海军航空仪表的发展动向与分析*

王 旭

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)



海军航空仪表的发展动向与分析*

王 旭

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)

航空仪表是飞行员操纵飞机执行作战任务的核心部件,航空仪表的显示和控制不仅反映飞机的综合设计制造水平,更是飞机战斗力的集中反映,对飞行任务、作战使命的完成起到至关重要的作用。论文就航空仪表、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨。

航空仪表; 发展分析

Class Number TN97

1 引言

航空仪表是飞行员操纵飞机执行作战任务的核心部件,航空仪表的显示和控制不仅反映飞机的综合设计制造水平,更是飞机战斗力的集中反映,对飞行任务、作战使命的完成起到至关重要的作用。本文就航空仪表、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 航空仪表

航空仪表主要用来测量航空器的运动状态,以及航空器中动力装置的工作状态,有的航空仪表还能自动调节航空器的运动参数,甚至辅助飞行员操纵航空器等[2]。

航空仪表主要分为飞行仪表、导航仪表、发动机仪表和系统状态仪表。

2.1 飞行仪表

飞行仪表是指示飞行器在飞行中的运动参数(包括线运动和角运动)的仪表,驾驶员凭借这类仪表能够正确地驾驶飞机。这类仪表主要有:利用大气特性的各种气压式仪表、利用陀螺特性的各种陀螺仪表和利用物体惯性的加速度(过载)仪表等。

2.2 导航仪表

导航仪表是用于显示飞行器相对于地球或其他天体的位置,为飞行员或飞行控制系统提供使飞行器按规定航线飞向预定目标所需要的信息。定位和定向是导航中的两大问题。导航仪表包括导航时钟、各种航向仪表和各类导航系统。导航系统按工作原理分为:航位推算导航系统、无线电导航系统、天文导航系统、卫星导航系统,以及它们有机结合、互相校正的组合导航系统(见飞机导航系统)。航位推算导航系统按原始信息的性质又分为:利用真实空速推算的自动领航仪、利用地速推算的多普勒导航系统和利用加速度推算的惯性导航系统。

2.3 发动机仪表

发动机仪表是用来检查和了解发动机工作状态的仪表,主要有温度表,转速表,油量、耗量表、压力表,压力比率表。

1) 温度表。发动机上测量温度,不仅是为了调节发动机性能,也为了保证安全。如润滑油的温度,能反映出发动机润滑系统的工作状况,也用以检查发动机部件是否存在过热等情况,以防止发动机因部件过热损坏而造成故障。

温度表主要有两种类型:一是电阻式温度表。这种温度表使用金属导体(如铂、铜、镍等)作感温元件;二是热电式温度表。这种温度表采用热电偶作感温元件。它是利用材料的热电效应,将被测温度转换成相应的电势。由连接导线送入指示器,直接指示出被测温度值。

2) 转速表。转速表是用以测量发动机主轴的旋转速度(转/分),目前飞机上主要采用磁转速表,利用光电、磁电转换原理的数字式转速表。

3) 油量、耗量表。油量表用以测量飞机油箱中的储油(滑油、燃油等)量,常用储油的体积或重量作单位。目前,测量油量的方法主要是浮子式油量表和电容式油量表两种:

电容式油量表属电气式测量装置,性能比浮子式好。不论是浮子式还是电容式油量表,都是通过感受油箱中油面高低来间接测量油量的。即使油量不变,但飞机姿态变化时,因油面随之倾斜,也将造成油量测量的误差即姿态误差。但电容传感器属细长结构,可以在一个油箱的不同部位同时安装传感器测量油面的平均高度所以电容式泊量表的姿态误差小于浮子式。

燃油耗量表指示飞机上燃油的消耗量。即单位时间内消耗的燃油数量,它可以用消耗的质量也可用体积表示。直接测量质量消耗量的耗量表虽然结构比较复杂,但精度高,而且精度不受环境温度等条件的影响己在某些飞机上得到应用。

4) 压力表。测量液体和气体压力的仪表。主要有燃油压力表、滑油压力表、进气压力表等。目前除进气压力表为机械式外,均采用电动机械式。电动机械式压力表的指示器类同于浮子式油量表指示器,而传感器中也只是将浮子代换为感受压力的膜盒。当被测压力改变时,膜盒随之膨胀和收缩而产生位移,通过机械传动装置带动电刷沿电位计滑动。

