Способ определения запаса топлива на летательном аппарате и система для его реализации
Изобретение относится к авиационной топливоизмерительной технике. В предложенном способе определяют запас топлива в контрольный момент времени, а в следующие моменты определяют текущий расход топлива. По этим значениям определяют запас топлива и отображают его. Отличие способа заключается в том, что текущий расход вычисляют по высотно-скоростным характеристикам двигателей, показаниям датчиков высоты и скорости полета, датчиков оборотов или крутящих моментов. В качестве контрольного момента могут быть использованы моменты запуска двигателей или отказа другой топливоизмерительной аппаратуры. Предложенная система содержит датчики высоты и скорости полета и датчики оборотов или крутящих моментов, вычислитель, индикатор, а также установленные в топливных баках реперные дискретные датчики уровня и датчики плотности топлива. В качестве датчиков скорости и высоты полета использованы навигационные датчики, а в качестве вычислителя - интегральный бортовой вычислитель. Группа изобретений позволяет повысить надежность и снизить вес технических средств, устанавливаемых на летательном аппарате для определения запаса топлива. 2 c. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к авиационному приборостроению, в частности к способам и устройствам определения запаса топлива на борту летательного аппарата (ЛА). Преимущественной областью применения является дальнемагистральная авиация, в особенности гражданская. Предлагаемая система может использоваться как в качестве основной, так и в качестве резервной топливоизмерительной аппаратуры (ТИА).
В настоящее время количество топлива на борту определяют с помощью следующих способов и систем (Демотенко Н.Т, Кравец А.С. и др. Авиационные силовые установки. Системы и устройства. М.: Транспорт, 1976, стр. 178-180; Лещинер Л. Б. , Ульянов И.Е. Проектирование топливных систем самолетов. М.: Машиностроение, 1975, стр. 225-229). 1. Измерением уровня топлива в баке с последующим вычислением запаса топлива на основании градуировочной характеристики бака (зависимости объема топлива в баке от его уровня). Топливомерные системы включают в себя устанавливаемые в топливных баках датчики уровня топлива, блок обработки и преобразования идущих от датчиков сигналов и индикатор. Датчики могут быть различного типа: поплавковые (потенциометрические), электроемкостные, ультразвуковые и т.д. Недостатком этого способа является зависимость точности определения от положения ЛА в пространстве. 2. Измерением расхода топлива, вытекающего из баков и поступающего в двигатели, с последующим вычислением запаса как разницы между количеством заправленного в бак топлива и количеством израсходованного топлива. Расходомерные системы включают в себя датчики расхода, устанавливаемые в топливных магистралях, блок преобразования и индикатор. Недостатком такого подхода является накопление ошибки измерения в процессе полета. Общими недостатками известных топливомерных и расходомерных систем являются значительный вес (до 1% веса топлива) и недостаточная надежность, не отвечающая современным требованиям по безотказности (Авиационным правилам - АП). Для обеспечения требований АП необходимо резервировать каналы топливоизмерения или устанавливать на самолет две независимые системы определения запаса топлива (как правило, одну топливомерную и одну расходомерную - см.: Демотенко Н. Т., Кравец А.С. и др. Авиационные силовые установки. Системы и устройства. М.: Транспорт, 1976, стр. 180). В то же время современные самолеты оборудованы независимыми от средств измерения запаса топлива вычислительными системами, обрабатывающими сигналы многочисленных приборов аэронавигации, и способными прогнозировать условия полета. Наиболее близким к изобретению является подход, реализованный в системе управления и измерения запаса топлива самолета ИЛ-114 (см. ИЛ-114. Руководство по технической эксплуатации. Раздел 28. Топливная система. Подраздел 28.40.00. Приборы и устройства контроля. Описание и работа.). Система состоит из трех частей (там же, стр. 7): - измерительной, включающей топливомерные датчики, датчик плотности, блок топливомера и индикаторы; - вычислительной, включающей блок электронных преобразований; - автоматической, состоящей из датчиков-сигнализаторов. В процессе работы системы осуществляется непрерывное непосредственное измерение массы топлива в баках с помощью топливомерных датчиков, которые осуществляют преобразование уровня топлива в баках в электрическую емкость, пропорциональную запасу топлива. Одновременно непрерывно измеряется текущий расход топлива с помощью датчиков расхода, с последующим определением суммарного остатка топлива на самолете. Система осуществляет контроль и за другими параметрами процесса расхода топлива, а определяемые ею параметры отображаются на индикаторах. Для повышения надежности в системе предусмотрено резервирование аппаратуры. Недостатком этой системы является значительный общий вес ее компонентов. Задачей изобретения является повышение надежности и снижение веса технических средств, устанавливаемых на ЛА специально для целей определения запаса топлива. Задача решается с помощью способа определения запаса топлива, в котором определяют запас топлива Gк в контрольный момент времени и общий текущий расход топлива g в следующие затем моменты времени, вычисляют количество израсходованного топлива Gp как интеграл общего текущего расхода топлива g от контрольного момента времени до текущего момента времени, определяют запас топлива Gт в текущий момент времени как разность между значением запаса топлива Gк в контрольный момент времени и вычисленным количеством израсходованного топлива Gp и отображают запас топлива Gт с помощью средств индикации, причем согласно изобретению по высотно-скоростным характеристикам двигателей летательного аппарата и показаниям датчиков высоты полета Н, скорости полета V или числа М, оборотов ni или крутящего момента Мкр i на валу определяют для каждого двигателя тягу Рi и удельный расход топлива Сei, после чего текущий расход топлива gi через i-ый двигатель определяют в соответствии с соотношением: gi=(Pi
Рi=f1(М, Н, ni), (1)
Cei=f2(M, H, ni). (2)
Для турбовинтовых двигателей текущий расход топлива двигателем может быть определен с учетом значения крутящего момента Мкр винта вместо числа оборотов, т.к. его величина однозначно связана с мгновенной мощностью N и числом оборотов n (см., например, Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1968, стр. 61, глава 3, 3, п.3: N = Mкр





