СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА ТОПЛИВА НА БОРТУ САМОЛЕТА И ТОПЛИВОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01F23/26 B64D37/00 

Изобретение относится к самолетостроению, а именно к системам контроля топливных систем самолета.

Известен способ определения запаса топлива на борту самолета вычислением в бортовом вычислителе текущего объемного запаса топлива в каждом баке путем введения в бортовой вычислитель математического выражения принятой для расчета текущего значения объемного запаса топлива в каждом баке функциональной зависимости, измеренного текущего значения уровня топлива в баке и геометрических размеров бака (см.книгу Л.Б. Лещинер, И.Е. Ульянов, В.А. Тверецкий Проектирование топливных систем, М.: Машиностроение, 1991 г. стр. 30 - 32).

Известна система измерения количества топлива и определения положения центра тяжести с автоматической коррекцией по положению топлива в баках (см. книгу Л. Б. Лещинер, И.Е. Ульянов, В.А. Тверецкий Проектирование топливных систем самолета, 1991 г., рис.9.4, стр. 254 - 256). Система содержит датчики высоты уровня топлива, датчик наклона поверхности топлива, вычислитель, в который вводят корректирующие данные для различных углов крена, тангажа, перегрузок, и потребители результатов измерений.

Описанные способ определения запаса топлива на борту самолета и система измерения запаса топлива, как наиболее близкие по технической сущности решения, приняты за ближайшие аналоги к заявляемому изобретению.

Ближайшим аналогам заявляемого изобретения характерна недостаточная точность результатов измерений запаса топлива из-за отсутствия вычисления точных значений текущих запасов топлива, а наличия только автоматической коррекции результатов измерений с помощью вводимых в вычислитель корректирующих данных для различных углов крена, тангажа и перегрузок.

Изобретением решается задача повышения точности определения запаса топлива на борту самолета путем вычисления текущих запасов топлива в баках с учетом их геометрических характеристик, высот уровней топлива в баках и угла наклона поверхности топлива.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения запаса топлива на борту самолета вычислением в бортовом вычислителе текущего объемного запаса топлива в каждом баке путем введения в бортовой вычислитель математического выражения принятой для вычисления текущего значения объемного запаса топлива в каждом баке функциональной зависимости и измеренного текущего значения высоты уровня топлива в баке, для вычисления принята функциональная зависимость
V_i = F[h_i;f(α_j;b_i)],
где V_i - объемный запас топлива в баке;
h_i - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b_i - геометрическая характеристика бака;
F - функция, описывающая зависимость V_i от h_i, α_j, b_i;
f - функция, учитывающая влияние α_j на V_i,
а в бортовой вычислитель дополнительно вводят измеренное текущее значение угла наклона поверхности топлива и как исходные данные геометрические характеристики баков.

В частности, геометрическую характеристику бака формируют для каждого датчика высоты уровня топлива.

При этом геометрическую характеристику бака формируют в виде массива коэффициентов математического выражения принятой для вычисления текущего объемного запаса топлива функциональной зависимости.

Для решения поставленной задачи в топливоизмерительной системе самолета, содержащей датчики высоты уровня топлива в топливных баках самолета, датчики угла наклона поверхности топлива, блок преобразования и нормирования величины сигналов датчиков и бортовой вычислитель, последний содержит формирователь функции наклона, формирователь функции объема и блок выбора и сравнения, в систему введены блок геометрических характеристик баков и суммирующее устройство, при этом выход каждого датчика высоты уровня топлива соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, выход каждого датчика угла наклона поверхности топлива также соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования величин сигналов датчиков, входы формирователя функции объема соединены с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков и выходами формирователя функции наклона, входы которого соединены с выходами блока геометрических характеристик и выходами блока преобразования и нормирования величин сигналов датчиков, выходы формирователя функции объема соединены с входами блока выбора и сравнения, выходы которого соединены со входами суммирующего устройства.

При этом бортовой вычислитель для каждого из датчиков высоты уровня реализует зависимость
V_i = F[h_i;f(α_j;b_i)],
где V_i - объемный запас топлива в баке;
h_i - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b_i - геометрические характеристики бака;
F - функция, описывающая зависимость V_i от h_i; b_i; α_j;
f - функция, учитывающая влияние α_j на V_i,
при этом зависимость f(α_j;b_i) реализует формирователь функции наклона, a зависимость [h_i;f(α_j;b_i)] - формирователь функции объема.

