民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)指示空速和當(dāng)量空速對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)影響分析

張琛

摘 要：空速系統(tǒng)設(shè)計(jì)是民用運(yùn)輸類(lèi)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)要介紹了幾個(gè)重要的飛機(jī)速度參數(shù)，如指示空速、當(dāng)量空速，真空速，地速，馬赫數(shù)等，并詳細(xì)介紹了各個(gè)速度的定義，比較了其區(qū)別。同時(shí)，該文以現(xiàn)代民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般架構(gòu)為例，分析了在設(shè)計(jì)過(guò)程中若使用當(dāng)量空速代替指示空速輸出給交聯(lián)的機(jī)載系統(tǒng)，分別產(chǎn)生的影響，對(duì)于指導(dǎo)民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī) 大氣數(shù)據(jù) 指示空速 當(dāng)量空速 真空速

中圖分類(lèi)號(hào)：V241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0112-02

在民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的飛行過(guò)程中，空速、高度、垂直速度等大氣數(shù)據(jù)參數(shù)至關(guān)重要，不僅直接影響駕駛艙飛行員對(duì)飛行狀態(tài)的認(rèn)知和對(duì)飛機(jī)的操縱，也影響到相關(guān)機(jī)載系統(tǒng)的功能/性能計(jì)算，尤其現(xiàn)代飛機(jī)廣泛采用電傳飛控和自動(dòng)駕駛儀，其會(huì)影響飛機(jī)整機(jī)功能正常和安全性。

飛機(jī)的飛行速度指向氣流方向，而氣動(dòng)力與速度的平方成正比，因此速度是飛行力學(xué)中一個(gè)很重要的變量。飛機(jī)是在特定的速度下進(jìn)行起飛、爬升、巡航、進(jìn)近和著陸，不同的速度表示的意義是不同的，如指示空速（IAS）、當(dāng)量空速（EAS）、真空速（TAS）、地速（GS），馬赫數(shù)（M）等。這些參數(shù)不能直接被機(jī)載傳感器測(cè)量得到，而是通過(guò)飛機(jī)上安裝的大氣數(shù)據(jù)傳感器測(cè)量飛機(jī)周?chē)拇髿鈮毫Γㄈ珘汉挽o壓）等信息，根據(jù)特殊的計(jì)算公式在大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)中計(jì)算得到，并轉(zhuǎn)成電信號(hào)，輸出給駕駛艙顯示系統(tǒng)，以及其它交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)。

1 各種速度的定義

（1）指示空速，Indicated Airspeed（IAS）， 這個(gè)速度參數(shù)是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的外部動(dòng)態(tài)氣壓顯示的速度值，即飛機(jī)和空氣相撞的速度，直接顯示在駕駛艙空速顯示器上。通過(guò)靜壓源位置誤差修正以后得到的指示空速又叫校準(zhǔn)空速（CAS），提高了精度。

VIAS2=2×q/ρ（q是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的空氣動(dòng)壓，即總壓P0與靜壓Ps之差，ρ是當(dāng)前高度的大氣密度）。

（2）真空速，True Airspeed（TAS），即飛機(jī)事實(shí)上在空氣中移動(dòng)的速度，也就是經(jīng)氣壓換算成海平面高度的指示空速。

TAS=IAS×（T+絕對(duì)溫度×P0）/（T0+絕對(duì)溫度×P），T0和P0分別是標(biāo)準(zhǔn)海平面的大氣壓和溫度值

（3）當(dāng)量空速，Equivalent Airspeed（EAS），由于不同高度的空氣密度是不同的，所以以海平面空氣密度ρ0為標(biāo)準(zhǔn)就得出EAS當(dāng)量空速。因?yàn)檫@里ρ0是固定的，所以EAS只跟動(dòng)壓q有關(guān)。飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制基本上只受空氣壓力的影響，因此飛機(jī)機(jī)體強(qiáng)度限制速度用EAS來(lái)表征。