Рi=f1(М, Н, Мкр i), (3)
Cei=f2(M, H, Mkp i). (4)
Наборы зависимостей (1), (2) или (3), (4) могут быть введены в память бортового вычислителя. Для значений чисел М, высот Н и чисел оборотов ni, не совпадающих с теми, для которых составлен этот набор, значения тяги Р и удельного расхода Се могут быть найдены из этого же набора путем интерполяции или экстраполяции. Удельный расход топлива двигателем Cei - это расход массы топлива на единицу тяги в час этим двигателем (там же, стр. 45). Вычислить текущий расход топлива (называемый иногда мгновенным или "секундным") через i-ый двигатель по описанным ВСХ для мгновенных значений высоты, скорости и числа оборотов значения тяги Р и удельного расхода Cei можно следующим образом (Аэромеханика самолета: Динамика полета: А.Ф. Бочкарев и др., 2-ое изд., М. Машиностроение 1985, стр. 72-73, формула (5,2) и пояснения; хотя в указанном источнике удельный расход топлива и определен как функция степени дросселирования, он также может быть представлен как функция числа оборотов или крутящих моментов, т.к. степень дросселирования двигателя R=Р/Рmах (там же, стр.46), где Рmах - максимальная тяга двигателя, а тяга Р связана с числом оборотов или крутящим моментом):
gi=(Сеi

Общий текущий расход топлива для всей группы баков определяют суммированием текущих расходов топлива каждым двигателем:
g=g1+g2+...+gN, (6)
где N - число двигателей, работающих от данной группы баков. Величина временного шага вышеописанных вычислений выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую точность дальнейшего интегрирования по времени текущего расхода топлива. При этом в пределах этого временного шага режим полета можно считать установившимся или квазиустановившимся (там же, стр. 48). Количество израсходованного топлива Gp вычисляют как интеграл общего текущего расхода топлива от контрольного момента tк до текущего t (см. там же стр. 72-73):

Запас топлива в текущий момент Gт - текущий (индицируемый) запас определяют как разницу между запасом топлива в контрольный момент Gк и количеством израсходованного топлива Gp:
Gт=Gк-Gр. (8)
Текущий запас топлива отображают с помощью средства индикации. В качестве контрольного момента может быть выбран, например, один из следующих моментов:
- момент начала запуска двигателей;
- момент выхода двигателей на режим после запуска;
- момент отказа другой системы определения количества топлива;
- момент прохождения уровнем топлива реперного датчика, установленного в топливном баке на высоте, соответствующей известному запасу топлива. Если способ начинает применяться с начала запуска двигателей, перед этим в вычислитель вводится начальное значение запаса топлива, в этом случае:
Gк = G0 = Q0