В частности, реализуемые формирователем функции объема и формирователем функции наклона зависимости выражены следующими уравнениями
V_i= a_i0 +a_i1 h_i+a_i2 h_i ²+...+ a_inh_i ⁿ,
a_i = b_i0+b_i1α_j+b_i2α2j

+...+b_imαmj,
где V_i - объемный запас топлива в баке;
h_i - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b_i - геометрические характеристика бака;
a_i - массив коэффициентов, учитывающих влияние α_j на V_i;
n, m - степени полиномов.

При этом блок выбора и сравнения имеет устройство ввода программы расположения датчиков высоты уровня топлива в топливных баках, а формирователь функции наклона - устройство ввода программы принадлежности датчиков высоты уровня топлива датчикам угла наклона поверхности топлива.

Для расширения функциональных возможностей система дополнительно снабжена датчиком температуры топлива, блоком характеристик топлива, а в бортовой вычислитель дополнительно введен формирователь функции параметров топлива, при этом выход датчика температуры топлива соединен с входом блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, выход которого соединен с 1-м входом формирователя функции параметров топлива, 2-й вход которого соединен с выходом блока характеристик топлива, 2-й и 3-й входы которого соответственно соединены с выходом блока характеристик топлива и 2-м выходом суммирующего устройства.

Для введения поправок, получаемых при юстировке системы, она снабжена блоком эксплуатационных регулировок параметров системы, выполненным, например, в виде регулировочных элементов (например, резисторов), при этом выход блока эксплуатационных регулировок параметров системы соединен со входом блока формирования функции объема.

Изобретение поясняется принципиальной схемой топливоизмерительной системы самолета, приведенной на прилагаемом к описанию изобретения чертеже.

Способ определения запаса топлива на борту самолета заключается в следующем.

Так как объем, занимаемый топливом в баке (заполняющий часть бака или весь бак), зависит от геометрических размеров бака, а также от двух переменных величин: высоты h_i уровня топлива и угла α_j наклона поверхности ("зеркала") топлива и рассматривается как геометрическое тело, ограниченное внутренними обводами дна, боковыми стенками и поверхностью "зеркала" топлива, которая в полете может занимать самые разнообразные положения по h_i, α_j во внутрибаковом пространстве, объем этого тела может быть выражен зависимостью
V_i = F[h_i;f(α_j;b_i)],
где V_i - текущее значение объемного запаса топлива в баке;
h_i - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b_i - геометрические характеристики бака;
F - функция, описывающая зависимость V_i h_i; b_i; α_j;
f - функция, учитывающая влияние α_j на V_i.

В частном случае вышеуказанная зависимость может быть представлена в виде математической формулы, например в виде полинома n-й степени
V_i= a_i0 +a_i1 h_i+a_i2 h_i ²+...+ a_inh_i ⁿ,
где V_i - текущее значение объемного запаса топлива в баке,
h_i - высота уровня топлива в баке;
a_i(0...n) - массив коэффициентов полинома, которые зависят от геометрических характеристик бака и угла наклона поверхности топлива и учитывают влияние α_j на V_i;
n - степень полинома, выбирается в зависимости от сложности формы бака и необходимой и достаточной точности определения объема и составляет 4...6 для баков простой формы и 6...9 для баков сложной формы.

Зависимость коэффициентов a_i от b_i и α_j представлена также в виде полинома m-й степени
a_i = b_i0+b_i1α_j+b_i2α2j

+...+b_im•αmj,
где b_i(0...m) - массив коэффициентов полинома, составляющий геометрические характеристики бака;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
m - степень полинома, выбирается в зависимости от необходимой и достаточной степени точности вычислений и составляет 6...11 для баков любой формы.

Таким образом, геометрические характеристики бака представляют в виде массивов коэффициентов уравнения, математически выражающего упомянутую функциональную зависимость, и характеризующих собой множество форм геометрического тела, соответствующего заполненной топливом части бака при различных соотношениях высот уровня топлива и угла наклона поверхности топлива.

Массив коэффициентов b_i адекватно характеризует бак относительно конкретного датчика высоты уровня топлива.

Для реализации предлагаемого способа определения запаса топлива на борту самолета предварительно, в соответствии с принятым математическим выражением, описывающим зависимость текущего объемного запаса топлива в баке от высоты уровня топлива, угла наклона поверхности топлива и геометрических размеров бака, формируют геометрические характеристики баков (массивы коэффициентов b_i), которые являются для предлагаемого способа определения запаса топлива исходными данными.

Для каждого бака формируют столько массивов коэффициентов b_i, сколько датчиков высоты уровня топлива установлено в баке.

Геометрические характеристики баков являются постоянными для конкретной топливной системы самолета, их получают расчетным путем следующим образом.

