王麗梅　鮮燕　陳健

摘 要：燃油量是飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的重要組成，準(zhǔn)確及時(shí)地測量出燃油對(duì)飛機(jī)的安全飛行，保持重心等起著重要的作用，為了進(jìn)一步研究提高航空燃油測量精度的方法，預(yù)測燃油測量未來的發(fā)展，文章介紹了燃油測量系統(tǒng)和燃油測量的重要性，結(jié)合文獻(xiàn)分析法和定性分析法進(jìn)行了總結(jié)歸納，分別論述了燃油液位與燃油密度測量技術(shù)的發(fā)展及其基本原理，在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上指出了高精度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)字化、綜合化是航空燃油測量技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：航空燃油 測量技術(shù) 發(fā)展 液位測量 密度測量

中圖分類號(hào)：V31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）10-0-02

一、燃油測量系統(tǒng)概況

燃油是飛機(jī)的能源，燃油系統(tǒng)是飛機(jī)能源的供應(yīng)系統(tǒng)。飛機(jī)燃油系統(tǒng)主要功能是儲(chǔ)存燃油，并根據(jù)飛行狀態(tài)和飛行高度，按需要的壓力和流量，安全可靠地將燃油供給發(fā)動(dòng)機(jī)。因而在飛機(jī)的飛行過程中，燃油量對(duì)飛行安全起著重要的作用[1-2]，不僅要求燃油量能實(shí)時(shí)地顯示出，并且要求其測量值盡可能精確。

1.由于飛機(jī)工作的特殊環(huán)境，燃油的消耗是動(dòng)態(tài)過程，燃油液位、密度并不是固定值，同時(shí)密度會(huì)隨著飛機(jī)飛行的高度、大氣壓力、油箱溫度等的變化而改變，這就必須實(shí)時(shí)精確地測量出燃油量[3]。

2.燃油量測量精度的提高可提升每次飛行的經(jīng)濟(jì)效益，在飛機(jī)的每次飛行任務(wù)中，燃油量的確定必須結(jié)合飛機(jī)的載荷和航程，例如民用飛機(jī)的燃油測量精度只要每提0.5%，相應(yīng)就可以至少增加2-3名乘客[4]，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高飛機(jī)燃油系統(tǒng)的測量精度顯得尤為重要。

3.燃油測量系統(tǒng)中，提高液位與密度等傳感器的精度、可靠性以及可維護(hù)性不僅能夠使得飛機(jī)運(yùn)營成本降低，還能延長平均無故障工作時(shí)間，降低維修時(shí)間，進(jìn)一步研究維護(hù)性和可靠性跟高的燃油測量裝置可減小飛機(jī)的維修成本和時(shí)間。

飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)包括液位測量傳感器、密度測量傳感器、燃油測量與處理任務(wù)計(jì)算機(jī)以及油量顯示等部分，圖1是它的工作原理：油位測量傳感器首先測量出油箱中燃油的高度h，結(jié)合飛行姿態(tài)和飛行高度以及數(shù)學(xué)模型信息，計(jì)算機(jī)可得到相應(yīng)的燃油體積v，同時(shí)密度傳感器可以測出燃油的密度ρ，計(jì)算機(jī)通過結(jié)合溫度補(bǔ)償?shù)瓤傻贸鲇拖淙加偷馁|(zhì)量m，最終輸出并顯示。

二、燃油測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.燃油液位測量技術(shù)

燃油的液位測量經(jīng)歷了從油尺測量、浮子式液位測量技術(shù)、電容式（特性傳感器到線性傳感器）測量、超聲波測量技術(shù)、放射性測量技術(shù)、光纖測量以及磁致伸縮技術(shù)測量等各種先進(jìn)的測量方式并存的時(shí)代，使實(shí)時(shí)的體積計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)[5]。

1.1浮子式液位測量技術(shù)

浮子式油位測量是通過改變?nèi)加偷母×?，從而改變浮子的位置，此類傳感器觀測讀數(shù)直觀，價(jià)格相對(duì)便宜，但由于測量范圍小，可靠性差，指示誤差大，易產(chǎn)生故障，維護(hù)量大，現(xiàn)在僅用于一些舊型飛機(jī)和小型飛機(jī)上。

1.2電容式液位測量技術(shù)

電容式傳感器原理如圖：利用被測燃油與空氣作為電介質(zhì)，當(dāng)燃油液位的變化時(shí)將引起介電常數(shù)的變化，從而測量出液位的高度。電容與液位的關(guān)系為：