где G0 - начальный запас топлива,
Q0 - его начальный объем,

Gт = Qреп


где Qpeп - объем топлива, соответствующий уровню срабатывания реперного датчика (реперный объем),


где m - количество сработавших на данный момент времени реперных датчиков, соответствующих данному Qpeп (m изменяется от 1 до К),
Gт - запас топлива, индицируемый в момент срабатывания реперного датчика. При срабатывании всех К датчиков, соответствующих данному реперному объему, формула (11) упрощается и переходит в формулу (10). При коррекции по формуле (11) учитывается, что сигналы от установленных на одном уровне датчиков могут приходить не одновременно по следующим причинам:
- из-за отличия в положении датчиков в пределах допусков,
- из-за выполнения маневра в это время. Если на ЛА есть несколько групп баков, общий запас топлива может быть определен любым из двух способов:
- суммированием запасов топлива Gт в группах баков в текущий момент времени,
- суммированием запасов топлива Gк во всех баках, текущих расходов топлива gi для всех двигателей, определением по формуле (7) количества топлива Gp, израсходованного всеми двигателями к этому моменту времени, а затем общего запаса -по формуле (8). Для повышения точности вычислений текущего расхода топлива следует учитывать изменение полетного веса самолета и подключение или отключение конкретных потребителей мощности двигателя (например, системы кондиционирования, противооблединительной системы и т.п.). В процессе полета для фактических значений высоты, скорости, полетного веса значения текущего расхода определяются интерполяцией (или экстраполяцией) их значений из наборов, рассчитанных для конкретной ситуации подключения потребителей. Расчеты могут вестись по полученным заранее из описанных выше высотно-скоростных характеристик расчетным зависимостям текущего расхода топлива от значений скорости при фиксированных значениях высоты Н, полетного веса Gпол и подключения потребителей. Их пример приведен на фиг.3. Если текущий расход топлива определяют по заранее рассчитанным для горизонтального полета зависимостям, величину расхода топлива на опробование двигателей, рулежку, разбег, взлет и набор высоты вычисляют по статистическим данным. Погрешности, возникающие в периоды отклонения от горизонтального полета, так же, как и погрешности, возникающие по любым другим причинам, могут быть к концу полета скорректированы за счет использования реперных датчиков, как описано выше. Система для реализации предлагаемого способа содержит (см. фиг.4) комплекс 1 датчиков, выходы которых соединены с входами вычислителя 2. Вычислитель 2 включает также запоминающее устройство и таймер (не показаны). Функцией запоминающего устройства является хранение информации о запасе топлива в контрольный момент времени и последующие моменты, для которых производится определение текущего расхода и текущего запаса топлива. Возможно также хранение и результатов промежуточных вычислений. Функцией таймера является обеспечение привязки вычислений к реальному моменту полета. Т. о. , вычислитель 2 должен обеспечивать в реальном масштабе времени определение текущего расхода топлива по высотно-скоростным характеристикам ЛА и показаниям упомянутых датчиков. Это может быть реализовано, например, если вычислитель выполнен в виде ЭВМ и в него введена соответствующая программа. В качестве вычислителя системы может быть использован интегральный бортовой вычислитель, например БЦВМ-90 (разработки ГУП ОКБ "Электроавтоматика", г. Санкт-Петербург) или EIV-7000 (разработки Rockwell-Collins, США). Обе эти ЭВМ имеют в своем составе запоминающие устройства и таймеры и обладают достаточным быстродействием. В качестве вычислителя 2 может быть использован и вычислитель системы индикации. Вычислитель выходом соединен со средством индикации 3. В комплекс 1 входят датчики, определяющие скорость и высоту полета, датчики оборотов двигателей или крутящих моментов на валах двигателей. В качестве датчиков, определяющих скорость и высоту полета, могут быть использованы навигационные датчики. Система содержит также установленные в топливных баках 4 реперные дискретные датчики 5 уровня топлива и датчики 6 плотности топлива. Их выходы соединены с входами вычислителя 2. Один из входов вычислителя 2 может быть соединен с другой системой определения запаса топлива - ТИА (не показано). При этом запоминающее устройство вычислителя 2 регистрирует показания этой другой системы определения запаса топлива, а вычислитель 2 снабжен средством для регистрации факта и времени отказа упомянутой другой системы определения запаса топлива. Один из выходов вычислителя 2 может быть соединен с системой самолетовождения 7. Предлагаемая система определения запаса топлива на ЛА работает следующим образом. Вычислитель настраивают таким образом, чтобы он мог определять текущий расход топлива как функцию высоты и скорости (числа М) полета, числа оборотов двигателя или крутящего момента на валу. Например, в вычислитель вводят программу - в таком случае в алгоритм программы заложены высотно-скоростные характеристики типа изображенных на фиг.1, 2, 3. Система начинает работать либо сразу после начала запуска двигателей, если она используется в качестве основной ТИА, либо после отказа основной ТИА (другой системы определения запаса топлива), если система используется в качестве резервной. В первом случае в вычислитель 2 вводят значение запаса топлива перед полетом, как было описано выше. Во втором случае систему настраивают так, чтобы в запоминающее устройство вычислителя 2 поступала информация о работоспособности основной ТИА и ее показаниях. В процессе работы системы с помощью введенного в нее алгоритма непрерывно, как было описано выше, определяются: текущий расход топлива на всех этапах полета по формулам (5) - (6), количество израсходованного топлива по формуле (7), затем оставшийся запас топлива по формуле (8). Последний отображается на индикаторе 3. Датчики 5 и 6 предназначены для коррекции по формулам (10) или (11) вычисляемого запаса топлива. При этом датчики 5 фиксируют моменты, когда уровень топлива соответствует высоте, на которой установлен соответствующий датчик 5. Датчики 6 плотности топлива предназначены для определения массы топлива по его объему, определенному датчиками 5.
Формула изобретения
gi=(Pi

