海軍航空儀表的發展動向與分析*

王 旭

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

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海軍航空儀表的發展動向與分析*

王 旭

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

航空儀表是飛行員操縱飛機執行作戰任務的核心部件,航空儀表的顯示和控制不僅反映飛機的綜合設計制造水平,更是飛機戰斗力的集中反映,對飛行任務、作戰使命的完成起到至關重要的作用。論文就航空儀表、發展動向、發展分析等,作進一步的研究和探討。

航空儀表; 發展分析

Class Number TN97

1 引言

航空儀表是飛行員操縱飛機執行作戰任務的核心部件,航空儀表的顯示和控制不僅反映飛機的綜合設計制造水平,更是飛機戰斗力的集中反映,對飛行任務、作戰使命的完成起到至關重要的作用。本文就航空儀表、發展動向、發展分析等,作進一步的研究和探討[1]。

2 航空儀表

航空儀表主要用來測量航空器的運動狀態,以及航空器中動力裝置的工作狀態,有的航空儀表還能自動調節航空器的運動參數,甚至輔助飛行員操縱航空器等[2]。

航空儀表主要分為飛行儀表、導航儀表、發動機儀表和系統狀態儀表。

2.1 飛行儀表

飛行儀表是指示飛行器在飛行中的運動參數(包括線運動和角運動)的儀表,駕駛員憑借這類儀表能夠正確地駕駛飛機。這類儀表主要有:利用大氣特性的各種氣壓式儀表、利用陀螺特性的各種陀螺儀表和利用物體慣性的加速度(過載)儀表等。

2.2 導航儀表

導航儀表是用于顯示飛行器相對于地球或其他天體的位置,為飛行員或飛行控制系統提供使飛行器按規定航線飛向預定目標所需要的信息。定位和定向是導航中的兩大問題。導航儀表包括導航時鐘、各種航向儀表和各類導航系統。導航系統按工作原理分為:航位推算導航系統、無線電導航系統、天文導航系統、衛星導航系統,以及它們有機結合、互相校正的組合導航系統(見飛機導航系統)。航位推算導航系統按原始信息的性質又分為:利用真實空速推算的自動領航儀、利用地速推算的多普勒導航系統和利用加速度推算的慣性導航系統。

2.3 發動機儀表

發動機儀表是用來檢查和了解發動機工作狀態的儀表,主要有溫度表,轉速表,油量、耗量表、壓力表,壓力比率表。

1) 溫度表。發動機上測量溫度,不僅是為了調節發動機性能,也為了保證安全。如潤滑油的溫度,能反映出發動機潤滑系統的工作狀況,也用以檢查發動機部件是否存在過熱等情況,以防止發動機因部件過熱損壞而造成故障。

溫度表主要有兩種類型:一是電阻式溫度表。這種溫度表使用金屬導體(如鉑、銅、鎳等)作感溫元件;二是熱電式溫度表。這種溫度表采用熱電偶作感溫元件。它是利用材料的熱電效應,將被測溫度轉換成相應的電勢。由連接導線送入指示器,直接指示出被測溫度值。

2) 轉速表。轉速表是用以測量發動機主軸的旋轉速度(轉/分),目前飛機上主要采用磁轉速表,利用光電、磁電轉換原理的數字式轉速表。

3) 油量、耗量表。油量表用以測量飛機油箱中的儲油(滑油、燃油等)量,常用儲油的體積或重量作單位。目前,測量油量的方法主要是浮子式油量表和電容式油量表兩種:

電容式油量表屬電氣式測量裝置,性能比浮子式好。不論是浮子式還是電容式油量表,都是通過感受油箱中油面高低來間接測量油量的。即使油量不變,但飛機姿態變化時,因油面隨之傾斜,也將造成油量測量的誤差即姿態誤差。但電容傳感器屬細長結構,可以在一個油箱的不同部位同時安裝傳感器測量油面的平均高度所以電容式泊量表的姿態誤差小于浮子式。

燃油耗量表指示飛機上燃油的消耗量。即單位時間內消耗的燃油數量,它可以用消耗的質量也可用體積表示。直接測量質量消耗量的耗量表雖然結構比較復雜,但精度高,而且精度不受環境溫度等條件的影響己在某些飛機上得到應用。

