武裝直升機大氣數據傳感器技術研究進展*

熊 亮，劉義明，黃巧平

(中國航空工業集團公司 成都凱天電子股份有限公司，四川 成都610091)

0 引 言

武裝直升機以其能夠垂直起降、空中懸停、低空或貼地飛行、全向機動［1］及較強的戰場生存能力，在未來戰場環境、氣象環境復雜的信息化戰爭中占據有利地位［2］。隨著直升機旋翼技術、附加推力技術的發展，直升機的飛行速度將可能突破900 km/h，航程達到1 500 km［1］，武裝直升機將成為對海、對地攻擊裝備中的佼佼者。大氣數據系統是武裝直升機的重要組成部分，提供的氣壓高度、空速或三軸向速度、馬赫數、升降速度、大氣溫度、攻角和側滑角的準確度影響著直升機的飛行安全與武器打擊精度，為適應未來復雜戰場環境的需求，武裝直升機大氣數據傳感器技術必然會不斷的變革。

1 武裝直升機大氣數據傳感器技術發展需求

為適應未來復雜的戰場環境，武裝直升機將向集高航速、大航程、優越的隱身性能、高機動性和敏捷性、長生命周期一體的方向發展，使得武裝直升機大氣數據傳感器技術的發展面臨著新的挑戰。

1)傳統的外伸空速管式單軸或雙軸式大氣數據系統不能滿足參數輸出的需要，武裝直升機大氣數據系統應具備三軸向速度(垂直真空速、縱向真空速、橫向真空速)、攻角和側滑角輸出能力，且三軸向速度測量范圍應為－300～900 km/h，攻角和側滑角輸出精度在±1°范圍內;

2)以氣壓為信息源的三軸大氣數據系統應具有特殊外形和高度集成的特點，能夠集溫度傳感器、結冰探測器為一體，具有躲避雷達波隱身、紅外隱身、激光隱身和音響隱身的特性，并且體積小、質量輕，應比現役的最先進的質量約為7 kg 的三軸大氣數據系統重量更輕、體積更小;

3)基于光學測量原理的光學大氣數據系統和多孔測量原理的嵌入式大氣數據系統是未來武裝直升機大氣數據系統研究的主要方向，其隱身性能最好、受氣動影響最小，試飛調參周期短，能夠縮短裝備的交付周期;

4)數據融合和重構功能是未來武裝直升機大氣數據傳感器技術中必不可少的要求。當大氣數據系統實體受到攻擊，其氣動外形或自身信息源被破壞，不能保證提供的參數的精度時，可借助GPS 系統、慣導系統、飛控系統、氣象雷達等機上其它系統提供的信息選擇合適的數據融合方法，構建一套虛擬的大氣數據系統，提供滿足飛行安全和武器打擊精度的大氣參數。

2 武裝直升機大氣數據傳感器技術研究進展

2.1 存在的問題

以“黑鷹”、“米—24”武裝直升機為代表的傳統的武裝直升機大氣數據系統已得到廣泛應用。該系統類似于固定翼飛機的大氣數據系統，利用L 型空速管感受直升機飛行過程中的總壓、靜壓，并結合攻角傳感器、側滑角傳感器及靜溫傳感器實現總壓、靜壓、攻角、側滑角及靜溫的直接測量［3～5］，然后利用大氣數據計算機中固定的解算與校正方法，完成大氣數據的結算與修正。這種大氣數據系統存在以下問題:

1)空速管、攻角傳感器及側滑角傳感器需要安裝在受機身擾動小，氣流穩定的位置，存在測量的大氣參數與真實值之間的誤差大的缺點;

2)空速管、攻角傳感器及側滑角傳感器存在加工誤差和安裝誤差，壓力、角度測量值與理想值之間存在偏差;

3)提高大氣參數測量精度成為傳統大氣數據傳感器技術的主要研究方向［5］;

4)躲避雷達波隱身、紅外隱身、激光隱身和音響隱身的特性差，主要依靠其外形達到隱身性能難度大;

5)輸出的速度參數中只有橫向真空速，沒有縱向真空速和垂直真空速，并且75 km/h 以下的低空速無法測量［3］，武器打擊需要借助其它系統提供的參數或者僅靠駕駛員的感覺進行。

2.2 三軸大氣數據傳感器技術的發展與主要技術

2.2.1 發展概述

20 世紀70 年代，英、俄等發達國家在低空速測量和三向速度測量的技術上取得了突破性進展，如英國GEC 公司的HADS、俄羅斯的CBC—Bl［3］。20 世紀90 年代，中國成為繼英、俄之后，又一個能夠研制生產三軸全向大氣數據系統的國家。三軸全向大氣數據系統是由兩個集靜壓、總壓、攻角、側滑角一體的全向矢量傳感器和大氣數據計算機兩部分組成的大氣數據系統，用安裝在誘導氣流場中的速度矢量傳感器測量合成氣流，經分解可測量縱向、橫向和垂直三個空速分量和誘導速度，其測量范圍廣、精度高。這種大氣數據已在以AH—64D 長弓阿帕奇武裝直升機、米—28N 武裝直升機、直—10 武裝直升機、直—19 武裝直升機為代表的直升機上得到成功應用。

