杨晓萍
摘要：OADS，即光学大学数据系统，具有测量精度高、范围广、远距离非接触测量、响应时间短和设备位于机体内部等优点，相比于传统大气数据系统具有显著优势。介绍了光学大气数据系统的基本组成和工作原理，以及国内外光学大学数据系统的发展和应用情况。通过对光学大气数据系统的结构和原理以及现行最新民用航空规章的分析，研究了光学大气数据系统对民用运输类飞机适航规章和相关的适航审定试验的影响。
关键词：光学大气数据系统、适航、多普勒效应
中图分类号： V241.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0000-00
0 引言
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，也是影响飞行安全的关键参数。现代民用运输类飞机依靠大气数据系统获取这些重要参数。传统运输类飞机的大气数据系统参数通常由位于飞机机头的总静压探头（皮托管）、静压孔、总温探头和迎角风标等传感器测量，然后通过飞机上的大气数据计算机或计算模块解算之后，经由总线输送给飞机上的各个系统。OADS（Optical Airdata System），光学大气数据系统利用激光多普勒效应测量空速，利用激光测温获取大气静温，利用已知角度的多束激光解算飞机姿态，获得飞机的迎角和侧滑角信息。目前已知的光学大气数据系统的空速测量精度已经达到0.1m/s，温度测量精度在±0.3℃[1]，其空速测量精度优于传统的大气数据系统，温度测量精度与传统的总温探头相当。光学大气数据系统已经成为一个发展方向，而其除了测量精度高的优点之外，在结构和测量原理上与传统大气数据系统差别很大。光学大气数据系统一般由激光发射/接收探头和光电处理模块组成，激光透过光学玻璃射向远方的大气粒子，在机体之外没有突出物。基于这种差别，因此民用航空规章的要求是否适用，如何进行相关的适航审定飞行试验等问题值得我们深入研究。
1 光学大气数据系统的组成和工作原理
光学大气数据系统是由激光发射/接收模块、光路系统模块、光电转换模块、信息处理模块这四个功能模块组成的。光学大气数据系统的基本组成见图1所示。
激光发射/接收模块是光学大气数据系统最重要的组成部分之一，特定波长的激光通过探头发射到飞机机身外的大气环境中，光学大气数据系统的空速测量原理主要是通过将激光打到大气流场内的粒子上发生米散射，通过散射光的频移定量的计算出大气流场的速度[2]。激光发射/接收模块是整个光学大气数据系统的前端，将激光作为传感敏感元件，通过感知大气中运动粒子的实时状态，实现大气参数的测量。
光学大气数据系统中的光路系统模块，是实现激光信号发射以及接收的重要装置，是大气数据系统测试参数的光路传输通道。光学大气数据系统为了降低工程人员对光路操作的经验要求，采用新型的固体激光器。利用带有频移装置的分光器将激光分为两束，经过单模保偏光纤和光纤耦合器，将激光发射到激光探头，调整激光的光腰部分，使其聚集在某一测量焦点，以保证最小测量体积，这一点即为光学传感探头。通过光学传感探头对大气测试参数的测量感知，调整光路系统内的接收/发射开关，将携带有测试参数信息的光信号接收至光学大气数据系统内的光路模块，实现待测参数的解算。
光电信息转换模块作为光学大气数据系统信息传输设备中的一个主要部件，其主要功能是负责将接收到的光信号转化为电信号。将散射的光信号转换为电信号之前，可以在光域中对其进行预处理。在光束中插入滤光器，利用光的相干性，通过先进的处理技术，将高频的光信号转换为频率低的多的多普勒频移信号，相干检测技术是利用相干激光进行多普勒测速的基础，将经过相干检测的光信号传输至探测器，实现测试信息的光电转换。探测器是基于半导体材料的结构紧凑的光电转换器件，在光学大气数据系统中，根据激光波长的不同选择相应的探测器，将预处理后的光信号转换为电信号。
信息处理模块是光学大气数据系统的算法核心部件。发射到大气中的连续入射波经过气溶胶粒子的散射后，由接收器接收每个粒子的后向散射波，然后将检测到的信号与发射信号在一个本地振荡器中叠加，通过光电探测器将光信号转换为包含多普勒频移信息的高频电信号。信号处理的过程主要是为了实现多普勒频移量的实时检测以及真空速的精确估计。实现飞行器投射到激光轴的相对于空气的运动速度分量测量。通过信息处理模块，亦可以得到大气温度、密度、绝对压力等参数的测量结果。
图1 光学大气数据系统的基本组成
2 国内外发展与应用现状
