油量计算方法对油量测量系统姿态误差的影响分析

彭克顺，古远康，朱光蔚，何建新，陈刚

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

油量测量系统总误差一般包括两部分：第一部分为油量测量系统的基本误差，该误差为非装机状态仪表本身误差，它由油量传感器各校验点电容增值误差和指示器基本误差组成，该误差在油箱的油量—高度曲线确定后，由油量测量系统的设计和制造来保证；第二部分为安装误差和偏离设计飞行姿态而产生的姿态误差，安装误差由油量传感器在油箱上安装的准确性来保证。姿态误差则与油量传感器的数量、安装位置以及油量计算方法有关。在确定油量计算方法时，应根据油箱的布局以及油量传感器的布置，设置多种方案并进行比较分析，以选择最佳方案。

1 某型飞机油箱油量测量原理

某型飞机油箱形状和油量传感器布置图如图1所示。

图1 油箱形状和油量传感器布置

某型飞机的油箱为整体油箱，根据飞机的总体布局，其形状为前低后高。为了能够准确测量其油量，在油箱内设置了两根油量传感器。油量传感器均为电容式油量传感器，电容量与油量传感器的浸油高度成正比，但在其头部加装了信号变换装置，将电容量变换为频率信号输出，频率高低随油量传感器浸油高度变化而变化，与其浸油高度成反比关系。燃油计算机通过整形电路和多路模拟开关对两路频率信号进行实时测量，并按油箱的油量-高度曲线进行数据处理得到油箱油量值。

2 油量计算方法的设定

由于油箱的形状为前低后高，两根油量传感器均不能感受到油箱内整个油面高度的变化，即不能测定油箱内的全部油量，因此在进行油量计算时，需要根据前后两根油量传感器的输出的信号按照一定的油量计算方法才能计算出整个油箱的油量。

根据油箱的形状，油量计算方法可以分为两种：一种是求和法：即假定将油箱分为两个分油箱，每根油量传感器分别测定一个分油箱的油量再求和；一种是求平均值法：即两根油量传感器共用一组油量-高度曲线，在两根油量传感器均能测量部分取平均值计算油量。

2.1 求和法

从油箱的形状上分析，该油箱可以分为前、中、后三段。前端的油量传感器可以测定前段和中段的下部油量，而后端的油量传感器可以测定后段和中段上部的油量，因此按图2将油箱分为两个分油箱。

图2 油箱分割图

油箱的油量计算方法A为：

式中：

M—油箱总油量，kg；

M前—前端油量传感器测定的油量，kg；

M后—后端油量传感器测定的油量，kg；

2.2 求平均值法

由于前、后两根油量传感器共同能够测定部分的油量处于油箱的中部，因此可以将油箱油量分为上、中、下三部分，分别对应的油量为M下、M中、M上，如图3所示。

图3 油量分割图

前端油量传感器测定的油量范围为：0≤M≤(M下+M中)。后端油量传感器的测定的油量范围为：M下≤M≤(M下+M中+M上)。

在计算油箱油量时，燃油计算机首先根据油量-高度曲线，按照前端油量传感器和后端油量传感器输出的信号分别计算出对应的油箱油量。然后根据传感器测定的油量所处的范围，分别按照不同的公式计算总油量。按照燃油计算机采用的油量计算分界点的来源，油量计算方法可以分为两种：一种是根据前端油量传感器的输出油量作为油量计算的分界点；一种是根据后端油量传感器的输出油量作为计算的分界点。

根据前端油量传感器的输出油量作为油量计算分界点的油量计算方法B为：

当M前≤M下时：

当M前＜(M下+M中)时：

当M前=(M下+M中)时：

当M前≤M下时，引入M后的数据进行计算，主要是考虑当飞机处于低头姿态时，后端传感器测定的油量可能会大于M下，该计算方法可以部分补充姿态的误差。

根据后端油量传感器的输出油量作为油量计算分界点的油量计算方法C为：

当M后=M下时：

当M后≤(M下+M中)时：

当M后＞(M下+M中)时：

当M后＞(M下+M中)时，引入M前的数据进行计算，主要是考虑当飞机处于抬头姿态时，前端传感器测定的油量可能会小于(M下+M中)，该计算方法同样可以部分补充姿态的误差。

3 各油量计算方法下的油量姿态误差影响分析

按照上述油量计算方法A、B、C，通过三维设计软件，分别进行飞机姿态角为10°和姿态角为-10°时的油箱理论油量和显示油量的计算。

飞机姿态角为10°时各油量计算方法下油量-高度曲线如图4所示。

图4 飞机姿态角为10°时各油量计算方法下的油量-高度曲线

飞机姿态角为10°各油箱计算方法下理论油量与显示油量的最大差值见表1。

表1 飞机姿态角为10°时理论油量与显示油量的最大差值

从图4中可以看出，在整个油面高度内，各算法计算出的显示油量大部分小于理论油量，其中算法A的油量显示值与理论油量的差值最小。理论油量与显示油量差值最大的为算法B，出现在理论油量为682kg时，主要是飞机姿态角为10°时，在该油量下，前端油量传感器未浸满油，该油量传感器输出的油量为545kg，而后端油量传感器输出的油量为711kg，而根据算法B，总油量应为两根油量传感器输出值的平均值，所以造成误差偏大。

飞机姿态角为-10°时各油量计算方法下油量-高度曲线如图5所示。

图5 飞机姿态角为-10°时各油量计算方法下的油量-高度曲线

飞机姿态角为-10°各油箱计算方法下理论油量与显示油量的最大差值见表2。

表2 飞机姿态角为-10°时理论油量与显示油量的最大差值

从图5中可以看出，在整个油面高度内，各算法计算出的显示油量大部分大于理论油量，其中算法A的油量显示值与理论油量的差值最小。算法B和算法C的理论油量与显示油量差值均偏大。

算法B最大差值点出现在理论油量为503kg时，主要是飞机姿态角为-10°时，在该油量下，前端油量传感器已浸满油，按照算法，油量显示值为后端油量传感器的输出值，而在该姿态下，后端油量传感器的输出值将显著偏小，因此造成差值达到73kg。

算法C最大差值点出现在理论油量为255kg时，主要是飞机姿态角为-10°时，在该油量下，后端油量传感器为空油状态，按照算法，油量显示值为前端油量传感器的输出值，而在该姿态下，前端油量传感器的输出值将显著偏大，因此造成差值达到97kg。

根据上述分析，按照求平均值法计算油箱油量，当飞机带姿态飞行时，在油量计算的分界点附近，油量显示值与理论值会出现较大的误差，误差最大的高达13.7%。而采用求和法计算油箱油量，显示油量与理论油量的差值较小，可以减小飞机的姿态误差，为最佳的油量计算方法。

4 结论

在进行油量测量系统设计时，应根据油箱的布局和油量传感器的位置合理设定油量计算方法，并进行姿态误差分析。与上述油箱形状类似的油量测量系统应该采用求和法计算油箱油量。

[1]陈嵩禄.动力装置系统设计.飞机设计手册第13册.北京：航空工业出版社，2006，6.