某型飛機燃油計算軟件算法研究

謝艷嬌，黃 華，陳雄昕，韓亦俍

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

1 某型飛機油量測量系統簡介

油量是飛機重要的基礎信息。飛機在空中飛行時，剩余油量將直接影響飛行安全及任務完成，因此飛行員需要準確知道油箱內的燃油量信息。本文以某型飛機為例，提出了油箱油量信息解算方法，根據該型飛機油箱的幾何特征、油量傳感器分布情況及飛機過載信息，解算出油箱內的油量值。

某型飛機一共有4個油箱，分別布置于左、右機翼內，見圖1。

圖1 某型飛機油箱分布

某型飛機燃油測量系統由4根油量傳感器、信號轉換盒和燃油計算模塊組成，其中，燃油計算模塊集成在飛行參數采集器中。油量傳感器分別安裝于4個油箱內，實時輸出一個電容信號，該電容信號可依據油面高度變化而改變；信號轉換盒將油量傳感器的電容信號轉換為油面高度信號，并輸送給飛行參數采集器；飛行參數采集器將實時存儲各油箱的油面高度數據；燃油計算模塊將各油箱的油面高度數據轉換成各油箱油量并計算出全機油量，輸出給飛行參數采集器和多功能顯示器，以存儲和顯示各油箱油量數據和全機油量數據。

2 某型飛機燃油測量計算軟件工作原理

燃油計算軟件安裝在飛行參數采集器的燃油計算模塊中，屬于實時任務程序，通過硬件驅動程序和實時多任務操作系統對信號轉換盒輸出的各油箱油面高度數據進行處理和判斷，解算出飛機4個油箱的實時油量、總油量及故障信息。燃油測量計算軟件工作原理見圖2。

圖2 燃油測量計算軟件工作原理圖

燃油測量計算軟件的工作原理為：依據信號轉換盒輸出的油面高度和油面角數據，查詢表征油面高度、油面角與燃油量、燃油重心等對應關系的燃油質量特性數據庫，經差值解算和信息后處理得到油箱油量數據。燃油測量計算軟件的輸入和輸出參數如表1所示：

表1 燃油測量計算軟件的輸入和輸出參數

3 軟件算法

3.1 燃油量計算

3.1.1 油面高度

每個油箱的油量傳感器需對零油量和滿油量位置進行標定，稱為“調零”和“調滿”。綜合顯示器上設置相關按鈕，可以對每根油量傳感器進行調零調滿。飛機調零和調滿時需將當前數據進行存儲，用于油量計算；再次調零和調滿時將覆蓋原數據。

燃油計算軟件根據信號轉換盒輸出的油面高度計算出對應數據庫中的油面高度。計算方法如下：

數據庫中油量為零時對應的高度為y1，滿油時對應的高度為y2，調零時油量傳感器輸出的油面高度為x1，調滿時油量傳感器輸出的油面高度為x2，h為信號轉換盒輸出的油面高度，可以依據以下公式計算出高度h在數據庫中對應的油面高度H，見圖3。

圖3 油面高度換算圖

先計算出高度h在調零調滿高度所占的百分比k：

再計算出高度h在數據庫中對應的高度H：

軟件計算時，將左、右機翼內側油箱視為A油箱組，左、右機翼外側油箱作為B油箱組。

若計算得到的H不在區間[y1，y2]之內，則輸出傳感器故障信號至飛行參數采集器；若傳感器故障信號持續5s，則判斷該傳感器故障，將該油箱油量置為同組油箱另外一根傳感器采集油量；若同組油箱兩根傳感器均故障，則將同組油箱燃油均置為零。傳感器故障信號將被飛行參數采集器記錄，并且座艙綜合顯示器將出現相應的告警。

3.1.2 油面角

通常飛機油箱的外形尺寸相對于機體坐標系給出,機體坐標系如圖4所示。

圖4 機體坐標系

機體坐標系中，X方向沿飛機縱軸線向前；Y方向垂直于X軸并沿飛機法線向上；Z方向垂直于XY平面并沿飛機翼展向右。

俯仰角θ為飛機繞Z軸轉過的角度，飛機抬頭時俯仰角為正；滾轉角Ф為飛機繞X軸轉過的角度，飛機右傾時滾轉角為正；偏航角ν為飛機繞Y軸轉過的角度，機頭朝左時偏航角為正。

油量傳感器垂直安裝于油箱內部，與Y軸平行。飛機水平飛行時，油量傳感器軸線與油箱油面垂直；當飛機的飛行姿態改變時,在重力作用下,油量傳感器軸線與油面的夾角發生改變,從而使油量傳感器輸出的電容信號無法反映油箱內真實油量。這種因飛行姿態使油量傳感器產生的誤差稱為“姿態誤差”。

