民用飞机大气数据全静压系统设计研究

龚和 陶建伟

摘 要：全静压系统的设计是民用飞机大气数据系统设计的核心环节，对飞机的安全性有至关重要的影响作用。该文简要介绍了全静压系统设计的流程，主要由气动分析、全静压系统架构设计、确定传感器的安装位置和精度要求、试验验证以及完成全静压系统设计等环节组成。同时，该文详细介绍了两种不同的全静压传感器架构，即基于静压孔和全压探头的传感器架构以及基于全静压探头的传感器架构，并且给出了两种架构的优缺点和适用条件，对于指导民用飞机全静压系统设计具有一定的参考意义。

关键词：民用飞机 大气数据 全静压系统 全压 静压

中图分类号：V226 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0124-02

在民用飞机的飞行过程中，常常需要使用空速、高度、垂直速度等大气数据参数。这些参数往往不能被直接测量得到，而是需要通过测量飞机周围大气压力（包括静压和全压）等信息，并根据特定的关系进行换算得到的。对于飞机静压和总压信息的测量，以及后续的计算过程等，就是由飞机大气数据系统中的全静压系统负责实现的。

全静压系统在计算出飞机的空速、高度、垂直高度等信息后，会发送这些信息供显示、飞控、飞管等系统使用。因为空度、高度等参数的测量直接影响到飞机的飞行安全，所以全静压系统的设计是飞机设计中的非常重要的组成部分。

在传统的飞机设计中，大气数据的仪表是机械式的，如气压高度表，是基于高度升高则大气压力减少的原理，利用真空膜盒测量大气压力的变化，然后通过传动机构和指针指示飞机的飞行高度。而在现代的飞机设计中，大气数据的仪表往往是电动式的，对于气压高度表，则是通过大气数据计算器测量大气压力的变化，并转化成电学的高度信号，供显示系统和其他系统使用。

1 全静压系统设计流程

在现代民用飞机设计中，全静压系统一般包括传感器、全静压管路和大气数据计算机。其中传感器感知全压和静压信息，并通过全静压管路与大气数据计算机相连，大气数据计算机将压力信号转换为数字信号，并按照一定的转换关系转化为空速、高度、垂直速度等大气数据参数。总体上，民用飞机全静压系统的设计流程如图1所示。

1.1 气动分析

气动分析是开展全静压系统设计的基础，一般需要通过CFD（Computational Fluid Dynamics）计算或风洞试验研究飞机不同位置处的气动特性。主要包括研究不同测量位置处的静压和总压测量误差，以及不同测量位置的防冰特性。同时，需要初步确定飞机上有哪些测量点适于安装全静压系统的传感器，这为后续确定全静压系统的架构和传感器设备的安装位置提供了依据。

1.2 全静压系统架构设计

在前期气动分析的基础上，需要确定全静压系统的整体框架。这包括确定全静压系统传感器的类型和数量，以及相应的系统组成情况。传感器感受到飞机的静压和全壓信息，并通过全静压管路与相应的大气数据计算机相连，在大气数据计算机中计算得到空速、高度等大气数据参数。

1.3 确定传感器的安装位置和精度要求

在确定全静压系统的架构后，需要确定每个传感器的安装位置和安装精度指标要求。在前期气动分析的基础上，需要确定哪些安装位置处的静压和全压测量受外界环境的影响较小。一般而言，对于民用飞机，静压的测量相对较容易受飞机构型和姿态等的影响，容易产生较大的测量误差，而全压的测量往往视为误差较小甚至无误差。所以在确定传感器的安装位置时，对于与静压测量相关的传感器，需要详细研究并选择合理的安装位置以降低测量误差。同时，鉴于静压的测量误差可能较大，仅仅依靠静压传感器自身往往无法完全消除静压测量误差，在很多民用飞机的设计中，在大气数据计算机的软件中通常具备静压源误差修正功能，从而尽可能补偿静压测量误差；另一方面，鉴于全静压传感器尤其是静压传感器的测量精度与安装位置息息相关，需要根据气动分析结果研究相应的安装精度指标要求。

1.4 试验验证

在完成全静压系统的初步设计和实现后，需要通过试验去测试和验证全静压系统的设计是否能够满足航空规章的要求（主要为CCAR25部和CCAR91部）。在飞机首飞之前，往往是通过实验室试验和地面试验去初步测试全静压系统的性能并用于飞机首飞。在飞机首飞后，需要根据飞行测试实验去测试全静压系统的设计能否满足航空规章中相应条款的要求。