……（1）

圖 電容式油位傳感器原理圖 圖 超聲波式液位傳感器工作原理

式中：ε為真空介電常數(shù)，ε1為被測燃油介電常數(shù)。

電容式液位傳感器可進(jìn)行連續(xù)測量，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但要求燃油具有穩(wěn)定的介電常數(shù)，同時(shí)需要溫度補(bǔ)償，長期穩(wěn)定性較差[6]。因此，國外大型航空公司于20世紀(jì)70年代開始研究數(shù)字式電容式傳感器，改善了燃油系統(tǒng)整體質(zhì)量，在提高系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的安全性，使航空燃油測量技術(shù)躍上了一個(gè)新臺(tái)階。

1.3超聲波液位測量技術(shù)

超聲波測量是根據(jù)發(fā)射轉(zhuǎn)換器和接受換能器之間的時(shí)間差以及在燃油中超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出油箱至換能器之間的空高，根據(jù)油箱總高度計(jì)算得出燃油液位高度。它不僅能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)或連續(xù)測量，而且安裝維護(hù)方便，而且成本較低，但是燃油中的雜質(zhì)會(huì)引起超聲波信號(hào)的嚴(yán)重衰減，測量結(jié)果不穩(wěn)定，精度有待提高。

1.4流量式燃油液位測量

流量式油量傳感器是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量進(jìn)行測量，并不直接進(jìn)行油箱中的油位測量，通過飛機(jī)初始總油量計(jì)算出剩余油量。

……（2）

式中：mt為油箱中剩余油量，m0為起飛前初始總油量，N為脈沖數(shù)，B為換算系數(shù)，。

1.5光纖液位測量技術(shù)

光纖傳感器是利用燃油對(duì)光波的調(diào)制作用[7]，使得光纖內(nèi)光波的振動(dòng)臺(tái)、強(qiáng)度、波長相位、頻率、振幅等發(fā)生變化，通過解調(diào)光波從而獲得燃油量的液位高度。

1.6磁致伸縮技術(shù)

磁致伸縮式傳感器是利用磁效應(yīng)和超聲效應(yīng)相結(jié)合進(jìn)行液位測量的，通過發(fā)射與接收磁脈沖之間的時(shí)間測出燃油液位[8]。

2.密度測量技術(shù)

燃油的密度測量從早期的間接測量、比重計(jì)測量逐漸到了振動(dòng)筒式測量、放射性同位素測量、超聲波測量等，使得燃油測量精度、安全性、操作性以及自動(dòng)化水平大大提高。

2.1間接測量技術(shù)

早期的燃油測量系統(tǒng)不能對(duì)燃油密度進(jìn)行直接測量，而采用的是間接測量方式。密度的間接測量又有結(jié)合介電常數(shù)和燃油溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ约袄萌加兔芏扰c溫度、壓力等之間的關(guān)系來進(jìn)行間接測量兩種[3，9]。

2.2基于諧振技術(shù)測量

基于諧振技術(shù)的燃油密度測量采用的是諧振筒式傳感器，它通過測量諧振筒在不同狀態(tài)下的固有振動(dòng)頻率，從而測量出測量燃油的密度，輸出量為頻率[10-11]。諧振筒可視為一個(gè)單自由度受迫振動(dòng)的二階系統(tǒng)。當(dāng)外力能夠克服阻尼力時(shí)，系統(tǒng)將在諧振狀態(tài)，根據(jù)振動(dòng)理論，其諧振頻率為（3）式，即固有頻率。當(dāng)燃油進(jìn)入諧振狀態(tài)的諧振筒中，將隨之一起振動(dòng)并成為其振動(dòng)質(zhì)量的有效部分，總質(zhì)量由m變成，測量出此時(shí)的振動(dòng)頻率即可以確定出燃油的密度。

……（3）

式中：m為等效質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，E為材料彈性模量，I為剛度。

2.3放射性同位素測量技術(shù)

放射性同位素燃油密度測量是基于燃油對(duì)輻射射線的吸收原理，當(dāng)γ射線穿過燃油時(shí)，其衰減程度與穿過的燃油厚度、密度以及成分有關(guān)，其放射性強(qiáng)度的衰減規(guī)律如（4）式[12-15]，根據(jù)衰減后射線的強(qiáng)度I可得出燃油密度。