EAS=[TAS2/（（ρ0/ρ）×（T/T0））]0.5，ρ0和T0是標(biāo)準(zhǔn)海平面的空氣密度和標(biāo)準(zhǔn)溫度。

根據(jù)這個(gè)公式，在飛機(jī)爬升的時(shí)候，空氣密度ρ變小，TAS增加；周?chē)鷾囟认陆担琓AS下降。一般可以用每增加1000英尺，IAS就多增加2%來(lái)估算TAS。在海平面時(shí)，

TAS=IAS=EAS

（4）地速，Ground Speed（GS），實(shí)際對(duì)地速度，即飛機(jī)相對(duì)地球表面飛行的速度，無(wú)風(fēng)時(shí)等于真空速。

（5）馬赫數(shù)，Mach（M），就是真空速與音速的比值，溫度越高，音速越快。因?yàn)橐羲賰H僅與溫度有關(guān)，因此M數(shù)類(lèi)似EAS，主要表征空氣動(dòng)力學(xué)特征。

M=TAS/（39*（273+SAT）0.5）， SAT是指周?chē)o止空氣的溫度。

2 現(xiàn)代大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及交聯(lián)系統(tǒng)一般架構(gòu)

在現(xiàn)在民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)中，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般包括全壓/靜壓傳感器，總溫傳感器，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)及連接的全靜壓管路等。其中全壓/靜壓傳感器感受外界大氣壓力，總溫傳感器感受外界大氣溫度，并通過(guò)相應(yīng)全靜壓管路及電纜傳導(dǎo)給大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（ADC）的壓力感受及計(jì)算模塊，按照一定的計(jì)算公式和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為指示空速I(mǎi)AS，當(dāng)量空速EAS，真空速TAS，馬赫數(shù)M等，輸出數(shù)字參量給其它機(jī)載系統(tǒng)使用，如電子飛行儀表系統(tǒng)EFIS，綜合處理系統(tǒng)IPS，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)IRS，發(fā)動(dòng)機(jī)儀表和機(jī)組告警系統(tǒng)EICAS，失速保護(hù)系統(tǒng)SPS，飛行管理系統(tǒng)FMS，飛行控制系統(tǒng)FCS和中央維護(hù)系統(tǒng)CMS等，并把這些信息顯示在主飛行顯示器PFD上。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及交聯(lián)系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

3 使用指示空速和當(dāng)量空速對(duì)系統(tǒng)影響分析

在按照適航規(guī)章CCAR25.1323和25.1325進(jìn)行指示空速、氣壓高度校準(zhǔn)過(guò)程中，有一種方法是使用局部迎角Local AOA和當(dāng)量空速EAS進(jìn)行靜壓源位置誤差修正，這樣可以忽略高度的影響，得到符合適航法規(guī)要求的校準(zhǔn)空速CAS（即精度提高后的IAS）。由于EAS是IAS在空氣壓縮性修正計(jì)算后得到的，因此IAS-CAS這一校準(zhǔn)過(guò)程涉及到了變量的反復(fù)迭代，會(huì)產(chǎn)生延時(shí)和迭代誤差。具體過(guò)程如下圖2所示：

由于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)ADC經(jīng)過(guò)靜壓源位置誤差SSEC校準(zhǔn)后直接得到了準(zhǔn)確的當(dāng)量空速EAS，此參數(shù)可直接通過(guò)ARINC429信號(hào)發(fā)給所有交聯(lián)系統(tǒng)使用，此時(shí)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較好。EAS和IAS在高度低于10000ft時(shí)，兩者值差別不大。但當(dāng)高度高于10000ft時(shí)EAS與IAS差異不能忽略，高度越高，速度越大，兩者差別越大。如35000ft，0.82M時(shí)，EAS比CAS小15knot左右，不容小視。就此情況下，對(duì)各機(jī)載系統(tǒng)的影響初步分析如下：

