民用飛機(jī)靜壓源位置誤差修正設(shè)計(jì)研究①

陶建偉++龔和

摘 要：飛機(jī)上的靜壓傳感器實(shí)際感受到的靜壓（局部靜壓）與飛機(jī)來(lái)流的靜壓（遠(yuǎn)場(chǎng)靜壓）會(huì)存在一定的差異，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果包括空速、高度產(chǎn)生較大誤差。靜壓源位置誤差修正設(shè)計(jì)是飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，通過軟件參數(shù)修正的方法，補(bǔ)償氣動(dòng)誤差，因此這項(xiàng)功能設(shè)計(jì)成功與否，直接影響到飛機(jī)空速、高度等飛機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的精度。該文簡(jiǎn)要介紹了SSEC設(shè)計(jì)的要求，流程，并詳細(xì)研究了確定SSEC方案這一核心環(huán)節(jié)。同時(shí)，該文提出了組合式和獨(dú)立式兩種SSEC技術(shù)路線，并給出了兩種技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于指導(dǎo)民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)SSEC設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：SSEC 民用飛機(jī) 計(jì)算流體力學(xué) 靜壓

中圖分類號(hào)：V247.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0086-02

飛機(jī)在空氣中飛行時(shí)，空氣因受機(jī)體的擾動(dòng)作用，會(huì)在飛機(jī)周圍會(huì)形成擾流場(chǎng)。由于擾流的存在，飛機(jī)上的靜壓傳感器實(shí)際感受到的靜壓（局部靜壓）與飛機(jī)來(lái)流的靜壓（遠(yuǎn)場(chǎng)靜壓）會(huì)存在一定的差異。靜壓傳感器實(shí)際測(cè)得的局部靜壓與遠(yuǎn)場(chǎng)靜壓之間的差值稱為靜壓源位置誤差（Static Source Error，簡(jiǎn)記為SSE），對(duì)該誤差的修正就稱為靜壓源位置誤差修正（Static Source Error Correction，簡(jiǎn)記為SSEC）。

靜壓源位置誤差的大小主要受傳感器在飛機(jī)的安裝位置、安裝角度以及飛機(jī)構(gòu)型，包括馬赫數(shù)和氣流方向、飛行姿態(tài)（如襟縫翼角度、起落架狀態(tài)、擾流板狀態(tài)、機(jī)身攻角等）等變化因素的影響。并且，這種誤差從其形成的機(jī)理上而言，是不可完全避免的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般需要通過完善靜壓傳感器探頭設(shè)計(jì)或調(diào)整在飛機(jī)上的安裝位置，以盡量減低該誤差的影響，同時(shí)在后端處理靜壓傳感器測(cè)量靜壓結(jié)果時(shí)，需要通過大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)靜壓加以補(bǔ)償，以符合相應(yīng)適航條款的要求。

1 SSEC設(shè)計(jì)目標(biāo)

SSEC設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)靜壓源位置誤差加以修正，以滿足適航條款的要求。目前與靜壓測(cè)量誤差有關(guān)的適航條款主要包括三部分：

（1）CCAR-25 部1323條要求

（2）CCAR-25 部1325條要求

（3）CCAR-91 部附錄D要求

2 SSEC設(shè)計(jì)流程

由上述分析可見，除了安裝方式不同（氣流壓力相對(duì)朝向），實(shí)際上安裝位置對(duì)于氣流不受擾動(dòng)以及對(duì)于飛機(jī)姿態(tài)變化不敏感等的要求，全壓探頭和靜壓孔的安裝要求是幾乎一樣的。而實(shí)際上，靜壓對(duì)于擾動(dòng)的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全壓（可以想象，在高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)上測(cè)量該高度完全靜止大氣壓力是非常困難的），任何微小的干擾或者姿態(tài)甚至速度的變化，都會(huì)導(dǎo)致靜壓的變化。因此如何確定機(jī)身靜壓孔的安裝位置，就成了關(guān)鍵。前面介紹過，有些飛機(jī)的靜壓孔，集成在全靜壓探頭側(cè)面上，因此選擇全靜壓探頭的安裝位置，實(shí)際上也主要是優(yōu)先保證靜壓孔的安裝要求，兼顧全壓的安裝要求。