偏航角為飛機繞地垂線轉動形成的夾角,不影響油箱與油面的相對位置關系,也不會影響傳感器與油面的夾角,不會造成姿態誤差。因此，只有俯仰角和滾轉角會引起油量測量的姿態誤差。

燃油計算軟件根據飛行參數采集器輸出的X、Y、Z三個方向過載系數分別計算出飛機的俯仰角和滾轉角。

俯仰角θ的計算公式：

滾轉角Ф的計算公式：

式中，nx為X方向過載系數，ny為Y方向過載系數，nz為Z方向過載系數。

3.1.3 燃油質量特性數據庫

燃油質量特性數據庫中存儲了各油箱在飛機處于不同油面高度H、俯仰角θ和滾轉角Ф狀態下的油量數據，俯仰角θ的范圍為[-20°，20°]，變化步長為0.5°，滾轉角Ф的范圍為[-10°,10°]，變化步長為0.5°，油面高度的變化步長為5mm。燃油計算軟件根據H，θ，Ф，通過數據分類、計算、插值、存儲和調用等各種復雜運算得出各油箱油量和全機油量，該數據被輸出至飛行參數采集器并在多功能顯示器上顯示油量數據。當油面高度、俯仰角或滾轉角的值在步長之間時，使用線性插值得出油量。因A組、B組油箱幾何特征和油量傳感器布局均對稱，故A組油箱查詢數據庫中同一組油量數據，B組油箱查詢數據庫中另一組油量數據。

以俯仰角[-0.5°，0°]，滾轉角[-0.5°，0°]，油面高度[0，15]mm為例，給出數據庫中存儲的油量數據，具體見表2。

表2

假設圖2中的油量處理模塊1計算出的俯仰角為θi，滾轉角為Фi，油面高度為Hi，則可以根據以下步驟計算出此時的油量m。

1）判斷出θi的范圍,θ1<θi≤θ2，θ2-θ1=0.5；

2）判斷出Фi的范圍,Ф1<Фi≤Ф2，Ф2-Ф1=0.5；

3）判斷出Hi的范圍,H1

4）計算線性插值的常數：

俯仰角為θi的插值常數：

滾轉角Фi的插值常數：；

油面高度Hi的插值常數：；

5）計算出Hi在H2到H1之間的線性插值油量：

a)計算俯仰角為θ1、滾轉角為Ф1、油面高度為Hi時的油量：

其中，m211為油面高度為H2時的油量，m111為油面高度為H1時的油量；

b)計算俯仰角為θ1、滾轉角為Ф2、油面高度為Hi時的油量：

其中，m221為油面高度為H2時的油量，m121為油面高度為H1時的油量；

c)計算俯仰角為θ2、滾轉角為Ф1、油面高度為Hi時的油量：

其中，m212為油面高度為H2時的油量，m112為油面高度為H1時的油量；

d)計算俯仰角為θ2、滾轉角為Ф2、油面高度為Hi時的油量：

其中，m222為油面高度為H2時的油量，m122為油面高度為H1時的油量；

6）根據以上得出的油量計算出Фi在Ф2到Ф1之間的線性插值油量：

計算俯仰角為θ1、滾轉角為Фi時的油量：

計算俯仰角為θ2、滾轉角為Фi時的油量：

7）最后可計算出該油箱油量為

3.2 數據后處理

由于飛機飛行不平穩等原因造成油面劇烈晃動，將導致油量測量結果產生較大的浮動（實際油量不會產生較大變化）。為了保證測量結果的穩定性和準確反映油箱中的實際油量，需要對浮動的油量測量結果進行平滑濾波處理。平滑濾波的目的在于消除那些不能真實反映實際油量的測量點，以保證測量結果的穩定性。

圖2中，某型飛機燃油計算軟件中，由油量處理模塊2對數據做平滑處理，即：堆棧中設置10個數據單元；首次采集數據時，便將該數據全部置入10個數據單元中；當采集到新數據時，將新數據計入堆棧最后一位，堆棧中所有數據向前移一位，最前面一位數據清除。每次接收到新數據都對堆棧中10個數據求算術平均值，并做取整處理后將油量值輸出給油量數據儲存模塊。平滑濾波原理見圖5。

圖5 平滑濾波原理示意圖

定時器每隔1s從油量數據儲存模塊讀取1次數據，并將該數據輸出給飛行參數采集器。該數據為單個油箱的油量，全機油量為4個油箱油量之和。

4 結論

精準的算法與飛機顯示的油量息息相關，針對某型機燃油系統油箱和油量傳感器分布情況，給出了該型飛機燃油計算軟件的功能和算法。燃油計算軟件接收信號轉換盒的信號，經過計算得出該油箱內的油面高度；同時燃油計算軟件也接收來自飛行參數采集器的飛機X、Y、Z三個方向過載信號，經過計算求出油面角。飛機各油箱油面高度和油面角對應的油量數據已預先存入燃油質量特性數據庫內，從而可精確得出油箱內的燃油油量。