主飛控系統(tǒng)：飛控基本控制率使用的速度是IAS，且空置率的增益隨著IAS的增大而減小。在試飛過(guò)程中，若控制律的輸入是當(dāng)量速度，則輸出的控制律增益將大于設(shè)計(jì)值，從而使得實(shí)際的舵面偏度大于設(shè)計(jì)值，因此有可能超出舵面載荷限制的極限偏度，帶來(lái)安全隱患。

高升力系統(tǒng)：襟縫翼的標(biāo)牌速度使用的是IAS。放襟翼最大高度為20000ft，因此若高升力系統(tǒng)的速度輸入為EAS，則有可能出現(xiàn)在大于標(biāo)牌速度的情況下進(jìn)行襟/縫翼收放，帶來(lái)安全隱患。

導(dǎo)航系統(tǒng)：PFD上顯示的是IAS，地形提示與告警系統(tǒng)（TAWS）、飛行管理系統(tǒng)（FMS）和氣象雷達(dá)WXR等需要IAS作為輸入，用于各自計(jì)算。若該輸入變?yōu)镋AS，則可能導(dǎo)致飛行員參考了錯(cuò)誤的空速數(shù)據(jù)，TAWS，F(xiàn)MS和WXR等計(jì)算也會(huì)出現(xiàn)偏差，降低安全裕度。

自動(dòng)飛行系統(tǒng) （包括失速保護(hù)系統(tǒng)） ：其算法使用的是IAS和TAS。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)主要使用ADC ARINC429總線的205、206、210三個(gè)label作為M數(shù)、IAS和TAS輸入；失速保護(hù)系統(tǒng)主要使用ADC 429總線的206 label作為IAS的輸入。如果這些label實(shí)際給出的是EAS，則自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)需要重新進(jìn)行飛行調(diào)參試驗(yàn)，馬赫數(shù)配平功能也需更新性能參數(shù)。地面當(dāng)IAS達(dá)到80節(jié)若干秒鐘后，失速保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)失速保護(hù)功能，因此如果實(shí)際使用了EAS，則可能會(huì)推遲啟動(dòng)失速保護(hù)功能。

動(dòng)力裝置系統(tǒng)：動(dòng)力裝置系統(tǒng)的推力管理的輸入速度為IAS，空中起動(dòng)包線的邊界速度也是IAS。在試飛過(guò)程中，若使用EAS作為推力管理的輸入，則發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的推力值將小于設(shè)計(jì)值，雖不影響試飛安全，但將影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能飛行試驗(yàn)的有效性。

電源系統(tǒng)：對(duì)于電源系統(tǒng)，速度僅與RAT系統(tǒng)的使用有關(guān)。由于RAT系統(tǒng)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，因此確定的釋放RAT速度應(yīng)不大于EAS的某個(gè)值。但由于釋放RAT時(shí)，高度均低于10000ft，此時(shí)EAS和IAS差異不大，因此對(duì)電源系統(tǒng)無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)集成的核心組成部分，直接影響到飛機(jī)的安全性指標(biāo)。該文簡(jiǎn)要介紹了大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)幾個(gè)重要速度參數(shù)，主要包括指示空速I(mǎi)AS，當(dāng)量空速EAS，真空速TAS，馬赫數(shù)M等，通過(guò)利用EAS和局部迎角進(jìn)行靜壓源位置位差修正得到CAS（即精確的IAS），假設(shè)為保證解算的實(shí)時(shí)性直接使用EAS輸出給各機(jī)載系統(tǒng)，進(jìn)行各機(jī)載系統(tǒng)影響分析，各重要機(jī)載系統(tǒng)響應(yīng)各異，一些系統(tǒng)功能將不能得到正確執(zhí)行，性能也將降低，總的說(shuō)來(lái)將降低飛機(jī)安全裕度，造成安全隱患。

參考文獻(xiàn)

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