單寶峰 張廣濤 李景春 王 斌

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

飛機(jī)在飛行過程中飛行姿態(tài)多變，精確地測(cè)出各種飛行姿態(tài)下的油箱載油量，可以準(zhǔn)確地計(jì)算飛機(jī)續(xù)航時(shí)間，保證安全返航。通過對(duì)飛機(jī)中各個(gè)燃油箱剩余油量的精確測(cè)量，有利于調(diào)整燃油在各油箱的分布，實(shí)現(xiàn)耗油順序的優(yōu)化，確保飛機(jī)重心調(diào)整，改善飛行品質(zhì)［1］;通過對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以保證有足夠的滑油輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件的軸承和傳動(dòng)齒輪的嚙合處，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，減少機(jī)件的磨損，并帶走摩擦所產(chǎn)生的熱量和金屬削［2］。因此，飛機(jī)油量測(cè)量在整個(gè)工作系統(tǒng)中起到了十分重要的作用。本文介紹了國(guó)內(nèi)外航空油量測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并提出了一些今后需要解決的問題。

1 液位傳感器的研究

近年來，國(guó)內(nèi)外飛機(jī)主要應(yīng)用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字式油量測(cè)量系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。系統(tǒng)把各種姿態(tài)組合時(shí)的油箱特性曲線(油量與油面高度之間的關(guān)系)數(shù)據(jù)表預(yù)先存放在存貯器中，飛行時(shí)，傳感器把測(cè)得的油面高度和姿態(tài)角等信息傳給計(jì)算機(jī)，通過后臺(tái)計(jì)算，就可以得出油箱內(nèi)的剩余油量［3］。其中液位傳感器在整個(gè)油量測(cè)量系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位。

圖1 數(shù)字式油量測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of digital measuring system for fuel volume

1.1 液位傳感器的研究現(xiàn)狀

第二次世界大戰(zhàn)以后，電容式液位傳感器在液位測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。油量測(cè)量系統(tǒng)利用電容式液位傳感器感受油面變化，把內(nèi)極管制成油箱形狀有關(guān)的成型剖面，使油量和體積之間的變化呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，并模擬電路進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算［4］。1960年，美國(guó)人Jack Telerman首次申請(qǐng)了磁致伸縮位移傳感器的專利權(quán)。20世紀(jì)80年代，國(guó)外投入了大量的人力和財(cái)力研究磁致伸縮式位移傳感器，如美國(guó)俄亥俄州的Cincinnati大學(xué)微電子傳感器實(shí)驗(yàn)室與MENS中心聯(lián)合研究的超磁致伸縮傳感器［5］，美國(guó)Iowa州立大學(xué)、日本海洋科技中心、瑞典的FeredynAB公司、英國(guó)的Johnson Matthey公司等機(jī)構(gòu)也都在進(jìn)行此方面的研究。

在進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，傳感器內(nèi)部的電子部件產(chǎn)生一個(gè)電流“詢問”脈沖，此電流同時(shí)產(chǎn)生一磁場(chǎng)沿波導(dǎo)管內(nèi)的感應(yīng)線向下運(yùn)行。下液位計(jì)管外配有浮子，此浮子隨液位變化沿桿上下移動(dòng)。由于浮子內(nèi)安裝有一組磁鐵，所以浮子移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)電流磁場(chǎng)和浮子磁場(chǎng)相遇時(shí)，即產(chǎn)生“波導(dǎo)扭曲”脈沖。從“詢問”脈沖發(fā)出開始至返回脈沖被電子部件接收到所用的時(shí)間為一個(gè)脈沖周期，再結(jié)合扭曲波速就可得到移動(dòng)距離，即液體變動(dòng)的相對(duì)位置［6］。

在過去二三十年間，超聲波液位測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，正在逐漸取代傳統(tǒng)的電容式液位傳感器。在進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，由安裝在飛機(jī)油箱底部的超聲波探頭按一定的方向與波束角度發(fā)出超聲波脈沖，脈沖與液面接觸就會(huì)發(fā)生反射，反射的脈沖被超聲波探頭采集并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)被輸送給具有微處理功能的指示器，由其計(jì)算出超聲波脈沖的反射時(shí)間，從而獲取油箱液面高度。