但由于這種三軸大氣數據系統具有旋轉機構，全向矢量壓力傳感器需要長度適合的安裝支臂支撐在具有穩定旋翼誘導氣流的流場中，支臂可能會很長，維護較復雜，需要定期進行維護。在21 世紀初，以美國為代表的相關機構公布了另一種支架式直升機用大氣數據系統，由集飛行氣壓感受器、結冰探測、總溫傳感器一體的支桿和數據處理裝置組成［6］。這種裝置伸出機頭安裝，能夠測量直升機飛行過程中旋翼誘導氣流、側滑角、垂直真空速、前向真空速、橫向真空速，后向真空速，測量受機身影響較大。以正裝備俄羅斯軍隊的卡—52 武裝直升機的新一代HADS 系統，改進了壓力受感裝置，并集溫度傳感器和數據解算裝置為一體，其特殊的外形替代了旋轉機構，系統質量僅7 kg、集成度高、質量較輕、維護方便，中國的大氣數據專業廠家也在積極研究此類新型三軸大氣數據系統。

2.2.2 主要技術問題

為了促進新型三軸大氣數據傳感器技術走向成熟，需要從以下幾方面進行深入研究。

1)CFD 仿真技術

計算流體動力學(CFD)仿真計算在氣動分析領域已得到廣泛應用。結合旋翼的物理尺寸、轉速等相關參數和直升機的飛行包線，通過CFD 仿真技術對帶旋翼的直升機進行氣動分析計算，能夠選擇三軸大氣數據系統的矢量壓力傳感器的最佳安裝位置和受感壓力孔的位置，得出三軸大氣數據系統的矢量壓力傳感裝置上的壓力孔感受的氣壓的變化規律，并通過不斷仿真數據迭代，對三軸大氣數據系統的外形和數學模型不斷優化，避免了僅靠試飛數據進行參數調整的狹隘性，能夠大幅度縮短試飛調參周期，提高輸出參數精度。

2)3D 打印技術

新型三軸大氣數據系統面臨著傳感器數量多、集成度高、體積小、重量輕的技術挑戰，新材料技術的應用能夠大幅度減輕系統的重量，為了實際測量需要，新型三軸大氣數據系統的零部件可能形狀復雜、曲率加工難度大、整體制造要求較高，普通的工藝制造技術不能滿足實際需要，3D 打印技術在新型三軸大氣數據系統零部件加工過程中的應用，降低了零部件的加工難度，使得體積更小、重量更輕、隱身性能好的三軸大氣數據系統成為可能。

3)數據融合技術

數據融合是利用不同時間與空間的多傳感器信息資源，在一定準則下進行分析、綜合和應用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現相應的決策和估計，使系統獲得比它的各組成部分更充分的信息［7］。若新型三軸大氣數據系統能夠根據飛行狀態，適當選擇自身系統的壓力傳感器數量或機上GPS 系統、慣導系統及氣象雷達系統的數據，按照一定的規則計算出直升機飛行和武器打擊需要的大氣參數，那么新型三軸大氣數據系統在自身物理平臺受到沖擊或毀壞時，系統具有重新構建的能力，在復雜的信息化戰爭環境中，系統的可靠性更高，戰場生存能力更強。

2.3 嵌入式大氣數據傳感器技術的發展與主要技術

2.3.1 測量原理

嵌入式大氣數據系統(flush air data system，FADS)是一種依靠嵌入在飛行器前端(或機翼)不同位置上的壓力傳感器陣列來測量飛行器表面的壓力分布，并通過特定的參數解算模型，將壓力轉換為與壓力對應的大氣參數。因此，FADS 最基本的思想是通過壓力分布推算得到大氣參數，壓力分布與大氣狀態通過氣動模型聯系起來進行大氣參數的測量［8，9］。

2.3.2 發展概述

20 世紀60 年代，最初的FADS 系統樣機在美國X—15高超聲速飛行器上得到了應用，成功解決了高超聲速飛行環境下大氣數據測量。隨后，由于其在隱身性能和系統重構能力的優越性，ADS 系統的高精度壓力傳感器、大氣參數解算算法、誤差修正算法、故障檢測與冗余管理等技術得到了快速發展，并逐步走向成熟。在美國的F—18，X—31，X—33，X—34，X—38，X—43A，日本的HYFLEX 飛行器［8，9］以及德國的“銳邊—2”(SHEFEX II)高超聲速飛行器［10～12］都得到了成功的應用，國內部分科研院所和高校對FADS 系統的原理、結構布局、算法、故障檢測等進行了相應的研究［5］。目前，在包括直升機在內的各類飛行器，針對完整意義上的FADS 技術均沒有發展到工程應用階段。

