徐悅 陶建偉
摘 要:大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)是影響飛行安全的重要系統(tǒng),系統(tǒng)主要由大氣數(shù)據(jù)傳感器及計(jì)算部分組成。本文介紹了目前市場(chǎng)上兩款最先進(jìn)大型民用飛機(jī)波音公司B787和空客公司A380大氣數(shù)據(jù)傳感器方案,并對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比研究,分析了兩套方案之間的差異以及造成這些差異的原因。最后本文對(duì)未來大型民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 多功能探頭 智能探頭 全功能探頭 備用儀表
中圖分類號(hào):V226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)07(a)-0090-02
現(xiàn)代民用飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)等需要大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的動(dòng)壓、溫度、高度、垂直速度、指示空速、真實(shí)空速和馬赫數(shù)等信息,而上述的這些參數(shù)可通過空氣總壓、靜壓、總溫計(jì)算得到;另外,飛機(jī)通常還需要測(cè)量迎角,有的飛機(jī)還需要測(cè)量側(cè)滑角。
大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)是民用飛機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng),對(duì)飛機(jī)安全飛行至關(guān)重要,因此現(xiàn)代民用飛機(jī)都具有多套冗余備份的大氣數(shù)據(jù)傳感器?;谀壳靶袠I(yè)技術(shù)水平,為了保證飛行安全通常需要配置三套獨(dú)立的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和一套備用大氣數(shù)據(jù)。
1 B787大氣數(shù)據(jù)傳感器方案
B787大氣數(shù)據(jù)傳感器由8個(gè)大氣數(shù)據(jù)模塊、6個(gè)靜壓孔、3個(gè)全壓探頭、2個(gè)迎角傳感器和1個(gè)總溫探頭組成。B787取消了傳統(tǒng)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī),利用大氣數(shù)據(jù)模塊(ADM)將總壓和靜壓的氣動(dòng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)經(jīng)飛控作動(dòng)電子發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī),由飛控計(jì)算機(jī)承擔(dān)原大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算任務(wù),再由飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出大氣數(shù)據(jù)供其他系統(tǒng)使用,如顯示系統(tǒng)。如圖1所示。
由(圖1)可知,ADM通過氣動(dòng)管路與全壓探頭和靜壓孔相連。其中有兩個(gè)對(duì)稱的靜壓孔氣動(dòng)平均后連到一個(gè)ADM,該對(duì)靜壓與一個(gè)全壓作為備用大氣數(shù)據(jù)源得到備用的空速和高度等大氣數(shù)據(jù)信號(hào),獨(dú)立于飛控計(jì)算機(jī)和ADM。其余的兩個(gè)全壓探頭和四個(gè)靜壓孔通過氣動(dòng)管路各連接到一個(gè)ADM。B787安裝2個(gè)迎角傳感器測(cè)量迎角信息;安裝了一個(gè)雙通道的總溫傳感器,并同時(shí)接收發(fā)動(dòng)機(jī)總溫信號(hào),共6個(gè)總溫輸入信號(hào)。
飛行控制/作動(dòng)器控制電子設(shè)備采集數(shù)字壓力信號(hào)、局部迎角信號(hào)和總溫信號(hào),將信號(hào)傳遞給駐留在飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)大氣數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件,軟件根據(jù)總壓、靜壓、總溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算并表決得到可靠的空速、高度、馬赫數(shù)等信息,提供給顯示系統(tǒng)和飛控等用戶系統(tǒng)。
2 A380大氣數(shù)據(jù)傳感器方案
A380采用了傳統(tǒng)的傳感器加大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)架構(gòu),但使用了新型多功能探頭。該多功能探頭可同時(shí)測(cè)量全壓、迎角和總溫。每套獨(dú)立的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)均連接一個(gè)多功能探頭、一對(duì)靜壓孔和一個(gè)側(cè)滑角傳感器。根據(jù)總壓、靜壓、總溫?cái)?shù)據(jù)即可以計(jì)算出空速、高度、馬赫數(shù)等信息。計(jì)算得到的大氣數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給到其他系統(tǒng)。如圖2所示。
A380有專門的備用儀表探頭,在三套大氣數(shù)據(jù)失效時(shí)向備用儀表提供壓力信息,用于備用飛行顯示和備用導(dǎo)航顯示。因此A380有四套獨(dú)立的大氣數(shù)據(jù)源。
3 兩種方案的差異和原因分析
波音飛機(jī)的設(shè)計(jì)相對(duì)于空客飛機(jī)一般較為保守,傾向于使用相對(duì)傳統(tǒng)成熟的設(shè)計(jì)方案;而空客飛機(jī)更傾向于利用最新的技術(shù)。兩種機(jī)型大氣數(shù)據(jù)傳感器方案主要差異和原因分析有以下幾點(diǎn)。
