基于虛擬仿真技術的全靜壓系統故障演示系統設計與實現

盧國興 羅圣杰 毛羽豐 袁 凌

（上海工程技術大學航空運輸學院飛行學院 上海 201600）

0 引言

全靜壓系統又稱空速管系統，用來收集氣流的全壓和靜壓，并把它們輸送給飛行儀表和傳感器。它由全靜壓器及其管路系統組成。全靜壓系統是飛行器儀表的重要系統，很多儀表通過測量全靜壓而工作，如升降速度表，空速表和高度表。

現如今，全靜壓系統是飛機的重要系統，在波音飛機上，全靜壓系統的故障，經常造成航班延誤或取消，甚至帶來空難。例如曾經在1996年10月墜入秘魯萊馬海岸的波音757的事故原因就是靜壓口上粘了一塊膠布，導致靜壓系統阻塞，造成了錯誤的空速和高度指示,最終墜毀在太平洋里，事故造成70人遇難。這件事故的主要責任要歸功于地勤人員的檢查錯誤，讓本不應該發生的災難變成了現實，但人難免會有出錯的時候，因此，飛行員和機務人員應當在飛行中快速準確分析故障并及時采取適當的修理措施，這樣才能對保障飛機和乘客的安全和降低維修成本起到至關重要的作用。

據此，本文設計并實現的虛擬仿真技術的全靜壓故障演示系統，將基于LABVIEW軟件，結合虛擬仿真技術，設計并實現在全靜壓系統的不同堵塞情況下，飛機升降速度表，空速表和高度表的偏轉情況(如全壓管堵塞，將會影響空速表等)，及對以上事故出現的解決方法。并通過相應動畫將其呈現出來，來讓飛行員以及飛行學員了解全靜壓系統的故障和解決方案，在飛行中遇到相關問題可以及時解決，避免災難的發生，保護飛行員自己，更是保護全體乘客。

1 全靜壓系統故障演示系統整體設計方案

基于虛擬仿真技術的全靜壓系統故障演示系統，主要分為三個模塊，即綜合顯示模塊、現象演示模塊、情況處置模塊，系統設計與實現的過程主要分以下幾個步驟：見圖1。

圖1：系統設計與實現的過程

1.1 綜合顯示模塊

綜合顯示界面主要給出全壓靜壓系統與空速表、垂直速度表、海拔高度表的關系結構圖、三塊儀表盤，能夠讓學員直觀的了解不同的測量系統與儀表的聯系。并下設七個子模塊，分別展示皮托管堵塞、全壓孔堵塞、排水孔堵塞的各種組合情況（共七種）。通過編程軟件的設計，使得這一過程能夠充滿交互性。

比如觸發故障情景1模塊，即全靜壓管堵塞、但排水孔和靜壓孔依然暢通，皮托管顯示堵塞，其余部件顯示暢通。當飛機起飛后、系統顯示沖壓空氣進入的動態演示，本文以空速表為例。空速表是唯一同時使用全靜壓管和靜壓孔的儀器。飛機在高空中以某種速度飛行時，沖壓空氣經由全靜壓管并減速進入真空隔膜。當飛行速度越大，沖壓壓力越大，真空隔膜隨之膨脹。然后通過機械連接，適當的空速會顯示在儀器上。

同時，靜壓孔連接隔膜周圍的外殼，并使其充滿靜壓空氣，靜壓空氣隨著高度的爬升而減少。此時，將所得的沖壓空氣壓力減去所得的靜態空氣壓力從而在最終儀表上讀取動態壓力，獲得在不同海拔高度下飛行器的正確空速。

圖2：綜合系統演示界面（以空速表故障情景為例）

1.2 儀表指示模塊

觸發具體故障情景案件之后，將會進入各個情景演示及故障處置子模塊。每個子模塊都涉及高度、空速以及升降整流表這三塊儀表，該界面中各儀表會根據當前模塊的故意具體情形進行動態演示。譬如：

情景一：全靜壓管堵塞，但排水孔和靜壓孔依然暢通。空速表讀數回零。因為沖壓空氣無法進入皮托管系統，剩余壓力經排水管排出系統，導致全壓和靜壓相等，動壓指示讀數此時為0，如下圖所示。

圖3：故障情景一

圖4：故障情景二

情景二：全靜壓管和排水孔都堵塞，但靜壓孔依然暢通。沖動壓力無法從排水孔排出，全壓不變。假設飛機處于平飛狀態時，靜壓不變，動壓不變，空速表數值不變；假設飛機處于爬升狀態時，靜壓減少，動壓增加，空速表數值增加；假設飛機處于下降狀態時，靜壓增加，動壓減少，空速表數值下降，如圖5所示。

圖5：故障情景二對應空速表指示情況

其余故障情景的機理分析、邏輯實現均同上。

1.3 情況處置模塊

在每個故障場景中都設立處置模塊的按鈕，鼠標點擊之后，界面將以動畫的方式向學員展示在當下情況應該如何操作。如當排水孔堵塞時，全壓管加溫的開關將會閃爍，提示開啟加溫系統除冰。

2 結束語

該系統的特點在于集成度高、仿真度高。模擬實現全靜壓管、排水孔、靜壓孔所組成的七種不同堵塞情景，設計并實現了典型大氣數據儀表，包括：空速表、氣壓式高度表、垂直升降速度表在全靜壓系統部分、或全局堵塞時，儀表的指示誤差、對飛行安全的危害以及相應解決方案。該系統的設計及實現面向模擬飛行訓練、航空儀表研發等領域具有一定的應用推廣價值。