4) 壓力表。測量液體和氣體壓力的儀表。主要有燃油壓力表、滑油壓力表、進氣壓力表等。目前除進氣壓力表為機械式外,均采用電動機械式。電動機械式壓力表的指示器類同于浮子式油量表指示器,而傳感器中也只是將浮子代換為感受壓力的膜盒。當被測壓力改變時,膜盒隨之膨脹和收縮而產生位移,通過機械傳動裝置帶動電刷沿電位計滑動。

5) 壓力比率表。發動機產生的功率或推力是一個要準確地了解和控制的重要參數。但影響功率或推力的因素很多,難以實現直接的、準確的測量。為了提高推力估計的準確度和充分發揮發動機的性能,可采用測量噴氣發動機的進氣總壓和噴氣總壓之比的壓力比計。根據壓力比計的示值,不僅能比較準確地估計發動機所產生的推力而且能方便地進行調整和控制。

2.4 系統狀態儀表

系統狀態儀表主要包括:陀螺儀表、飛行高度與速度的測量儀表。

1) 陀螺儀表。陀螺儀表是測量飛機的姿態角、航向角和角速度,因而成為飛機飛行的重要儀表。飛機的姿態角是指俯仰角和傾斜角。假如飛機上有一個地平面基準,當飛機抬頭或低頭時,飛機縱軸與這個地平面之間的夾角就是飛機的俯仰角。當飛機繞縱軸向左或向右轉動時,飛機縱向對稱平面繞縱軸轉過的角度就是飛機的傾斜角。

2) 高度測量儀表。測量飛機的飛行高度均采用間接方法。就是通過測量與高度有單值函數關系,又便于準確測量的另一物理量,而間接得到高度的數值。根據所選用的物理量及對物理測量的方法不同,形成了不同的高度測量裝置。目前在飛機上用得比較多的是氣壓式高度表和無線電高度表:

氣壓式高度表是根據大氣層的組成及特點(空氣的靜壓力Ps在地面上最大,隨著高度增加呈指熟規律減小),通過測量氣壓Ps,間接測量高度。

無線電高度表是利用無線電波的反射。飛機上裝有無線電臺發射機和發射接收天線。測量時,發射機經發射天線同時向地面和接收機發射同一無線電波,接收機將先后接收到由發射機直接來的電波和經地面反射后的回波,兩束電波存在有時間差。如果電波在傳送過程中沒有受到干擾,時間差正比于被測的高度。測量出時間差,高度也就知道了。

3) 速度測量儀表。速度測量儀表主要包括:飛行速度表征、壓力式速度表、升降速度表。

(1)飛行速度表征飛機飛行的快慢,是一個重要的飛行參數,飛機速度包括真空速、指示空速、地速、升降速度、馬赫數。

· 真空速:飛機相對于空氣的運動速度;

· 指示空速:指示空速測量的不是速度而是氣流總靜壓力差。指示空速表是防止飛機低速失速,保證飛行安全的一個儀表;

· 地速:飛機相對地面運動速度的水平分量;

· 升降速度:指飛機相對地面運動速度的垂直分量,即飛機沿地垂線的上升、下降速度;

· 馬赫數:又叫M數,定義為空速與飛機所在位置上音速之比。這是一個無量綱參數,用來描述高速飛機的飛行速度。

(2)壓力式速度表。壓力式測飛行速度的原理是基于著名的伯努里定律。由該定律導出的空氣動力方程表明,飛機的指示空速與氣流的總靜壓力差成正比。飛行馬赫數的大小取決于氣流的總壓和靜壓;而真空速則是氣流的總壓、靜壓和飛機所處空氣溫度的函數。因此,測量這些參數,經過相應的解算,即可得到對應的速度數值。

(3)升降速度表。升降速度表又叫垂直速度表,用以測量飛機上升和下降的垂直速度即飛機的高度變化率。測量升降速度常用的方法是在飛行高度測量裝置中,增加一個微分裝置或一個壓力延遲部件。升降速度測量裝置的指示能同時反映升降速度的大小和升降方向。

3 發展動向

1) 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型儀表試飛機。美國《每日防務》2001年4月16日報道:諾斯羅普·格魯曼公司研制了Proteus的新型高空試驗平臺飛機。該機可用于無人機(UAV)和其他的先進技術試飛項目中具有多種功用[3]。

Proteus總有效載荷5800磅,電源輸出功率19kW,可以增加到30kW。該飛機機內安裝了大氣科學傳感器、水平線上自動駕駛儀技術(over-the-horizon autopilot technologies)、空中攝像設備和近實時有效載荷通信儀表。