總體上，民用飛機(jī)SSEC的設(shè)計(jì)主要包含以下階段。

（1）前期氣動(dòng)分析。前期氣動(dòng)分析的工具是CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算或者風(fēng)洞試驗(yàn)，主要包括兩部分內(nèi)容。第一是確定靜壓傳感器的安裝位置，該安裝位置應(yīng)當(dāng)使靜壓傳感器受到馬赫數(shù)、氣流方向、飛行姿態(tài)等變化的影響較??；第二是研究在確定好的安裝位置下，靜壓傳感器測(cè)量的靜壓源誤差受到馬赫數(shù)、氣流方向、飛行姿態(tài)等影響因素的影響程度。

（2）初步確定SSEC方案。根據(jù)前期的氣動(dòng)分析結(jié)果，確定選擇哪些影響因素作為SSEC的輸入修正參數(shù)，并根據(jù)這些修正參數(shù)確定需要修正的構(gòu)型組合。在每一個(gè)構(gòu)型組合下，需要確定具體的靜壓修正值。在飛機(jī)試飛前，可以利用前期氣動(dòng)分析階段的數(shù)據(jù)提供每一構(gòu)型組合下的靜壓修正值，在飛機(jī)試飛中，需要根據(jù)實(shí)際試飛靜壓測(cè)量結(jié)果來(lái)更新靜壓修正值。

（3）軟件實(shí)現(xiàn)。在這一階段，將編寫SSEC軟件，實(shí)現(xiàn)上一階段中確定的SSEC方案，并加載相應(yīng)的SSEC數(shù)據(jù)庫(kù)，以存儲(chǔ)每一構(gòu)型下的靜壓修正值。

（4）試驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和機(jī)上地面試驗(yàn)。在完成SSEC軟件設(shè)計(jì)后，需要通過試驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和機(jī)上地面實(shí)驗(yàn)，以初步驗(yàn)證SSEC軟件設(shè)計(jì)是否滿足原定方案的要求。

（5）試飛驗(yàn)證試驗(yàn)。飛行試驗(yàn)用于驗(yàn)證原定SSEC方案是否滿足適航條款要求，并更新每一個(gè)SSEC構(gòu)型組合下具體的靜壓修正值。根據(jù)確定的SSEC方案，確定試飛要求，并在試飛階段驗(yàn)證目前的SSEC方案和數(shù)據(jù)能否滿足適航條款要求。

從以上的分析過程可以看出，第二階段初步確定SSEC方案和數(shù)據(jù)是整個(gè)SSEC設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響后續(xù)所有環(huán)節(jié)工作。如果設(shè)計(jì)的SSEC方案過于復(fù)雜，將極大增加后續(xù)試飛驗(yàn)證試驗(yàn)階段的工作量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；而如果涉及的SSEC方案過于簡(jiǎn)單，SSEC的修正能力不足，將有可能導(dǎo)致試飛驗(yàn)證階段不能滿足適航條款的要求。

3 確定SSEC方案

在確定SSEC方案時(shí)，主要需要確定SSEC構(gòu)型和對(duì)應(yīng)的修正值列表。其中，SSEC構(gòu)型為飛行狀態(tài)所組成的列表。一般來(lái)說，在這些構(gòu)型下，靜壓源誤差較大，必須要進(jìn)行修正才能滿足適航條款要求，而對(duì)于靜壓測(cè)量影響較小的構(gòu)型，可以忽略以減少后續(xù)試飛驗(yàn)證試驗(yàn)階段的工作量。

由于SSEC的設(shè)計(jì)是伴隨著整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行的，不可能等到實(shí)際試飛驗(yàn)證階段再確定SSEC方案。因而在飛機(jī)試飛前，需要根據(jù)前期的氣動(dòng)分析結(jié)果來(lái)分析某一特定構(gòu)型對(duì)靜壓測(cè)量的影響程度，并以此為依據(jù)來(lái)初步確定SSEC方案。由于前期氣動(dòng)分析結(jié)果與實(shí)際試飛測(cè)試結(jié)果往往存在一定的差別，在前期確定SSEC方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量考慮各種可能的情況，從而為后續(xù)根據(jù)試飛結(jié)果調(diào)整SSEC方案留下足夠的余地。

