民用運輸類飛機指示空速和當(dāng)量空速對飛機系統(tǒng)影響分析

張琛

摘 要：空速系統(tǒng)設(shè)計是民用運輸類飛機大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，對飛機的安全性有至關(guān)重要的影響作用。該文簡要介紹了幾個重要的飛機速度參數(shù)，如指示空速、當(dāng)量空速，真空速，地速，馬赫數(shù)等，并詳細(xì)介紹了各個速度的定義，比較了其區(qū)別。同時，該文以現(xiàn)代民用運輸類飛機大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般架構(gòu)為例，分析了在設(shè)計過程中若使用當(dāng)量空速代替指示空速輸出給交聯(lián)的機載系統(tǒng)，分別產(chǎn)生的影響，對于指導(dǎo)民用運輸類飛機大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：民用運輸類飛機 大氣數(shù)據(jù) 指示空速 當(dāng)量空速 真空速

中圖分類號：V241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0112-02

在民用運輸類飛機的飛行過程中，空速、高度、垂直速度等大氣數(shù)據(jù)參數(shù)至關(guān)重要，不僅直接影響駕駛艙飛行員對飛行狀態(tài)的認(rèn)知和對飛機的操縱，也影響到相關(guān)機載系統(tǒng)的功能/性能計算，尤其現(xiàn)代飛機廣泛采用電傳飛控和自動駕駛儀，其會影響飛機整機功能正常和安全性。

飛機的飛行速度指向氣流方向，而氣動力與速度的平方成正比，因此速度是飛行力學(xué)中一個很重要的變量。飛機是在特定的速度下進(jìn)行起飛、爬升、巡航、進(jìn)近和著陸，不同的速度表示的意義是不同的，如指示空速（IAS）、當(dāng)量空速（EAS）、真空速（TAS）、地速（GS），馬赫數(shù)（M）等。這些參數(shù)不能直接被機載傳感器測量得到，而是通過飛機上安裝的大氣數(shù)據(jù)傳感器測量飛機周圍的大氣壓力（全壓和靜壓）等信息，根據(jù)特殊的計算公式在大氣數(shù)據(jù)計算機中計算得到，并轉(zhuǎn)成電信號，輸出給駕駛艙顯示系統(tǒng)，以及其它交聯(lián)機載系統(tǒng)。

1 各種速度的定義

（1）指示空速，Indicated Airspeed（IAS）， 這個速度參數(shù)是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測量出來的外部動態(tài)氣壓顯示的速度值，即飛機和空氣相撞的速度，直接顯示在駕駛艙空速顯示器上。通過靜壓源位置誤差修正以后得到的指示空速又叫校準(zhǔn)空速（CAS），提高了精度。

VIAS2=2×q/ρ（q是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測量出來的空氣動壓，即總壓P0與靜壓Ps之差，ρ是當(dāng)前高度的大氣密度）。

（2）真空速，True Airspeed（TAS），即飛機事實上在空氣中移動的速度，也就是經(jīng)氣壓換算成海平面高度的指示空速。

TAS=IAS×（T+絕對溫度×P0）/（T0+絕對溫度×P），T0和P0分別是標(biāo)準(zhǔn)海平面的大氣壓和溫度值

（3）當(dāng)量空速，Equivalent Airspeed（EAS），由于不同高度的空氣密度是不同的，所以以海平面空氣密度ρ0為標(biāo)準(zhǔn)就得出EAS當(dāng)量空速。因為這里ρ0是固定的，所以EAS只跟動壓q有關(guān)。飛機機體結(jié)構(gòu)強度限制基本上只受空氣壓力的影響，因此飛機機體強度限制速度用EAS來表征。

EAS=[TAS2/（（ρ0/ρ）×（T/T0））]0.5，ρ0和T0是標(biāo)準(zhǔn)海平面的空氣密度和標(biāo)準(zhǔn)溫度。

根據(jù)這個公式，在飛機爬升的時候，空氣密度ρ變小，TAS增加；周圍溫度下降，TAS下降。一般可以用每增加1000英尺，IAS就多增加2%來估算TAS。在海平面時，

TAS=IAS=EAS

（4）地速，Ground Speed（GS），實際對地速度，即飛機相對地球表面飛行的速度，無風(fēng)時等于真空速。

（5）馬赫數(shù)，Mach（M），就是真空速與音速的比值，溫度越高，音速越快。因為音速僅僅與溫度有關(guān)，因此M數(shù)類似EAS，主要表征空氣動力學(xué)特征。

M=TAS/（39*（273+SAT）0.5）， SAT是指周圍靜止空氣的溫度。

2 現(xiàn)代大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及交聯(lián)系統(tǒng)一般架構(gòu)

在現(xiàn)在民用運輸類飛機設(shè)計中，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般包括全壓/靜壓傳感器，總溫傳感器，大氣數(shù)據(jù)計算機及連接的全靜壓管路等。其中全壓/靜壓傳感器感受外界大氣壓力，總溫傳感器感受外界大氣溫度，并通過相應(yīng)全靜壓管路及電纜傳導(dǎo)給大氣數(shù)據(jù)計算機（ADC）的壓力感受及計算模塊，按照一定的計算公式和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為指示空速IAS，當(dāng)量空速EAS，真空速TAS，馬赫數(shù)M等，輸出數(shù)字參量給其它機載系統(tǒng)使用，如電子飛行儀表系統(tǒng)EFIS，綜合處理系統(tǒng)IPS，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)IRS，發(fā)動機儀表和機組告警系統(tǒng)EICAS，失速保護(hù)系統(tǒng)SPS，飛行管理系統(tǒng)FMS，飛行控制系統(tǒng)FCS和中央維護(hù)系統(tǒng)CMS等，并把這些信息顯示在主飛行顯示器PFD上。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及交聯(lián)系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

