武装直升机大气数据传感器技术研究进展*

熊 亮，刘义明，黄巧平

(中国航空工业集团公司 成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

0 引 言

武装直升机以其能够垂直起降、空中悬停、低空或贴地飞行、全向机动［1］及较强的战场生存能力，在未来战场环境、气象环境复杂的信息化战争中占据有利地位［2］。随着直升机旋翼技术、附加推力技术的发展，直升机的飞行速度将可能突破900 km/h，航程达到1 500 km［1］，武装直升机将成为对海、对地攻击装备中的佼佼者。大气数据系统是武装直升机的重要组成部分，提供的气压高度、空速或三轴向速度、马赫数、升降速度、大气温度、攻角和侧滑角的准确度影响着直升机的飞行安全与武器打击精度，为适应未来复杂战场环境的需求，武装直升机大气数据传感器技术必然会不断的变革。

1 武装直升机大气数据传感器技术发展需求

为适应未来复杂的战场环境，武装直升机将向集高航速、大航程、优越的隐身性能、高机动性和敏捷性、长生命周期一体的方向发展，使得武装直升机大气数据传感器技术的发展面临着新的挑战。

1)传统的外伸空速管式单轴或双轴式大气数据系统不能满足参数输出的需要，武装直升机大气数据系统应具备三轴向速度(垂直真空速、纵向真空速、横向真空速)、攻角和侧滑角输出能力，且三轴向速度测量范围应为－300～900 km/h，攻角和侧滑角输出精度在±1°范围内;

2)以气压为信息源的三轴大气数据系统应具有特殊外形和高度集成的特点，能够集温度传感器、结冰探测器为一体，具有躲避雷达波隐身、红外隐身、激光隐身和音响隐身的特性，并且体积小、质量轻，应比现役的最先进的质量约为7 kg 的三轴大气数据系统重量更轻、体积更小;

3)基于光学测量原理的光学大气数据系统和多孔测量原理的嵌入式大气数据系统是未来武装直升机大气数据系统研究的主要方向，其隐身性能最好、受气动影响最小，试飞调参周期短，能够缩短装备的交付周期;

4)数据融合和重构功能是未来武装直升机大气数据传感器技术中必不可少的要求。当大气数据系统实体受到攻击，其气动外形或自身信息源被破坏，不能保证提供的参数的精度时，可借助GPS 系统、惯导系统、飞控系统、气象雷达等机上其它系统提供的信息选择合适的数据融合方法，构建一套虚拟的大气数据系统，提供满足飞行安全和武器打击精度的大气参数。

2 武装直升机大气数据传感器技术研究进展

2.1 存在的问题

以“黑鹰”、“米—24”武装直升机为代表的传统的武装直升机大气数据系统已得到广泛应用。该系统类似于固定翼飞机的大气数据系统，利用L 型空速管感受直升机飞行过程中的总压、静压，并结合攻角传感器、侧滑角传感器及静温传感器实现总压、静压、攻角、侧滑角及静温的直接测量［3～5］，然后利用大气数据计算机中固定的解算与校正方法，完成大气数据的结算与修正。这种大气数据系统存在以下问题:

1)空速管、攻角传感器及侧滑角传感器需要安装在受机身扰动小，气流稳定的位置，存在测量的大气参数与真实值之间的误差大的缺点;

2)空速管、攻角传感器及侧滑角传感器存在加工误差和安装误差，压力、角度测量值与理想值之间存在偏差;

3)提高大气参数测量精度成为传统大气数据传感器技术的主要研究方向［5］;

4)躲避雷达波隐身、红外隐身、激光隐身和音响隐身的特性差，主要依靠其外形达到隐身性能难度大;

5)输出的速度参数中只有横向真空速，没有纵向真空速和垂直真空速，并且75 km/h 以下的低空速无法测量［3］，武器打击需要借助其它系统提供的参数或者仅靠驾驶员的感觉进行。

2.2 三轴大气数据传感器技术的发展与主要技术

2.2.1 发展概述

20 世纪70 年代，英、俄等发达国家在低空速测量和三向速度测量的技术上取得了突破性进展，如英国GEC 公司的HADS、俄罗斯的CBC—Bl［3］。20 世纪90 年代，中国成为继英、俄之后，又一个能够研制生产三轴全向大气数据系统的国家。三轴全向大气数据系统是由两个集静压、总压、攻角、侧滑角一体的全向矢量传感器和大气数据计算机两部分组成的大气数据系统，用安装在诱导气流场中的速度矢量传感器测量合成气流，经分解可测量纵向、横向和垂直三个空速分量和诱导速度，其测量范围广、精度高。这种大气数据已在以AH—64D 长弓阿帕奇武装直升机、米—28N 武装直升机、直—10 武装直升机、直—19 武装直升机为代表的直升机上得到成功应用。

