电传飞机加速度传感器安装位置对飞行品质的影响

张羽白，裴登洪，陈 林，冷国旗

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

现代高性能战斗机普遍采用电传飞行控制系统，作为系统主要传感器之一的加速度传感器，为飞控系统提供法向和侧向加速度反馈，供控制增稳、边界限制等功能解算使用。而不同的加速度传感器安装位置，在飞行过程中会引起反馈参数偏离，对飞行品质产生影响。

本文首先分析由于加速度传感器安装位置在典型机动中所带来的附加加速度。而后通过飞机本体三轴典型大机动的六自由度非线性仿真对比，分析不同加速度传感器安装位置所测加速度与重心处加速度的差异。最后分析将上述差异反馈入飞控系统后对飞机响应及飞行品质带来的影响，并在此基础上提出电传飞行控制系统飞机的加速度传感器安装位置建议。

1 加速度传感器安装位置分析

《飞机设计手册》第12分册中对加速度传感器安装要求为“各轴（或各通道）传感器可以组装在一个机箱（LRU）内或分装。传感器的排列应考虑与被测量轴的关系，不致引起附加的通道误差。机体结构变形引起的传感器及其组件的结构应力应最小。加速度传感器敏感轴与被测量轴的安装（包括重复安装）误差应满足规定的要求（一般应≤15′）。加速度传感器应尽量安装在飞机机体结构一、二次振型的波节处，以避免结构振动模态的耦合。传感器还应尽量安装在飞机重心处，或驾驶员座椅处。”

从以上描述可以看出，除却对飞机结构一、二次振型的波节的考虑外，飞机加速度传感器理论上应尽量安装在飞机重心处，但在多数情况下，飞机总体布局从全机角度出发，飞机重心处通常要考虑油箱等的安置，因此加速度传感器很难安装在重心处，一般情况下，为消除非对称安装带来的不利影响，加速度传感器应布置在飞机对称平面内。

飞机运动过程中，加速度传感器安装位置处的线加速度在六自由度仿真时的计算公式如下：

式中：nys、nzs—加速度传感器安装位置处的法向、侧向加速度；

nyg、nzg—重心处的法向、侧向加速度；

wx、wy、wz—滚转、偏航、俯仰角速率；

lxs、lys—加速度传感器相对参考重心的x、y向距离；

g—重力加速度。

从上述公式来看，在纯轴向机动中，引起安装位置处加速度与重心处加速度差异的主要因素有两个，一个是加速度传感器的安装位置，另一个是轴向机动过程中的角加速度。而对军用战斗机而言，在三轴角加速度中，一般横向大机动中的w˙x项较大。如果飞机加速度传感器安装位置不合适，即lys较大，在快速滚转时，飞机加速度传感器处的加速度与重心处的加速度，在快速滚转的建立和结束过程会存在较大差异。

如果对加速度传感器测得值进行位置修正，需要得到三轴角速度和角速度的微分，由于会导致系统时间延迟增大，因此通过陀螺反馈对加速度传感器所测加速度进行位置修正不可行。为此，飞行控制系统设计中加速度传感器的安装位置需要慎重考虑。

2 加速度传感器安装位置假设

下文以某型电传飞机为例，在飞机对称平面内选择三个加速度计安装位置，通过六自由度非线性仿真分析其在三轴典型大机动过程中所带来的影响，安装位置的方案如表1所示，方案1距重心直线位置最近，方案2为驾驶员座椅处，方案3取折中位置。

表1 加速度传感器安装位置的变化

3 纯飞机本体三轴大机动仿真对比分析

本节在上述三个方案的基础上，选择典型状态点3km，0.7M（简称0307）在不带飞行控制系统情况下进行纯飞机本体的六自由度非线性仿真，对比分析不同加速度传感器安装位置在三轴典型大机动操纵时所测量加速度与重心处加速度的差别。