3 使用指示空速和當(dāng)量空速對系統(tǒng)影響分析

在按照適航規(guī)章CCAR25.1323和25.1325進(jìn)行指示空速、氣壓高度校準(zhǔn)過程中，有一種方法是使用局部迎角Local AOA和當(dāng)量空速EAS進(jìn)行靜壓源位置誤差修正，這樣可以忽略高度的影響，得到符合適航法規(guī)要求的校準(zhǔn)空速CAS（即精度提高后的IAS）。由于EAS是IAS在空氣壓縮性修正計算后得到的，因此IAS-CAS這一校準(zhǔn)過程涉及到了變量的反復(fù)迭代，會產(chǎn)生延時和迭代誤差。具體過程如下圖2所示：

由于大氣數(shù)據(jù)計算機ADC經(jīng)過靜壓源位置誤差SSEC校準(zhǔn)后直接得到了準(zhǔn)確的當(dāng)量空速EAS，此參數(shù)可直接通過ARINC429信號發(fā)給所有交聯(lián)系統(tǒng)使用，此時實時性和準(zhǔn)確性較好。EAS和IAS在高度低于10000ft時，兩者值差別不大。但當(dāng)高度高于10000ft時EAS與IAS差異不能忽略，高度越高，速度越大，兩者差別越大。如35000ft，0.82M時，EAS比CAS小15knot左右，不容小視。就此情況下，對各機載系統(tǒng)的影響初步分析如下：

主飛控系統(tǒng)：飛控基本控制率使用的速度是IAS，且空置率的增益隨著IAS的增大而減小。在試飛過程中，若控制律的輸入是當(dāng)量速度，則輸出的控制律增益將大于設(shè)計值，從而使得實際的舵面偏度大于設(shè)計值，因此有可能超出舵面載荷限制的極限偏度，帶來安全隱患。

高升力系統(tǒng)：襟縫翼的標(biāo)牌速度使用的是IAS。放襟翼最大高度為20000ft，因此若高升力系統(tǒng)的速度輸入為EAS，則有可能出現(xiàn)在大于標(biāo)牌速度的情況下進(jìn)行襟/縫翼收放，帶來安全隱患。

導(dǎo)航系統(tǒng)：PFD上顯示的是IAS，地形提示與告警系統(tǒng)（TAWS）、飛行管理系統(tǒng)（FMS）和氣象雷達(dá)WXR等需要IAS作為輸入，用于各自計算。若該輸入變?yōu)镋AS，則可能導(dǎo)致飛行員參考了錯誤的空速數(shù)據(jù)，TAWS，F(xiàn)MS和WXR等計算也會出現(xiàn)偏差，降低安全裕度。

自動飛行系統(tǒng) （包括失速保護(hù)系統(tǒng)） ：其算法使用的是IAS和TAS。自動飛行控制系統(tǒng)主要使用ADC ARINC429總線的205、206、210三個label作為M數(shù)、IAS和TAS輸入；失速保護(hù)系統(tǒng)主要使用ADC 429總線的206 label作為IAS的輸入。如果這些label實際給出的是EAS，則自動飛行控制系統(tǒng)需要重新進(jìn)行飛行調(diào)參試驗，馬赫數(shù)配平功能也需更新性能參數(shù)。地面當(dāng)IAS達(dá)到80節(jié)若干秒鐘后，失速保護(hù)系統(tǒng)啟動失速保護(hù)功能，因此如果實際使用了EAS，則可能會推遲啟動失速保護(hù)功能。

動力裝置系統(tǒng)：動力裝置系統(tǒng)的推力管理的輸入速度為IAS，空中起動包線的邊界速度也是IAS。在試飛過程中，若使用EAS作為推力管理的輸入，則發(fā)動機實際輸出的推力值將小于設(shè)計值，雖不影響試飛安全，但將影響發(fā)動機性能飛行試驗的有效性。

電源系統(tǒng)：對于電源系統(tǒng)，速度僅與RAT系統(tǒng)的使用有關(guān)。由于RAT系統(tǒng)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度試驗，因此確定的釋放RAT速度應(yīng)不大于EAS的某個值。但由于釋放RAT時，高度均低于10000ft，此時EAS和IAS差異不大，因此對電源系統(tǒng)無影響。

4 結(jié)語

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計是民用運輸類飛機設(shè)計集成的核心組成部分，直接影響到飛機的安全性指標(biāo)。該文簡要介紹了大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)幾個重要速度參數(shù)，主要包括指示空速IAS，當(dāng)量空速EAS，真空速TAS，馬赫數(shù)M等，通過利用EAS和局部迎角進(jìn)行靜壓源位置位差修正得到CAS（即精確的IAS），假設(shè)為保證解算的實時性直接使用EAS輸出給各機載系統(tǒng)，進(jìn)行各機載系統(tǒng)影響分析，各重要機載系統(tǒng)響應(yīng)各異，一些系統(tǒng)功能將不能得到正確執(zhí)行，性能也將降低，總的說來將降低飛機安全裕度，造成安全隱患。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘近曦.飛行力學(xué)中的幾個速度[J].民用飛機設(shè)計與研究，1988（4）：15-18.

[2] 中國民用航空規(guī)章（CCAR 25 R4）.運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

[3] 肖建德.大氣數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[4] 陳子玉.飛機飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.