但由于这种三轴大气数据系统具有旋转机构，全向矢量压力传感器需要长度适合的安装支臂支撑在具有稳定旋翼诱导气流的流场中，支臂可能会很长，维护较复杂，需要定期进行维护。在21 世纪初，以美国为代表的相关机构公布了另一种支架式直升机用大气数据系统，由集飞行气压感受器、结冰探测、总温传感器一体的支杆和数据处理装置组成［6］。这种装置伸出机头安装，能够测量直升机飞行过程中旋翼诱导气流、侧滑角、垂直真空速、前向真空速、横向真空速，后向真空速，测量受机身影响较大。以正装备俄罗斯军队的卡—52 武装直升机的新一代HADS 系统，改进了压力受感装置，并集温度传感器和数据解算装置为一体，其特殊的外形替代了旋转机构，系统质量仅7 kg、集成度高、质量较轻、维护方便，中国的大气数据专业厂家也在积极研究此类新型三轴大气数据系统。

2.2.2 主要技术问题

为了促进新型三轴大气数据传感器技术走向成熟，需要从以下几方面进行深入研究。

1)CFD 仿真技术

计算流体动力学(CFD)仿真计算在气动分析领域已得到广泛应用。结合旋翼的物理尺寸、转速等相关参数和直升机的飞行包线，通过CFD 仿真技术对带旋翼的直升机进行气动分析计算，能够选择三轴大气数据系统的矢量压力传感器的最佳安装位置和受感压力孔的位置，得出三轴大气数据系统的矢量压力传感装置上的压力孔感受的气压的变化规律，并通过不断仿真数据迭代，对三轴大气数据系统的外形和数学模型不断优化，避免了仅靠试飞数据进行参数调整的狭隘性，能够大幅度缩短试飞调参周期，提高输出参数精度。

2)3D 打印技术

新型三轴大气数据系统面临着传感器数量多、集成度高、体积小、重量轻的技术挑战，新材料技术的应用能够大幅度减轻系统的重量，为了实际测量需要，新型三轴大气数据系统的零部件可能形状复杂、曲率加工难度大、整体制造要求较高，普通的工艺制造技术不能满足实际需要，3D 打印技术在新型三轴大气数据系统零部件加工过程中的应用，降低了零部件的加工难度，使得体积更小、重量更轻、隐身性能好的三轴大气数据系统成为可能。

3)数据融合技术

数据融合是利用不同时间与空间的多传感器信息资源，在一定准则下进行分析、综合和应用，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估计，使系统获得比它的各组成部分更充分的信息［7］。若新型三轴大气数据系统能够根据飞行状态，适当选择自身系统的压力传感器数量或机上GPS 系统、惯导系统及气象雷达系统的数据，按照一定的规则计算出直升机飞行和武器打击需要的大气参数，那么新型三轴大气数据系统在自身物理平台受到冲击或毁坏时，系统具有重新构建的能力，在复杂的信息化战争环境中，系统的可靠性更高，战场生存能力更强。

2.3 嵌入式大气数据传感器技术的发展与主要技术

2.3.1 测量原理

嵌入式大气数据系统(flush air data system，FADS)是一种依靠嵌入在飞行器前端(或机翼)不同位置上的压力传感器阵列来测量飞行器表面的压力分布，并通过特定的参数解算模型，将压力转换为与压力对应的大气参数。因此，FADS 最基本的思想是通过压力分布推算得到大气参数，压力分布与大气状态通过气动模型联系起来进行大气参数的测量［8，9］。

2.3.2 发展概述

20 世纪60 年代，最初的FADS 系统样机在美国X—15高超声速飞行器上得到了应用，成功解决了高超声速飞行环境下大气数据测量。随后，由于其在隐身性能和系统重构能力的优越性，ADS 系统的高精度压力传感器、大气参数解算算法、误差修正算法、故障检测与冗余管理等技术得到了快速发展，并逐步走向成熟。在美国的F—18，X—31，X—33，X—34，X—38，X—43A，日本的HYFLEX 飞行器［8，9］以及德国的“锐边—2”(SHEFEX II)高超声速飞行器［10～12］都得到了成功的应用，国内部分科研院所和高校对FADS 系统的原理、结构布局、算法、故障检测等进行了相应的研究［5］。目前，在包括直升机在内的各类飞行器，针对完整意义上的FADS 技术均没有发展到工程应用阶段。