5) 压力比率表。发动机产生的功率或推力是一个要准确地了解和控制的重要参数。但影响功率或推力的因素很多,难以实现直接的、准确的测量。为了提高推力估计的准确度和充分发挥发动机的性能,可采用测量喷气发动机的进气总压和喷气总压之比的压力比计。根据压力比计的示值,不仅能比较准确地估计发动机所产生的推力而且能方便地进行调整和控制。

2.4 系统状态仪表

系统状态仪表主要包括:陀螺仪表、飞行高度与速度的测量仪表。

1) 陀螺仪表。陀螺仪表是测量飞机的姿态角、航向角和角速度,因而成为飞机飞行的重要仪表。飞机的姿态角是指俯仰角和倾斜角。假如飞机上有一个地平面基准,当飞机抬头或低头时,飞机纵轴与这个地平面之间的夹角就是飞机的俯仰角。当飞机绕纵轴向左或向右转动时,飞机纵向对称平面绕纵轴转过的角度就是飞机的倾斜角。

2) 高度测量仪表。测量飞机的飞行高度均采用间接方法。就是通过测量与高度有单值函数关系,又便于准确测量的另一物理量,而间接得到高度的数值。根据所选用的物理量及对物理测量的方法不同,形成了不同的高度测量装置。目前在飞机上用得比较多的是气压式高度表和无线电高度表:

气压式高度表是根据大气层的组成及特点(空气的静压力Ps在地面上最大,随着高度增加呈指熟规律减小),通过测量气压Ps,间接测量高度。

无线电高度表是利用无线电波的反射。飞机上装有无线电台发射机和发射接收天线。测量时,发射机经发射天线同时向地面和接收机发射同一无线电波,接收机将先后接收到由发射机直接来的电波和经地面反射后的回波,两束电波存在有时间差。如果电波在传送过程中没有受到干扰,时间差正比于被测的高度。测量出时间差,高度也就知道了。

3) 速度测量仪表。速度测量仪表主要包括:飞行速度表征、压力式速度表、升降速度表。

(1)飞行速度表征飞机飞行的快慢,是一个重要的飞行参数,飞机速度包括真空速、指示空速、地速、升降速度、马赫数。

· 真空速:飞机相对于空气的运动速度;

· 指示空速:指示空速测量的不是速度而是气流总静压力差。指示空速表是防止飞机低速失速,保证飞行安全的一个仪表;

· 地速:飞机相对地面运动速度的水平分量;

· 升降速度:指飞机相对地面运动速度的垂直分量,即飞机沿地垂线的上升、下降速度;

· 马赫数:又叫M数,定义为空速与飞机所在位置上音速之比。这是一个无量纲参数,用来描述高速飞机的飞行速度。

(2)压力式速度表。压力式测飞行速度的原理是基于著名的伯努里定律。由该定律导出的空气动力方程表明,飞机的指示空速与气流的总静压力差成正比。飞行马赫数的大小取决于气流的总压和静压;而真空速则是气流的总压、静压和飞机所处空气温度的函数。因此,测量这些参数,经过相应的解算,即可得到对应的速度数值。

(3)升降速度表。升降速度表又叫垂直速度表,用以测量飞机上升和下降的垂直速度即飞机的高度变化率。测量升降速度常用的方法是在飞行高度测量装置中,增加一个微分装置或一个压力延迟部件。升降速度测量装置的指示能同时反映升降速度的大小和升降方向。

3 发展动向

1) 诺斯罗普·格鲁曼公司推出新型仪表试飞机。美国《每日防务》2001年4月16日报道:诺斯罗普·格鲁曼公司研制了Proteus的新型高空试验平台飞机。该机可用于无人机(UAV)和其他的先进技术试飞项目中具有多种功用[3]。

Proteus总有效载荷5800磅,电源输出功率19kW,可以增加到30kW。该飞机机内安装了大气科学传感器、水平线上自动驾驶仪技术(over-the-horizon autopilot technologies)、空中摄像设备和近实时有效载荷通信仪表。