2) 韓國購買F-15K戰斗機裝備的空戰機動儀表系統。美國《每日航宇》2004年10月12日報道:BVR系統公司10月11日稱,波音公司已將一項價值150萬美元的合同授予BVR系統公司。按照合同,BVR公司負責將EHUD空戰機動儀表(ACMI)系統綜合進波音公司將向韓國空軍提供的F-15K飛機上[4]。

VBR公司將在韓國為EHUD ACMI系統提供綜合、硬件升級和軟件等,以支持F-15K戰斗機的先進能力和特點。這種EHUD ACMI系統是一種具有現代化的飛行后匯報能力的機上自主式安全和訓練裝置,該系統增強了戰斗機駕駛員對于多種任務的機上訓練,是一種十分有效的空-空和空-地任務的訓練和匯報系統。該系統的安全特性包括規則違反庫以及地面防撞聲音告警等。

3) IS&S公司獲C-130T動力裝置儀表顯示系統合同。據美國《航空電子》網站2009年10月15日報道:位于賓夕法尼亞艾克斯頓的IS&S公司近日從BAE系統公司獲得一份為美國海軍C-130T飛機集成安裝發動機儀表顯示系統(EIDS)的合同,按照該合同,BAE系統公司將在兩年內安裝IS&S公司生產的EIDS[5]。

4) 以色列埃爾比特系統公司向亞洲客戶提供EHUD空戰機動儀表系統。英國謝潑德集團網站2010年12月29日報道:以色列埃爾比特系統公司宣布,該公司獲得一份總價接近1800萬美元的合同,為亞洲一國空軍提供EHUD空戰機動儀表(ACMI)系統。此項合同作為一項后續訂單,需要提供兩個額外的全系統(靜態和機動),以用于實時自動空對空/空對地作戰訓練和任務報告。該新系統將與現在客戶正在使用的埃爾比特系統公司訓練系統形成互用性。此項合同將在今后兩年得到執行[6]。

5) 奎托斯公司接到900萬美元電子戰、導彈和雷達系統產品訂單。據GLOBE NEWSWIRE網站2014年12月29日報道:奎托斯國防和安全策略公司——一家領先的國家安全解決方案供應商宣布,該公司電子產品事業部(KEPD)接到一個價值900萬美元的電子戰、導彈和雷達系統訂單,其中包括特殊包裝和先進的集成微波組件。KEPD是微波、射頻子系統、組件、雷達儀器儀表、電子戰模擬器和飛行系統設計、制造和包裝行業的領導者。KEPD產品支持美國及其盟國最先進的雷達、導彈、電子戰、情報、無人機監測和偵察系統。根據合同條款,產品將在KEPD的安全生產線上制造[7]。

6) 先進光子公司(API)獲得F-35掃描儀合同。據Manufacturing Group網站2015年1月16日報道:API全資子公司Picometrix LLC是一家光電傳感器、器件和儀表的供應商,其市場包括測試、工藝控制、醫療、電信和國土安全。日前其獲得一份來自美國空軍的政府開發合同,價值140萬美元,任務是開發手持太赫茲測量系統,輔助F-35戰斗機的裝配和維修[8]。

2010年該公司曾獲得該用途的第二階段合同,在這個合同中要求公司開發和驗證掃描儀原型機。這次簽署的合同將進一步開發政府潛在用途的產品。公司預計,這項合同完成后,項目開發的T-Ray 5000手持掃描儀系統將被用于改進制造效率和減少維修成本。

API公司總裁兼CEO稱,美國國防部對API的T-Ray儀器開發的繼續支持是該產品高質量和高價值的最好證明。這種手持掃描儀將成為無損檢測解決方案的補充。

API太赫茲手持掃描儀是基于公司15年來在太赫茲技術領域不懈努力的成果。公司在太赫茲技術領域的先進性包括:2000年開發出世界上第一個民用太赫茲系統;2006年開發出第一個小型化轉鍵系統;2011年首先工業在線應用;2014年在特殊危險地方鑒定的太赫茲系統等。

7) 美陸軍耗資2.42億美元采辦22架新型UH-60M黑鷹直升機。美國軍事航空航天與電子學網站2015年3月4日報道:3月2日,美陸軍合同司令部宣布授予美國西科斯基飛機公司一份價值約2.42億美元的采辦合同,用于采辦22架最新型的UH-60M“黑鷹”通用直升機。該直升機不僅裝備了升級型雙發動機和改進型旋翼槳葉,而且集成了美陸軍的未來戰斗系統和飛機安全自動監控系統,可執行武裝偵察、人員運輸、醫療后送和搜救任務,并為應急行動提供支撐[9]。

