飞行器大气数据传感器布局分析设计

2012-10-20陶建伟张忠能

微型电脑应用 2012年9期

陶建伟，张忠能

0 引言

大气数据是飞行器最基本的飞行参数，因为飞行器需要依赖于周围大气提供的升力才能飞行。而当今的飞行器，由于需要更好的飞行品质和更高的安全性，驾驶员不仅极度关心飞行器的高度、空速等基本的位置和运动参数，还需要大气数据系统提供修正气压、马赫数、真空速、总温、静温、升降速度、全压、静压、最大空速Vmo、最大马赫数Mmo等参数，并且必须确保这些参数的精确、可靠，否则，丢失尤其是错误的大气数据指示，对飞行器来说是灾难性的。

大气数据系统通过安装在飞行器表面的多个探头感知机身周围气流压力、温度等信息，经过相应解算得到各种与大气数据相关的飞行参数。良好的大气数据传感器安装位置，对于提高整个大气数据系统的测量精度和在不同飞行条件下的性能稳定性，具有非常重要的作用，也会大大降低后面空速校准的难度。

大气数据传感器在飞行器上的布局既要考虑飞行器的气动外形，也要综合考虑其他传感器（如防冰探头）或机外设备（舱门、蒙皮对接处台阶）对飞行器表面流场的影响，同时还需考虑从飞行器表面探头取压点到传感器的引气管路以及积水和结冰情况等。大气数据系统传感器布局技术涉及传感、测量与气动等多个专业方向，技术复杂程度高，是民用飞行器研制中，需要解决的重要问题之一。因此，在开展民用飞行器研制过程中，对大气数据系统传感器在机上布局开展研究，通过计算机仿真和辅助手段，科学地分析全压静压传感器测量区域的流场状态，确定传感器的安装位置，对于民用飞行器的研制具有一定的现实意义。

1 大气数据传感器

飞行器在飞行中，空气相对于飞行器就产生了气流。空气在流动过程中，其分子一方面，作不规则的分子热运动，另一方面，顺气流方向作规则的运动。这两种运动有联系，又有区别，在一定条件下可以相互转化。气流相对于飞行器运动时，在正对气流运动方向的飞行器表面上，气流完全受阻，速度降低到零。在这种条件下，气流分子的规则运动全部转化为分子热运动。与此相应，气流的动能全部转化为压力能和内能，因此，空气的温度升高、压力增大。这个压力叫全受阻压力，简称全压。气流未被扰动处的压力，为大气压力，叫做静压，可以用来计算飞行器高度。全压和静压之差叫做动压，可以用来计算飞行器的空速。

在飞行器上有专门收集全压的探头，叫做全压探头（空速管）；有专门收集静压的传感器，一般直接安装在机身侧面的蒙皮上，叫做机身静压孔，也有集成在空速管的侧面，则该空速管就称为全静压探头。

由于全压和静压传感器在大气数据传感器中最为关键，安装要求也最高，本文主要讨论的大气数据传感器即全压和静压传感器。其余总温传感器、攻角传感器等安装要求较低，定位方法也类似，因此不再做详细阐述。

2 大气数据传感器安装要求的理论分析

首先，根据第二章的介绍，全压探头工作原理，是用来收集正对飞行器来流方向的全受阻压力，因此全压探头的安装角度应该正对来流方向。第二，全压探头收集的全受阻压力，应该尽量保持飞行器与正对的来流压力一致，这样才能使收集的全压代表飞行器真实的全压，考虑到飞行器的实际情况，即应尽可能不受附面层、舵面、整流罩、起落架舱门、着陆襟翼以及从机身排除的液体或类似情况的影响。第三，飞行器在实际飞行中，会有不同的飞行姿态，比如有不同的攻角、侧滑角，而全压探头的安装位置和角度在飞行器上是固定的，这就要求该安装位置气流方向对于攻角和侧滑角变化不敏感，至少应该在全压探头可以忍受的测量误差范围内。

而对于静压孔的安装，根据其工作原理，对于气流与全压正好相反，需要安装在气流侧向。由于静压孔需要收集代表飞行器飞行层的未受扰动的大气层压力，因此静压孔安装位置，应该由于飞行器相对空气运动而产生的气流扰动作用所受的影响越小越好。由此可见，和全压探头一样，静压孔的安装位置的气流，也不能受其其他设备和探头的干扰。另外，由于静压孔固定在飞行器上，其安装位置处的压力应降低对飞行器攻角、侧滑角、马赫数（其压缩效应可能会对压力产生影响）变化的影响，或者至少是稳定变化的。

