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机载激光测速系统及其在飞行试验中的应用

更新时间:2009-03-28

飞机的空速、高度、迎角、大气温度等参数是飞机的飞控系统、航电系统等的重要输入信息,是影响飞行安全的关键参数。典型运输类飞机的大气数据系统参数通常由位于机头的总静压探头、静压孔、总温探头和迎角风标等测量。由于这些探头和风标位于飞机的扰流之内,其位置误差是不可避免的。另外,这些探头因为结冰、鸟撞或堵塞等原因造成失效,后果往往十分严重。

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机载激光测速系统是利用多普勒测速原理,直接测量飞机的真空速矢量。该方法可以弥补目前在飞行试验中广泛使用的拖锥、前支杆和GPS等试验方法在非稳态飞行条件下的局限性,同时解决了全速度范围内迎角和侧滑角校准的难题。而且激光测速是非接触式测量,测量精度高[1],在机舱外无伸出物,因此,国外的公司已经在开展相关飞行试验,希望将以机载激光测速系统为核心形成的机载激光测速系统作为飞机的本体设备替代现有的空速系统,以解决探头结冰、鸟撞或堵塞等问题。机载激光测速系统的出现实现了真空速的非接触测量,消除了位置误差,不仅影响飞行试验方法,还需专用的适航条款对其进行审定。

1 系统工作原理

机载激光测速系统利用了光学多普勒效应的原理。多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒•克里斯琴•约翰(Doppler,Christian Johann)发现的声学效应。在声源与接收器之间发生相对运动时,接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率,称这一频率差为多普勒频差或频移。

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参考文献:

2 系统的组成

国外从20世纪70年代末开始进行机载激光测速的研究。1979年,法国国防机构开始资助高诺斯公司的激光测速研究。20世纪80年代开始,NASA和空客公司开始进行激光测速的飞行试验应用研究。NASA先后在DC-8、SR-71和L-188飞机上开展了相关的试验研究,空客公司把激光测速技术应用于A319、A330和A340型号飞机的飞行试验中,德国和荷兰近几年开展了PIV激光技术在飞行试验中的应用。

由于测量的是飞机前方若干米的信息,没有数据延时或滞后的问题。空速管测量空气压力是以音速传播的,较慢;而激光测量设备以光速进行光学测量的,基本上没有延时。对于激光测量测距而言,如果测量距离太短,测量点的气流会受到飞机本身的干扰,从而影响测量的精度。所以,测量点距离飞机要足够远,这样测量到的大气气流不会受到飞机本身的干扰。对于中大型飞机,比如C919客机,这个距离可以为60~80 m。

在飞机上安装机载激光测速系统的探头时,没有角度和方位的要求。机身上任何能清楚看到大气的位置都可安装(最好是前半区)。通常探头向前照射而非向后,最好稍微高于机头方向,避免着陆时激光光束照向地面。探头不需平行于飞机Χ轴。安装时,OAV探头的俯仰角、偏航角和滚转角需要精确测量,并输入传感器中。此后,这些值可用于将空速测量参数转换到飞机坐标系。推荐的安装位置有翼根整流罩、尾翼整流罩等。图1为机载激光测速系统探头在客舱内加装的示意图。

系统测量精度是由3个方面的因素决定的:①在3条光束中,每条光束自身固有的测量精度;②3条光束之间的角度精确已知;③OAV探头的探测角度经过测量,并保持与飞机机身坐标轴的相对关系。国内目前有产品样机的测速精度可达0.75%[3].

学生上课使用手机的外因 统计结果见表6。可得出学生上课使用手机的主要外因来源于教学模式过于陈旧,所占比例约为三成,最为突出;其次,教学方法所占比例为二成以上;教学内容枯燥与课堂管理宽松、缺乏互动交流均占一成以上。大学生主观能动性较强,对于不感兴趣的课通常会找事去做,如上课玩手机,也比较在意教师的教育教学水平。

3 国外应用研究

机载激光测速系统是由激光发射/接收模块、光路系统模块、光电转换模块、信息处理模块这4个功能模块组成的。激光发射/接收模块是机载激光测速系统中最重要的组成部分之一,特定波长的激光通过探头发射到大气环境中,大气中的粒子与激光相互作用产生多普勒效应和米氏散射效应,从而对激光传输产生一定的影响。通过研究激光大气传输理论,分析出各项待测参数,将采集到的光信号进行预处理后传输至信号处理单元,经过信号处理单元的处理得到大气速度、温度、密度等物理量。典型的机载激光测速系统使用的是固态光纤激光器,波长通常为1.5~10.6 μm,功率不大于100 W(典型为70 W)。激光属于人眼安全级别,每个OAV(激光大气速度探头)中至少装有3个激光发射器,发出3束激光进行三维激光测量。每束激光有自己的接收器,可使用不同波长,对测量精度没有影响。

表1给出了国外机载激光测速系统的部分使用记录。机载激光测速系统在国内的研究起步比较晚,目前可见资料是航空工业某技术创新基金项目在实验室搭建了一个机载激光测速系统平台。

 

表1 国外机载激光测速系统使用记录

  

