飛機燃油指示系統(tǒng)常見方案對比分析

王 卉

(上海飛機設(shè)計研究院動力燃油部，上海 201210)

?

飛機燃油指示系統(tǒng)常見方案對比分析

王 卉

(上海飛機設(shè)計研究院動力燃油部，上海 201210)

介紹了4種常見的飛機燃油指示系統(tǒng)的方案，包括高基礎(chǔ)可靠性、高可用性、高精度和高可信性方案。針對每種設(shè)計方案都分析了其特點，并對各種方案進行了對比，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點?？蔀轱w機燃油指示系統(tǒng)方案的選型提供參考和指導(dǎo)。

燃油指示系統(tǒng)；可靠性；可用性；精度；可信性

0 引言

飛機燃油指示系統(tǒng)最重要的功能就是為飛機提供油量指示。在燃油指示系統(tǒng)開始設(shè)計時，應(yīng)首先確定一個初步的設(shè)計方案，即明確頂層要求的重點，如可靠性、精度、測量的正確性等。方案的側(cè)重點應(yīng)針對特定的要求選擇最合適的系統(tǒng)方案/構(gòu)架。下面就針對幾種常見的燃油指示系統(tǒng)設(shè)計要求和方案展開具體分析。

1 高基礎(chǔ)可靠性方案

1.1 設(shè)計要求

系統(tǒng)的基礎(chǔ)可靠性要求較高，力求將系統(tǒng)成本降至最低。

1.2 設(shè)計方案

以下簡稱為方案A。由于系統(tǒng)使用到的設(shè)備比較少，因此系統(tǒng)的基礎(chǔ)可靠性比較高。圖1是一種典型的高基礎(chǔ)可靠性方案。

如圖1所示，在三個油箱內(nèi)均布置了油量傳感器，左翼油箱和中央翼內(nèi)油箱一半的油量傳感器的信號通過一束電纜串聯(lián)，將信號發(fā)送給燃油計算機的A通道；同理右翼油箱內(nèi)的傳感器與中央翼剩余一半的傳感器信號通過一束電纜發(fā)送給燃油計算機的B通道。兩個通道獨立工作，且通道之間可進行數(shù)據(jù)交換，在每個通道獲得傳感器信號后，互相交換數(shù)據(jù)，各自獨立計算油量。如果某一通道故障，另一通道仍可完成完整的油量解算工作。

圖1 高可靠性指示燃油系統(tǒng)方案

由于單側(cè)油箱內(nèi)的傳感器使用一束電纜串聯(lián)，因此只要這若干根傳感器中有一根傳感器故障，就會導(dǎo)致這一側(cè)的油量傳感器數(shù)據(jù)喪失，飛機也會因此失去這一側(cè)的油量指示，這樣就會導(dǎo)致飛機不可派遣，因此這種方案雖然保證了系統(tǒng)的基礎(chǔ)可靠性，但派遣率不理想。

1.3 方案特點

方案A的主要優(yōu)點為方案簡單、系統(tǒng)的基礎(chǔ)可靠性高、成本低；主要缺點為單點故障時會導(dǎo)致單側(cè)油量指示喪失和派遣率低。

2 高可用性方案

2.1 設(shè)計要求

要求系統(tǒng)具有較高的派遣率和可用性，在單點故障時仍有油量指示。

2.2 設(shè)計方案

圖2為高可用性的方案。在 “高可靠性方案”的基礎(chǔ)上增加了一定的余度設(shè)計。以下將高可用性方案簡稱為方案B。

如圖2所示，三個油箱內(nèi)的傳感器使用單獨的電纜傳輸信號，同時每個油箱內(nèi)的傳感器分成了兩組，兩組之間互相獨立。采用這種方案可以保證在一組傳感器發(fā)生任何故障時，另外一組傳感器不會受到影響，仍可以計算和指示該油箱內(nèi)的油量。因此，這種方案有利于提高系統(tǒng)的可用性。

但是喪失一組傳感器的數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致測量精度降低，只有在每個油箱內(nèi)的兩組傳感器都正常工作時，才能完全滿足精度要求。因此，在這種情況下，必須盡量保證每組傳感器的安裝位置覆蓋面盡可能大，才可以將單點故障的影響降至最低。

圖2 高可靠性方案

燃油計算機兩個通道互為備份，相互獨立，在接受到來自各個油箱的數(shù)據(jù)后，直接將源數(shù)據(jù)進行交換，然后各自計算油量。采用這種數(shù)據(jù)交換的方式，可以保證在燃油計算機單通道故障時，另一通道仍可獲取完整的傳感器數(shù)據(jù)，計算出完整的油量信息。這樣就可以保證飛機可派遣?？梢哉J為這種方案保證了系統(tǒng)在一定程度上的容錯能力，只是會犧牲一部分精度。