國(guó)外傳感器以采用電容式傳感器為主，新機(jī)上開始應(yīng)用超聲波傳感器，現(xiàn)在正在研發(fā)磁致伸縮傳感器和光纖傳感器等新型傳感器。系統(tǒng)技術(shù)采用機(jī)電式系統(tǒng)和數(shù)字式系統(tǒng)，且以數(shù)字式系統(tǒng)為主。在高端產(chǎn)品上還應(yīng)用余度技術(shù)、BT技術(shù)和補(bǔ)償修正技術(shù)，使產(chǎn)品在測(cè)量精度和可靠性等方面有很大的提高。

我國(guó)對(duì)航空液位傳感器的研究起步比較晚，20世紀(jì)70年代才開始相關(guān)技術(shù)的跟蹤與研究，并且研究工作僅限于個(gè)別廠所，此前僅限于簡(jiǎn)單的仿制與生產(chǎn)［7］。國(guó)內(nèi)傳感器基本都采用電容式傳感器，個(gè)別機(jī)種采用浮子式傳感器。超聲波傳感器仍處于預(yù)研階段，傳感器技術(shù)和國(guó)外相比差距較大。系統(tǒng)技術(shù)也采用機(jī)電式系統(tǒng)和數(shù)字式系統(tǒng)。液位測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)水平與國(guó)外相近，但在測(cè)量精度、穩(wěn)定性、可靠性方面還有很大的差距［8］。

1.2 今后仍需研究的問題

飛機(jī)飛行過程中燃油溫度最高可達(dá)到250～350℃，滑油溫度最高可達(dá)到170℃。高溫會(huì)改變油液的物理特性，從而對(duì)液位測(cè)量造成一定的影響。因此，未來在對(duì)液位傳感器研究時(shí)必須充分考慮溫度的影響。

①飛機(jī)飛行時(shí)，油液溫度變化會(huì)引起油液密度變化且溫差變化很大。這會(huì)引起磁致伸縮傳感器浮子在油液中的浸沒程度受到油液密度變化的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠精確，必須加以修正。

②超聲波的傳播速度是隨溫度變化而變化的，而且隨著傳播距離的增加，超聲波的聲壓和聲強(qiáng)也會(huì)按指數(shù)規(guī)律衰減，這些因素都會(huì)對(duì)液位測(cè)量產(chǎn)生影響。

2 油量測(cè)量計(jì)算方法的研究

飛機(jī)油量測(cè)量是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。由于飛機(jī)飛行姿態(tài)多變，瞬時(shí)產(chǎn)生的俯仰角和橫滾角會(huì)使計(jì)算過程變得相當(dāng)復(fù)雜;而燃油箱和滑油箱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)油量測(cè)量計(jì)算方法的研究是很有必要的。

2.1 油量測(cè)量計(jì)算方法的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外多采用數(shù)字式測(cè)量系統(tǒng)通過感知傳感器的浸油深度h、飛行姿態(tài)角(α，β)和三軸過載信息，計(jì)算出油液體積，再結(jié)合油液質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫(kù)來得到油量測(cè)量結(jié)果［9］。

Schumacher and Daguia等采用三維建模軟件Unigraphics建立X47A飛馬無人機(jī)油箱模型，利用傳感器輸出浸油高度，利用姿態(tài)角信息建立油平面，并以油平面切割油箱模型，估算剩余油量［10］。蔣軍昌等基于VBA控制CATIA，在油面法線方向上生成一個(gè)液位傳感器測(cè)量深度h所在的垂直平面。該平面為油箱內(nèi)的油液平面，以此平面切割油箱實(shí)體，利用CATIA的分析功能，得到油液的質(zhì)量特性數(shù)據(jù);接著以一定的步長(zhǎng)劃分傳感器的浸油深度h和油平面，使其在可能的范圍內(nèi)變化;最后整理出油箱特性數(shù)據(jù)表格，再通過插值計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。段福寬等人利用三維建模軟件Unigraphics建立油箱模型，研究了傳感器的敷設(shè)位置方法以及傳感器測(cè)量深度h和油箱剩余油液體積之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出了運(yùn)用“層切法”實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀油箱的測(cè)量［11］。

