航空燃油測量技術的發展

王麗梅　鮮燕　陳健

摘 要：燃油量是飛機燃油系統中的重要組成，準確及時地測量出燃油對飛機的安全飛行，保持重心等起著重要的作用，為了進一步研究提高航空燃油測量精度的方法，預測燃油測量未來的發展，文章介紹了燃油測量系統和燃油測量的重要性，結合文獻分析法和定性分析法進行了總結歸納，分別論述了燃油液位與燃油密度測量技術的發展及其基本原理，在國內外研究現狀的基礎上指出了高精度、結構優化、數字化、綜合化是航空燃油測量技術發展的必然趨勢。

關鍵詞：航空燃油 測量技術 發展 液位測量 密度測量

中圖分類號：V31 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）10-0-02

一、燃油測量系統概況

燃油是飛機的能源，燃油系統是飛機能源的供應系統。飛機燃油系統主要功能是儲存燃油，并根據飛行狀態和飛行高度，按需要的壓力和流量，安全可靠地將燃油供給發動機。因而在飛機的飛行過程中，燃油量對飛行安全起著重要的作用[1-2]，不僅要求燃油量能實時地顯示出，并且要求其測量值盡可能精確。

1.由于飛機工作的特殊環境，燃油的消耗是動態過程，燃油液位、密度并不是固定值，同時密度會隨著飛機飛行的高度、大氣壓力、油箱溫度等的變化而改變，這就必須實時精確地測量出燃油量[3]。

2.燃油量測量精度的提高可提升每次飛行的經濟效益，在飛機的每次飛行任務中，燃油量的確定必須結合飛機的載荷和航程，例如民用飛機的燃油測量精度只要每提0.5%，相應就可以至少增加2-3名乘客[4]，大大提高經濟效益。因此，提高飛機燃油系統的測量精度顯得尤為重要。

3.燃油測量系統中，提高液位與密度等傳感器的精度、可靠性以及可維護性不僅能夠使得飛機運營成本降低，還能延長平均無故障工作時間，降低維修時間，進一步研究維護性和可靠性跟高的燃油測量裝置可減小飛機的維修成本和時間。

飛機燃油測量系統包括液位測量傳感器、密度測量傳感器、燃油測量與處理任務計算機以及油量顯示等部分，圖1是它的工作原理：油位測量傳感器首先測量出油箱中燃油的高度h，結合飛行姿態和飛行高度以及數學模型信息，計算機可得到相應的燃油體積v，同時密度傳感器可以測出燃油的密度ρ，計算機通過結合溫度補償等可得出油箱燃油的質量m，最終輸出并顯示。

二、燃油測量技術的發展與應用

1.燃油液位測量技術

燃油的液位測量經歷了從油尺測量、浮子式液位測量技術、電容式（特性傳感器到線性傳感器）測量、超聲波測量技術、放射性測量技術、光纖測量以及磁致伸縮技術測量等各種先進的測量方式并存的時代，使實時的體積計算成為現實[5]。

1.1浮子式液位測量技術

浮子式油位測量是通過改變燃油的浮力，從而改變浮子的位置，此類傳感器觀測讀數直觀，價格相對便宜，但由于測量范圍小，可靠性差，指示誤差大，易產生故障，維護量大，現在僅用于一些舊型飛機和小型飛機上。

1.2電容式液位測量技術

電容式傳感器原理如圖：利用被測燃油與空氣作為電介質，當燃油液位的變化時將引起介電常數的變化，從而測量出液位的高度。電容與液位的關系為：

……（1）

圖 電容式油位傳感器原理圖 圖 超聲波式液位傳感器工作原理

式中：ε為真空介電常數，ε1為被測燃油介電常數。

電容式液位傳感器可進行連續測量，結構簡單成本低，但要求燃油具有穩定的介電常數，同時需要溫度補償，長期穩定性較差[6]。因此，國外大型航空公司于20世紀70年代開始研究數字式電容式傳感器，改善了燃油系統整體質量，在提高系統可靠性和維護性的同時，提高了系統的安全性，使航空燃油測量技術躍上了一個新臺階。

1.3超聲波液位測量技術

超聲波測量是根據發射轉換器和接受換能器之間的時間差以及在燃油中超聲波的傳播速度，可以計算出油箱至換能器之間的空高，根據油箱總高度計算得出燃油液位高度。它不僅能實現定點或連續測量，而且安裝維護方便，而且成本較低，但是燃油中的雜質會引起超聲波信號的嚴重衰減，測量結果不穩定，精度有待提高。

1.4流量式燃油液位測量

流量式油量傳感器是對發動機的耗油量進行測量，并不直接進行油箱中的油位測量，通過飛機初始總油量計算出剩余油量。

……（2）

式中：mt為油箱中剩余油量，m0為起飛前初始總油量，N為脈沖數，B為換算系數，。

1.5光纖液位測量技術

光纖傳感器是利用燃油對光波的調制作用[7]，使得光纖內光波的振動臺、強度、波長相位、頻率、振幅等發生變化，通過解調光波從而獲得燃油量的液位高度。

1.6磁致伸縮技術

磁致伸縮式傳感器是利用磁效應和超聲效應相結合進行液位測量的，通過發射與接收磁脈沖之間的時間測出燃油液位[8]。

2.密度測量技術

燃油的密度測量從早期的間接測量、比重計測量逐漸到了振動筒式測量、放射性同位素測量、超聲波測量等，使得燃油測量精度、安全性、操作性以及自動化水平大大提高。

2.1間接測量技術

早期的燃油測量系統不能對燃油密度進行直接測量，而采用的是間接測量方式。密度的間接測量又有結合介電常數和燃油溫度補償的方法以及利用燃油密度與溫度、壓力等之間的關系來進行間接測量兩種[3，9]。