3.1 横向纯飞机仿真对比

首先对横向大机动进行仿真分析。横向仿真指令输入如图1所示，在1s～3s时间加入-14.4°副翼偏度指令阶跃信号，产生的最大滚转角速度约180°/s。

图1 横向纯飞机仿真指令输入

三个方案的横向纯飞机仿真对比如图2～图4所示，图中实线表示重心位置过载，虚线表示加速度传感器测量过载。

图2 方案1侧向过载对比

3.2 纵向纯飞机仿真对比

纯飞机纵向仿真分析。图5为纵向纯飞机仿真的指令输入，在1s～3s时间加入-3.5°平尾指令阶跃信号，产生的重心处最大法向过载为7.83g。

图3 方案2侧向过载对比

图4 方案3侧向过载对比

图5 纵向纯飞机仿真指令输入

三个方案的纵向纯飞机仿真对比如图6～图8所示，图中实线表示重心位置过载，虚线表示加速度传感器测量过载。

3.3 航向纯飞机仿真对比

纯飞机航向仿真分析。图9为航向纯飞机仿真的指令输入，在1s～3s时间加入-6°方向舵指令阶跃信号，纯飞机航向响应表现出一定的弱阻尼特性。

图6 方案1法向过载对比

图7 方案2法向过载对比

图8 方案3法向过载对比

图9 航向纯飞机仿真指令输入

三个方案的航向纯飞机仿真对比如图10～图12所示，图中实线表示重心位置过载，虚线表示加速度传感器测量过载。

图10 方案1侧向过载对比

图11 方案2侧向过载对比

3.4 对比分析结果

根据上述纯飞机的仿真结果，对比三种方案在三轴典型大机动中加速度传感器测量值和重心处过载的峰值差异，如表2所示。

图12 方案3侧向过载对比

表2 三种加速度传感器位置方案在纯飞机三轴典型大机动中的典型参数峰值差异

方案1：纵向和航向大机动操纵时加速度传感器测量的加速度能够比较真实的反应重心处过载，但由于加速度传感器距参考重心的y向距离较大，在横向大机动操纵时，加速度传感器测量的侧向过载在滚转建立过程和结束过程中，滚转角加速度会产生一个侧向过载尖峰，尖峰值为0.68g，不能真实反映重心处的侧向过载，如该反馈带入飞行控制系统控制律解算，会产生一个非预期的方向舵偏度和侧滑角。

方案2：由于加速度传感器距参考重心的x向距离很大，在进行横向、纵向和航向大机动操纵时，重心处法向过载与加速度传感器测量法向过载在过载起始、结束时刻和峰值处存在较大差异，甚至航向大机动初始时刻存在反向。

方案3：横向大机动操纵时加速度传感器测量的加速度能够比较真实的反应重心处过载，纵向和航向大机动操纵时，加速度传感器测量加速度与重心处过载有一定差异，但可以接受。

4 带飞行控制系统仿真对比

典型的电传飞控系统控制律结构如图13和图14所示，如果法向和侧向加速度反馈输入带入了由安装位置产生的附加值，会产生额外的舵面偏转指令，而此舵面偏度可能会在机动过程中产生影响，本节对此进行分析并仿真对比。

根据上节纯飞机仿真对比结果，选取方案1和方案3进行带飞行控制系统六自由度仿真对比，将方案1和方案3加速度传感器安装位置所测加速度引入飞控系统控制律反馈，分析带飞行控制系统后由于加速度传感器安装位置不同对飞机响应的影响。

在0307状态进行三轴阶跃操纵的仿真对比，图15为压满杆右滚的仿真对比，图16为纵向拉满杆的仿真对比，图17为航向蹬满脚蹬左偏航的仿真对比，均为在1s～3s内加入单轴操纵。

从图15～图17可以看出，带飞控系统飞机加速度计传感器安装位置方案1和方案3，纵向和航向大机动的飞机响应曲线基本重合，但在横向大机动中两者差异很大。

图13 典型纵向控制律结构

针对图15分析快速滚转的建立过程，各参数峰值对比如表3所示。方案3对比方案1在快速右滚过程中，法向过载第一个峰值相比减小0.38g，侧向过载第一个峰值相比减小0.4g。

图14 典型横航向控制律结构

图15 横向满杆右滚仿真对比

图16 纵向拉满杆仿真对比

图17 航向蹬满脚蹬仿真对比

表3 仿真曲线各参数第一个峰值

从表3可以看出方案3仿真曲线中侧滑角、法向过载等参数响应明显优于方案1。

5 加速度传感器安装位置建议

根据上述仿真对比分析，发现横向快速滚转对加速度传感器安装y向位置敏感，如果y向位置太大，在快速滚转的建立和结束过程中，飞机加速度传感器测得的加速度与重心处的加速度会存在较大差异，如该加速度反馈带入飞行控制系统控制律解算，会产生一个非预期的方向舵偏度和侧滑角使得快速滚转品质变差。

由此，建议若加速度传感器因总体布置等因素无法安装于飞机重心处，则应安装在飞机对称平面内的水平轴线附近，y向位置尽可能小。

[1]飞机设计手册.北京：航空工业出版社，2003.

[2]宋翔贵张新国.电传飞行控制系统.北京:国防工业出版社,2001.