……（4）

式中： ρx為燃油的密度，μ為燃油的質(zhì)量吸收系數(shù)，當(dāng)燃油固定后，可將其視作常數(shù)，I0為穿透燃油前射線的強(qiáng)度，I為穿透燃油后射線的強(qiáng)度，d 為射線穿過燃油的距離。

2.4超聲波測量技術(shù)

超聲波測量燃油密度利用的是超聲波在燃油中的傳播過程其傳播速度與燃油密度、聲阻抗等密切有關(guān)[16]，根據(jù)（5）式測量出燃油中的聲速即可得到燃油的密度。

……（5）

式中：c為超聲波的傳播速度；E 為燃油的體積彈性模量；ρ為燃油的密度。

3.國內(nèi)外燃油測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的燃油測量技術(shù)研究起步較晚[17]，從20世紀(jì)70年代才開始跟蹤與研究航空液位傳感器、燃油密度傳感器及其相關(guān)技術(shù)，目前我國民用飛機(jī)的燃油液位測量技術(shù)仍舊停留在電容式階段，燃油密度測量主要采用間接方式，即介電常數(shù)與溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測量，只有個(gè)別機(jī)型選用了數(shù)字化燃油測量系統(tǒng)，這樣導(dǎo)致燃油測量數(shù)字化程度偏低，容易造成測量系統(tǒng)的可靠性較低，測量精度偏度，平均無故障工作時(shí)間較短，占用維修時(shí)間較多。

在傳感器方面，我國的磁致伸縮測量以及超聲波傳感器還在預(yù)研階段，相對(duì)于國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)，還存在著較大的差距，例如霍尼韋爾和史密斯公司等國外大型公司大力開展數(shù)字式燃油測量系統(tǒng)技術(shù)研究，先后在波音 757、波音 767、C-130和F-22 等飛機(jī)上成功運(yùn)用放射性燃油密度傳感器和諧振式密度傳感器，結(jié)合補(bǔ)償修正技術(shù)、BIT叫技術(shù)等使密度測量傳感器在測量精度、可靠性和使用壽命方面有很大的提高。其中以美國F-22為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)不僅更換了密度測量，還徹底放棄了電容式液位測量，使燃油測量系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛越。

三、燃油測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

大力開展各種新型的燃油液位和燃油密度的測量技術(shù)研究，研制高精度、高安全性、高維護(hù)性的測量傳感器，制造適合我國飛機(jī)燃油系統(tǒng)發(fā)展需求的測量系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)燃油管理的重要基礎(chǔ)。未來航空燃油測量系統(tǒng)的發(fā)展將集中體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

1.高精度推動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展

飛機(jī)燃油測量精度的每一點(diǎn)提高在航空業(yè)追求低成本和高效率的今天都是非常可貴的，測量傳感器的精度直接決定了測量系統(tǒng)的精度，高精度傳感器的研制，測量誤差的補(bǔ)償與修正技術(shù)的完善，達(dá)到減小系統(tǒng)誤差的目的，不僅能提高燃油的利用效率，更能顯著提高經(jīng)濟(jì)效益；

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化豐富系統(tǒng)內(nèi)涵

高精度傳感器的研制不僅需要不斷改進(jìn)傳感器的加工與制造工藝，研制各類新型經(jīng)濟(jì)環(huán)保更安全的材料，還需要不斷進(jìn)行傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分布技術(shù)的優(yōu)化，力圖實(shí)現(xiàn)傳感器的一體化、小型化，每一種新的技術(shù)創(chuàng)新都會(huì)極大地豐富和發(fā)展燃油測量系統(tǒng)。

3.數(shù)字化、綜合化已成為必然趨勢

數(shù)字化、綜合化已經(jīng)成為所有機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)，包括燃油系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，改進(jìn)燃油測量系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性等，著力提高系統(tǒng)整體功能性，使得整個(gè)燃油系統(tǒng)向著智能控制發(fā)展，實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)的數(shù)字化、綜合化管理，最終形成未來飛機(jī)的系統(tǒng)大綜合。

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作者簡介：王麗梅，女，（1969-），本科，工程師，研究方向：航空油料質(zhì)量管理和油庫安全管理。

鮮燕，女，（1988-），碩士研究生，工程師，研究方向：航空油料儲(chǔ)存和安全管理。

陳健，男，副科長，中國民航飛行學(xué)院新津分院航空加油站站長，助理工程師，研究方向：航空油料管理及其儲(chǔ)存。