由上述分析可见，除了安装方式不同（气流压力相对朝向），实际上安装位置对于气流不受扰动以及对于飞行器姿态变化不敏感等的要求，全压探头和静压孔的安装要求是几乎一样的。而实际上，静压对于扰动的敏感性远远高于全压（可以想象，在高速运动的飞行器上测量该高度完全静止大气压力是非常困难的），任何微小的干扰或者姿态甚至速度的变化，都会导致静压的变化。因此如何确定机身静压孔的安装位置，就成了关键。前面介绍过，有些飞行器的静压孔，集成在全静压探头侧面上，因此选择全静压探头的安装位置，实际上也主要是优先保证静压孔的安装要求，兼顾全压的安装要求。

以下就从静压孔安装要求的角度，提供选择飞行器上全静压探头位置的方法（机身静压孔选择位置的方法是类似的，只是由于其一般直接安装在机身蒙皮上，选择和分析的区域一般是前机身）。

3 全静压探头的定位方法

大气静压定义为飞行器前方无限远处的来流静压即当地大气压力，用P∞表示，则压力系数Cp定义为：

整理得：

Pi=P∞+ Cp·q;

当Cp=0时，Pi=P∞，误差为零；

当 Cp≠0 时，Pi=P∞+ Cp·q，误差为 Cp·q，

只要将误差降低到允许范围内，便可得到相对真实的大气静压。

根据2章的分析静压孔位置选择有以下两个基本原则：

（1）受迎角影响应尽可能小，最好是所选位置反映的压力系数不随迎角变化，则其修正误差将不随迎角而变，修正更加科学。

（2）应尽量反映实际来流静压，即使选择位置上的压力系数尽可能接近于零，如果不可能为零，可以进行修正。

根据上述分析，Cp值实际上就是反映静压孔测得的静压Pi和来流静压P∞的关系，Cp值越小，测得的静压也就越接近真实静压。因此我们只要分析飞行器在不同的高度、姿态和马赫数下，Cp值的范围和变化情况，尽量选择 Cp值接近于0和稳定变化的区域。

我们一般采用计算机软件仿真分析的方法来确定飞行器不同状态下附近区域的Cp值。首先需要建模，我们将飞行器机头、前机身以及机翼外形数模导入CFD分析软件，计算以下典型飞行器构型下附近区域的CFD值（具体数值需根据该型号飞行器的飞行包线确定）。

我们根据实际飞行器结构的情况，挑选可能安装全静压探头的区域。构型下算得的结果，如表1所示：

表1 建议的CFD计算构型

挑选该区域内网格点的Cp值，进行对比分析。注意这些网格点的选取不是直接在飞行器蒙皮的理论外形上的，而是距离飞行器蒙皮理论外形向外80mm左右的距离（本案例中静压孔集成在全静压探头上，该飞行器全静压探头的高度是80mm，如果是选取机身上的静压孔位置，则直接选取蒙皮理论外形的点）。

将表1中所有构型状态下的网格点的Cp值进行对比分析，就得到了目前区域随高度、攻角、马赫数的Cp变化关系。我们选取了Cp值较小且稳定变化的点【坐标为FS（航向）=2167，WL（水平）=446，横向坐标和蒙皮理论外形相交】，作为全静压探头安装的点。

经过图谱分析，我们选取的点随马赫数、攻角变化都比较平缓，位置比较理想。

由于在飞行器左侧有两个全静压探头，同时需要考虑两个探头之间的位置关系，不相互影响，因此我们又选取了另一个探头的位置【FS=1924，WL=223，横向坐标和蒙皮理论外形相交】，经过从CFD流线分析可以确定，两个探头之间没有相互影响。

而实际上，还要考虑其他飞行器上的探头（如防冰探头，攻角传感器等）不能对全静压探头的流畅产生影响。根据巡航状态下流线的方向，我们确定了全压静压探头的朝向为水平面向下 6°。CFD的数据尽管最终需要风洞试验和飞行试验的验证才能所为正式的数据，但对于初期飞行器设计非常重要，特别是飞行器首飞时，往往以CFD数据为准，这对于计算机仿真分析来说，也有了实际的意义。