在研究SSEC方案，可考慮兩條技術(shù)路線，一種是組合式的方法，另一種的獨(dú)立式的方法，兩條技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)。

舉例而言，假設(shè)通過前期氣動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)靜壓測(cè)量有較大影響的影響因素有襟翼角度（存在0°、10°、20°和30°四種角度）、起落架狀態(tài)（收起或放下）、擾流板狀態(tài)（收起或放下）、AOA和未修正馬赫數(shù)。則選擇襟翼角度、起落架狀態(tài)和擾流板狀態(tài)組成SSEC構(gòu)型，并在每一構(gòu)型表下根據(jù)AOA和未修正Mach確定靜壓的修正值。

根據(jù)組合式和獨(dú)立式兩種技術(shù)路線，形成的SSEC方案如下所示。

（1）組合式SSEC方案。由于襟翼角度有0°、10°、20°和30°四種狀態(tài)，起落架狀態(tài)有收起或放下兩種狀態(tài)，擾流板有收起或放下兩種狀態(tài)，直接進(jìn)行排列組合后會(huì)形成16種SSEC構(gòu)型組合。在每一構(gòu)型表下，基于AOA和未修正Mach構(gòu)建二維的靜壓修正值列表。在實(shí)際軟件設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)接收到的的襟翼角度、起落架狀態(tài)和擾流板狀態(tài)確定當(dāng)前的SSEC構(gòu)型，然后根據(jù)AOA和未修正Mach查找當(dāng)前的靜壓修正值，從而確定當(dāng)前狀態(tài)的修正量。

該方案較為簡(jiǎn)單直觀，也利于SSEC的軟件設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于SSEC構(gòu)型完全對(duì)應(yīng)飛機(jī)的飛行狀態(tài)，將很容易確定試飛需求。但是，由于每一種SSEC構(gòu)型都需要對(duì)應(yīng)不同的試飛架次，將極大的增加試飛驗(yàn)證試驗(yàn)的工作量，對(duì)SSEC軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間也提出了較大的要求。

（2）獨(dú)立式SSEC方案。在這種方案中，每一個(gè)構(gòu)型影響因素被單獨(dú)計(jì)算，然后累加求得最終的靜壓修正值，即最終的靜壓修正值ΔPs滿足：

ΔPs=ΔPF+ΔPL+ΔPS ①

其中ΔPF代表襟翼角度對(duì)靜壓修正值的貢獻(xiàn)值，ΔPL代表起落架狀態(tài)對(duì)靜壓修正值的貢獻(xiàn)值，ΔPS代表擾流板對(duì)靜壓修正值的貢獻(xiàn)值。對(duì)于每一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)型影響因素，根據(jù)AOA和Mach查找當(dāng)前的靜壓修正值。因而，總共形成8種SSEC構(gòu)型組合（包括4種不同的襟翼角度，2種不同的起落架狀態(tài)和2種不同的擾流板狀態(tài)）。

該方案下，SSEC構(gòu)型組合式大幅降低，在本例中獨(dú)立式SSEC方案的構(gòu)型組合數(shù)僅為組合式的一半，可以大幅降低后續(xù)試飛驗(yàn)證的工作量，而且當(dāng)SSEC的影響因素增加時(shí)，該方案對(duì)于降低構(gòu)型組合數(shù)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)可以降低SSEC數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，但是該方案不利于確定試飛的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

SSEC工作是整個(gè)飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，直接影響到飛機(jī)空速、高度等信息的精度。在SSEC的設(shè)計(jì)中，需要通過前期充分的氣動(dòng)分析以評(píng)估對(duì)靜壓測(cè)量產(chǎn)生較大影響的因素，并根據(jù)氣動(dòng)分析結(jié)果初步確定SSEC方案用于飛機(jī)試飛，在試飛后將通過試飛試驗(yàn)修改和完善SSEC方案。SSEC方案的確定是整個(gè)空速校準(zhǔn)工作的核心，主要有組合式SSEC方案和獨(dú)立式SSEC方案兩種技術(shù)路線，二者有不同的適用范圍，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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