UH-60M黑鷹直升機裝備了最先進的電子設備、飛行控制和導航控制系統。UH-60M黑鷹直升機的駕駛艙裝備多功能顯示器、飛行管理系統,和與自動駕駛相匹配的現代化的飛行控制計算機,裝備了可記錄飛行數據和駕駛艙語音的飛行安全管理系統和嵌入GPS的慣性導航系統,改進型數據調制解調器和平視顯示器,更緊湊的儀表控制板使得飛行員有更大的飛行視野。

最新型的UH-60M黑鷹直升機不僅可攜帶更多的負載、飛行更遠的距離,而且具有更好的操控性能和態勢感知能力。該直升機具備主動式振動控制能力,其耐受性和可生產能力都得到了進一步改進。在無補給情況下,UH-60M黑鷹直升機可在4.6km高空,以時速280km/h持續飛行約510km。

4 發展分析

海軍航空儀表的發展趨勢:人機一體化、綜合化和智能化[9]。

1) 人機一體化。飛行器儀表與各種控制器一起形成人機接口,使飛行人員能按飛行計劃操縱飛行器。

2) 綜合化。綜合化主要包括:傳感器綜合化和顯示器綜合化。

· 傳感器綜合化。一是把不同而功用類似的幾個傳感器組合在一起,以達到互相校正和提高儀表性能的目的;二是把少量公用的原始信息傳感器集中起來,通過計算機計算,輸出為數眾多的不同的信號。

· 顯示器綜合化。顯示器綜合化是把有關的參數集中在一個顯示器內顯示,這樣做不僅能有效地減少儀表數量、減輕儀表板的擁擠程度、減輕飛行員的目視負擔,而且還能得到用單一參數指示器所不能得到的有用信息。

3) 智能化。智能化就是利用先進的數字電子技術,并以微型計算機和多路傳輸數據總線為紐帶,把傳感器、顯示器、控制器與飛行控制系統、發動機控制系統、火力控制系統等有機地交聯在一起,以實現飛行器各系統之間的智能化,并采用完善的自檢和故障監控、故障告警手段,提高信息測量的精度和可靠性。

5 結語

隨著海軍航空儀表向著人機一體化、綜合化和智能化的高度發展,其技術越來越成熟,其性能更加可靠,在未來現代化戰爭或局部戰爭中,必將有助于戰場的取勝效率[10]。

[1] 黃保華,侯宏錄.機載儀表圖像邊緣檢測算法的優化[J].光學儀器,2007,29(3):5-8.

[2] 寧志剛,汪仁煌,張艷玲.高精度儀表自動判讀技術研究[J].光電工程,2006,33(6):90-96.

[3] 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型儀表試飛機[N].每日防務快訊,2001-05-08.

[4] 韓國購買F-15K戰斗機裝備的空戰機動儀表系統[N].每日防務快訊,2004-10-14.

[5] IS&S公司獲C-130T動力裝置儀表顯示系統合同[N].每日防務快訊,2009-10-21.

[6] 以色列埃爾比特系統公司向亞洲客戶提供EHUD空戰機動儀表系統[N].每日防務快訊,2011-01-17.

[7] 奎托斯公司接到900萬美元電子戰、導彈和雷達系統產品訂單[N].每日防務快訊,2015-01-12.

[8] 先進光子公司(API)獲得F-35掃描儀合同[N].每日防務快訊,2015-01-29.

[9] 美陸軍耗資2.42億美元采辦22架新型UH-60M黑鷹直升機[N].每日防務快訊,2015-03-11.

[10] 孫亞偉,黃家成,元洪波.采用DSP處理器的甚高頻全向信標/儀表著陸系統標準信號源[J].電光與控制,2009,16(7):92-96.

Development Trends and Analysis of Naval Aviation Instrument

WANG Xu

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Aviation instrument is a core component of pilot aircraft combat missions, display and control of aviation instrument not only reflect the level of comprehensive design of aircraft manufacturing, but also is the concentrated reflection of combat effectiveness of aircraft, and plays a crucial role in the flight mission and mission to combat. In this paper, aircraft instruments, development trend, development analysis are further studied and discussed.

aircraft instruments, development analysis

2014年12月9日,

2015年1月23日

王旭,男,碩士,工程師,研究方向:無線電通信。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.007