民用飛機油量測量系統(tǒng)電氣設(shè)計分析

李慶南 宋歌 何特

（上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

民用飛機油量測量系統(tǒng)電氣設(shè)計分析

李慶南 宋歌 何特

（上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

油量測量系統(tǒng)是民用飛機燃油系統(tǒng)的重要組成部分之一，其主要由1個燃油油量計算機（FQC）、1個或2個溫度傳感器、2套或4套燃油箱傳感器電纜組件、若干個低油面?zhèn)鞲衅?、若干個補償傳感器和幾十個油量測量傳感器組成。本文從燃油油量測量系統(tǒng)適航符合性方面為出發(fā)點，對電氣相關(guān)的適航條款進(jìn)行了符合性分析，并通過理論分析和試驗計算的方法來驗證油量測量系統(tǒng)的電氣設(shè)計滿足適航安全性的要求。

燃油油量計算機 油量測量系統(tǒng) 點火源 閃電間接效應(yīng)

1 概述

民用飛機通常采用數(shù)字式的油量測量與指示系統(tǒng)。在左、右燃油箱內(nèi)裝有若干燃油油量傳感器，此傳感器感受油箱內(nèi)的油面變化，并向FQC提供電信號。在每個油箱內(nèi)各裝有一個到兩個油量補償傳感器，向FQC提供油量補償?shù)碾娦盘?，補償燃油介電常數(shù)的變化，以提高油量測量的精度。

FQC接收到來自各油箱油量測量傳感器、補償器、低油面?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器的輸入信號并進(jìn)行處理，計算各油箱燃油的重量和機上燃油總重量等。通過數(shù)據(jù)總線，以數(shù)字形式傳送至指示記錄系統(tǒng)，并實時地在駕駛艙簡圖頁顯示燃油總量和平衡度，且適合地顯示告警信息。同時，在壓力加油/抽油控制面板上的燃油量指示器也可顯示燃油總量等參數(shù)，以指示飛機的燃油量和加油油量。FQC也輸出每個油箱的低油面告警和高油面告警離散信號。

2 油量測量系統(tǒng)電氣設(shè)計分析

主流民用飛機油量測量系統(tǒng)采用電容感應(yīng)式傳感器的作為油量測量的敏感器件。下面以某機型的燃油油量測量系統(tǒng)為例，對其電氣線路設(shè)計進(jìn)行分析。

2.1 油量測量系統(tǒng)電氣設(shè)計考慮

根據(jù)AC25.981-1C中設(shè)計指南［1］，即本文中的2.2節(jié)，燃油測量系統(tǒng)電氣線路設(shè)計應(yīng)考慮以下要求：（1）要求與飛機其它系統(tǒng)的電纜和電路隔離，并屏蔽；（2）具有閃電防護(hù)、高強度輻射場（HIRF）防護(hù)以及抗電磁干擾（EMI）的能力；（3）安裝瞬態(tài)抑制裝置，阻止電能進(jìn)入油箱；（4）進(jìn)入燃油箱內(nèi)的電氣線路上不能有死接頭。

2.2 油量測量系統(tǒng)電氣設(shè)計

2.2.1 屏蔽隔離

油量測量線路需考慮由閃電、HIRF、EMI等所產(chǎn)生的瞬態(tài)效應(yīng)影響，同時還需考慮到油量測量電纜組件可能會導(dǎo)致潛在故障的原因，如腐蝕、破損、老化等。值得注意的是閃電、HIRF、EMI等惡劣環(huán)境所產(chǎn)生的效應(yīng)可能會引起電弧、電火花等點火源。因此，需要分析并驗證油量測量線路的閃電、HIRF、EMI的屏蔽保護(hù)特性。民用飛機油量測量系統(tǒng)的電氣線路通常采用通常采用雙重屏蔽。

在敷設(shè)設(shè)計中，需將燃油油量測量系統(tǒng)的線纜與飛機上其它系統(tǒng)（如飛控系統(tǒng)）的線纜隔離開，并且隔離距離必須滿足2inch以上［2］。而且在燃油箱內(nèi)的電纜組件沒有使用死接頭，電纜與油箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)件需完全按照電搭接的要求來處理，搭接電阻小于2.5mΩ。

2.2.2 閃電間接效應(yīng)分析

圖1 油量測量傳感器電路模型

假設(shè)閃電間接效應(yīng)的概率為100%，全機閃電間接效應(yīng)試驗是將油量測量線路斷開（FQC與燃油箱傳感器線路斷開），對典型的測試點進(jìn)行感應(yīng)電壓和電流的測量。

假設(shè)某個油量傳感器的感應(yīng)端連接到FQC上的D孔，而所有油量傳感器的正極是由T孔輸出參考電壓的，則閃電間接效應(yīng)試驗中油量測量傳感器的線路可簡化為圖1所示，并做出如下假設(shè)：

（1）飛機本體為理想導(dǎo)體，并且感應(yīng)電動勢相等；（2）FQC設(shè)備的接地與飛機結(jié)構(gòu)地相同。

試驗中，測試數(shù)據(jù)感應(yīng)電壓最大峰值為20mV，而實際電壓是測量電壓100倍，即在閃電間接效應(yīng)下油量測量傳感器的開路電壓為2V［2］。

假設(shè)油量測量傳感器端口間的電壓曲線函數(shù)為 （）V t；

而傳感器的容抗為

其中ω電容的頻率，C為電容的容量。

由歐姆定律可知，油量測量傳感器的電流為

將公式1代入公式2中，可得

在計算過程中， （）V t取開路電壓，ω取最高頻率，便可算出油量傳感器上電流的最大值。

假設(shè)閃電間接效應(yīng)感應(yīng)電流能量的頻率大部分集中在20MHz以內(nèi)，即ω為20MHz；假設(shè)油量測量傳感器電容最大值為75pF。將開路電壓、頻率和電容容量代入公式3，可知單個傳感器上的最大感應(yīng)電流為

假設(shè)連接到FQC上單側(cè)燃油箱內(nèi)有15個油量測量傳感器，則15個油量測量傳感器的總電流為15×3=45mA。由于計算過程中，開路電壓取最大值，而實際油量測量傳感器的電壓則比最大開路電壓要小。此外，隨頻率升高電容傳感器的容抗減小，所以油量測量傳感器線路上的閃電間接效應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流應(yīng)小于45mA，小于AC25.981-1C中提到125mA。從而驗證了油量測量傳感器線路上閃電間接效應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流滿足AC25.981-1C中的要求。

3 結(jié)語

油量測量系統(tǒng)電氣線路的設(shè)計需要嚴(yán)格滿足燃油箱點火源防護(hù)的要求。對線路敷設(shè)、屏蔽、隔離以及電搭接方面進(jìn)行嚴(yán)格縝密的設(shè)計，并且需驗證閃電間接效應(yīng)。本文通過一系列的假設(shè)，建立等效模型來計算分油量測量傳感器線路是否滿足要求。

本文不足之處是未能提供相關(guān)數(shù)據(jù)和計算分析來驗證閃電直接效應(yīng)的影響。并且除了屏蔽方法外，或許還有更好抑制短路電流和閃電感應(yīng)電流的方法，如在油量測量傳感器電纜組件上加裝瞬態(tài)抑制設(shè)備等。

［1］Advisory Circular 25.981-1C：Fuel Tank Ignition Source Prevention Guidelines，Sep.19，2008.

［2］陳卓，李慶南.民用飛機燃油箱固有安全線路設(shè)計的研究［J］.航空制造技術(shù)，2014（4）：66-68.