2) 韩国购买F-15K战斗机装备的空战机动仪表系统。美国《每日航宇》2004年10月12日报道:BVR系统公司10月11日称,波音公司已将一项价值150万美元的合同授予BVR系统公司。按照合同,BVR公司负责将EHUD空战机动仪表(ACMI)系统综合进波音公司将向韩国空军提供的F-15K飞机上[4]。

VBR公司将在韩国为EHUD ACMI系统提供综合、硬件升级和软件等,以支持F-15K战斗机的先进能力和特点。这种EHUD ACMI系统是一种具有现代化的飞行后汇报能力的机上自主式安全和训练装置,该系统增强了战斗机驾驶员对于多种任务的机上训练,是一种十分有效的空-空和空-地任务的训练和汇报系统。该系统的安全特性包括规则违反库以及地面防撞声音告警等。

3) IS&S公司获C-130T动力装置仪表显示系统合同。据美国《航空电子》网站2009年10月15日报道:位于宾夕法尼亚艾克斯顿的IS&S公司近日从BAE系统公司获得一份为美国海军C-130T飞机集成安装发动机仪表显示系统(EIDS)的合同,按照该合同,BAE系统公司将在两年内安装IS&S公司生产的EIDS[5]。

4) 以色列埃尔比特系统公司向亚洲客户提供EHUD空战机动仪表系统。英国谢泼德集团网站2010年12月29日报道:以色列埃尔比特系统公司宣布,该公司获得一份总价接近1800万美元的合同,为亚洲一国空军提供EHUD空战机动仪表(ACMI)系统。此项合同作为一项后续订单,需要提供两个额外的全系统(静态和机动),以用于实时自动空对空/空对地作战训练和任务报告。该新系统将与现在客户正在使用的埃尔比特系统公司训练系统形成互用性。此项合同将在今后两年得到执行[6]。

5) 奎托斯公司接到900万美元电子战、导弹和雷达系统产品订单。据GLOBE NEWSWIRE网站2014年12月29日报道:奎托斯国防和安全策略公司——一家领先的国家安全解决方案供应商宣布,该公司电子产品事业部(KEPD)接到一个价值900万美元的电子战、导弹和雷达系统订单,其中包括特殊包装和先进的集成微波组件。KEPD是微波、射频子系统、组件、雷达仪器仪表、电子战模拟器和飞行系统设计、制造和包装行业的领导者。KEPD产品支持美国及其盟国最先进的雷达、导弹、电子战、情报、无人机监测和侦察系统。根据合同条款,产品将在KEPD的安全生产线上制造[7]。

6) 先进光子公司(API)获得F-35扫描仪合同。据Manufacturing Group网站2015年1月16日报道:API全资子公司Picometrix LLC是一家光电传感器、器件和仪表的供应商,其市场包括测试、工艺控制、医疗、电信和国土安全。日前其获得一份来自美国空军的政府开发合同,价值140万美元,任务是开发手持太赫兹测量系统,辅助F-35战斗机的装配和维修[8]。

2010年该公司曾获得该用途的第二阶段合同,在这个合同中要求公司开发和验证扫描仪原型机。这次签署的合同将进一步开发政府潜在用途的产品。公司预计,这项合同完成后,项目开发的T-Ray 5000手持扫描仪系统将被用于改进制造效率和减少维修成本。

API公司总裁兼CEO称,美国国防部对API的T-Ray仪器开发的继续支持是该产品高质量和高价值的最好证明。这种手持扫描仪将成为无损检测解决方案的补充。

API太赫兹手持扫描仪是基于公司15年来在太赫兹技术领域不懈努力的成果。公司在太赫兹技术领域的先进性包括:2000年开发出世界上第一个民用太赫兹系统;2006年开发出第一个小型化转键系统;2011年首先工业在线应用;2014年在特殊危险地方鉴定的太赫兹系统等。

7) 美陆军耗资2.42亿美元采办22架新型UH-60M黑鹰直升机。美国军事航空航天与电子学网站2015年3月4日报道:3月2日,美陆军合同司令部宣布授予美国西科斯基飞机公司一份价值约2.42亿美元的采办合同,用于采办22架最新型的UH-60M“黑鹰”通用直升机。该直升机不仅装备了升级型双发动机和改进型旋翼桨叶,而且集成了美陆军的未来战斗系统和飞机安全自动监控系统,可执行武装侦察、人员运输、医疗后送和搜救任务,并为应急行动提供支撑[9]。