Имея значения объемов топливного бака, занятых топливом для определенных значений уровня топлива и угла наклона поверхности топлива (объемы определяют расчетом или тарировкой), по принятым формулам вычисляют массивы коэффициентов b_i, составляющих геометрическую характеристику соответствующего бака для соответствующего датчика высоты уровня топлива.

После формирования и введения на борт самолета геометрических характеристик баков приступают непосредственно к измерению запаса топлива на борту самолета.

По показанию датчика высоты уровня топлива определяют h_i - высоту уровня топлива в баке в месте расположения данного датчика.

По показанию датчика угла наклона поверхности топлива определяют α_j - угол наклона поверхности топлива.

Каждому датчику высоты уровня топлива бортовой вычислитель производит выбор соответствующего ему датчика угла наклона поверхности и соответствующую ему геометрическую характеристику бака (массив b_i), а затем производит вычисление текущего объемного запаса топлива в баке V_i как функции от h_i, b_i, α_j.
Если в баке несколько датчиков высоты уровня топлива, вычисляют текущие объемные запасы топлива по показаниям каждого датчика высоты уровня топлива. Из вычисленных значений методом сравнения выбирают наибольшее, которое характеризует текущий объемный запас топлива в баке. Выбор осуществляют с помощью вводимой в бортовой вычислитель характеристики топливной системы самолета, представленной в виде программы расположения датчиков высоты уровня топлива в баках.

Суммируя текущие объемные запасы топлива по бакам, получают текущий объемный запас топлива на борту самолета.

Варианты математического выражения принятой для расчета функциональной зависимости V_i от h_i, α_j и геометрической характеристики бака b_i могут быть самыми разнообразными.

При этом для расчетов текущих запасов топлива по бакам и для формирования геометрической характеристики бака используют одни и те же уравнения, описывающие зависимость V_i от h_i, α_j и геометрической характеристики бака b_i.

Топливоизмерительная система самолета для осуществления заявляемого способа содержит датчики 1 высоты уровня топлива в топливных баках самолета, датчики 2 угла наклона поверхности топлива (например, датчик угла наклона поверхности топлива в вертикальной плоскости симметрии самолета - плоскости XOY, датчик угла наклона в поперечной вертикальной плоскости самолета - плоскости ZOY и др. ), датчик 3 температуры топлива, блок 4 преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, бортовой вычислитель, имеющий в своем составе формирователь 5 функции наклона, формирователь 6 функции объема, формирователь 7 функции параметров топлива и блок 8 выбора и сравнения, в систему введены блок 9 геометрических характеристик баков, суммирующее устройство 10, блок 11 характеристик топлива. Система содержит потребители 12 результатов измерений объемного запаса топлива на борту самолета, потребители 13 результатов измерений массового запаса топлива на борту самолета, блок 14 эксплуатационной регулировки параметров системы. При этом блок 8 выбора и сравнения имеет устройство ввода программы расположения датчиков высоты уровня топлива в топливных баках, а формирователь 5 функции наклона - устройство ввода программы принадлежности датчиков высоты уровня топлива датчикам угла наклона поверхности топлива.

Топливоизмерительная система работает следующим образом.

Для обеспечения функционирования топливоизмерительной системы в блок 9 геометрических характеристик баков вводят массивы коэффициентов b_i, в блок 8 выбора и сравнения и формирователь 5 функции наклона вводят характеристику топливной системы в виде программы размещения датчиков высоты уровня топлива в баках (в блок 8) и программы принадлежности датчиков высоты уровня топлива соответствующим углам наклона поверхности топлива (в формирователь 5).

Сигналы с каждого датчика 1 высоты уровня топлива поступают на соответствующие входы блока 4 преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, на входы которого поступают сигналы с соответствующего датчика 2 угла наклона поверхности топлива.

В случае необходимости определения массового запаса топлива на борту самолета, в систему вводят датчик 3 температуры топлива, выход которого соединен с соответствующим входом блока 4 преобразования и нормирования сигналов датчиков.

В блоке 4 преобразования и нормирования величины сигналов датчиков все поступающие сигналы преобразуются в форму, удобную для дальнейшей математической обработки.

На входы формирователя 5 функции наклона с выходов блока 9 геометрических характеристик баков поступают массивы коэффициентов b_i.

На входы формирователя 5 функции наклона, соединенные с соответствующими выходами блока 4 преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, поступают сигналы от датчиков 2 угла наклона поверхности топлива.

