基于虛擬仿真技術(shù)的全靜壓系統(tǒng)故障演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧國興 羅圣杰 毛羽豐 袁 凌

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院飛行學(xué)院 上海 201600）

0 引言

全靜壓系統(tǒng)又稱空速管系統(tǒng)，用來收集氣流的全壓和靜壓，并把它們輸送給飛行儀表和傳感器。它由全靜壓器及其管路系統(tǒng)組成。全靜壓系統(tǒng)是飛行器儀表的重要系統(tǒng)，很多儀表通過測量全靜壓而工作，如升降速度表，空速表和高度表。

現(xiàn)如今，全靜壓系統(tǒng)是飛機(jī)的重要系統(tǒng)，在波音飛機(jī)上，全靜壓系統(tǒng)的故障，經(jīng)常造成航班延誤或取消，甚至帶來空難。例如曾經(jīng)在1996年10月墜入秘魯萊馬海岸的波音757的事故原因就是靜壓口上粘了一塊膠布，導(dǎo)致靜壓系統(tǒng)阻塞，造成了錯(cuò)誤的空速和高度指示,最終墜毀在太平洋里，事故造成70人遇難。這件事故的主要責(zé)任要?dú)w功于地勤人員的檢查錯(cuò)誤，讓本不應(yīng)該發(fā)生的災(zāi)難變成了現(xiàn)實(shí)，但人難免會(huì)有出錯(cuò)的時(shí)候，因此，飛行員和機(jī)務(wù)人員應(yīng)當(dāng)在飛行中快速準(zhǔn)確分析故障并及時(shí)采取適當(dāng)?shù)男蘩泶胧@樣才能對保障飛機(jī)和乘客的安全和降低維修成本起到至關(guān)重要的作用。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)的全靜壓故障演示系統(tǒng)，將基于LABVIEW軟件，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)在全靜壓系統(tǒng)的不同堵塞情況下，飛機(jī)升降速度表，空速表和高度表的偏轉(zhuǎn)情況(如全壓管堵塞，將會(huì)影響空速表等)，及對以上事故出現(xiàn)的解決方法。并通過相應(yīng)動(dòng)畫將其呈現(xiàn)出來，來讓飛行員以及飛行學(xué)員了解全靜壓系統(tǒng)的故障和解決方案，在飛行中遇到相關(guān)問題可以及時(shí)解決，避免災(zāi)難的發(fā)生，保護(hù)飛行員自己，更是保護(hù)全體乘客。

1 全靜壓系統(tǒng)故障演示系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于虛擬仿真技術(shù)的全靜壓系統(tǒng)故障演示系統(tǒng)，主要分為三個(gè)模塊，即綜合顯示模塊、現(xiàn)象演示模塊、情況處置模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程主要分以下幾個(gè)步驟：見圖1。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程

1.1 綜合顯示模塊

綜合顯示界面主要給出全壓靜壓系統(tǒng)與空速表、垂直速度表、海拔高度表的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖、三塊儀表盤，能夠讓學(xué)員直觀的了解不同的測量系統(tǒng)與儀表的聯(lián)系。并下設(shè)七個(gè)子模塊，分別展示皮托管堵塞、全壓孔堵塞、排水孔堵塞的各種組合情況（共七種）。通過編程軟件的設(shè)計(jì)，使得這一過程能夠充滿交互性。

比如觸發(fā)故障情景1模塊，即全靜壓管堵塞、但排水孔和靜壓孔依然暢通，皮托管顯示堵塞，其余部件顯示暢通。當(dāng)飛機(jī)起飛后、系統(tǒng)顯示沖壓空氣進(jìn)入的動(dòng)態(tài)演示，本文以空速表為例?？账俦硎俏ㄒ煌瑫r(shí)使用全靜壓管和靜壓孔的儀器。飛機(jī)在高空中以某種速度飛行時(shí)，沖壓空氣經(jīng)由全靜壓管并減速進(jìn)入真空隔膜。當(dāng)飛行速度越大，沖壓壓力越大，真空隔膜隨之膨脹。然后通過機(jī)械連接，適當(dāng)?shù)目账贂?huì)顯示在儀器上。

同時(shí)，靜壓孔連接隔膜周圍的外殼，并使其充滿靜壓空氣，靜壓空氣隨著高度的爬升而減少。此時(shí)，將所得的沖壓空氣壓力減去所得的靜態(tài)空氣壓力從而在最終儀表上讀取動(dòng)態(tài)壓力，獲得在不同海拔高度下飛行器的正確空速。

圖2：綜合系統(tǒng)演示界面（以空速表故障情景為例）

1.2 儀表指示模塊

觸發(fā)具體故障情景案件之后，將會(huì)進(jìn)入各個(gè)情景演示及故障處置子模塊。每個(gè)子模塊都涉及高度、空速以及升降整流表這三塊儀表，該界面中各儀表會(huì)根據(jù)當(dāng)前模塊的故意具體情形進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。譬如：

情景一：全靜壓管堵塞，但排水孔和靜壓孔依然暢通?？账俦碜x數(shù)回零。因?yàn)闆_壓空氣無法進(jìn)入皮托管系統(tǒng)，剩余壓力經(jīng)排水管排出系統(tǒng)，導(dǎo)致全壓和靜壓相等，動(dòng)壓指示讀數(shù)此時(shí)為0，如下圖所示。

圖3：故障情景一

圖4：故障情景二

情景二：全靜壓管和排水孔都堵塞，但靜壓孔依然暢通。沖動(dòng)壓力無法從排水孔排出，全壓不變。假設(shè)飛機(jī)處于平飛狀態(tài)時(shí)，靜壓不變，動(dòng)壓不變，空速表數(shù)值不變；假設(shè)飛機(jī)處于爬升狀態(tài)時(shí)，靜壓減少，動(dòng)壓增加，空速表數(shù)值增加；假設(shè)飛機(jī)處于下降狀態(tài)時(shí)，靜壓增加，動(dòng)壓減少，空速表數(shù)值下降，如圖5所示。

圖5：故障情景二對應(yīng)空速表指示情況

其余故障情景的機(jī)理分析、邏輯實(shí)現(xiàn)均同上。

1.3 情況處置模塊

在每個(gè)故障場景中都設(shè)立處置模塊的按鈕，鼠標(biāo)點(diǎn)擊之后，界面將以動(dòng)畫的方式向?qū)W員展示在當(dāng)下情況應(yīng)該如何操作。如當(dāng)排水孔堵塞時(shí)，全壓管加溫的開關(guān)將會(huì)閃爍，提示開啟加溫系統(tǒng)除冰。

2 結(jié)束語

該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于集成度高、仿真度高。模擬實(shí)現(xiàn)全靜壓管、排水孔、靜壓孔所組成的七種不同堵塞情景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了典型大氣數(shù)據(jù)儀表，包括：空速表、氣壓式高度表、垂直升降速度表在全靜壓系統(tǒng)部分、或全局堵塞時(shí)，儀表的指示誤差、對飛行安全的危害以及相應(yīng)解決方案。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)面向模擬飛行訓(xùn)練、航空儀表研發(fā)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。