民用飛機大氣數據全靜壓系統設計研究

龔和 陶建偉

摘 要：全靜壓系統的設計是民用飛機大氣數據系統設計的核心環節，對飛機的安全性有至關重要的影響作用。該文簡要介紹了全靜壓系統設計的流程，主要由氣動分析、全靜壓系統架構設計、確定傳感器的安裝位置和精度要求、試驗驗證以及完成全靜壓系統設計等環節組成。同時，該文詳細介紹了兩種不同的全靜壓傳感器架構，即基于靜壓孔和全壓探頭的傳感器架構以及基于全靜壓探頭的傳感器架構，并且給出了兩種架構的優缺點和適用條件，對于指導民用飛機全靜壓系統設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：民用飛機 大氣數據 全靜壓系統 全壓 靜壓

中圖分類號：V226 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0124-02

在民用飛機的飛行過程中，常常需要使用空速、高度、垂直速度等大氣數據參數。這些參數往往不能被直接測量得到，而是需要通過測量飛機周圍大氣壓力（包括靜壓和全壓）等信息，并根據特定的關系進行換算得到的。對于飛機靜壓和總壓信息的測量，以及后續的計算過程等，就是由飛機大氣數據系統中的全靜壓系統負責實現的。

全靜壓系統在計算出飛機的空速、高度、垂直高度等信息后，會發送這些信息供顯示、飛控、飛管等系統使用。因為空度、高度等參數的測量直接影響到飛機的飛行安全，所以全靜壓系統的設計是飛機設計中的非常重要的組成部分。

在傳統的飛機設計中，大氣數據的儀表是機械式的，如氣壓高度表，是基于高度升高則大氣壓力減少的原理，利用真空膜盒測量大氣壓力的變化，然后通過傳動機構和指針指示飛機的飛行高度。而在現代的飛機設計中，大氣數據的儀表往往是電動式的，對于氣壓高度表，則是通過大氣數據計算器測量大氣壓力的變化，并轉化成電學的高度信號，供顯示系統和其他系統使用。

1 全靜壓系統設計流程

在現代民用飛機設計中，全靜壓系統一般包括傳感器、全靜壓管路和大氣數據計算機。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據計算機相連，大氣數據計算機將壓力信號轉換為數字信號，并按照一定的轉換關系轉化為空速、高度、垂直速度等大氣數據參數。總體上，民用飛機全靜壓系統的設計流程如圖1所示。

1.1 氣動分析

氣動分析是開展全靜壓系統設計的基礎，一般需要通過CFD（Computational Fluid Dynamics）計算或風洞試驗研究飛機不同位置處的氣動特性。主要包括研究不同測量位置處的靜壓和總壓測量誤差，以及不同測量位置的防冰特性。同時，需要初步確定飛機上有哪些測量點適于安裝全靜壓系統的傳感器，這為后續確定全靜壓系統的架構和傳感器設備的安裝位置提供了依據。

1.2 全靜壓系統架構設計

在前期氣動分析的基礎上，需要確定全靜壓系統的整體框架。這包括確定全靜壓系統傳感器的類型和數量，以及相應的系統組成情況。傳感器感受到飛機的靜壓和全壓信息，并通過全靜壓管路與相應的大氣數據計算機相連，在大氣數據計算機中計算得到空速、高度等大氣數據參數。

1.3 確定傳感器的安裝位置和精度要求

在確定全靜壓系統的架構后，需要確定每個傳感器的安裝位置和安裝精度指標要求。在前期氣動分析的基礎上，需要確定哪些安裝位置處的靜壓和全壓測量受外界環境的影響較小。一般而言，對于民用飛機，靜壓的測量相對較容易受飛機構型和姿態等的影響，容易產生較大的測量誤差，而全壓的測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，對于與靜壓測量相關的傳感器，需要詳細研究并選擇合理的安裝位置以降低測量誤差。同時，鑒于靜壓的測量誤差可能較大，僅僅依靠靜壓傳感器自身往往無法完全消除靜壓測量誤差，在很多民用飛機的設計中，在大氣數據計算機的軟件中通常具備靜壓源誤差修正功能，從而盡可能補償靜壓測量誤差；另一方面，鑒于全靜壓傳感器尤其是靜壓傳感器的測量精度與安裝位置息息相關，需要根據氣動分析結果研究相應的安裝精度指標要求。

1.4 試驗驗證

在完成全靜壓系統的初步設計和實現后，需要通過試驗去測試和驗證全靜壓系統的設計是否能夠滿足航空規章的要求（主要為CCAR25部和CCAR91部）。在飛機首飛之前，往往是通過實驗室試驗和地面試驗去初步測試全靜壓系統的性能并用于飛機首飛。在飛機首飛后，需要根據飛行測試實驗去測試全靜壓系統的設計能否滿足航空規章中相應條款的要求。

