FADS压力传感器冗余配置研究

　　1　引言

　　准确测量大气数据对于现代飞行器的飞行控制、导航和事后分析的作用十分重要[1]。美国国家航空航天局Dryden飞行研究中心在20世纪60年代开始对嵌入式大气数据传感系统(FlushAirdata Sensing System, FADS)进行研究,FADS曾经应用于F-15、F-14、F/A-18、X-33、X-34、X-38以及X-43a等诸多飞行器上,具有很好的效果。

　　分布在飞行器头部(也有分布在飞行器其它部位)的FADS压力传感器阵,可以测量在飞行过程中飞行器表面的压力分布。FADS通过测量飞行器表面的压力分布,建立起飞行器头部的压力传感器的压力向量和动、静压、迎角、侧滑角之间关系的空气动力学模型。FADS首先应用三点算法计算出迎角和侧滑角的预估值,然后采用迭代方法计算出动压、静压、马赫数等,最后对迎角、侧滑角等数据进行校正。

　　由于压力传感器可以在高温下工作,这就克服了传统测试系统的缺点,而且FADS系统能够测量飞行器上升阶段的飞行数据。FADS的大气数据测量可以达到很高的精度。X-33小于4. 0马赫数的条件下,其FADS系统的大气数据测量精度可以达到如下情况:

　　与传统的基于空速管的大气数据传感系统相比, FADS系统在精度、可靠性、适应范围上都具有更大的优势,在未来的高超音速再入飞行器中FADS系统必将得到更为广泛的应用。国内对FADS的研究起步较晚,相关研究不足。

　　FADS压力传感器(即测压点)冗余配置的典型形式有:X-33的十字型[2]; F-18的放射形式[3]; X-31的扇形形式[4]。不同的压力传感器数量、不同的布局形式,会导致测量结果精度的不同、系统可靠性不同。在进行某型可重复使用飞行器研制设计过程中,需要选择满足可靠性要求的FADS冗余配置方案,这需要在上述三种布局方式中进行选择,如何对三种冗余配置进行科学的评价成为了设计过程中所需解决的问题。

　　本文提出可靠性和噪声抑制能力作为FADS冗余配置的性能指标,通过对各种典型冗余配置的性能指标计算机仿真分析、对比,确定影响性能指标的决定因素,便可以获得高可靠性、高噪声抑制能力的FADS冗余配置方案,为某型重复使用运载器的FADS应用奠定基础。

　　2　可靠性指标

　　系统的可靠性一般用任务可靠性和基本可靠性评价,而功能可靠性可以作为对任务可靠性的分解。

　　任务可靠性:任务可靠性通常是指在一次飞行任务中RLV不损失的概率。(例如,美军标MIL-F-9490D中规定,由飞控系统故障引起的飞机最大损失的概率为:Qs(fcs)≤100×10-7,即每10万个飞行小时只能有1次飞机损失)。对应地,系统在某种故障下的任务可靠性应则定义为:在该故障下,在本次飞行时间内,RLV保持安全飞行(着陆)的概率。