光学大气数据系统的雏形是机载激光测速装置。激光测速设备在风洞试验中已经得到了广泛的应用，作为机载测试设备还在进行大量的试验工作。国外从上世纪七十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。项目开展中，在法国试飞中心开展了激光测速设备的试飞验证。上世纪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及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。表1给出了国外光学大气数据系统（含机载激光测速设备）的部分使用记录。
光学大气数据系统在国内的研究起步较晚，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光学大气数据系统平台，相关资料表明，该系统的测量精度为2m/s[3]，与国际先进水平还有较大差距。
表1 国外光学大气数据系统（含机载激光测速设备）使用记录
序号时间详细信息
11971霍尼韦尔在CV990飞机上使用0.6μm激光测速器进行飞行试验
21979-1980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，探索激光測速适用的高度、速度范围
31980-1987Mirage IIIR 战斗机搭载按照军标要求改进的第二代设备（ALEV-1，单轴激光测速仪），进行了20架次飞行验证，表明激光测速设备可用于超音速战斗机。
4198810.6μm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
51988-2006空客公司在A320、A318、A340、A380等飞机上使用激光测速设备进行传统大气数据系统的校准
62001-2004THALES公司在某型直升机和某军用飞机上使用1.55μm激光测速仪演示飞行
72001-2005HAL公司在P180飞机上测试机载激光测速设备
82006-2009THALES公司的1.55μm作战激光测速初级系统及原型产品进行飞行试验研究
92014空客公司在Dauphin6542直升机上进行光学大气数据系统的飞行试验
102014-2015波音公司在787-10飞机上使用机载激光测速设备进行传统大气数据系统校准试验
3 光学大气数据系统对适航条款的影响分析
3.1 对25.1323条款和25.1325条款的影响
民用航空规章中涉及大气数据系统的主要条款是第25.1323条——空速指示系统和第25.1325条——静压系统。中国民用航空局于2011 年11 月7 日对民用航空规章第25部进行了第四次修订，本次修订中这两个条款相比前版变化很大。
民航航空规章第25.1323 条和第25.1325条中要求空速指示系统和静压系统必须经过校准[4]。表2和表3分别给出了光学大气数据系统对25.1323和25.1325条款的影响分析。
表2 对25.1323条款的影响分析
条款编号条款说明OADS与传统大气数据系统对适航条款的适用性比较
传统大气数据系统光学大气数据系统
25.1323（a）要求空速指示系統必须校准，且仪表误差要小适用适用
25.1323（b）地面滑跑阶段空速校准适用适用
25.1323（c）VMO至1.23VSR1和1.23VSR0至VFE速度范围内的空速误差要求（不超过3%或2.5m/s）典型运输类飞机的空速位置误差可达到5m/s，不满足条款要求，需获得空速的位置误差，在大气数据计算机中加以修正或在飞行手册中给出。光学大气数据系统测量的是飞机相对远方来流的速度，不存在机体对气流的影响，因此其测量的位置误差为零，仅需要考虑光学大气数据系统的系统误差。目前国外现有的光学大气数据系统的空速测量误差大多在0.5m/s以内，其误差直接就满足现有的民用航空规章。
25.1323（d）1.23VSR到失速速度范围内的空速误差变化要求传统大气数据系统在失速这样的大迎角状态总静压都会失真，误差较大。光学大气数据系统是远距离非接触式测量，不受飞机姿态的影响，误差小。
25.1323（e）VMO至VDF速度范围内的空速误差变化要求传统大气数据系统在高速飞行过程中气路延迟大，影响测量精度。光学大气数据系统只有光电信号传输，没有气体管路，延迟时间可忽略。
25.1323（f）起飞离地阶段的空速指示要求传统大气数据系统在飞机抬前轮时变化剧烈，误差大。光学大气数据系统是远距离非接触式测量，不受飞机姿态的影响，误差小。
25.1323（g）空速指示系统的滞后效应影响由于存在气体管路，滞后效应不可忽略。光学大气数据系统只有光电信号传输，没有气体管路，延迟时间可忽略。
25.1323（h）防湿气、尘埃或其他杂物入侵的要求总静压孔一旦堵塞，将引起灾难性后果，必须考虑。光学大气数据系统的设备全部位于机体之内，激光透过光学玻璃射向大气粒子，不存在杂物入侵。但需考虑光学玻璃的维护。
