王 卉

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油部，上海 201210)

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飛機(jī)燃油系統(tǒng)油量傳感器布置方法

王 卉

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油部，上海 201210)

燃油油量傳感器的布置是影響燃油指示系統(tǒng)測(cè)量精度最重要的因素。本文對(duì)油量傳感器的布置方法和油量解算的方法展開(kāi)了研究和討論，并且分析了單點(diǎn)故障要求下的傳感器布置方法，以及如何減小單點(diǎn)故障對(duì)精度的影響，同時(shí)初步探討了油箱變形對(duì)傳感器布置的影響。

油量傳感器；油量解算；測(cè)量精度；單點(diǎn)故障；油箱變形

0 引言

現(xiàn)代客機(jī)均采用的數(shù)字式燃油指示系統(tǒng)主要由油量傳感器和燃油計(jì)算機(jī)組成。燃油計(jì)算機(jī)根據(jù)油箱內(nèi)的油量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行油量解算，得出當(dāng)前油量。因此，傳感器的布置方案和油量解算的方法都會(huì)影響精度。在燃油指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，可以從這兩個(gè)方面入手提高指示系統(tǒng)的精度。

1 燃油油量傳感器布置的基本原則

1)傳感器安裝位置可行性原則

a.避開(kāi)管路、口蓋和設(shè)備，以及吸油口；

b.考慮是否便于安裝。

2)內(nèi)油量傳感器與油箱壁距離原則

按照傳感器安裝與拆卸、閃電防護(hù)等要求，內(nèi)裝式油量傳感器與油箱壁(油箱頂部與底部)之間必須保持一定距離，避免產(chǎn)生火花。

3)補(bǔ)償傳感器安裝位置限制性原則

現(xiàn)代客機(jī)補(bǔ)償傳感器通常與油量傳感器集成為一體。工作過(guò)程中，要求補(bǔ)償傳感器始終浸入燃油，通常安裝在集油箱的低點(diǎn)。

4)密度計(jì)的布置

如果燃油密度計(jì)只在地面加油時(shí)使用，空中不采集其數(shù)據(jù)，應(yīng)將其放置在可以及時(shí)感受到燃油混合的位置。有的密度計(jì)在空中實(shí)時(shí)測(cè)量，那么就應(yīng)該將其布置在集油箱內(nèi)。

5)油量傳感器布置應(yīng)能滿足頂部與底部不可測(cè)油量的要求

由于傳感器的安裝位置和高度不同，在不同油面情況下，會(huì)出現(xiàn)某些傳感器不能感受到油面變化的情況，這就是測(cè)量死區(qū)。傳感器測(cè)量死區(qū)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 傳感器頂部和底部不可測(cè)油量

在油面低于或超出油量傳感器探測(cè)區(qū)域時(shí)，油量測(cè)量會(huì)具有底部或頂部不可測(cè)油量。

6)油量傳感器布置應(yīng)保證常見(jiàn)飛行姿態(tài)下高度測(cè)量的連續(xù)性

從圖2可以看出，當(dāng)飛機(jī)在某個(gè)姿態(tài)下，導(dǎo)致燃油油面在直線a和b之間變化時(shí)，1和2都不能感受到油面的變化，只有中間新增的傳感器3才可以感受到當(dāng)前油面的高度。

圖2 傳感器測(cè)量油面高度連續(xù)性原理示意圖

7)油量傳感器布置應(yīng)能保證在常見(jiàn)飛行姿態(tài)下測(cè)量姿態(tài)誤差小

應(yīng)盡量將傳感器靠近油面的面心布置以減小姿態(tài)誤差。

2 油量傳感器布置流程

1)需要考慮可行性安裝位置

利用CATIA軟件以油箱數(shù)模為基礎(chǔ)，初步確定每根翼肋附近的可行安裝區(qū)域，然后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行離散化處理。

2)考慮頂部與底部不可測(cè)油量約束

考慮到燃油流動(dòng)的連通性，利用密封肋和半密封肋將油箱劃分為若干個(gè)隔斷，針對(duì)每個(gè)隔斷進(jìn)行分析。

設(shè)置傳感器的底部與頂部不可測(cè)油量，通過(guò)篩選保留下來(lái)同時(shí)滿足頂部和底部不可測(cè)油量的傳感器。

3)綜合考慮油位測(cè)量連續(xù)性約束

傳感器配對(duì)。即從滿足頂部不可測(cè)油量的傳感器組A中選取一根，與滿足底部不可測(cè)油量的傳感器組B中的一根形成一對(duì)組合C，做到一一遍歷。然后對(duì)組合C進(jìn)行測(cè)量連續(xù)性考察。

a.確定最大飛機(jī)姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的油平面。以圖3為例，假設(shè)最大姿態(tài)角下的油平面是平行于直線a和直線b的，那么如果只考察1和2號(hào)傳感器，當(dāng)油平面在a和b之間的區(qū)域變化時(shí)，沒(méi)有傳感器可以測(cè)量，因此需要增加3傳感器。