2.2 今后仍需研究的問題

國(guó)內(nèi)外學(xué)者所研究的油量測(cè)量計(jì)算方法大體一致，即利用計(jì)算機(jī)接收傳感器的感應(yīng)信息，然后結(jié)合油箱特性曲線，通過插值計(jì)算得出油量測(cè)量結(jié)果。但是，在計(jì)算過程中仍存在以下幾個(gè)問題。

① 運(yùn)用插值計(jì)算時(shí)，將油量V與h、α和β的三元函數(shù)關(guān)系V=f(h，α，β)作為一元函數(shù)處理，降低了計(jì)算精度。是否有更加適合的計(jì)算方法是今后需要研究的問題。

②存貯器中各種姿態(tài)組合的油箱特性曲線需預(yù)先經(jīng)過大量的試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)工作量大，需占用較多的存貯單元。如何有效簡(jiǎn)化大量的操作程序仍待解決。

③飛機(jī)飛行過程中由于加速度的存在使油液表面形成波浪狀(計(jì)算時(shí)視液面平整)，對(duì)油量測(cè)量結(jié)果造成一定影響。今后還需對(duì)這種影響進(jìn)行修正研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析，航空油量測(cè)量技術(shù)發(fā)展前景廣闊，其相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究。

①航空油量測(cè)量除了受飛行姿態(tài)多變的影響外，溫度也是其中的一個(gè)重要影響因素，這會(huì)對(duì)油液特性和液位測(cè)量造成一定的影響。所以，在溫度補(bǔ)償方面還要深入研究。

②探索出一種新的油量測(cè)量計(jì)算方法，即只要測(cè)出油箱油面高度和飛行姿態(tài)角，無需參照油箱特性曲線就可以在線計(jì)算出瞬時(shí)油箱剩余油量。

③航空油量測(cè)量技術(shù)還需朝著數(shù)字化、綜合化方向大力發(fā)展。

［1］袁梅，林柯，崔德剛.飛機(jī)燃油油量測(cè)量及姿態(tài)誤差修正方法［J］.測(cè)量與檢測(cè)，2001，21(1):24 －26.

［2］沈燕良，王建平，曹克強(qiáng).飛機(jī)滑油系統(tǒng)故障分析［J］.潤(rùn)滑與密封，2004，5(3):101 －103.

［3］宋明剛，李成全，程康.有姿態(tài)角時(shí)飛機(jī)燃油油量測(cè)量技術(shù)研究［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，1996，10(2):206 －208.

［4］聶海濤，劉云昌.電容式傳感器在飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24(5):16－18.

［5］吳斌.新型磁致伸縮液位計(jì)的檢測(cè)原理與實(shí)現(xiàn)［J］.電子質(zhì)量，2005，9(3):11 －13.

［6］楊鑫.磁致伸縮技術(shù)在飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，21(5):4 －6.

［7］肖凝.飛機(jī)燃油測(cè)量技術(shù)研究與發(fā)展［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2003，3(1):31－34.

［8］張欲曉，樊尚春.中國(guó)民用飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2008，4(3):9 －15.

［9］楊朋濤，牛量，蔣軍昌.基于飛機(jī)油箱模型形狀特征的油量測(cè)量切片步長(zhǎng)選擇方法研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2008，29(3):657 －663.

［10］Ohanian J O.Mass properties calculation and fuel analysis in the conceptual design uninhabited air vehicles［D］.Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University，2003.

［11］段福寬.計(jì)算機(jī)輔助飛機(jī)油量分析［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2004.