油量計算方法對油量測量系統姿態誤差的影響分析

彭克順，古遠康，朱光蔚，何建新，陳剛

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

油量測量系統總誤差一般包括兩部分：第一部分為油量測量系統的基本誤差，該誤差為非裝機狀態儀表本身誤差，它由油量傳感器各校驗點電容增值誤差和指示器基本誤差組成，該誤差在油箱的油量—高度曲線確定后，由油量測量系統的設計和制造來保證；第二部分為安裝誤差和偏離設計飛行姿態而產生的姿態誤差，安裝誤差由油量傳感器在油箱上安裝的準確性來保證。姿態誤差則與油量傳感器的數量、安裝位置以及油量計算方法有關。在確定油量計算方法時，應根據油箱的布局以及油量傳感器的布置，設置多種方案并進行比較分析，以選擇最佳方案。

1 某型飛機油箱油量測量原理

某型飛機油箱形狀和油量傳感器布置圖如圖1所示。

圖1 油箱形狀和油量傳感器布置

某型飛機的油箱為整體油箱，根據飛機的總體布局，其形狀為前低后高。為了能夠準確測量其油量，在油箱內設置了兩根油量傳感器。油量傳感器均為電容式油量傳感器，電容量與油量傳感器的浸油高度成正比，但在其頭部加裝了信號變換裝置，將電容量變換為頻率信號輸出，頻率高低隨油量傳感器浸油高度變化而變化，與其浸油高度成反比關系。燃油計算機通過整形電路和多路模擬開關對兩路頻率信號進行實時測量，并按油箱的油量-高度曲線進行數據處理得到油箱油量值。

2 油量計算方法的設定

由于油箱的形狀為前低后高，兩根油量傳感器均不能感受到油箱內整個油面高度的變化，即不能測定油箱內的全部油量，因此在進行油量計算時，需要根據前后兩根油量傳感器的輸出的信號按照一定的油量計算方法才能計算出整個油箱的油量。

根據油箱的形狀，油量計算方法可以分為兩種：一種是求和法：即假定將油箱分為兩個分油箱，每根油量傳感器分別測定一個分油箱的油量再求和；一種是求平均值法：即兩根油量傳感器共用一組油量-高度曲線，在兩根油量傳感器均能測量部分取平均值計算油量。

2.1 求和法

從油箱的形狀上分析，該油箱可以分為前、中、后三段。前端的油量傳感器可以測定前段和中段的下部油量，而后端的油量傳感器可以測定后段和中段上部的油量，因此按圖2將油箱分為兩個分油箱。

圖2 油箱分割圖

油箱的油量計算方法A為：

式中：

M—油箱總油量，kg；

M前—前端油量傳感器測定的油量，kg；

M后—后端油量傳感器測定的油量，kg；

2.2 求平均值法

由于前、后兩根油量傳感器共同能夠測定部分的油量處于油箱的中部，因此可以將油箱油量分為上、中、下三部分，分別對應的油量為M下、M中、M上，如圖3所示。

圖3 油量分割圖

前端油量傳感器測定的油量范圍為：0≤M≤(M下+M中)。后端油量傳感器的測定的油量范圍為：M下≤M≤(M下+M中+M上)。

在計算油箱油量時，燃油計算機首先根據油量-高度曲線，按照前端油量傳感器和后端油量傳感器輸出的信號分別計算出對應的油箱油量。然后根據傳感器測定的油量所處的范圍，分別按照不同的公式計算總油量。按照燃油計算機采用的油量計算分界點的來源，油量計算方法可以分為兩種：一種是根據前端油量傳感器的輸出油量作為油量計算的分界點；一種是根據后端油量傳感器的輸出油量作為計算的分界點。

根據前端油量傳感器的輸出油量作為油量計算分界點的油量計算方法B為：

當M前≤M下時：

當M前＜(M下+M中)時：

當M前=(M下+M中)時：

當M前≤M下時，引入M后的數據進行計算，主要是考慮當飛機處于低頭姿態時，后端傳感器測定的油量可能會大于M下，該計算方法可以部分補充姿態的誤差。

根據后端油量傳感器的輸出油量作為油量計算分界點的油量計算方法C為：

當M后=M下時：

當M后≤(M下+M中)時：

當M后＞(M下+M中)時：

當M后＞(M下+M中)時，引入M前的數據進行計算，主要是考慮當飛機處于抬頭姿態時，前端傳感器測定的油量可能會小于(M下+M中)，該計算方法同樣可以部分補充姿態的誤差。

3 各油量計算方法下的油量姿態誤差影響分析

按照上述油量計算方法A、B、C，通過三維設計軟件，分別進行飛機姿態角為10°和姿態角為-10°時的油箱理論油量和顯示油量的計算。

飛機姿態角為10°時各油量計算方法下油量-高度曲線如圖4所示。

圖4 飛機姿態角為10°時各油量計算方法下的油量-高度曲線

飛機姿態角為10°各油箱計算方法下理論油量與顯示油量的最大差值見表1。

表1 飛機姿態角為10°時理論油量與顯示油量的最大差值

從圖4中可以看出，在整個油面高度內，各算法計算出的顯示油量大部分小于理論油量，其中算法A的油量顯示值與理論油量的差值最小。理論油量與顯示油量差值最大的為算法B，出現在理論油量為682kg時，主要是飛機姿態角為10°時，在該油量下，前端油量傳感器未浸滿油，該油量傳感器輸出的油量為545kg，而后端油量傳感器輸出的油量為711kg，而根據算法B，總油量應為兩根油量傳感器輸出值的平均值，所以造成誤差偏大。

飛機姿態角為-10°時各油量計算方法下油量-高度曲線如圖5所示。

圖5 飛機姿態角為-10°時各油量計算方法下的油量-高度曲線

飛機姿態角為-10°各油箱計算方法下理論油量與顯示油量的最大差值見表2。

表2 飛機姿態角為-10°時理論油量與顯示油量的最大差值

從圖5中可以看出，在整個油面高度內，各算法計算出的顯示油量大部分大于理論油量，其中算法A的油量顯示值與理論油量的差值最小。算法B和算法C的理論油量與顯示油量差值均偏大。

算法B最大差值點出現在理論油量為503kg時，主要是飛機姿態角為-10°時，在該油量下，前端油量傳感器已浸滿油，按照算法，油量顯示值為后端油量傳感器的輸出值，而在該姿態下，后端油量傳感器的輸出值將顯著偏小，因此造成差值達到73kg。

算法C最大差值點出現在理論油量為255kg時，主要是飛機姿態角為-10°時，在該油量下，后端油量傳感器為空油狀態，按照算法，油量顯示值為前端油量傳感器的輸出值，而在該姿態下，前端油量傳感器的輸出值將顯著偏大，因此造成差值達到97kg。

根據上述分析，按照求平均值法計算油箱油量，當飛機帶姿態飛行時，在油量計算的分界點附近，油量顯示值與理論值會出現較大的誤差，誤差最大的高達13.7%。而采用求和法計算油箱油量，顯示油量與理論油量的差值較小，可以減小飛機的姿態誤差，為最佳的油量計算方法。

4 結論

在進行油量測量系統設計時，應根據油箱的布局和油量傳感器的位置合理設定油量計算方法，并進行姿態誤差分析。與上述油箱形狀類似的油量測量系統應該采用求和法計算油箱油量。

[1]陳嵩祿.動力裝置系統設計.飛機設計手冊第13冊.北京：航空工業出版社，2006，6.