空速管和嵌入式大气数据系统

空速管和嵌入式大气数据系统

新闻关键词： 空速管、嵌入式大气数据系统、攻角传感器、侧滑角传感器、大气数据测试仪、动静压测试仪

空速管和大气数据计算机技术资料下载

空速管也被称作皮托管、总压管、总静压管，是飞机上*重要的感应器之一。它能够测量周边气流的总压（也称全压）和静压，并将数据传送给飞机的计算机和飞行仪表装置。空速管这种航空装置主要是用来测量飞行速度的，同时还兼具其它多种功能。皮托管英文是Pitot tube，是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，由法国H.皮托发明而得名。严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。

空速管测量出来的速度并非是飞机真正相对于地面的速度，而只是相对于大气的速度，所以称为空速。如果有风，飞机相对地面的速度(称地速)还应加上风速(顺风飞行)或减去风速(逆风飞行)。另外空速管测速原理利用到动压，而动压和大气密度有关。同样的相对气流速度，如果大气密度低，动压便小，空速表中的膜盒变形就小，所以相同的空速，在高空指示值比在低空校这种空速一般称为"表速"。现代的空速表上都有两根指针，一根比较细，一根比较宽。宽的指针指示"表速"，而细的一根指示的是经过各种修正的相当于地面大气压力时的空速，称为 "实速"。为了防止空速管前端小孔在飞行中结冰堵塞，一般飞机上的空速管都有电加温装置。总之，空速管是飞机上极为重要的测量工具。只有细心地做好维护工作，才能有效地保证动静压的探测精度，使得其寿命长久一些；只有对动静压探头认真检查，才能保障每一个航班飞行**。

同时为了保险起见，一架飞机通常安装2套以上空速管。有的飞机在机身两侧有2根小的空速管。美国隐身战斗机F-117在机头*前方安装了4根全向大气数据探头，因此该机不但可以测大气动压、静压，而且还可以测量飞机的侧滑角和迎角。有的飞机上的空速管外侧还装有几片小叶片（攻角传感器和侧滑角传感器），也可以起到类似作用；垂直安装的用来测量飞机侧滑角，水平安装的叶片可测量飞机迎角（也叫作攻角）。为了防止结冰，空速管被加温――对探头进行加温防冰可以防止结冰堵塞测量孔，影响探测精度。为了防止动/静压系统积聚水分，在空速管设有排水孔和动/静压系统管路设有排水接头。

利用空速管前面的开孔，可以测得飞机飞行时的大气动压。再利用空速管侧面或是机身上的静压孔得到压力差，结合温度等数据就可以换算出飞行速度。因为飞行时机头处会产生湍流影响测量结果，空速管往往造得很长以远离湍流区域，机头的这个位置是受飞机自身气流影响*小的地方。

然而将空速管安在机头也会带来很多弊端，长长的空速管会严重影响飞机的气动布局，在飞机做出大迎角机动的时候尤为明显，这根金属杆对提高飞机隐身性能同样也是巨大的障碍。*大的麻烦是空速管会影响机头处雷达的工作，一方面它会反射雷达信号，对此常见的处理办法是在空速管后方布置吸波材料，但这样一来又会在雷达上制造一小块盲区；另一方面空速管产生的应力容易造成雷达罩变形，提高了雷达罩设计和生产的难度。所以各类飞机都在想法取消机头空速管，*常用的办法是使用L型的机身空速管代替。

机身空速管容易受飞机自身气流影响，所以要多安装几个，再结合迎角传感器和侧滑角传感器补充数据互相修正。当然更重要的解是要在设计阶段通过大量的风洞和试飞数据，计算出机身气压和迎角、侧滑角之间的关系。所以我们仍然可以在验证机、试飞机上看到机头标准空速管。而且这根空速管往往还要更大更复杂一些，这就是为了采集**的数据。xxx型战斗机在试飞时曾被拍到过多张顶着空速管的照片，而后来取消了机头空速管则意味着空气动力数据已经采集完毕。

机身空速管可以避免机头空速管的诸多弊端，技术难度也要高一些。然而对于第四代隐身战斗机来说，即便是机身空速管这样小小的金属凸起，也会影响好不容易降下来的雷达反射截面，在超音速巡航时也会造成额外的阻力，能不能把外露的结构全都取消呢？

嵌入式大气数据传感系统（Flush Air Data Sensing, FADS）就是这样一种装置。不管是机头还是机身空速管，都安装在平行于飞行方向的角度上，而FADS依靠机身表面微小的引气管和数学模型就可以推算出气动参数，取消了凸起在机身表面的结构。美国在60年代就开始了嵌入式大气数据传感系统的研究，当时的X-15火箭飞机*高速度接近7倍音速，空速管影响太大。然而当年电子技术不发达，需要在机身上安装大量机械设备采集和计算数据，非常不实用。到90年代，美国在F/A-18 大迎角验证机项目机（High Alpha Research Vehicle，HARV）中再次提出大气数据实时预估的想法，当时主要想解决战斗机大攻角机动时的大气数据测量问题。等到FADS系统成熟后，开始逐渐应用在B-2、F-22、F-35等隐身飞机和X-33、X-34等高速验证机上。继美国之后，日本与德国也在20世纪末开发出嵌入式大气数据传感系统。

空速管可以直接测量大气流速（即空速），而FADS系统则要通过测压孔采集的压强推断大气流速。通常需要一个气动模型来建立表面压强和速度、迎角和侧滑角等数据之间的联系，这个模型能够在较大的马赫数范围内得出有效解，同时求解过程要足够简单，以便数据处理系统实时求解大气数据参数。为了求解空气动力学方程组，至少布置5个以上采集点才能计算出攻角、侧滑角、动压和静压、校准参数这个五个基本大气参数。为了提高**度和冗余度，可以增加采集点，但是太多采集点也会增加系统复杂度。

FADS的技术难度包括开发能够承受各种环境的高精度传感器，测压孔布局、气动模型的求解方法，这些算法需要采集大量的实验数据来构建模型。由于数据误差将会严重影响飞行**，为了保障**常见的做法包括采用双压力传感器、增加测压孔数量。

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