1.5 完成全静压系统设计

根据飞行测试结果可以判断全静压系统的设计能否满足相应条款的要求，如果满足则可以冻结并完成全静压系统的设计。如果不能满足相应的条款要求，需要研究并调整整个方案的设计以满足条款要求。可能的调整包括更改和优化传感器的安装位置；更改静压源误差的修正方案；调整全静压传感器的架构等待。但是由于全静压系统的设计直接影响空速校准试验的结果，而完成空速校准试验往往是进行其他飞行测试试验的前提，所以更改全静压系统的设计可能会影响整个飞机的设计进度，需要重新进行一系列的气动分析，并造成巨大的经济浪费。

总之，全静压系统的设计非常依赖前期的气动分析，应当在充分的CFD计算和风洞试验基础上确定合理的全静压传感器布局，而且在全静压系统整体架构和布局方案确定后，应当尽量避免更改全静压系统的设计。

2 全静压系统架构设计

在全静压系统的设计流程中，全静压系统架构的确定是非常重要的环节。

在全静压系统架构设计中，核心是确定全静压传感器的类型和数量，以及相应的传感器架构。一般而言，全静压系统的传感器包括全压探头（也称为皮托管）、静压孔和全静压探头。其中全压探头和静压孔是各自独立的进行全压或静压信息的测量，而全静压探头可以在一个传感器上同时测量出全压和静压信息。

由于全压、静压的测量对于飞机的安全性有着非常重大的影响，在现代民用客机上往往需要设计三套相互独立的全静压测量通道，以相互备份从而满足安全性指标的要求。同时，由于静压的测量受到飞机侧滑等的影响较大，为减少侧滑影响，一般选择将两个对称分布的静压传感器的测量值取平均后作为一个独立的静压测量值使用。因而，在每一套全静压测量通路中，一般包括一个全压传感器和两个静压传感器。

根据全静压传感器类型的不同，有两种主流的传感器架构设计方案。一种是基于静压孔和全压探头的传感器架构；另一种是基于全静压探头的传感器架构。这两种方案的架构示意图（见图2和图3所示）。

其中ADC代表大气数据计算机，Pt/Ps代表全静压探头，每两个全静压探头对称分布，每个全静压探头均提供一路全压（Pt/Ps_L2的全压不被系统使用），Pt/Ps_L1和Pt/Ps_R1是能够同时分别提供两路静压测量值的全静压探头，而Pt/Ps_L2和Pt/Ps_R2仅需要提供一路静压测量值。该架构下，总共利用了4个全静压探头提供了3路全静压测量通路。

其中ADC代表大气数据计算机，Pt代表全压探头，Ps代表静压孔。每两个静压孔对称分布，测量的静壓取平均后作为一路静压值使用，以消除侧滑的影响。在该架构下，总共使用了6个静压孔和3个全压探头以提供3路全静压测量通路。

由于大气数据的传感器往往布局在飞机机头或前机身，空间有限，而且安装位置也要求受扰流影响较低，可供选择的安装位置非常有限。因而使用全静压探头可以显著降低大气数据系统传感器的数量，从而减少对传感器布局点数的要求。所以基于全静压探头的传感器架构在支线飞机或公务机上运用较多。但是全静压探头设备的安全性指标一般会低于静压孔，而且单个设备的损坏会导致全压和静压的测量均不可靠，因而在大型飞机上的使用较少，对于大型干线飞机，往往是采用静压孔和全压探头进行组合的传感器架构以提高安全性。

在确定传感器架构后，一般选择在与相应传感器相邻的位置布置大气数据计算机，从而减少全静压管路设计的复杂程度和压力传输的延迟，以减少静压和全压的测量误差。

3 结语

全静压系统设计是是民用飞机大气数据系统设计的重要组成部分，直接影响到飞机的安全性指标。该文简要介绍了全静压系统设计的流程，主要包括气动分析、全静压系统架构设计、确定传感器的安装位置和精度要求、试验验证以及完成全静压系统设计等环节。该文详细介绍了全静压系统架构设计这个核心环节，并分析了两种不同的全静压传感器架构的优缺点和适应条件。

参考文献

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