2.3.3 主要技術問題

1)CFD 仿真技術

由于CFD 軟件能夠廉價快速獲取直升機模型在大氣環境中飛行時的壓力分布數據，并且仿真數據與試驗數據有很高的吻合度，與風洞試驗相比，成本更低、使用范圍更廣。因此，CFD 仿真技術為FADS 技術研究提供了新的研究和試驗手段。如日本國家航空宇航試驗室與空間發展機構在極超聲速飛行試驗項目中便是采用CFD 軟件輔助進行設計的，并取得良好的試驗效果［5］。同時，通過CFD 可以為開孔位置的選擇提供理論依據，并通過不斷優化迭代，對數學模型進行不斷驗證，并找到適當的修正方法。

2)光纖壓力傳感器技術

傳統的氣體壓力傳感器受氣動延時影響，存在測量遲滯誤差，影響系統的實時性。光纖壓力傳感器體積小、質量輕、隱身性能好、信號轉換路徑短、光信號傳播速度快，能夠大幅度縮短或消除采用氣路傳輸遲滯誤差。

3)數據融合技術

雖然通過純慣導系統推算的大氣參數誤差大，但是慣導系統對機動敏感性強，采用貝葉斯估計算法、加權平均算法、極大似然估計算法、D－S 證據理論算法、卡爾曼濾波算法、聚類分析算法、模糊邏輯算法、神經網絡算法、最小二乘算法將FADS 系統的數據和慣導的數據進行數據互補融合，能夠增強系統重構能力和有效降低系統的延時誤差。

2.4 光學大氣數據傳感器技術的研究進展

無論是單軸大氣數據系統，還是暫時占據優勢的三軸大氣數據系統，還是得到飛速發展的嵌入式大氣數據系統，所測的大氣參數均為受直升機旋翼擾動后大氣參數，在飛行控制系統和武器打擊系統使用前，均要進行參數校準，校準周期長，增加了裝備交付周期。在光學技術發展的推動下，1981 年美國Philip L Rogers 首次提出了利用光學技術進行大氣參數測量的思想［13］。根據激光遇到大氣氣溶膠(固體/液體微粒)后發生米氏散射效應，利用接收到的后向散射激光信號所產生的多普勒頻移實現大氣空速的測量，通過測量機體三個軸向的速度進而得到攻角和側滑角的光學大氣數據測量方法;另外，他還針對激光遇到空氣分子后發生熒光散射效應來對大氣密度、溫度、壓力等參數的測量方法進行了研究［5］。

自1985 年，美國NASA 與Ophir 公司開始致力于光學大氣數據傳感器技術的研究工作，基于氣溶膠瑞利散射的光學大氣數據系統(optical air data system，OADS)和分子光學大氣數據系統(molecular optical air data system，MOADS)相繼得到了驗證性研究［14］。有效解決了空速、攻角、側滑角等大氣參數的測量。

基于光學的測量的大氣數據系統消除了安裝位置限制和氣流擾動的影響，系統校準周期短，縮短了武裝直升機裝備交付周期，同時，采用埋入式安裝方式方法，增強了隱身性能，其無法比擬的優點和應用潛力已成為大氣數據研究人員關注的熱點［15］。

2.5 虛擬大氣數據傳感器技術的研究進展

在20 世紀80 年代，美國Stiphen A Whitmore 等人將慣導信息和氣象預報信息通過線性卡爾曼濾波的方法進行融合，成功解決了再入式航天飛機大氣參數測量問題［16］，美國Kevin A Wise 等人將慣導系統和飛行控制系統參數通過擴展卡爾曼濾波算法進行融合，實現了X—45A 無人戰斗機飛行攻角、側滑角的精確估計［17］，提高攻角、側滑角測量的可靠性和容錯性。意大利等國，為解決再入式飛行器大氣參數測量問題，也相繼提出了VADS 的概念，并對VADS 的可行性進行了驗證性研究［18］。本世紀初期，我國部分高校學者對利用INS/GPS 信息估計攻角、側滑角的方法進行過探討性研究［19］，但缺乏對虛擬大氣數據傳感技術及其應用方面的深入研究。

虛擬大氣數據系統(virtual air data system，VADS)有效利用了現有機載信息，不需要安裝大氣數據測量裝置，消除了安裝位置限制和氣流擾動的影響，隱身性好。同時減少了系統構件，減輕了整體重量，降低了成本，減少了氣流擾動的影響，提高了系統的可靠性與容錯性以及對惡劣飛行環境的適應性，在武裝直升機上具有廣泛的應用前景。

3 結束語

隨著探測技術和高端武器的發展，在新型材料、高精密加工、電子高度集成、仿真分析與設計、信息融合等技術的推動下，武裝直升機為了能夠在惡劣的信息化戰爭環境中長時間生存和對敵方進行有效打擊，新型三軸大氣數據傳感器技術將得到完善，取代傳統的單軸大氣數據系統，新型三軸大氣數據系統將是FADS 的衍生物，FADS 與VADS 在武裝直升機上的應用都將會得到飛速發展。

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