Формирователь 5 функции наклона, выполненный в виде арифметических блоков, снабженный программой принадлежности датчиков высоты уровня топлива датчикам угла наклона поверхности топлива, производит вычисление функции f(α_j;b_i) наклона в соответствии с принятой для расчета математической формулой:
a_i = b_i0+b_i1α_j+b_i2α2j

+...+b_imαmj,
где a_i(0...n) - массив коэффициентов полинома, описывающий определение текущего запаса топлива в баке;
b_i(0...m) - массив коэффициентов полинома, составляющий геометрическую характеристику бака (по конкретному датчику высоты уровня топлива);
α_j - угол наклона поверхности топлива.

На выходы формирователя функции 5 наклона поступают массивы коэффициентов a_i полинома, описывающего определение текущего объемного запаса топлива в баке.

Выходы формирователя 5 функции наклона и выходы блока 4 преобразования и нормирования сигналов соответственно соединены со входами формирователя 6 функции объема, выполненного в виде арифметических блоков, реализующих зависимость:
V_i = a_i0+a_i1 h_i+a_i2 h_i ²+...+a_in h_i ⁿ,
где V_i - текущее значение объемного запаса топлива в баке;
h_i - текущее значение высоты уровня топлива в баке;
a_i(0...m) - массив коэффициентов полинома, описывающего определение текущего запаса топлива в баке (вычислены в формирователе 5).

Каждому датчику 1 высоты уровня топлива блок 6 выбирает соответствующие ему вычисленный массив коэффициентов a_i.

Вычисленные значения текущего объемного запаса топлива в топливном баке для каждого датчика высоты уровня топлива поступают в блок 8 выбора и сравнения, ко входам которого подключены соответственно выходы формирователя 6 функции объема.

Блок 8 выбора и сравнения по заложенной в него программе размещения датчиков высоты уровня топлива по бакам производит сравнение вычисленных объемных запасов топлива в баке для каждого датчика 1 конкретного бака. За текущее значение объемного запаса топлива в конкретном баке блок 8 выбирает наибольшее.

Выходы блока 8 выбора и сравнения информации о текущем объемном запасе топлива в каждом баке подают на соответствующие входы суммирующего устройства 10, программа которого обеспечивает подачу результатов измерений потребителям результатов измерений объемного запаса топлива по бакам и/или по группам баков, и/или потребителям результатов измерений объемного запаса топлива на борту самолета.

Топливоизмерительной системой предусмотрена возможность определения массового запаса топлива на борту самолета.

Сигнал датчика 3 температуры топлива поступает на соответствующий вход блока 4 преобразования и нормирования величины сигналов, соответствующий выход которого соединен с 1-м входом формирователя 7 функции параметров топлива, 2-й и 3-й входы которого соединены соответственно с выходом блока 11 характеристик топлива и 2-м выходом суммирующего устройства 10.

Формирователь 7 функции параметров топлива реализует зависимость
G_i = f(ρ_kt⁰V_i),
где G_i - текущий массовый запас топлива в баке;
ρ_k - плотность топлива при нормальных условиях;
t^o - температура топлива;
V_i - текущий объемный запас топлива в баке.

Определенный в формирователе 7 функции параметров топлива массовый запас топлива в каждом баке и/или группе баков, и/или суммарный запас топлива на борту самолета (в зависимости от программы суммирующего устройства) с выхода формирователя 7 функции параметров топлива подается на входы потребителей 13 результатов измерений массового запаса топлива.

Настройка системы осуществляется с помощью блока 14 эксплуатационных регулировок параметров системы, выход которого соединен со входом формирователя б функции объема.

Заявленный способ измерения запаса топлива на борту самолета и топливоизмерительная система для его осуществления обладают высокой точностью и могут быть использованы для любой проектируемой или уже функционирующей на самолете топливной системы, так как топливоизмерительная система включает в себя как исходные данные параметры контролируемой топливной системы, а именно геометрические характеристики баков (вводят в блок 9), программу принадлежности датчиков высоты уровня топлива датчикам угла наклона поверхности топлива (вводят в блок 5).