а общий текущий расход топлива g определяют суммированием текущих расходов gi топлива через N двигателей:
g=g1+g2+...+gN. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контрольного момента времени используют момент запуска двигателей летательного аппарата. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параллельно определяют запас топлива другим способом, в процессе полета отслеживают работоспособность аппаратуры, реализующей другой способ, и фиксируют ее показания, в качестве контрольного момента времени используют момент отказа упомянутой аппаратуры, а запас топлива в контрольный момент определяют по ее показаниям перед моментом отказа. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что показания запаса топлива корректируют по сигналам установленных в топливных баках реперных дискретных датчиков уровня топлива, при этом в качестве контрольного момента времени поочередно принимают момент достижения уровнем топлива уровня установки реперного датчика. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что его используют для группы сообщающихся баков и работающих от них двигателей. 6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что его используют для всех баков и двигателей одновременно. 7. Система определения запаса топлива на летательном аппарате, состоящая из комплекса датчиков, которые соединены с входами вычислителя, выход которого соединен со средством индикации, отличающаяся тем, что в комплекс датчиков входят датчики высоты полета, скорости полета или числа М, оборотов или крутящих моментов на валах двигателей, а вычислитель снабжен запоминающим устройством и таймером и выполнен с возможностью определения запаса топлива Gк в контрольный момент времени и общего текущего расхода топлива g в следующие затем моменты времени по высотно-скоростным характеристикам двигателей летательного аппарата и показаниям упомянутых датчиков, вычисления количества израсходованного топлива Gp как интеграла общего текущего расхода топлива g от контрольного момента времени до текущего момента времени и определения запаса топлива Gт в текущий момент времени как разности между значением запаса топлива Ск в контрольный момент времени и вычисленным количеством израсходованного топлива Gp. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что она содержит установленные в топливных баках реперные дискретные датчики уровня топлива и датчики плотности топлива, соединенные с входами вычислителя, который выполнен с возможностью коррекции определяемого запаса топлива по показаниям реперных датчиков. 9. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что один из входов вычислителя соединен с другой системой определения запаса топлива с возможностью фиксации запоминающим устройством ее показаний, а также регистрации факта и времени отказа упомянутой другой системы. 10. Система по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что в качестве датчиков скорости и высоты полета использованы навигационные датчики, уже установленные на летательном аппарате. 11. Система по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что в качестве датчиков оборотов двигателей или крутящих моментов на их валах использованы датчики, уже установленные на летательном аппарате. 12. Система по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что в качестве вычислителя использован интегральный бортовой вычислитель.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4