2.3 方案特點

方案B的優(yōu)點為系統(tǒng)的可用性和派遣率較高，不會由于單點故障造成飛機不可派遣，具有一定的容錯性能；主要缺點為單點故障時精度會降低，使用的電纜數(shù)量增加。

3 高精度方案

3.1 設(shè)計要求

要求系統(tǒng)在發(fā)生單點故障時，精度不降低。

3.2 設(shè)計方案

高精度方案比高可靠性方案稍復(fù)雜，圖3是高精度方案的構(gòu)架圖，以下簡稱這種方案為方案C。

圖3 高精度方案

如圖3所示，這種方案與B方案相同之處是每個油箱內(nèi)也采用兩組互相獨立的傳感器，各個油箱之間的電纜也是互相獨立的，以確保任意一組中的任意一根傳感器故障，不會影響其他組傳感器的測量。

方案C采用傳感器余度設(shè)計，即在同一個位置放置兩根傳感器，因此如果一根故障，另外一根可以正常工作，不會降低測量精度，而且互為備份的兩根傳感器使用相互獨立的導(dǎo)線傳輸信號，因此可以做到完全不影響。

每個油箱內(nèi)的傳感器信號都會發(fā)送至燃油計算機的兩個通道，兩個通道分別計算油量，然后再通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換鏈路，實現(xiàn)通道A和通道B的數(shù)據(jù)共享。這兩個通道也采用熱備份的工作方式，當有一條通道故障時，油量解算與油量指示的功能都不會受到任何影響。

由此可以看出，這種方案是余度設(shè)計，可以保證在發(fā)生任一單點故障時，系統(tǒng)的測量精度都不會降低。但這種方案需要使用的傳感器數(shù)量較多，是“高基礎(chǔ)可靠性”方案的兩倍，燃油計算機處理的數(shù)據(jù)量也會比較大。

3.3 方案特點

方案C的優(yōu)點為：1)單點故障時，系統(tǒng)的精度不會降低；2)系統(tǒng)的容錯性能高。缺點為：1)采用的傳感器數(shù)量及電纜都較多，導(dǎo)致重量和成本增加；2)設(shè)計較為復(fù)雜，需對所有可能產(chǎn)生的單點故障進行余度設(shè)計。

4 高可信性方案

4.1 設(shè)計要求

要求系統(tǒng)發(fā)生“錯誤油量指示”概率盡可能小。

4.2 設(shè)計方案

高可信性方案設(shè)計要求的重點是油量指示的正確性，避免由于錯誤的油量指示信息誤導(dǎo)飛行員。如果出現(xiàn)故障，可以喪失油量指示這項功能，但是如果燃油指示系統(tǒng)提供油量指示，就應(yīng)該是正確的。以下簡稱高可信性方案為方案D。

圖4是高可信性方案的構(gòu)架圖。與高精度方案類似的地方在于，高可信性方案也采用同一位置放置兩個傳感器的布置方法。但高可信性方案在后端采用了兩套完全獨立且不同的油量計算方案，從數(shù)據(jù)源(傳感器)到油量解算的工具和方法都不同，最后計算出的兩套油量數(shù)據(jù)互相比較，如果差別過大，就認為此時發(fā)生了“錯誤油量指示”，那么燃油指示系統(tǒng)就會停止工作，不再輸出油量信息；如果差別很小，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的實際情況，采用其中一套的計算結(jié)果，或者取兩者的平均值作為最終的計算結(jié)果輸出。

在圖4所示的方案中，每組油箱仍采用兩組傳感器獨立測量，與之前三種方案不同之處在于，高可信性方案增加了另外一個計算油量的設(shè)備RDC。RDC內(nèi)置有處理單元，可完成油量計算并將油箱內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送至燃油計算機。

圖4 高可信性方案

通常情況下，為了保證兩套油量計算完全獨立，可采用燃油計算機內(nèi)置微處理器、RDC采用FPGA/CPLD的設(shè)計思路，從硬件設(shè)計上先將兩套測量系統(tǒng)區(qū)分開來。然后燃油計算機和RDC內(nèi)采用不同的油量計算方法，例如燃油計算機采用根據(jù)密度計算油量的方法，RDC采用根據(jù)補償傳感器測得的介電常數(shù)推導(dǎo)出密度，進而求得油量的方法。在數(shù)據(jù)源端，由于每個油箱內(nèi)在同一位置都布置了兩根傳感器，且這兩根傳感器位于不同的兩組，因此可將一組傳感器的信號發(fā)至RDC作為計算的源數(shù)據(jù)，另外一組發(fā)送至燃油計算機作為計算的源數(shù)據(jù)。

