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嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术发展趋势与展望.pdf
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1、嵌入式大气数据传感器系统是飞翼气动布局飞行器重要的飞行传感器子系统,是准确测量飞行大气参数的关键保障。其嵌入式大气压力传感器有效的防水、防尘、防除冰设计,是飞行过程中压力准确感受,飞行大气参数稳定、实时测量的重要保证。针对嵌入式大气压力传感器防水、防尘、防除冰技术现状,分析了存在的不足与缺陷,结合工程化应用需要和相关工程技术研究成果,提出了嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护状态在线监测设计、加热器功率自适应调节设计和快速拆装设计的技术发展方向,阐明了未来嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术的研究目标、内容,以及涉及的水、湿气监测技术,结冰状态监测技术,表面疏水与低可探测技术和易维护式结构
2、设计技术等关键技术的解决方案。关键词:嵌入式大气数据传感器系统;嵌入式大气压力传感器;防护;监测;加热器中图分类号:V247.1+6 文献标识码:ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.04.03Development trend and prospect of flush air data pressure sensor for complex meteorological environment protection technologyXIONG Liang,SONG Shifeng,ZHOU You,WANG Shuang,MA Fengwen(Air Data
3、 System Department,AVIC Chengdu CAIC Electronics Co.,Ltd.,Chengdu 610091,China)Abstract:The flush air data sensing system is a key or important flight sensor subsystem for the measurement of flight atmospheric parameters such as air pressure altitude,indicated airspeed,Mach number,angle of attack an
4、d sideshow angle,which are required for flight safety control,communication and navigation of flying wing pneumatic layout aircraft and precise weapon strike.The effectiveness of water-proof,dust-proof,anti-ice and de-icing design of the flush air data pressure sensor in the system is an important g
5、uarantee for accurate pressure feeling,stability of atmospheric parameters and real-time performance during flight.In this paper,aiming at the technology present status of water-proof,dust-proof,anti-icing and de-icing of flush air data pressure sensors in flush air data system,the existing shortcom
6、ings and defects are analyzed,combined with the needs of engineering application and research results of related engineering technology,the flush air data pressure sensor for complex meteorological environment protection status online monitoring,heater power adaptive control and rapid disassembling
7、design as development direction is proposed,the future research goal and content of flush air data pressure sensor for complex meteorological environment protection technology are illustrated,and the solutions of key technologies such as moisture monitoring technology,freezing condition monitoring t
8、echnology,surface hydrophobic and low detectable technology and easy maintenance structure design technology are presented.Key words:flush air data sensor system;flush air data pressure sensor;protection;monitoring;heater文章编号:1674-8190(2023)04-031-08收稿日期:20220515;修回日期:20221108基金项目:国防科技创新特区基金(19-163-