25.1323（i）空速管需加温，防止因结冰失灵传统大气数据系统的探头位于机体外部，必须有防结冰措施。光学大气数据系统的设备全部位于机体之内，激光透过光学玻璃射向大气粒子，不必考虑结冰要求。但需考虑光学玻璃的维护。
25.1323（j）两套系统间隔要大，以免鸟撞造成两套系统损坏传统大气数据系统的探头通常位于机头附近，鸟撞几率大。光学大气数据系统的设备全部位于机体之内，激光透过光学玻璃射向大气粒子，而光学玻璃通常位于机体中部位置，遭受鸟撞的机率很小。
表3 对25.1325条款的影响分析
条款编号条款说明OADS与传统大气数据系统的比较
传统大气数据系统光学大气数据系统
25.1325（a）带膜盒的仪表必须与外界大气连通带膜盒的传统静压系统必须遵守无膜盒，不适用。
25.1325（b）静压孔位置必须受湿气或外来物影响小，且不受结冰气象影响传统大气数据系统在设计时必须考虑无静压孔，不适用。
25.1325（c）静压系统需有排水措施及气密性要求传统大气数据系统在设计时必须考虑不适用
25.1325（d）高度必须加以校准，误差尽可能小适用适用
25.1325（e）高度位置误差要求传统大气数据系统误差大，需获得位置误差加以修正。光学大气数据系统误差小，满足要求。
25.1325（f）高度表指示修正装置的要求有该装置时，需考虑。无该装置，不适用。
25.1325（g）主备静压源的设计要求按此设计时需考虑未来主备系统如何设计，需思考解决方案
25.1325（h）非增压飞机的特殊要求按此设计时需考虑不适用
3.2 对RVSM的影响
RVSM（Reduced Vertical Separation Minimum，缩小垂直间隔）是指在实行RVSM运行的空域内，在FL290至FL410（包含这两个高度层）之间的垂直间隔标准由2000英尺缩小到1000英尺。高度层的增加对飞机的高度系统提出了更高的精度要求，且需要通过飞行试验验证。
传统大气数据系统的高度测量误差主要有静压源误差、静压管路误差、压力测量和转换误差、理想静压源误差修正和剩余静压源误差等。RVSM适航关键技术包括：高度测量系统校准、RVSM试飞试验点选取、高度测量系统误差预算分配、RVSM临界区域和蒙皮波纹度控制等。
对于传统大气数据系统，RVSM临界区域包括：
皮托管：可能由于探頭受损、探头周边维修、校正等因素受影响。
静压源端口：受飞机蒙皮褶皱的严重影响。此外，其精确度还受安装的影响。
其他关键区域：所有其他外部的空气数据处理设备。
RVSM 临界区域研究的目的是获得对应不同的波纹度时，在探头附近某一范围内，对静压孔位置局部静压的影响量有多少。CFD分析得出，飞机雷达罩与机身结合处的凸起足以导致飞行中的高度误差。在静压源端口附近的乱流更将严重影响高度测量系统的精度。因此，需要专门的测量校准工具以测量蒙皮褶皱情况。蒙皮波纹度测量完成后，对波纹度数据进行数学分析并找出规律。再使用CFD 方法对不同波纹度的影响进行定量分析，找到满足RVSM 误差分配要求的蒙皮波纹度。
对于RVSM区域分块的研究可以有效地支持不同区域内蒙皮问题修复和维修方案的制定。在RVSM 区域内，必须保证蒙皮波纹度以及大气数据计算机在飞机运营生命周期内都可以满足RVSM 要求。需要针对RVSM 区域进行分块研究，对不同蒙皮区域的要求不应一样，对于不同区域的维修方案也应提出相应的要求。相应的要求需要落实在维修手册、维修计划文件以及结构修理手册中。
针对传统大气数据系统，蒙皮褶皱对静压测量影响很大，需要进行大量的蒙皮测绘工作和CFD分析，还需要制定维修方案，以确保飞机的高度误差持续满足RVSM的要求。而光学大气数据系统的测量是一种非接触测量方式，完全不受飞机蒙皮等因素的影响，因此对于未来采用光学大气数据系统的运输类飞机，进行RVSM适航审定试验，则不要进行复杂的蒙皮褶皱测量和CFD分析，其RVSM的误差分配将发生根本性的变化。
4 结束语
先进大气数据系统被美国列入航空飞行器控制领域的关键技术[5]。光学大气数据系统的数据测量不受飞机机体扰流的干扰和迎角的限制。同时光学大气数据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。本文介绍了光学大气数据系统的基本组成和工作原理，以及该系统在国内外的发展现状和应用情况。通过对光学大气数据系统和现行民用航空规章的深入研究，分析了光学大气数据系统对民用航空规章未来发展和现有适航审定试验方法的影响，对于我国自行研制光学大气数据系统和制定相关标准很有意义。
参考文献：
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