4.3 方案特點

方案D的優(yōu)點為：1)油量數(shù)據(jù)的準確性高，提高了飛機的安全性；2)容錯性較好。缺點為：1)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜；2)采用的設(shè)備數(shù)量較多，導(dǎo)致成本和重量增加。

5 各方案對比分析

通過上述對各方案的描述，可以看出方案A、B、C、D設(shè)計的復(fù)雜程度逐漸增加，下面根據(jù)其復(fù)雜程度，兩兩進行比較。

5.1 高基礎(chǔ)可靠性A與高可用性方案B的對比

1)相同點。兩種方案都比較簡單；燃油計算機的工作方式相同。

2)區(qū)別。兩個方案最本質(zhì)的區(qū)別是：方案B內(nèi)的油量傳感器分成兩組，使用兩束互相獨立的電纜，增加了系統(tǒng)的余度，在一定程度上實現(xiàn)了容錯，可以避免由于單點故障，造成某個油箱油量不能指示的情況。因此也提高了系統(tǒng)的可用性和派遣率。也就是說，方案B的系統(tǒng)容錯能力和派遣率都高于方案A。

5.2 高可用性方案B與高精度方案C的對比

1)相同點。兩種方案都具有一定的容錯能力；燃油計算機的工作方式相同。

2)區(qū)別。方案C在方案B的基礎(chǔ)上增加了余度，即在每個計算出來的傳感器安裝位置上放置兩根傳感器。

方案C的容錯能力比方案B強，可以完全消除單點故障的影響，即單點故障時，系統(tǒng)的測量精度不會受到影響。這是方案B做不到的。

5.3 高精度方案C與高可信性方案D的對比

1)相同點。傳感器采用余度設(shè)計，即每個位置放置兩根傳感器；燃油計算機的工作模式相同。

2)區(qū)別?？梢哉J為方案D比方案C增加了一套獨立計算油量的系統(tǒng)，即方案D 有兩套計算油量的系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)使用的信號源不同，采用的硬件與軟件也不同。

方案D可以將“錯誤油量指示”的概率降到最低，而方案C做不到。

6 結(jié)論

1)高基礎(chǔ)可靠性方案適用于對派遣率要求不高，但對成本管控嚴格，力求設(shè)計簡潔、明了的系統(tǒng)；

2)高可用性方案適用于對派遣率要求相對較高，但成本預(yù)算也不多，并追求簡單設(shè)計的系統(tǒng)；

3)高精度方案適用于對精度要求高，愿意犧牲成本以換取系統(tǒng)精度的設(shè)計；

4)高可信性方案適用于對油量數(shù)據(jù)正確性要求高，成本預(yù)算較多的系統(tǒng)設(shè)計。

上述4種方案均有各自的優(yōu)缺點和針對性，在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)飛機和系統(tǒng)的要求，確定最合適的設(shè)計方案。

[1] Airlines electronic engineering committee. Guidance for the design and installation of fuel quantity systems[R].ARINC 611-1 Aeronautical radio, INC, 1999

[2] Roy Langton, Chuck Clark, Martin Hewitt etc.Aircraft Fuel system[M]. John Wiley and Sons, Ltd, Publication,2009

[3] R M Tookey, M G Spicer and D J Diston.Integrated Design and Analysis of an Aircraft Fuel System[R]. NATO-AGARD MP-089-14,BAE SYSTEMS Warton Aerodrome Preston, United Kingdom,2002

[4] United States patent US6006604.Probe placement using genetic algorithm analysis.Luis Carlos Rabelo,1999.10

[5] Radoslaw R，Zakrzewski Goodrich Aerospace. Fuel and Utility Systems Fuel Volume Measurement in Aircraft Using Neural Networks. 0-7803-7044-9,2001 IEEE

[6] GJB 5099—2002飛機數(shù)字式油量測量系統(tǒng)通用規(guī)范.國防工業(yè)技術(shù)委員會,2002

[7] GJB 1003A—2006飛機燃油系統(tǒng)通用規(guī)范.國防工業(yè)技術(shù)委員會,2006

[8] 關(guān)麗，陳行祿.飛機油量傳感器布局設(shè)計的CAD方法的研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1997, 23(6)

[9] 袁梅，吳昊，張建.采用CAD技術(shù)對飛機燃油測量進行姿態(tài)誤差修正[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002, 28(1)：119-121

[10] 王向楊.飛機燃油測量方法研究及傳感器優(yōu)化布局[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2004

[11] 劉建民,莊達民.飛機油量測量傳感器的尋優(yōu)布置[J].飛機設(shè)計, 2001(3)

[12] 段福寬，揭裕文，許應(yīng)虎，等.飛機燃油系統(tǒng)油量計算與誤差分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005, 37(6)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.11