b.過(guò)3號(hào)傳感器的最低點(diǎn)，做平行于直線a的直線c，這時(shí)可以看到a和c之間，b和c之間，仍然沒(méi)有傳感器可以測(cè)量，因此需要分別針對(duì)這兩個(gè)區(qū)域再增加傳感器。

c.在增加4和5號(hào)傳感器之后，以相同的方式檢查?？梢钥吹?，此時(shí)這5根傳感器可以保證在最大姿態(tài)下，始終有一根傳感器可以感受到油面變化的情況。因此這個(gè)組合滿足測(cè)量連續(xù)性的要求。

d.對(duì)每一個(gè)傳感器組合都采用這種方式檢查，確保最終每個(gè)組合都可以滿足測(cè)量連續(xù)性的要求。

圖3 測(cè)量連續(xù)性約束考察

4)確定最終傳感器布局

考慮正常油位狀態(tài)下測(cè)量姿態(tài)誤差約束，以傳感器數(shù)量最少時(shí)，總姿態(tài)誤差最小確定最終傳感器布局。

5)放置密度計(jì)和補(bǔ)償傳感器

根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要在空中測(cè)量燃油密度，然后按照第1節(jié)提到的原則布置密度計(jì)。

在布置補(bǔ)償傳感器時(shí)，應(yīng)保證將其始終浸沒(méi)在燃油里，因此通常將補(bǔ)償傳感器安裝在集油箱的低點(diǎn)。

3 燃油量解算的方法

首先離線生成一個(gè)傳感器的真值表，該真值表中包含了不同姿態(tài)下，不同的傳感器測(cè)量高度H所對(duì)應(yīng)的燃油量體積V，即H-V曲線。生成真值表的主要步驟如下：

1)確定某一飛行姿態(tài)，通過(guò)傳感器上的某個(gè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)某測(cè)量高度)，以平行于大地的平面切割油箱數(shù)模，得到剩余的油箱體積；

2)保持飛行姿態(tài)不變，遞增/遞減傳感器的測(cè)量高度，得到一組H-V曲線；

3)遞增/遞減飛行姿態(tài)角，重復(fù)上述兩個(gè)步驟，最后得到不同飛行姿態(tài)對(duì)應(yīng)的H-V曲線。

燃油計(jì)算機(jī)獲取傳感器的數(shù)據(jù)H后，對(duì)真值表進(jìn)行插值后得出V，根據(jù)由補(bǔ)償傳感器、密度傳感器信號(hào)確定的燃油密度ρ即可計(jì)算出油箱中的燃油油量m(kg)。

4 單點(diǎn)故障下的傳感器布置方法

為了提高燃油指示系統(tǒng)的可用性，應(yīng)該考慮在出現(xiàn)單點(diǎn)故障的情況下，指示系統(tǒng)能否繼續(xù)工作，為飛機(jī)提供油量指示。

4.1 減小單點(diǎn)故障影響的方法

為了減小單點(diǎn)故障對(duì)傳感器的影響，可采取以下幾種方法：

1)每個(gè)油箱內(nèi)傳感器采用分組布置的方法

油箱內(nèi)的電纜通常采用菊花鏈的設(shè)計(jì)方法，即串聯(lián)所有的傳感器，如果某一根導(dǎo)線或傳感器故障，這束電纜上所有傳感器數(shù)據(jù)全部喪失，那么也就會(huì)喪失該油箱內(nèi)的油量數(shù)據(jù)。為了避免單點(diǎn)故障造成油量指示喪失，可將油箱內(nèi)的傳感器分組布置。如圖4所示，油箱內(nèi)布置A和B兩組傳感器，黑色代表A組傳感器，白色代表B組傳感器，這兩組傳感器采用獨(dú)立的電纜傳輸。

2)余度設(shè)計(jì)

在每個(gè)位置放置兩根傳感器，并通過(guò)兩束獨(dú)立的電纜傳輸這兩根傳感器的信號(hào)。傳感器和導(dǎo)線都有備份。

3)軟件實(shí)現(xiàn)故障重構(gòu)

當(dāng)某根傳感器故障時(shí)，可利用與它鄰近的3根傳感器測(cè)得的高度數(shù)據(jù)確定當(dāng)前的油平面，從而反算出故障的傳感器的測(cè)量高度，然后進(jìn)行插值計(jì)算。

4.2 單點(diǎn)故障下的誤差分析

如果傳感器和導(dǎo)線均采用余度設(shè)計(jì)，那么在出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，精度是不會(huì)降低的。下面對(duì)非余度設(shè)計(jì)的布置方案下的單點(diǎn)故障對(duì)精度的影響進(jìn)行分析。