Изобретение относится к самолетостроению, а именно к системам контроля топливных систем самолета. Способ определения запаса топлива на борту включает определение текущего объемного запаса топлива в баке, угла наклона поверхности топлива в баке, объемного запаса топлива на борту самолета. Текущий объемный запас топлива в баке вычисляют как функцию от высоты уровня топлива в баке, угла наклона поверхности топлива и геометрических характеристик бака. Геометрические характеристики бака формируют в виде массива коэффициентов, математически описывающих упомянутую функцию. Топливоизмерительная система содержит датчики высоты уровня топлива в баках, датчики угла наклона поверхности топлива, блок преобразования и нормирования величин сигналов датчиков, бортовой вычислитель, блок геометрических характеристик баков и суммирующее устройство. Бортовой вычислитель реализует зависимость текущего объемного запаса топлива в баке от высоты уровня топлива в баке, угла наклона поверхности топлива и геометрических характеристик бака. Бортовой вычислитель содержит формирователь функции наклона, формирователь функции объема и блок выбора и сравнения. Изобретение решает задачу повышения точности определения запаса топлива на борту самолета. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения запаса топлива на борту самолета вычислением в бортовом вычислителе текущего объемного запаса топлива в каждом баке путем введения в бортовой вычислитель математического выражения принятой для вычислений текущего значения объемного запаса топлива в каждом баке функциональной зависимости и измеренного текущего значения высоты уровня топлива в баке, отличающийся тем, что для вычислений принята функциональная зависимость
V_i= F[h_if(α_j;b_i)],
где V₁ - объемный запас топлива в баке;
h₁ - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b₁ - геометрические характеристики баков;
F - функция, описывающая зависимость V₁ от h₁; α_j; b₁;
f - функция, учитывающая влияние α_j на V₁,
а в бортовой вычислитель дополнительно вводят измеренное текущее значение угла наклона поверхности топлива и, как исходные данные, геометрические характеристики баков. 2. Способ определения запаса топлива на борту самолета по п.1, отличающийся тем, что геометрические характеристики баков формируют для каждого датчика высоты уровня топлива. 3. Способ определения запаса топлива на борту самолета по п.1, отличающийся тем, что геометрические характеристики бака формируют в виде массива коэффициентов математического выражения принятой для вычислений функциональной зависимости. 4. Топливоизмерительная система самолета, содержащая датчики уровня высоты топлива в топливных баках самолета, датчики угла наклона поверхности топлива, блок преобразования и нормирования величины сигналов датчиков и бортовой вычислитель, отличающаяся тем, что бортовой вычислитель содержит формирователь функции объема и блок выбора и сравнения, в систему введен блок геометрических характеристик баков и суммирующее устройство, при этом выход каждого датчика высоты уровня топлива соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, выход каждого датчика угла наклона поверхности топлива также соединен с соответствующим входом блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, входы формирователя функции объема соединены с соответствующими выходами блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков и выходами формирователя функции наклона, входы которого соединены с выходами блока геометрических характеристик и выходами блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, выходы формирователя функции объема соединены со входами блока выбора и сравнения, выходы которого соединены со входами суммирующего устройства. 5. Топливоизмерительная система самолета по п.4, отличающаяся тем, что бортовой вычислитель реализует функциональную зависимость
V_i= F[h_if(α_j;b_i)],
где V_i - объемный запас топлива в баке;
h_i - высота уровня топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
b_i - геометрические характеристики баков;
F - функция, описывающая зависимость V_i от h_i, α_j, b_i;
f - функция, учитывающая влияние α_j на V_i,
при этом зависимость f(α_j;b_i) реализует формирователь функции наклона, а зависимость F[h_i;f(α_j;b_i)] - формирователь функции объема. 6. Топливоизмерительная система самолета по п.5, отличающаяся тем, что реализуемые формирователем функции объема и функции наклона зависимости выражены следующими уравнениями;
V_i = a_i0 + a_i1h + a_i2h_i ² + ... + a_inh_i ⁿ,
a_i= b_io+b_i1α_j+b_i2α2j

+...+b_imαmj,
где V_i - объемный запас топлива в баке;
α_j - угол наклона поверхности топлива;
n_i - высота уровня топлива в баке;
a_i(0. ..n) - массив коэффициентов, учитывающих влияние на объемный запас топлива в баке угла наклона поверхности топлива;
n, m - степени полиномов. 7. Топливоизмерительная система самолета по п.4, отличающаяся тем, что блок выбора и сравнения имеет устройство ввода программы расположения датчиков высоты уровня топлива в топливных баках, а формирователь функции наклона - устройство ввода программы принадлежности датчиков высоты уровня топлива датчикам угла наклона поверхности топлива. 8. Топливоизмерительная система самолета по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена датчиком температуры топлива, блоком характеристик топлива, в бортовой вычислитель дополнительно введен формирователь параметров топлива, при этом выход датчика температуры топлива соединен со входом блока преобразования и нормирования величины сигналов датчиков, выход которого соединен с 1-м входом формирователя функции параметров топлива, 2-ой и 3-ий входы которого соответственно соединены с выходом блока характеристик топлива и 2-м выходом суммирующего устройства.