UH-60M黑鹰直升机装备了最先进的电子设备、飞行控制和导航控制系统。UH-60M黑鹰直升机的驾驶舱装备多功能显示器、飞行管理系统,和与自动驾驶相匹配的现代化的飞行控制计算机,装备了可记录飞行数据和驾驶舱语音的飞行安全管理系统和嵌入GPS的惯性导航系统,改进型数据调制解调器和平视显示器,更紧凑的仪表控制板使得飞行员有更大的飞行视野。

最新型的UH-60M黑鹰直升机不仅可携带更多的负载、飞行更远的距离,而且具有更好的操控性能和态势感知能力。该直升机具备主动式振动控制能力,其耐受性和可生产能力都得到了进一步改进。在无补给情况下,UH-60M黑鹰直升机可在4.6km高空,以时速280km/h持续飞行约510km。

4 发展分析

海军航空仪表的发展趋势:人机一体化、综合化和智能化[9]。

1) 人机一体化。飞行器仪表与各种控制器一起形成人机接口,使飞行人员能按飞行计划操纵飞行器。

2) 综合化。综合化主要包括:传感器综合化和显示器综合化。

· 传感器综合化。一是把不同而功用类似的几个传感器组合在一起,以达到互相校正和提高仪表性能的目的;二是把少量公用的原始信息传感器集中起来,通过计算机计算,输出为数众多的不同的信号。

· 显示器综合化。显示器综合化是把有关的参数集中在一个显示器内显示,这样做不仅能有效地减少仪表数量、减轻仪表板的拥挤程度、减轻飞行员的目视负担,而且还能得到用单一参数指示器所不能得到的有用信息。

3) 智能化。智能化就是利用先进的数字电子技术,并以微型计算机和多路传输数据总线为纽带,把传感器、显示器、控制器与飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等有机地交联在一起,以实现飞行器各系统之间的智能化,并采用完善的自检和故障监控、故障告警手段,提高信息测量的精度和可靠性。

5 结语

随着海军航空仪表向着人机一体化、综合化和智能化的高度发展,其技术越来越成熟,其性能更加可靠,在未来现代化战争或局部战争中,必将有助于战场的取胜效率[10]。

[1] 黄保华,侯宏录.机载仪表图像边缘检测算法的优化[J].光学仪器,2007,29(3):5-8.

[2] 宁志刚,汪仁煌,张艳玲.高精度仪表自动判读技术研究[J].光电工程,2006,33(6):90-96.

[3] 诺斯罗普·格鲁曼公司推出新型仪表试飞机[N].每日防务快讯,2001-05-08.

[4] 韩国购买F-15K战斗机装备的空战机动仪表系统[N].每日防务快讯,2004-10-14.

[5] IS&S公司获C-130T动力装置仪表显示系统合同[N].每日防务快讯,2009-10-21.

[6] 以色列埃尔比特系统公司向亚洲客户提供EHUD空战机动仪表系统[N].每日防务快讯,2011-01-17.

[7] 奎托斯公司接到900万美元电子战、导弹和雷达系统产品订单[N].每日防务快讯,2015-01-12.

[8] 先进光子公司(API)获得F-35扫描仪合同[N].每日防务快讯,2015-01-29.

[9] 美陆军耗资2.42亿美元采办22架新型UH-60M黑鹰直升机[N].每日防务快讯,2015-03-11.

[10] 孙亚伟,黄家成,元洪波.采用DSP处理器的甚高频全向信标/仪表着陆系统标准信号源[J].电光与控制,2009,16(7):92-96.

Development Trends and Analysis of Naval Aviation Instrument

WANG Xu

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Aviation instrument is a core component of pilot aircraft combat missions, display and control of aviation instrument not only reflect the level of comprehensive design of aircraft manufacturing, but also is the concentrated reflection of combat effectiveness of aircraft, and plays a crucial role in the flight mission and mission to combat. In this paper, aircraft instruments, development trend, development analysis are further studied and discussed.

aircraft instruments, development analysis

2014年12月9日,

2015年1月23日

王旭,男,硕士,工程师,研究方向:无线电通信。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.007