1.5 完成全靜壓系統設計

根據飛行測試結果可以判斷全靜壓系統的設計能否滿足相應條款的要求，如果滿足則可以凍結并完成全靜壓系統的設計。如果不能滿足相應的條款要求，需要研究并調整整個方案的設計以滿足條款要求。可能的調整包括更改和優化傳感器的安裝位置；更改靜壓源誤差的修正方案；調整全靜壓傳感器的架構等待。但是由于全靜壓系統的設計直接影響空速校準試驗的結果，而完成空速校準試驗往往是進行其他飛行測試試驗的前提，所以更改全靜壓系統的設計可能會影響整個飛機的設計進度，需要重新進行一系列的氣動分析，并造成巨大的經濟浪費。

總之，全靜壓系統的設計非常依賴前期的氣動分析，應當在充分的CFD計算和風洞試驗基礎上確定合理的全靜壓傳感器布局，而且在全靜壓系統整體架構和布局方案確定后，應當盡量避免更改全靜壓系統的設計。

2 全靜壓系統架構設計

在全靜壓系統的設計流程中，全靜壓系統架構的確定是非常重要的環節。

在全靜壓系統架構設計中，核心是確定全靜壓傳感器的類型和數量，以及相應的傳感器架構。一般而言，全靜壓系統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立的進行全壓或靜壓信息的測量，而全靜壓探頭可以在一個傳感器上同時測量出全壓和靜壓信息。

由于全壓、靜壓的測量對于飛機的安全性有著非常重大的影響，在現代民用客機上往往需要設計三套相互獨立的全靜壓測量通道，以相互備份從而滿足安全性指標的要求。同時，由于靜壓的測量受到飛機側滑等的影響較大，為減少側滑影響，一般選擇將兩個對稱分布的靜壓傳感器的測量值取平均后作為一個獨立的靜壓測量值使用。因而，在每一套全靜壓測量通路中，一般包括一個全壓傳感器和兩個靜壓傳感器。

根據全靜壓傳感器類型的不同，有兩種主流的傳感器架構設計方案。一種是基于靜壓孔和全壓探頭的傳感器架構；另一種是基于全靜壓探頭的傳感器架構。這兩種方案的架構示意圖（見圖2和圖3所示）。

其中ADC代表大氣數據計算機，Pt/Ps代表全靜壓探頭，每兩個全靜壓探頭對稱分布，每個全靜壓探頭均提供一路全壓（Pt/Ps_L2的全壓不被系統使用），Pt/Ps_L1和Pt/Ps_R1是能夠同時分別提供兩路靜壓測量值的全靜壓探頭，而Pt/Ps_L2和Pt/Ps_R2僅需要提供一路靜壓測量值。該架構下，總共利用了4個全靜壓探頭提供了3路全靜壓測量通路。

其中ADC代表大氣數據計算機，Pt代表全壓探頭，Ps代表靜壓孔。每兩個靜壓孔對稱分布，測量的靜壓取平均后作為一路靜壓值使用，以消除側滑的影響。在該架構下，總共使用了6個靜壓孔和3個全壓探頭以提供3路全靜壓測量通路。

由于大氣數據的傳感器往往布局在飛機機頭或前機身，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據系統傳感器的數量，從而減少對傳感器布局點數的要求。所以基于全靜壓探頭的傳感器架構在支線飛機或公務機上運用較多。但是全靜壓探頭設備的安全性指標一般會低于靜壓孔，而且單個設備的損壞會導致全壓和靜壓的測量均不可靠，因而在大型飛機上的使用較少，對于大型干線飛機，往往是采用靜壓孔和全壓探頭進行組合的傳感器架構以提高安全性。

在確定傳感器架構后，一般選擇在與相應傳感器相鄰的位置布置大氣數據計算機，從而減少全靜壓管路設計的復雜程度和壓力傳輸的延遲，以減少靜壓和全壓的測量誤差。

3 結語

全靜壓系統設計是是民用飛機大氣數據系統設計的重要組成部分，直接影響到飛機的安全性指標。該文簡要介紹了全靜壓系統設計的流程，主要包括氣動分析、全靜壓系統架構設計、確定傳感器的安裝位置和精度要求、試驗驗證以及完成全靜壓系統設計等環節。該文詳細介紹了全靜壓系統架構設計這個核心環節，并分析了兩種不同的全靜壓傳感器架構的優缺點和適應條件。

參考文獻

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