9、142-12-ZT-004-002-03)通信作者:熊亮,引用格式:熊亮,宋世峰,周游,等.嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术发展趋势与展望J.航空工程进展,2023,14(4):31-38.XIONG Liang,SONG Shifeng,ZHOU You,et al.Development trend and prospect of flush air data pressure sensor for complex meteorological environment protection technologyJ.Advances in Aeronautical Science a
10、nd Engineering,2023,14(4):31-38.(in Chinese)第 14 卷航空工程进展0引 言嵌入式大气数据传感器系统是一种依靠嵌入在飞行器前端(或机翼)不同位置上的压力传感器阵列测量飞行器表面压力,并根据压力分布与大气数据的函数关系推导包括动压、静压、迎角和侧滑角等飞行参数的大气数据测量装置1-7,为飞行器飞行安全控制、通信导航及武器打击精度提供保证。嵌入式大气压力传感器通常由压力受感器部件和电子解算部件组成,用于感受安装位置处的局部流场压力,为飞行器进行气压高度、指示空速、攻角、侧滑角等飞行大气参数的解算提供信号源。由于嵌入式大气压力传感器与安装位置处的蒙皮形面共
11、形,具有不影响飞行器整体气动、隐身性能和耐高温性能好的显著特点,基于嵌入式大气压力传感器感受的压力进行飞行大气参数解算的嵌入式大气数据传感器系统已在国外 B-2、X-47B、神经元、雷神等飞翼气动布局类飞行器及 F/A-18、X-33、X-34、X-38 等高超声速飞行器上得到成熟应用8-11,在常规气动布局飞行器中为实现对气压高度的准确测量,嵌入式大气压力传感器也多用于进行机身静压的测量。由于嵌入式大气压力传感器的压力受感器直接暴露在机体外部环境中,无论是在露天停放,还是执行飞行任务期间,遇到雨、雪、砂尘、潮湿等复杂气象环境不可避免12,若无防护措施或者防护措施有效性不强,对飞行安全的影响是
12、灾难性的。2008 年美军在关岛坠毁的 B2 轰炸机事故原因调查也证明了这一点13。伴随探测技术的进一步发展及隐身技术的研究与突破,飞翼气动布局飞行器是满足能够对敌近距侦察、长期监视和毁灭性突袭等作战需求的重要武器装备,嵌入式大气压力传感器作为飞翼布局飞行器飞行大气参数测量的重要设备,如何保证在复杂气象环境中压力感受不受影响和长期稳定工作,是嵌入式大气压力传感器设计的关键点。为满足新一代装备具备远航程、跨多区域作战面临的复杂气象环境适应性及装备状态在线监测、视情维修体制和缩短出勤准备时间的需要,提升装备复杂环境中的战场生存能力,针对嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术工程化应用现状,分析现
13、有嵌入式大气压力传感器适应复杂气象环境防护技术与满足装备应用需求的不足,在对可用于嵌入式大气压力传感器防水、防尘、防冰和除冰相关技术的研究成果和应用前景分析总结的基础上,明确嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术发展的 4个方向,以及各方向研究目标、研究内容、关键技术的解决方案。1复杂气象环境防护技术现状1.1设计标准现状针对嵌入式大气压力传感器,国内外没有专用标准或规范对其复杂气象环境适应性(防水、防尘、防冰和除冰)要求进行明确规定,已发布的国外标准 SAE AS 8006A 总压、总静压受感器的最低性能标准14、SAE AS 393 电热空速管15、SAE AS 5562 皮托管和总静压
14、管冰雨最低鉴定要求16、TSO-C16a 电 加 热 型 皮 托 管 和 全 静 压管17、TSO-C16b 电 加 热 型 皮 托 管 和 全 静 压管18,以及国内航空标准 CCAR-25-R4 中国民用航空规章第 25部运输类飞机适航标准19、RTCA DO-160G 机 载 设 备 环 境 条 件 和 试 验 程序20、HB 6167.132014 民用飞机机载设备环境 条 件 和 试 验 方 法 第 13 部 分:结 冰 试 验21、HB 70451996 民用航空器电热空速管最低性能要求22,均仅规定了皮托管类产品淋雨、砂尘、防/除冰的测试程序和方法,而嵌入式大气压力传感器与机身蒙
15、皮共形安装,飞行过程中局部气流速度、水滴搜集系数与皮托管存在较大差异,现有的技术标准不能规范和指导当前嵌入式大气压力传感器的防水、防尘、防冰和除冰设计,以及试验验证要求,缺乏统一的防水、防尘、防冰和除冰设计要求和试验验证标准,迫切需要基于目前工程化应用情况、研究进展和装备应用需要,建立内容全面包容、准确规范、操作性强的通用规范,用以指导嵌入式大气压力传感器的研制、生产和试验验证。1.2防护技术工程化现状1.2.1防水方面在当前飞行大气数据探测领域,为了防止水32第 4 期熊亮等:嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术发展趋势与展望进入嵌入式大气压力传感器中的压力敏感体进而影响压力测量的准确性
16、,目前工程实践中主要采用基于物理原理的设计方法。一方面考虑通过控制测压孔开孔尺寸保证水滴受到的表面张力大于其重力和冲力的合力(如图 1所示),同时兼顾测压孔开孔尺寸与压力迟滞之间的相互影响12,23-24,通常选择测压孔外径为 0.702.08 mm,防止水滴穿过测压孔进入测压腔;另一方面遵循气往上走、水往下沉的水气分离原理,通过气压管路、水分沉淀腔或沉淀槽等微机械结构设计25(如图 2图 3 所示),对进入压力受感器内部的水进行储存,采用定期清理维护的方式避免对压力测量的影响。此外,嵌入式大气压力传感器的受感器内部安装的防冰和除冰加热器产生的高温热量对从测压孔进入的水进行一定程度的蒸干26。
