一种直升机大气数据测量系统架构设计_胡毓国.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-36-航空航天气压高度等信息后，通过数据总线供给导航、飞控等系统使用，大气参数信息同步也会通过仪表或显示器等提供给飞行员查看并辅助飞行员进行直升机的操纵判断。大气数据测量系统的设计流程主要包括需求分析、气动分析、大气数据测量系统架构设计、产品设计、试验验证。在需求分析阶段，需要对飞行员、维护人员、载机、载机其他系统、使用环境等各个方面的需求进行捕获，准确识别大气数据测量系统的相关需求，并进行需求分析，确定有用需求。准确和完整的需求，可以避免后续设计过程中的缺项和反复。直升机机载大气数据测量系统的典型需求包括重量、功耗、受感器安装角度、数据测量精度、环境适应性、受感器防除冰等。由于直升机垂直起降的特殊构型，旋翼下洗流成为制约大气数据测量系统精度的重要部分。所以通过气动分析寻找大气压力受感器合适的安装位置是直升机大气数据测量系统设计流程中的必要环节。通过气动仿真和必要的吹风试验找到直升机机身受气动流场影响较小的区域，将大气数据测量系统前端压力受感器布置在该区域，可以有效提升大气数据测量的稳定性和可靠性。气动分析实际也是大气数据测量系统需求捕获的一个过程。不同的需求对大气数据测量系统的架构要求不尽相同，包括压力受感器的种类、全静压系统管路的串联方式、数据传输总线类型等。完成大气数据测量系统的架构设计，继而根据架构完成产品功能性能的实现。任何的机载产品都需要经过进行一系列的地面试验和飞行试验，对产品前期的需求进行一一充分验证。架构分析不同的需求驱动产生不同的直升机大气数据测量系统架构设计，不同的架构设计具有不同的优缺点。对大气数据测量系统的成本控制要求高，测量精度要求不高的直升机，通常采用传统的架构设计，如图 1 所示。该大气数据测量系统采用独立的单轴全压受感器和机身静压受感器（机身静压孔）感受全压和静压，通过全静压管路驱动膜盒式仪表，最终向飞行员指示速度和高度信息。在这种架构中，由于采用压力直接驱动仪表指示的架构，没有用到电子解算部件，整体成本较低，但是因为膜盒式仪表无法对数据指示进行实时修正，直升机的旋翼下洗流对指示精度的影响较大，导致指示精度较低。随着传感器技术以及电子计算机技术逐渐发展，而且直升机对大气数据测量精度要求不断提高的情况下，压阻式、行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种直升机大气数据测量系统架构设计胡毓国 赵 云胡毓国1 赵 云21.中国直升机设计研究所2.陆航驻景德镇地区军事代表室大气数据测量系统是直升机配套的重要传感器系统，可以为直升机提供空速、气压高度、升降速度等重要参数。大气数据测量系统的可靠性和准确性直接关乎飞行员对直升机当前飞行状态判断的正确性以及其他使用大气参数信息的相关机载系统的正确性，所以大气数据测量系统的设计是直升机设计中的重要环节。设计流程基于直升机对载机空速、高度、升降速度等大气参数的需求，大气数据测量系统应运而生。典型的大气数据测量系统包括前端的大气压力受感器部分、全静压系统管路以及后端的大气数据解算部件。大气数据测量系统计算得到空速、-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期航空航天谐振式压力传感器和大气数据计算机广泛应用于大气数据测量系统中。当前直升机最常用的大气数据测量系统构型如图2 所示，其与传统构型最主要的区别就是引入了带有压力传感器的大气数据计算机进行压力数据的数字转换解算和大气数据计算，最终通过数据总线将大气参数输出至载机的显示、导航和飞控等系统。在直升机机身突出物较多时，机身两侧气动环境不稳定，这种情况下，静压受感器（静压孔）布置在机身两侧容易造成静压感受出现波动，不利于大气数据测量。此时，可选用全静压一体式受感器，即静压采集和全压采集集成在一个传感器组件上，安装于直升机前部位置，以尽量减小机身气动波动带来的影响。对于全压受感器和静压受感器集成形式的大气数据测量系统，实际的构型原理与上述构型类似。受限于传统单轴全压受感器感受范围的限制，在直升机做侧飞、转弯等机动飞行动作时，大气数据测量系统的精度将大打折扣，而机动能力是直升机尤其是武装直升机的重要特点。因此，武装直升机通常选用三轴大气数据系统，三轴大气数据系统的最主要区别就是其受感器部件在一定范围内具有旋转活动能力，该种传感器可以为机载系统提供攻角、侧滑角以及三个轴向的空速数据，可以为武装直升机的武器发射精度提供重要的数据支撑。如中国直-10 直升机、美国AH-64 阿帕奇直升机、俄罗斯米-28 直升机等武装直升机，均选用了三轴大气数据系统。一种新的大气数据测量系统架构在大气数据测量系统中，全静压管路系统占很重要的一部分。在中大型直升机中，全静压管路是一个庞大的物理系统，管路通道复杂，带来了极其繁重的布置和重量代价。为缩小全静压管路系统的规模并节省重量，本文设计了一种新的大气数据测量系统架构，如图 3 所示。在该架构中，在全压受感器前端集成压力传感器模块进行模数转换，静压受感器感受到的静压压力经过压力管路平衡后也进行模数转换。经过模数转换后的压力信号通过电信号送至后端的大气数据计算机等解算部件进行大气数据解算。该架构实际是将大气数据计算机的压力传感器和解算电路进行拆分，从而实现全静压管路系统的简化，在减少重量的同时也降低了管路系统带来的压力迟滞问题。在压力传感器趋于成熟稳定的条件下，简化的架构设计势必会成为大气数据测量系统架构设计中的追求元素。结束语随着直升机对大气数据测量系统的精度、稳定性和可靠性等需求的不断提高，伴随着光学技术、数据融合技术的发展，未来直升机大气数据测量系统的架构设计不会再是传统的单一类型传感器感受压力，庞大复杂的压力传输管路，后端电子部件进行大气数据解算，取而代之的是光学、传统压力式等多种大气数据传感器融合，简洁易于维护的全静压管路系统，高集成度的大气数据解算模块将会成为大气数据测量系统的主要发展方向。图 3 新型大气数据测量系统架构图 2 传统架构 2图 1 传统架构 1