(1)傳感器集成度不同。B787采用傳統(tǒng)獨(dú)立的全壓探頭、靜壓孔、迎角風(fēng)標(biāo)、總溫探頭架構(gòu);A380采用了高度集成的多功能探頭,可以利用一個(gè)探頭同時(shí)測(cè)量全壓、迎角和總溫信號(hào),減少了設(shè)備重量。這是因?yàn)槎湛惋w機(jī)更傾向于利用最新的技術(shù),在空客系列飛機(jī)上對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)地改進(jìn),最新研制的目前在試飛階段的A350飛機(jī)采用了集成度更高的智能探頭解決方案。而波音更多地是利用現(xiàn)有的成熟解決方案。
(2)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)不同。B787利用飛控計(jì)算機(jī)取代原大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)所有大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,減少了設(shè)備,降低了系統(tǒng)重量;A380采用了傳統(tǒng)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)架構(gòu)。這是因?yàn)锽787的大氣數(shù)據(jù)傳感器和飛控系統(tǒng)是同一個(gè)設(shè)備供應(yīng)商,該供應(yīng)商提供了集成度較高的完整解決方案;而A380的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)分屬不同的設(shè)備供應(yīng)商,因此沒有提供類似的解決方案。
(3)提供的迎角和側(cè)滑角冗余數(shù)量不同。B787提供2個(gè)獨(dú)立的迎角數(shù)據(jù),不直接由傳感器提供側(cè)滑角數(shù)據(jù);A380則提供3個(gè)獨(dú)立的迎角數(shù)據(jù)和3個(gè)獨(dú)立的側(cè)滑角數(shù)據(jù)。這是因?yàn)锽787和A380飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念不同,因此對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的信號(hào)需求也不同。B787飛控系統(tǒng)的功能相對(duì)傳統(tǒng),而A380有著復(fù)雜的迎角保護(hù)功能以及腳蹬直接控制飛機(jī)側(cè)滑角的特性,因此A380大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要提供更可靠的迎角數(shù)據(jù)和直接的側(cè)滑角數(shù)據(jù)。
(4)備用儀表數(shù)據(jù)源架構(gòu)不同。B787的備用儀表和大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)共用全、靜壓傳感器;A380備用儀表使用專用的探頭。這是因?yàn)閭溆脙x表需要簡(jiǎn)單直接的全、靜壓源,A380的多功能探頭測(cè)得初始數(shù)據(jù)還需復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、而且多功能探頭不能提供靜壓信號(hào),因此需要專用的全、靜壓傳感器。而B787使用的傳統(tǒng)全、靜壓傳感器無此問題,可以直接連到備用儀表。
4 大氣數(shù)據(jù)傳感器發(fā)展趨勢(shì)
隨著航空系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高,設(shè)備正在朝著高度集成化的方向發(fā)展。上文中的A380已經(jīng)使用了多功能探頭,利用一個(gè)探頭同時(shí)測(cè)量全壓、迎角和總溫信號(hào),可以降低制造成本、減輕設(shè)備重量,同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)。并且大氣數(shù)據(jù)傳感器由于防冰需求需要加溫,使用集成化的傳感器能降低加溫功耗。但是A380的多功能探頭的只是將全壓探頭、迎角風(fēng)標(biāo)和總溫探頭集成在一個(gè)部件上,集成度較低?,F(xiàn)在越來越多的新型號(hào)飛機(jī),如:A350、G650、ERJ190等采用了智能探頭:(Smart ProbeTM),該探頭不再利用風(fēng)標(biāo)測(cè)量迎角,而利用壓差原理在一根探管上完成總壓、靜壓、迎角、側(cè)滑角的測(cè)量,進(jìn)一步減少了設(shè)備數(shù)量,減輕了設(shè)備重量。未來的智能探頭應(yīng)能進(jìn)一步將總溫測(cè)量集成進(jìn)來,形成全功能探頭方案,如圖3所示。
5 結(jié)論
本文對(duì)兩款大型民用飛機(jī)B787和空客A380大氣數(shù)據(jù)傳感器方案進(jìn)行了對(duì)比研究,首先介紹了兩者各自的配置和特點(diǎn),對(duì)比分析了兩套方案之間的差異以及采用方案的考慮因素。最后本文對(duì)未來大型民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,在很長(zhǎng)一段時(shí)間傳統(tǒng)大氣數(shù)據(jù)傳感器和高度集成的新型傳感器將在民機(jī)上使用,但隨著探頭研制技術(shù)和飛機(jī)集成水平的提高,高度集成化、重量輕的全功能能探頭將會(huì)體現(xiàn)較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于安全性要求較高,機(jī)頭可用位置有限的民用飛機(jī),全功能探頭優(yōu)勢(shì)更為明顯。因此采用全功能探頭是未來民用飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
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