4.2.1 精度要求

1)正常情況下，誤差不應(yīng)超過(guò)指示值的0.5%，滿油的1%；

2)單點(diǎn)故障時(shí)，誤差不可超過(guò)指示值的1%，滿油的2%。

4.2.2 誤差分析

布置傳感器時(shí)既需要保證正常情況下的精度要求，又需要考慮只有一組傳感器工作時(shí)的精度。假設(shè)A組內(nèi)的某個(gè)傳感器或者導(dǎo)線發(fā)生了故障，導(dǎo)致A組傳感器數(shù)據(jù)全部喪失。此時(shí)，可利用B組的數(shù)據(jù)計(jì)算油量。那么此時(shí)B組的傳感器精度能否滿足要求呢？

1)首先確定方案

在開(kāi)始布置傳感器時(shí)就應(yīng)確定油箱內(nèi)采用兩組傳感器的方案，然后對(duì)每組傳感器單獨(dú)進(jìn)行布置。

圖4 采用兩組傳感器的布置方案

2)確定精度要求

由于在喪失一組傳感器信號(hào)時(shí)，已經(jīng)為“單點(diǎn)故障”的模式，此時(shí)的誤差要求為“指示值的1%，滿油的2%”。

3)測(cè)量連續(xù)性要求

以飛機(jī)最大姿態(tài)角作為約束，確定可以滿足此要求的兩組獨(dú)立的傳感器。

4)頂部和底部不可測(cè)油量要求

假設(shè)經(jīng)過(guò)上一步后，確定的兩組分別包含了10根傳感器的組合，然后針對(duì)每組傳感器進(jìn)行分析。

圖5示意了某個(gè)油箱內(nèi)的頂部和底部不可測(cè)油量的約束考察。

圖5 不可測(cè)油量約束考察

根據(jù)圖5所示，確定每組傳感器中最靠近翼根和翼尖的傳感器，然后分別計(jì)算這兩根傳感器底部不可測(cè)油量和頂部不可測(cè)油量。此時(shí)的誤差上限為2%(160kg)，考慮到油箱制造、傳感器制造和安裝、傳感器計(jì)算分析的建模等方面的誤差，可將此處的不可測(cè)油量要求盡量控制在比較小的范圍內(nèi)，如0.2%，即16kg。檢查這兩根傳感器是否滿足不可測(cè)油量16kg的要求，如果不滿足，則需要增加傳感器，直至滿足該要求。

5)兩組結(jié)合進(jìn)行考察

由于單組傳感器可以滿足測(cè)量連續(xù)性要求，那么合并在一起的組合必然也是滿足該要求的。然后考察此時(shí)的不可測(cè)油量要求，如果不滿足，再在翼根和翼尖增加傳感器，直至滿足要求。

通過(guò)上述方法布置的傳感器即可滿足正常情況和單點(diǎn)故障時(shí)的精度要求。

5 油箱變形對(duì)傳感器布置的影響

由于重力影響，油箱在加滿油時(shí)會(huì)有一個(gè)變形，與空油箱的情況不同。可以空油箱的數(shù)模為基礎(chǔ)，先進(jìn)行傳感器布置，然后再將布置方案導(dǎo)入有變形的油箱模型，考察是否能滿足要求。

1)測(cè)量連續(xù)性

由于測(cè)量的連續(xù)性在不考慮油箱形變的情況下已經(jīng)考察過(guò)了，因此一般不會(huì)再出現(xiàn)問(wèn)題，接下來(lái)只需對(duì)不可測(cè)油量進(jìn)行校驗(yàn)。

2)不可測(cè)油量

圖6是通過(guò)傾斜傳感器的角度解決不可測(cè)油量不滿足要求的一種方案。由于翼根和翼尖是發(fā)生形變最大的地方，因此應(yīng)取最靠近翼尖和翼根的兩個(gè)隔艙進(jìn)行考察。如果不可測(cè)油量要求不能滿足，那么可嘗試調(diào)整最靠近翼根和翼尖的傳感器傾斜的角度，或者適當(dāng)增加傳感器的高度，以增大傳感器的測(cè)量范圍，最終保證滿足底部和頂部不可測(cè)油量要求。

圖6 傾斜最靠近翼根和翼尖的傳感器

6 結(jié)論

根據(jù)上述分析可以看出，在燃油指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以從兩方面提高測(cè)量的精度：

1)合理布置傳感器。在要求的姿態(tài)范圍內(nèi)可連續(xù)測(cè)量，即至少有一根傳感器可有效感受到油面的變化情況；傳感器的頂部和底部不可測(cè)油量必須滿足要求。

2)合理設(shè)計(jì)真值表。當(dāng)保證了上述兩點(diǎn)之后，就可以保證在要求的姿態(tài)范圍內(nèi)，始終“測(cè)得到”油量，然后進(jìn)行油量解算。如果真值表的數(shù)據(jù)足夠密，那么由于油量解算造成的誤差就會(huì)非常小，在這種情況下，傳感器的布置是影響精度的主要因素。

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