序号 时间详细信息1 1971 霍尼韦尔在CV990飞机上使用0.6 μm激光测速器进行飞行试验2 1979—1980 法国在Puma直升机和Caravelle运输机上搭载其第一代激光测速设备,探索激光测速适用的高度、速度范围3 1988 10.6 μm的ALEV-3系统,具备三轴测速能力,可同时获取真空速、迎角和侧滑角,进行飞行试验4 1988—2006 空客公司在A320、A318、A340、A380等飞机上使用激光测速设备进行大气数据系统的校准5 2001—2005 HAL公司在P180飞机上测试机载激光测速设备6 2006—2009 THALES公司的1.55 μm作战激光测速系统及原型产品进行飞行试验研究7 2014 空客公司在Dauphin6542直升机上进行机载激光测速系统的飞行试验

 

表2 应用机载激光测速系统进行参数校准的试飞内容

  

序号 试飞科目试验内容1 机载激光测速系统检查试飞选择2~3个高度,每个高度上在1.23VSR到VMO的范围内至少选择5个速度点,检查机载激光测速系统的数据有效性2 基于机载激光测速系统的空速系统校准试飞选择2~3个高度,每个高度上在1.23VSR到VMO的范围内至少选择5个速度点,使用机载激光测速系统进行空速系统校准,同时,可以使用拖锥等目前适航部门认可的校准方法进行试验结果对比3 基于机载激光测速系统的气流角测量试飞 选择一个试验高度,在飞机各襟缝翼构形下,使用机载激光测速系统进行迎角校准和侧滑角校准

4 在飞行试验中的应用

机载激光测速系统在较大动态范围内,处理范围广泛的、从云、冰晶直至纯净空气的各种后向散射环境。它需要经过约在15 200米高度内的风、雪、冰、云和纯净空气等环境的测试,以适应任何大气条件。

  

图1 机载激光测速系统探头在飞机客舱的加装示意图

[1]周健,冯庆奇,马曙光,等.参考光束型激光多普勒测速仪的误差分析[J].强激光与粒子束,2010,22(11):2581-2587.

在飞行试验中,机载激光测速设备同时发出不在同一直线上的三束或四束激光,可用来测量飞机的真空速,同时,还可解算出飞机的姿态角。加装温度探头后,还可测量大气温度。因此,机载激光测速系统可用来进行大气数据系统校准,包括空速、高度和温度的校准,也可以用来进行迎角和侧滑角的校准。表2给出了校准试飞的内容。

由于机载激光测速系统是非接触式测量,通常用于流场测量分析,所以,它不仅可以用来测量飞机的真空速,也可用来测量空中的阵风速度,为阵风载荷试验打下基础,总结出相应的试飞方法。

5 结束语

先进大气数据系统被美国列为航空飞行器控制领域的关键技术。机载激光测速系统的数据测量不受飞机机体扰流的干扰和迎角的限制,同时,机载激光测速系统的探测装置全部位于机体内部,可以满足军用飞机的隐身要求和民用飞机的防鸟撞要求[5]。通过开展基于激光测速的空速、温度、迎角和侧滑角校准技术研究,可以为即将开展的C919大型客机、鲲龙600飞机、新舟700飞机等民用飞机全包线范围内的空速校准试飞和迎角、侧滑角校准试飞奠定基础,为这些项目节省试验经费、缩短试验周期提供支持,具有非常可观的经济效益和较好的社会效益。

时代向中国画家提出一个艰巨的历史课题:要在人物画创作上突破传统的观念、创作模式和表现技法,直接面向现代,表现现实生活。

爱因斯坦在狭义相对论中指出,光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光,就可利用多普勒效应测量其运动速度。所谓“光学多普勒效应”,即当光照射运动物体时,光被运动的粒子所散射,散射光的频率将发生变化,它与入射激光的频率之差被称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于物体速度,所以,测出多普勒频差就测得了物体的速度。这是一种通过测量入射光频率和散射光频率来得到多普勒频移的方法[2]。通过探测散射波的频率,可以得到飞机的真空速矢量。

系统的标准安装位置是对飞机的一个客舱窗户进行改装,承托传感器所提供的光学级玻璃视窗。OAV探头安装后可在一个机头相对角度下透过视窗探测,如图1所示。光学玻璃视窗安装的位置如果积聚了冰或霜,如果飞机挡风玻璃一样,则需要通过加热和吹风等方式来除霜。光学玻璃防雾除霜的主要方法有2种,即电加热和热空气自由射流[4]

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[2]王晓维,梁应剑,李翔,等.基于光学多普勒频移的低空速测量方法研究[J].激光技术,2016,40(5):629-632.

[3]梁应剑,梅运桥,程丽媛,等.基于米散射的光学大气数据系统研究[J].测控技术,2015,34(1):32-34.

[4]江娜,程湛.在飞机增压舱加装光学玻璃的可行性分析[J].中国科技信息,2011(18):92-93.

[5]孙友师.光学大气数据测量系统的发展研究[G]//2010年航空试验测试技术峰会论文集.上海:中国航空学会,2010.

 
屈飞舟,杨晓萍
《科技与创新》 2018年第09期
《科技与创新》2018年第09期文献

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