航空油量測(cè)量技術(shù)研究及其發(fā)展現(xiàn)狀

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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題。

1 液位傳感器的研究

近年來(lái)，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(guò)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(zhuān)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(wèn)”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(wèn)”脈沖發(fā)出開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題

飛機(jī)飛行過(guò)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(lái)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)感知傳感器的浸油深度h、飛行姿態(tài)角(α，β)和三軸過(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(wèn)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(guò)插值計(jì)算得出油量測(cè)量結(jié)果。但是，在計(jì)算過(guò)程中仍存在以下幾個(gè)問(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wú)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.

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［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.

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［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.

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