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从空速管到嵌入式大气数据传感系统

日期:2020-05-30 00:21
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摘要:在二代战斗机上我们经常看到机头伸出一支长长的管子,比如苏联米格21和我国的歼7、歼8系列。即便到了三代战机时代,如歼11、歼10A以及f16的某些型号上,依然可以在机头看到这根管子。看起来和空中加油接口很像,但实际上这是用来测量飞行速度的空速管。它由法国人亨利·皮托发明,所以也叫皮托管。 利用空速管前面的开孔,可以测得飞机飞行时的大气动压。再利用空速管侧面或是机身上的静压孔得到压力差,结合温度等数据就可以换算出飞行速度。因为飞行时机头处会产生湍流影响测量结果,空速管往往造得很长以远离湍流区域,机头的这个位置是受飞机自身气流影响*小的地方。 嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing, FADS)就是这样一种装置。不管是机头还是机身空速管,都安装在平行于飞行方向的角度上,而FADS依靠机身表面微小的引气管和数学模型就可以推算出气动参数,取消了凸起在机身表面的结构。

空速管到嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing, FADS)

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   在二代战斗机上我们经常看到机头伸出一支长长的管子,比如苏联米格21。即便到了三代战机时代,F16的某些型号上,依然可以在机头看到这根管子。看起来和空中加油接口很像,但实际上这是用来测量飞行高度和速度的空速管。它由法国人亨利·皮托发明,所以也叫皮托管。

利用空速管前面的开孔,可以测得飞机飞行时的大气总压Pt。再利用空速管侧面或是机身上的静压孔得到压力差,结合温度等数据就可以换算出飞行速度。因为飞行时机头处会产生湍流影响测量结果,空速管往往造得很长以远离湍流区域,机头的这个位置是受飞机自身气流影响*小的地方。

然而将空速管安在机头也会带来很多弊端,长长的空速管会严重影响飞机的气动布局,在飞机做出大迎角机动的时候尤为明显,这根金属杆对提高飞机隐身性能同样也是巨大的障碍。*大的麻烦是空速管会影响机头处雷达的工作,一方面它会反射雷达信号,对此常见的处理办法是在空速管后方布置吸波材料,但这样一来又会在雷达上制造一小块盲区;另一方面空速管产生的应力容易造成雷达罩变形,提高了雷达罩设计和生产的难度。所以各类飞机都在想法取消机头空速管,*常用的办法是使用L型的机身空速管代替。

机身空速管容易受飞机自身气流影响,所以要多安装几个,再结合攻角传感器侧滑角传感器补充数据互相修正。当然更重要的解是要在设计阶段通过大量的风洞和试飞数据,计算出机身气压和迎角、侧滑角之间的关系。所以我们仍然可以在验证机、试飞机上看到机头空速管。而且这根空速管往往还要更大更复杂一些,这就是为了采集数据。X20战斗机在试飞时曾被拍到过多张带有机首空速管的照片,而后来取消了机头空速管则意味着空气动力数据已经采集完毕。

机身空速管可以避免机头空速管的诸多弊端,技术难度也要高一些。然而对于第四代隐身战斗机来说,即便是机身空速管这样小小的金属凸起,也会影响好不容易降下来的雷达反射截面,在超音速巡航时也会造成额外的阻力,能不能把外露的结构全都取消呢?


空速管发展趋势之一:嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data System FADS)

 

  


   嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing, FADS)就是这样一种装置。不管是机头还是机身空速管,都安装在平行于飞行方向的角度上,而FADS依靠机身表面微小的引气管和数学模型就可以推算出气动参数,取消了凸起在机身表面的结构。

  美国在60年代就开始了嵌入式大气数据传感系统的研究,当时的X-15火箭飞机*高速度接近7倍音速,空速管影响太大。然而当年电子技术不发达,需要在机身上安装大量机械设备采集和计算数据,非常不实用。到90年代,美国在F/A-***迎角验证机项目机(High Alpha Research Vehicle,HARV)中再次提出大气数据实时预估的想法,当时主要想解决战斗机大攻角机动时的大气数据测量问题。等到FADS系统成熟后,开始逐渐应用在B-2、F-22、F-35等隐身飞机和X-33、X-34等高速验证机上。继美国之后,日本与德国也在20世纪末开发出嵌入式大气数据传感系统FADS。

   嵌入式大气数据传感系统 (FADS) 是利用飞行状态与飞行器表面分布之间的关系进行大气数据测量的, 在飞行器前端 (或机翼) 不同位置上布置一系列测压孔, 通过测压孔将气流经引气管路引入位于飞行器内部的压。

嵌入式大气数据传感系统的硬件结构包括:测压孔、引气管路、精密压力传感器、温传感器以及信号处理器。系统工作时,气流通过引气管路将各路压力信号传给高精度压力传感器,由各传感器实现不同位置压力测量,配合温度动态分布*后通过特定算法解算出大气参数。

  空速管可以直接测量大气流速,而FADS系统则要通过测压孔采集的压强推断大气流速。通常需要一个气动模型来建立表面压强和速度、迎角等数据之间的联系,这个模型能够在较大的马赫数范围内得出有效解,同时求解过程要足够简单,以便数据处理系统实时求解大气数据参数。为了求解空气动力学方程组,至少布置5个以上采集点才能计算出攻角AOA、侧滑角AOS、动压Qc和静压Ps、校准参数这个五个基本大气参数。为了提高**度和冗余度,可以增加采集点,但是太多采集点也会增加系统复杂度。

  从空速管到嵌入式大气数据传感系统FADS的技术难度包括开发能够承受各种环境的精密压力传感器,测压孔布局、气动模型的求解方法,这些算法需要采集大量的实验数据来构建模型。由于数据误差将会严重影响飞行安全,为了保障安全常见的做法包括采用双压力传感器、增加测压孔数量。

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