17、但飞翼气动布局飞行器的扁平外形使得嵌入式大气压力传感器测压孔法线与飞行器轴线之间的夹角减小,飞行过程中出现水进入气压传递管路依然不可避免。20 世纪 90 年代,德国植物学家、波恩大学的W.Barthlott 等揭示了荷叶表面的结构,荷叶表面的纳米乳突及其上的纳米分支结构提高了水滴在其表面的接触角,合理解释了荷叶的“自洁性”源于其表面的微纳结构27-30,为固体表面防水性能提升带来了新的解决思路。近年来,科学家和工程技术人员受“荷叶效应”启发,对人工在固体材料表面形成超疏水微纳结构的多种制备技术进行了深入研究,建立了以超快激光技术(飞秒激光、皮秒激光)、集成综合制造技术进行材料疏水表面制备技术
18、理论模型,上述制备技术已在实验室得到验证,并开展了多项工程化应用验证31-38。水滴在固体表面的接触角被提高到了 150以上,在固体表面的超疏水表面机械耐久性问题也已得到深入研究,逐步得到解决39-43。嵌入式大气压力传感器有效防水工程化应用技术方案的成熟度得到了显著提升。1.2.2防尘方面为了防止砂尘堵塞嵌入式大气压力传感器的测压孔和气压传递管路,主要采用以气动中心为测压孔中心,在一定尺寸的圆周上均匀排布多孔的测压孔多余度设计、沉淀腔设计(如图 4 所示),并通过定期清理维护来避免砂尘对压力测量的影响。为了防止进入嵌入式大气压力传感器内部的砂尘沿气压传递管路进入压力敏感体气腔内部,通常在气压
19、传递管路上或压力敏感体的入口处埋图 1 水滴受力示意图Fig.1Schematic diagram of water droplet force图 2 气压管路、水分沉淀腔等机械结构设计示意图Fig.2Schematic diagram of mechanical structure design of air pressure pipeline and water precipitation chamber图 3 水分沉淀器结构示意图Fig.3Schematic diagram of mechanical structure design of water precipitation cha
20、mber33第 14 卷航空工程进展入气流防尘装置,依靠过滤件上的空间网格结构将气流中的灰尘、砂砾等杂质拦截下来,同时,又不形成对气流较大的阻力44。气流防尘装置结构截面示意图如图 5所示。1.2.3防冰和除冰方面为了防止嵌入式大气压力传感器测压孔结冰、确保加热的可靠性,通常采用热力防除冰方法45,在测压孔的金属表面安装具有足够热量的加热器,在起飞前接通加温电源,在执行飞行任务期间保持加温状态,防止水气或者液态水在测压孔或者压力受感器的局部受感面聚集,在低温环境中结冰。加热器在压力受感器内部呈螺旋状排列,如图 6所示。为了降低热量散失效率、增强测压孔区域热量集中,使加热功率得到有效利用,压力受
21、感器选用低热导率材料,同时使用低导热系统的隔热材料,例如陶瓷纤维纸、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡板、离心玻璃纤维棉/岩棉、真空隔热板、热障涂层等。飞机所有部件的迎风面上均有可能结冰,从而导致飞行阻力增加、升力下降、失速攻角减小、失速速度增加等影响飞行安全的情况出现。为了将结冰对飞行安全和性能的不良影响减到最小或者防止其发生,在飞行器设计时采用结冰探测器对冰的存在和结冰条件进行探测,为飞行机组提供结冰警告。常用的结冰探测器有谐振结冰探测器、光纤结冰探测器46-47。近年来,“荷叶效应”自清洁引发了人们对超疏水材料研究的极大兴趣,研究人员对超疏水材料在防除冰性能提升方面也开展了诸多研究。大量研究和
22、科学实验表明,超疏水技术具有可延缓结 冰,显 著 降 低 冰 与 基 底 表 面 的 黏 附 力 的 特点48-50,为提升嵌入式大气压力传感器防冰和除冰性能带来了新思路。2未来复杂气象环境防护技术发展方向传统的嵌入式大气压力传感器的防水、防尘、防冰和除冰设计主要依靠物理结构设计来实现。为了保证飞行安全,在实际使用过程中,加热器始终处于饱和工作状态,每次飞行任务执行前对沉淀器的检查也被列入地勤工作人员的例行操作规程中。若在维护检查过程中发现沉淀器中有水或砂尘杂质等异物,需要对嵌入式大气压力传感器进行拆装、气密性检查等操作,而对于隐身飞行器,由于拆卸破坏了隐身涂层的完整性,还需要进行隐身涂层修复
23、,维护时间较长。随着材料表面图 6 压力受感器加热器布局示意图Fig.6Schematic diagram of pressure sensor heater(a)正视图(b)侧视图图 5 气流防尘装置结构截面示意图Fig.5Schematic diagram of dust prevention device structure section图 4 测压孔多余度设计示意图Fig.4Schematic diagram of redundancy design of pressure hole34第 4 期熊亮等:嵌入式大气压力传感器复杂气象环境防护技术发展趋势与展望疏水技术的突破,智能化、信
24、息化的发展,机载设备多采用状态监控、视情维修的维修机制,一方面达到了简化维修和精准维修的目的,另一方面缩短了装备出勤准备时间。为满足未来装备智能化、信息化发展需求,嵌入式大气压力传感器的复杂气象环境防护技术应在以下 4个方面得到发展:1)嵌入式大气压力传感器中的水、湿气状态在线监控;2)嵌入式大气压力传感器压力受感器表面结冰状态在线监控,防除冰功率能够自适应调节;3)具有“荷叶效应”的超疏水、吸波材料成功研制;4)嵌入式大气压力传感器的压力受感器与电子解算部件可快速拆卸,压力受感器内部实现可拆卸维护。3复杂气象环境防护技术研究目标未来装备出勤准备时间短,为了降低维修难度,同时保证嵌入式大气压力
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- 嵌入式 大气压力 传感器 复杂 气象 环境 防护 技术发展 趋势 展望
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