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直升机大气数据系统及其误差校正.pdf
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1、-49-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天直升机大气数据系统是飞行员和地面指挥人员、试飞测试人员掌握飞行器的飞行状态和飞行环境的重要数据来源。其主要测量总压、静压、大气静温、大气总温等,并基于部分大气模型假设、理论原理,以获取直升机的指示空速、爬升速度、气压高度、大气温度等重要状态参数。大气模型基于国际标准大气(ISA),见图 1 和理想气体假设见图 2。国际标准大气是指:在离地高度 50km 以下,采用 ISA 模型;在离地 50 70km 空间大气,采用临界标准大气(Interim
2、Standard Atmosphere)。基于 ISA 模型及理想气体假设,即得标准气压高度模型,见图 2。直升机大气数据系统基于以上原理进行测量,本文就其测量方法及误差进行分析,并给直升机试飞时大气数据系统校准的建议。数据测量方法高度测量根据 1 节的气压高度模型,通过测量直升机所处位置的大气压力(静压),就可得到飞机飞行的气压高度。在实际情况下,飞行员看到的指示高度是由测量的环境压力和基准气压面共同决定的,即使在同一个物理高度,若所选择的基准气压面不同,所看到的高度也不同。高度测量的目的在于确保飞机相对地面以及飞机之间的相对余度。为此,通过高度表压力调定旋钮可以选择不同的基准气压调定值。直
3、升机起飞前,通常会根据塔台气象数据,装订本场场压,利于飞行。事实上,当基准气压面压力调定为 1 013.25hPa 标准值时,真实高度很少与指示高度相等,这主要是由于海平面的压力(QNH)通常不是 1 013.25hPa,及/或温度不等于 ISA。在 ISA 温 度 条 件,以 及 标 准 气 压 调 定 值(1 013.25hPa)下,若已知当地的真实 QNH,则飞机的真实高度可以从指示高度获得:TA=IA+8.534 4(QNH-1 013.25)其中 TA 为真实高度,IA 为指示高度。在给定的指示高度飞行时,真实高度随温度增加而增加(图 3)。真实高度和指示高度之间的关系可以用下面的公
4、式近似表示:其中 T=实际温度(开氏),TISA=标准温度(开氏)。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度直升机大气数据系统及其误差校正马 阔 魏 立马 阔 魏 立中国直升机设计研究所马阔(1991),河北衡水,硕士,研究方向:旋翼飞行器设计。中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-50-航空航天图 4 皮托管-静压系统测试原理图 5 静压孔位置示意图图 3 高度误差修正表图 2 大气压力与高度模型图 1 标准大气模型在温度很低的条件下执行离场或者进场程序时,温
5、度修正是必要的,一般会提供一个温度修正表如图 3。速度测量对流速的测量最早于 1732 年,法国人 Henri Pitot 将一根 L 行微孔管放入塞纳河中,用于测量河水流速,这就是最早期的皮托管(Pitot tube)。时至今日,皮托管仍是应用最广泛的流速测量工具。其主要测量原理如图 4。其中图 4 为皮托管和静压孔分开测量的形式,主要在运输机,民机及直升机中用到,优点是皮托管只测驻点总压,长度较短,可靠性好,但需要不断试验以确定静压的误差最小的位置。图 5 为皮托管和静压集中在一根皮托-静压测量探头上,并给出了静压测量的最佳位置,此种形式主要用在战斗机上,通常安装在机头或者机翼上以减少干扰
6、流。皮托-静压探头直接测量的是驻点处的总压和飞机所处位置的静压,然后通过计算或机械转换为飞行员可读的速度和高度。然而在计算中需用到一些空气动力学假设以便快速计算流速以给飞行员提供实时的数据,其中主要涉及低速不可压流,-51-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天亚音速可压流以及超声速可压流,流动假设均是无粘的,本文只介绍与直升机相关的前两种流动。1)低速不可压流(M0.3)对于低速不可压流动,其流动方程为伯努利方程:即总压等于静压和动压之和,则可得流速为:2)亚音速可压流对于实际测量中,为了
7、提高计算精度,一般考虑来流的压缩性,可得一维等熵绝热流公式:又 M=v/a,声速,可求解流速(即真空速,True AirSpeed)为:速度指示空速是基于海平面环境下进行计算和指示的,即静压 P=P0=101 325hPa,密度=0=1.225kg/m3,则指示空速(Indicator AirSpeed):其中 P,P分别为皮托-静压探头的测量值。如果测量的总压和静压正好等于的来流的总压和静压,那么测得的指示空速为准确的,即校准空速(Calibration AirSpeed):此外,由于动压与飞机的飞行载荷相关,一般定义一个等效于标准海平面的速度,即等效空速(Equivalent AirSpe
8、ed)。此时空气密度应为海平面大气密度 0。一般地,EAS与CAS是不同的,尤其在马赫数大于0.6,或者飞行高度大于 10 000ft 时,此差异不可忽略。但由于在高度 10 000ft(3 000m),速度 200kts(360km/h)时,EAS 与 CAS 相差只有 0.4%,因此通常在直升机试飞过程中经常忽略此差异,亦即:EAS=CAS,由此可得:温度测量温度测量通过类似于皮托管的空气探头进行,假设气流完全阻滞,根据可压缩气体的伯努利方程,可得测量总温为:亦即:Tp=T(1+0.2M2)其中 T 为大气静温;为总温恢复系数,可通过实测值确定,设计精良的探头值一般在0.98到1之间,实际
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