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民用飞机新结冰条款的大气数据传感器防冰系统设计探讨
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/9/13 8:47:59  

摘要:大气数据系统是飞机上最关键的传感器系统,为全机各系统和机组提供空速、高度、马赫数等关键参数。由于大气数据传感器结冰严重威胁飞行安全,适航条款对飞机面临的结冰环境提出了更高的要求,要求大气数据传感器在新的过冷大水滴、冰晶、混合相和大雨环境下不致发生故障。从新结冰适航条款的解读出发,从飞机大气数据传感器布局、传感器设计、加温控制和监控等方面,提出满足新结冰条款的大气数据传感器防冰系统的设计方法。

关键词:大气数据;传感器;新结冰条款;防冰;

1引言

现代民用飞机大气数据系统能够为飞机提供高度、空速、马赫数、垂直速度、总温、静温等信息;还可以提供迎角、侧滑角等信息。

为了得到上述信息,传统仪表系统通常配备空速指示器、高度表、垂直速度指示器和马赫数指示器等。为了减轻设备重量、减小体积以及系统延迟,现代民用飞机大气数据系统通常配备大气数据计算机或大气数据驻留应用软件,以及静压传感器、全压/全静压传感器、总温传感器、迎角传感器、侧滑角传感器,或多功能探头等大气数据传感器。

大气数据系统提供的关键参数是飞行控制、飞行管理、自动驾驶、发动机控制等重要系统的输入,也是飞行员操纵飞机所依赖的必要信息。为了保证在飞机运行的结冰环境下传感器能够正常工作,不会因结冰而堵塞测量孔或者冻住风标叶片而给出错误的数据,应通过有效设计手段防止大气数据探头结冰。首先大气数据传感器的布局应尽量避免容易结冰的区域;其次大气数据传感器通常应具备防/除冰能力,常用防/除冰方法是对传感器进行加温;最后应保证可靠的加温控制与加温状态监控,当探头加温失效或者防冰能力不足时,需提供告警信息提示飞行员。

2大气数据传感器新结冰适航要求

民用飞机大气数据系统的设计基础是能够在适航规章规定的结冰条件下正常工作。

传统的结冰适航条款是CCAR25部附录C规定的大气结冰条件[1],要求当飞机遇到本部附录C所规定的连续或间断最大结冰状态时,静压系统内的空气压力和真实的外界大气静压之间的相互关系不变。并要求每个空速指示系统必须配备有一个可加温的空速管或等效手段,防止由于结冰而失灵。

但越来越多的飞行记录表明,传统的结冰条件无法覆盖民航飞机所面临的结冰环境。已经多次发生由于大气数据传感器结冰而导致的坠机事故,法航的447空难事故和近期俄航坠机事件均由空速管结冰引起。业界认为当前的适航条款不足以覆盖全部的结冰环境,FAA和EASA陆续通过修正案提出了新的结冰条件要求。

FAA发布的14CFR25部第140修正案在1323条款中新增了大雨条件[2],要求在大雨条件、33部附录D定义的混合相和冰晶条件、本部附录C定义的结冰条件以及本部附录O规定的过冷大水滴结冰条件下均不发生故障。除了对空速系统有该要求,新增了1324条款要求迎角系统在上述结冰条件下不发生故障。

EASA发布的CS25部第16修正案[3],在1324条款中要求飞行仪表外部探头(包括但不限于:全压探头、全静压探头、静压探头、迎角传感器、侧滑传感器和温度探头),均必须可加温或具有等效装置,以保证在大雨及附录C、附录P和附录O中定义的结冰条件下不致发生故障。

新的适航条款对现代民用飞机的大气数据传感器提出了更高的防、除冰能力要求,对探头加温系统也提出了更高的要求,以适应更严苛的运行环境,保证大气数据系统可靠工作。

3大气数据传感器防、除冰设计

当飞机穿越云层和一些特殊气象条件时,如过冷大水滴、冰晶、混合相和大雨环境,小水滴或颗粒会被气流裹携在机身表面。机身表面水滴/冰晶的集中度增强,从而在传感器安装面附近产生一个水滴/冰晶集中效应,导致传感器周围的水滴/冰晶含量和流通量大于飞机运行所处自然环境远场自由来流水滴/冰晶含量和流通量。这个集中效应主要取决于探头的安装位置和飞机的气动外形。