2.3.3 主要技术问题

1)CFD 仿真技术

由于CFD 软件能够廉价快速获取直升机模型在大气环境中飞行时的压力分布数据，并且仿真数据与试验数据有很高的吻合度，与风洞试验相比，成本更低、使用范围更广。因此，CFD 仿真技术为FADS 技术研究提供了新的研究和试验手段。如日本国家航空宇航试验室与空间发展机构在极超声速飞行试验项目中便是采用CFD 软件辅助进行设计的，并取得良好的试验效果［5］。同时，通过CFD 可以为开孔位置的选择提供理论依据，并通过不断优化迭代，对数学模型进行不断验证，并找到适当的修正方法。

2)光纤压力传感器技术

传统的气体压力传感器受气动延时影响，存在测量迟滞误差，影响系统的实时性。光纤压力传感器体积小、质量轻、隐身性能好、信号转换路径短、光信号传播速度快，能够大幅度缩短或消除采用气路传输迟滞误差。

3)数据融合技术

虽然通过纯惯导系统推算的大气参数误差大，但是惯导系统对机动敏感性强，采用贝叶斯估计算法、加权平均算法、极大似然估计算法、D－S 证据理论算法、卡尔曼滤波算法、聚类分析算法、模糊逻辑算法、神经网络算法、最小二乘算法将FADS 系统的数据和惯导的数据进行数据互补融合，能够增强系统重构能力和有效降低系统的延时误差。

2.4 光学大气数据传感器技术的研究进展

无论是单轴大气数据系统，还是暂时占据优势的三轴大气数据系统，还是得到飞速发展的嵌入式大气数据系统，所测的大气参数均为受直升机旋翼扰动后大气参数，在飞行控制系统和武器打击系统使用前，均要进行参数校准，校准周期长，增加了装备交付周期。在光学技术发展的推动下，1981 年美国Philip L Rogers 首次提出了利用光学技术进行大气参数测量的思想［13］。根据激光遇到大气气溶胶(固体/液体微粒)后发生米氏散射效应，利用接收到的后向散射激光信号所产生的多普勒频移实现大气空速的测量，通过测量机体三个轴向的速度进而得到攻角和侧滑角的光学大气数据测量方法;另外，他还针对激光遇到空气分子后发生荧光散射效应来对大气密度、温度、压力等参数的测量方法进行了研究［5］。

自1985 年，美国NASA 与Ophir 公司开始致力于光学大气数据传感器技术的研究工作，基于气溶胶瑞利散射的光学大气数据系统(optical air data system，OADS)和分子光学大气数据系统(molecular optical air data system，MOADS)相继得到了验证性研究［14］。有效解决了空速、攻角、侧滑角等大气参数的测量。

基于光学的测量的大气数据系统消除了安装位置限制和气流扰动的影响，系统校准周期短，缩短了武装直升机装备交付周期，同时，采用埋入式安装方式方法，增强了隐身性能，其无法比拟的优点和应用潜力已成为大气数据研究人员关注的热点［15］。

2.5 虚拟大气数据传感器技术的研究进展

在20 世纪80 年代，美国Stiphen A Whitmore 等人将惯导信息和气象预报信息通过线性卡尔曼滤波的方法进行融合，成功解决了再入式航天飞机大气参数测量问题［16］，美国Kevin A Wise 等人将惯导系统和飞行控制系统参数通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，实现了X—45A 无人战斗机飞行攻角、侧滑角的精确估计［17］，提高攻角、侧滑角测量的可靠性和容错性。意大利等国，为解决再入式飞行器大气参数测量问题，也相继提出了VADS 的概念，并对VADS 的可行性进行了验证性研究［18］。本世纪初期，我国部分高校学者对利用INS/GPS 信息估计攻角、侧滑角的方法进行过探讨性研究［19］，但缺乏对虚拟大气数据传感技术及其应用方面的深入研究。

虚拟大气数据系统(virtual air data system，VADS)有效利用了现有机载信息，不需要安装大气数据测量装置，消除了安装位置限制和气流扰动的影响，隐身性好。同时减少了系统构件，减轻了整体重量，降低了成本，减少了气流扰动的影响，提高了系统的可靠性与容错性以及对恶劣飞行环境的适应性，在武装直升机上具有广泛的应用前景。

3 结束语

随着探测技术和高端武器的发展，在新型材料、高精密加工、电子高度集成、仿真分析与设计、信息融合等技术的推动下，武装直升机为了能够在恶劣的信息化战争环境中长时间生存和对敌方进行有效打击，新型三轴大气数据传感器技术将得到完善，取代传统的单轴大气数据系统，新型三轴大气数据系统将是FADS 的衍生物，FADS 与VADS 在武装直升机上的应用都将会得到飞速发展。

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