2.2基于諧振技術測量

基于諧振技術的燃油密度測量采用的是諧振筒式傳感器，它通過測量諧振筒在不同狀態下的固有振動頻率，從而測量出測量燃油的密度，輸出量為頻率[10-11]。諧振筒可視為一個單自由度受迫振動的二階系統。當外力能夠克服阻尼力時，系統將在諧振狀態，根據振動理論，其諧振頻率為（3）式，即固有頻率。當燃油進入諧振狀態的諧振筒中，將隨之一起振動并成為其振動質量的有效部分，總質量由m變成，測量出此時的振動頻率即可以確定出燃油的密度。

……（3）

式中：m為等效質量，c為阻尼系數，k為彈簧剛度，E為材料彈性模量，I為剛度。

2.3放射性同位素測量技術

放射性同位素燃油密度測量是基于燃油對輻射射線的吸收原理，當γ射線穿過燃油時，其衰減程度與穿過的燃油厚度、密度以及成分有關，其放射性強度的衰減規律如（4）式[12-15]，根據衰減后射線的強度I可得出燃油密度。

……（4）

式中： ρx為燃油的密度，μ為燃油的質量吸收系數，當燃油固定后，可將其視作常數，I0為穿透燃油前射線的強度，I為穿透燃油后射線的強度，d 為射線穿過燃油的距離。

2.4超聲波測量技術

超聲波測量燃油密度利用的是超聲波在燃油中的傳播過程其傳播速度與燃油密度、聲阻抗等密切有關[16]，根據（5）式測量出燃油中的聲速即可得到燃油的密度。

……（5）

式中：c為超聲波的傳播速度；E 為燃油的體積彈性模量；ρ為燃油的密度。

3.國內外燃油測量技術的應用現狀

我國的燃油測量技術研究起步較晚[17]，從20世紀70年代才開始跟蹤與研究航空液位傳感器、燃油密度傳感器及其相關技術，目前我國民用飛機的燃油液位測量技術仍舊停留在電容式階段，燃油密度測量主要采用間接方式，即介電常數與溫度補償的方法進行測量，只有個別機型選用了數字化燃油測量系統，這樣導致燃油測量數字化程度偏低，容易造成測量系統的可靠性較低，測量精度偏度，平均無故障工作時間較短，占用維修時間較多。

在傳感器方面，我國的磁致伸縮測量以及超聲波傳感器還在預研階段，相對于國外先進的傳感器技術，還存在著較大的差距，例如霍尼韋爾和史密斯公司等國外大型公司大力開展數字式燃油測量系統技術研究，先后在波音 757、波音 767、C-130和F-22 等飛機上成功運用放射性燃油密度傳感器和諧振式密度傳感器，結合補償修正技術、BIT叫技術等使密度測量傳感器在測量精度、可靠性和使用壽命方面有很大的提高。其中以美國F-22為代表的第四代戰斗機不僅更換了密度測量，還徹底放棄了電容式液位測量，使燃油測量系統發生了質的飛越。

三、燃油測量技術的發展趨勢

大力開展各種新型的燃油液位和燃油密度的測量技術研究，研制高精度、高安全性、高維護性的測量傳感器，制造適合我國飛機燃油系統發展需求的測量系統，是實現飛機燃油管理的重要基礎。未來航空燃油測量系統的發展將集中體現在幾個方面：

1.高精度推動系統發展

飛機燃油測量精度的每一點提高在航空業追求低成本和高效率的今天都是非常可貴的，測量傳感器的精度直接決定了測量系統的精度，高精度傳感器的研制，測量誤差的補償與修正技術的完善，達到減小系統誤差的目的，不僅能提高燃油的利用效率，更能顯著提高經濟效益；

2.結構優化豐富系統內涵

高精度傳感器的研制不僅需要不斷改進傳感器的加工與制造工藝，研制各類新型經濟環保更安全的材料，還需要不斷進行傳感器內部結構與分布技術的優化，力圖實現傳感器的一體化、小型化，每一種新的技術創新都會極大地豐富和發展燃油測量系統。

3.數字化、綜合化已成為必然趨勢

數字化、綜合化已經成為所有機載設備系統，包括燃油系統發展的必然趨勢，改進燃油測量系統可靠性和維護性等，著力提高系統整體功能性，使得整個燃油系統向著智能控制發展，實現燃油系統的數字化、綜合化管理，最終形成未來飛機的系統大綜合。

參考文獻

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作者簡介：王麗梅，女，（1969-），本科，工程師，研究方向：航空油料質量管理和油庫安全管理。

鮮燕，女，（1988-），碩士研究生，工程師，研究方向：航空油料儲存和安全管理。

陳健，男，副科長，中國民航飛行學院新津分院航空加油站站長，助理工程師，研究方向：航空油料管理及其儲存。