統結構復雜，不利于減重并且降低了可靠性。

2 新型大氣數據系統介紹

為了解決傳統大氣數據系統出現的問題，全球各大大氣數據系統供應商開發出了大氣數據模塊和集成式全靜壓傳感器等產品。

集成式全靜壓傳感器（Integrated pitot probe）

集成式全靜壓探頭顧名思義，即將傳統的全靜壓探頭與大氣數據計算機進行了集成，免去了傳統飛機使用的全靜壓管路，消除了管路壓力延遲對飛行狀態指示的影響，同時不需要考慮管路的泄露對大氣數據系統測量精度的影響。目前ERJ190/195系列飛機使用的即此類產品，這類產品的維修性也比較好，更換安裝都較傳統全靜壓探頭、管路、計算機容易，但是此類探頭成本較高，航空公司運營維修成本較大。典型的集成式全靜壓傳感器如圖1所示。

大氣數據模塊ADM（Air Data Module）

大氣數據模塊的功能代替了大氣數據計算機中模數轉換部分功能，其一般帶有一個壓力輸入端和一個電信號輸出端，如圖示，模塊可將任何壓力信號轉換為電信號輸出，大氣數據模塊一般體積小，工作穩定，使用靈活，一般可安裝在飛機全壓/靜壓傳感器蒙皮附近，這樣可讓壓力傳感器和大氣數據模塊間的管路盡量短，減小壓力延遲。同時，由于大氣數據模塊使用的靈活性，可靈活對全壓靜壓傳感器進行布局。特別是全壓靜壓傳感器分布式布局的情況。

大氣數據模塊大量應用于當前運營的主流機型，比如波音787＼747＼777以及空客A380＼330都大量使用了ADM。

3 大氣數據傳感技術的發展

新型的大氣數據系統雖然在技術上和構架上已經有了較大的進步，但是依然存在著多樣的風險，由于大氣數據對于飛機的飛行安全非常重要，全靜壓探頭、全靜壓管路、大氣數據計算機任一出現故障，都會導致指示空速高度馬赫數出現錯誤，目前國外一些前沿機構開發出更先進的大氣數據系統，并在驗證機上進行了實際的驗證工作。

嵌入式大氣數據傳感器技術FADS

嵌入式大氣數據系統是一種依靠嵌入在飛機前端或機翼不同位置上的壓力傳感器陣列來測量飛機表面的壓力分布，并由壓力分布獲取大氣參數，這一技術的提出與發展，全面提升了大氣數據傳感技術的進步，，由于FADS氣動模型能夠捕捉到流場的特征，因此可以利用氣動模型將壓力分布與大氣狀態聯系起來，從而實現大氣參數的測量。

此技術通過在機體表面的微小取氣裝置測量壓力，這樣大大提高了壓力測量的安全性和準確性，某一區域的問題不會導致飛機完全丟失大氣數據信息，但是FADS系統更適用于高馬赫數飛行時測量的問題，而目前世界上航線運營的客機的巡航速度都在1馬赫數之下，從經濟型考慮，不適合使用FADS，但是超音速民航客機很可能是下一個發展方向，所以此項技術依然有良好的發展空間。

虛擬大氣數據傳感器技術VADS

由于民航客機對于安全性的要求非常嚴格，為了提高大氣數據系統的安全性，通過采取系統冗余配置的方式來提高大氣數據系統的容錯性，為了滿足安全性要求，不得不增加多套大氣數據測量系統，代價較高。虛擬大氣數據系統是一種在不增加系統測量設備的基礎上，整合現有機載系統的信息資源，利用信息融合的方法實現大氣參數的精確估計。VADS系統原理框圖見圖3。

虛擬大氣數據傳感器通過軟件算法為飛機增加了一套大氣數據系統，有效利用了現有的機載信息，不需要安裝其他大氣數據系統，成本和重量都得到了減少，實現對真實大氣數據系統進行故障檢測和備份的雙重功能，提高了大氣數據系統的精度、可靠性與容錯性。目前FAA對于25部運營飛機的安全性要求越來越高，在不需大規模更改飛機大氣數據系統架構的情況下，通過引入虛擬大氣數據技術，可有效的提高飛機運行的安全性和經濟型，目前美國、意大利等國對于虛擬大氣數據技術已經有比較深入的研究，相信會在未來成為民航客機上可靠的大氣數據系統之一。

4 結束語

目前在大氣數據傳感技術上的前沿技術還不成熟，但是由于他們具有優越的性能和巨大的潛力，將成為大氣數據傳感器技術的重要內容和發展方向。另外可以結合現代科技的發展，尋找易于實現，同時能避開現有方法缺點的新的大氣數據測量方法，在大氣數據系統的發展上有所突破，有效提升目前民航客機的安全性、可靠性、經濟性。