摘要:嵌入式大气数据传感器系统通过在飞行器各部位的压力传感器阵进行工作,压力传感器的数量,布局形式将对系统的工作性能产生影响。为衡量冗余配置的性能,提出两项性能指标:可靠性,噪声抑制性能,并分别给出性能指标的具体计算方法。根据现有典型的压力传感器布局类型,分别计算出不同压力传感器数量、不同布局形式的性能指标。通过对性能指标的分析得出结论:可靠性,噪声抑制性能随压力传感器数量增加而增加;放射型布局的噪声抑制性能最优。
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。
功能可靠性:可以将任务划分成多个功能,即多个功能的组合可以保证一项任务的实现,因此任务可靠性是任务所包含的功能可靠性的函数。而功能可靠性又取决于完成功能的各部件的可靠性,令Rfunc表示某项功能的可靠度,则Rfunc=f(R1,R2,…,Rn),其中Ri为功能组成部件的可靠度。
基本可靠性:基本可靠性是针对维修及部件的寿命周期提出的。基本可靠性的模型为系统各部件的串联模型:
2. 1 FADS功能可靠度分析
FADS的功能可靠性可以定义为系统能够完成迎角、侧滑角、静压、动压正确测量的能力。FADS在规定运行条件下,在规定时间内,完成大气数据测试能力的概率,称为FADS的可靠度,是功能可靠性的度量指标。
用pr表示功能可靠性指标,根据可靠性串、并联模型和概率论只是可以对可靠度进行简略求解[5]。设FADS可靠度仅与压力传感器可靠度有关,各压力传感器的可靠度均为R。文献[2]提出的FADS算法,是使用三点法计算出迎角和侧滑角,再使用三个测压点以外的压力测量值计算其余的大气数据量。因此,至少需要4个压力传感器工作正常,才能保证FADS正常。仅考虑压力传感器对FADS可靠性产生影响,FADS中其余组件可靠度为1,设FADS中压力传感器的数量为n(n≥4)则FADS的可靠度应为:
可见功能可靠性指标随压力传感器数量的增加而增加,在进行冗余配置时,可以根据系统可靠性分配要求,确定使用压力传感器的最小数量。
2. 2 FADS基本可靠性分析
仅考虑FADS中冗余压力传感器的故障率,设各个压力传感器的故障率相等, FADS中其余部件的故障率设为0。由式(1)可知,压力传感器冗余数量越大, FADS基本可靠性越小。因此,表1中三种冗余配置情况中, X-33的基本可靠性最高。
通过上面的分析可知, FADS的可靠性指标包含两个方面的因素:基本可靠性和功能可靠度。要满足系统高可靠性要求,需要挺高FADS的功能可靠度,可以增加压力传感器的冗余数量来实现。但增加压力传感器冗余配置,又会降低FADS的基本可靠性。因此在实际选择FADS压力传感器数量时,应结合基本可靠性和功能可靠度一起考虑,在两者之间做出权衡。
3 噪声抑制性能指标
3. 1 FADS压力数学模型
FADS的核心工作组件是阵列分布的压力传感器,文献[2]中给出了FADS的空气动力学模型将位流(potentialflow)模型与修正的牛顿流(NewtoNIan flow)模型相结合,前者适用于亚音速时的情况,后者在超音速的情况下适用。这样,空气动力学模型满足了在较大的马赫数范围内适用的要求,用一个形压系数相结合。ε的数值是综合考虑到压缩效应、气动外形、系统影响等因素选取的,是马赫数M∞、迎角α和侧滑角β的函数ε=f(α,β,M∞)。据此可以得到表面压力数学模型,
3. 2 FADS噪声抑制性能定义
传感器测量值中都会包含一定程度的测量噪声,通过冗余配置和算法设置可以对测量噪声进行一定程度的抑制。为获得精确的被测状态信息,需要冗余配置能够更好的发挥噪声抑制的作用。改写式(3),压力传感器i的测量值可以写成式(5)的形式,
FADS的噪声抑制性能仅与安装矩阵H有关,ps的取值越大,说明FADS冗余配置抑制噪声效果越好。
4 噪声抑制性能比较
在迎角为40°,侧滑角为0°时,选择五种布局形式、压力传感器数量不同的冗余配置方案,分别计算ps。
1)X-33:
已知迎角、侧滑角、圆周角、圆锥角后,可公式(3)可以计算cosθi,由此可以求出X-33的安装矩阵H
4)7个压力传感器放射型布局圆周角i如图4所示,圆锥角λi分别为:
总结以上仿真计算结果(表7),可以得到以下结论:
1)相同布局类型,噪声抑制性能随压力传感器数量增加而增加;
2)三种冗余配置布局中,放射型布局的噪声抑制性能最优。
5 结论
本文定义衡量传感器冗余配置性能的两个指标,分别是可靠性、噪声抑制性能。由FADS的基本可靠性计算公式和任务可靠性计算公式可知,冗余测验点数量增加,会提高任务可靠性,同时也降低了基本可靠性。本文对噪声抑制性能进行定义,给出噪声抑制性能的计算方法。通过对五种不同布局类型、不同冗余数量的冗余配置方式进行噪声抑制性能计算,明确了噪声抑制性能随压力传感器数量增加而增加,同时在三种冗余配置布局中,放射型布局的噪声抑制性能最优。
根据以上分析可以知道,在设计FADS的冗余配置时,首先根据系统可靠性要求,确定最少需要压力传感器的数量。然后选择放射型布局,确定各压力传感器的位置和数量,这样得到的FADS具有期望的可靠性和更好的噪声抑制性能。
参考文献:
[1] B R Cobleigh, SAWhitmore, E AHaering. Flush airdata sensing(FADS) system calibration procedures and results for blunt fore-bodies[R]. California: Dryden FlightResearch Center Edwards,1999.
[2] SAWhitmore, B R Cobleigh, E A Hearing. Design and calibra-tion of the X -33 flush airdata sensing (FADS) system [R].NASA/TM-1998-2065 40, 1998.
[3] R S Joe.l F-18 Systems Research Aircraft Facility[R]. NASATechnicalMemorandum 4433, 1992.
[4] W Susanne. Comparing Three Algorithms forModeling Flush AirData Systems[R]. AIAA 2002-0535, 2002. 1-10.
[5] 王珍熙.可靠性、冗余及容错技术[M].北京:航空工业出版社, 1991.
[6] 秦永元,张洪钺,汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安:西北工业大学出版社, 1998.