传感器的防、除冰的研究包括数值模拟、物理模拟以及飞行试验等方式。上述集中效应可通过数值模拟的方式计算确定。

数值模拟主要根据飞机运行适用的结冰环境、飞机的气动外形和流场分布、传感器在飞机的安装位置,计算确定传感器处的收集系数。主要包括:建立冷水滴、冰晶和混合相条件下的运动方程和数值模拟方法;获得空气流场;求解水滴运动方程,获得结冰区域和水滴/冰晶收集系数。

通过数值模拟的方式可以初步确定传感器安装位置处的水滴/冰晶的收集效应,同时也可以通过该数值模拟的结果,结合流场分布等气动影响因素,确定合理的大气数据传感器布局。

物理模拟主要是在冰风洞中模拟结冰气象条件,对传感器进行过冷水滴、冰晶和混合相条件下的撞击和结冰机理研究。根据数值模拟计算得到的水滴/冰晶收集系数,设置冰风洞中的结冰环境,对设计的加温供电情况下传感器的防、除冰性能进行研究确认,以及对该条件下传感器的气动特性进行研究确认和影响分析。

通过飞行试验捕捉到自然结冰气象条件,验证在该条件下大气数据系统及传感器工作正常是最直接的方式,但由于飞行试验构型要求高、结冰环境难以捕捉,飞行试验通常作为最后的检测和验证方式。

4大气数据加温控制和状态监控

现代民用飞机对大气数据系统的安全性可靠性有较高的要求,进而对大气数据加温系统也提出了较高的要求。根据AC25.1309-1A[4],由设备的单个失效模式引起的失效状态不能认为是极不可能的,即研制保证等级是A级的大气数据加温系统中控制和监控部分不能有共模设计、单点故障。

根据ARP4754A[5],一个A级功能可以分解到两个及多个B级飞机/系统功能,但必须独立。即A级大气数据加温系统也可以分解为两个独立的B级的控制和监控的功能模块。

大气数据加温系统包括加温控制和加温状态监控两部分,是大气数据传感器防冰的核心。

大气数据传感器加温控制方式主要有三种:

一种是采用简单电子硬件设计的加温控制器进行大气数据传感器的加温控制和加温状态监控。通过继电器控制加温的通断,通过电流检测等方式判断加温的状态。反馈的加温状态一般为离散信号,表明探头加温处于正常接通或断开状态。

另一种是使用固态功率控制器等智能配电方案进行加温控制和加温状态监控,可以通过接收总线发送的命令,控制开关的通断,控制和逻辑部件根据固态开关和电流检测结果确定加温状态,再经I/O处理后通过总线发出。[4]反馈信号可以为加温的逻辑状态,也可以是加温电流值。该方案可以适应较为复杂的加温控制逻辑设计,能够灵活地控制加温通、断的占空比等方式改变探头的加温功率。

还有一种是传感器自带加温控制和加温状态监控功能。传感器根据接收到的加温命令自动进行加温控制。有些探头具备加温状态监控能力。部分智能探头可以根据控制命令调整探头的加温功率。

当大气数据系统检测到传感器加温故障时,应提供充分的告警信息提示飞行员。对各类故障情况对应的告警消息,应根据需要机组关注或处置操作的紧迫程度等方面的设计考虑,确定不同的告警等级。并提供对应情况的机组操作程序,以保证飞行安全。

5结语

本文从新结冰条款对于大气数据传感器在大雨、冰晶、混合相和过冷大水滴条件的适航要求出发,通过水滴收集系数模拟计算等计算机辅助设计手段,量化结冰影响,研究考虑防冰情况的大气数据传感器的机上布局。通过与之适应的传感器防冰设计、加温控制系统设计以及故障情况下的告警指示,系统地研究了大气数据传感器防冰系统在新结冰条款下的设计方法,为民用飞机大气数据系统满足新的过冷大水滴、冰晶、混合相和大雨环境适航条款提供了符合性思路。

参考文献

[1]CCAR-25-R4中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[Z].2011.

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