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飞机上形形色 色的传感器

不知道大家坐飞机的时候有没有留意过,飞机靠近机头的地方有许多凸起的“东西”,其实这些就是传感器。别看传感器小得很不起眼,但它们却发挥着事关飞行安全的巨大作用。

今天的内容就和大家来聊一聊飞机上的那些传感器。


空速管


在飞机的机头或机翼上一般都会有一根细长的方向朝着飞机的正前方管子,这就是空速管。空速管顾名思义就是用来测量飞机飞行时的空速,所谓空速指的是飞机相对空气运动的速度,并不是对地面速度(地速),因为高空中有风。理论上飞机的地速=空速+风速。


空速管是由18世纪法国工程师H.皮托发明的,所以又名“皮托管”,它是一种通过测量气流动压来得出空速的装置。


飞机飞行时空气迎面吹过来流入皮托管中,在管子的后部就可以感受到流入空气的全部压力,我们把这个压力称之为“全压”。


全压由空气因流动产生的“动压”以及空气本身的压力“静压”组成,即:全压=动压+静压。要知道空气的流动速度,光测得全压是不够的,我们得知道动压,但是动压很难直接测量,不过我们可以根据前面的那个公式,只需再测量到静压,用全压减去静压就可以得到动压了。因此,这里就需要另外一个传感器来帮忙了,那就是“静压孔”。


关于静压孔我们在下文再作介绍。



▲ 波音777空速管位置


空速是重要的飞行参数之一,因而空速管是飞机上重要的传感器之一,一般飞机上都安装了2组以上的空速管来保证安全冗余。空速管上有排水孔并且拥有加热功能防止空速管因积水或结冰而堵塞。平时飞机停场时,空速管都要戴上保护套来防止昆虫或杂物堵塞,飞行前须取下保护套。保护套上系有一根红色飘带用以醒目提示。如果空速管出现故障、结冰阻塞或者未摘下保护套,无法显示出正确的飞行速度读数,情况严重的会造成机毁人亡的重大事故。




▲ “戴套”的空速管


2009年6月,法国航空的一架空客A330-200客机由巴西里约热内卢飞往法国巴黎,飞机在飞行途中由于空速管结冰导致空速显示异常,*终因飞行员误判误操作致使飞机坠毁在大西洋,机上228人无人生还。


2018年7月,马来西亚航空一架空客A330-300客机从澳大利亚布里斯班飞往马来西亚吉隆坡,飞机起飞后飞行员发现空速显示异常,然后立即请求返航,*后飞机平安返回布里斯班机场。事后调查发现,飞机空速显示异常竟是因为空速管保护套未取下,飞机“戴套”飞行所致。


这里要说明的是,空速管测得的空速被称为“指示空速”或者叫“表速”,它是按海平面标准大气条件下空速与动压的关系换算得来的,并不是飞机的真实空速即“真空速”。但就是指示空速却是飞行员安全操作飞机的依据。



▲ 飞机空速表

静压孔


静压孔顾名思义也就是测量“静压”的传感器,所谓静压你可以把它理解为飞机所处周围环境的空气“静止”时的压力,也就是飞机所处位置的大气压力。


静压孔一般位于机身前段的侧下方,这个位置不容易不受到气流的干扰。空气从这里缓慢流入孔内,由压力传感器测出飞机所处位置的大气压力也就是“静压”。同样为了保证安全冗余度,飞机上设置了多组静压孔,即便其中一个失效,其余的静压孔还是能可靠提供大气压力数据的。


前面提到飞机的空速得有动压换算得出,而动压=全压-静压,全压由空速管测出,静压则由静压孔测出,有了这两个数据之后,就能知道气流的动压,因而就能得出飞机飞行的空速了。



▲ 静压孔特写



▲ 上图红圈为空客A321静压孔位置


▲ 上图红圈所示为空客A330静压孔位置


静压孔除了提供计算空速需要的静压参数之外,还有一个功能就是测量飞机飞行的高度。我们知道大气压力会随着海拔的升高而降低,并且存在定量关系。因此当静压孔在给空速表提供静压参数的同时,它所测得的大气压力换算成海拔高度后显示在高度表上,飞行员就能知道飞机飞行的高度了。


▲ 飞机高度表


以前飞机的静压孔没有孔塞,清洁飞机时需要用胶布贴住来保护。1996年,秘鲁航空一名机场维修人员请病假让另一位普通修理工代办,修理工在清洗一架波音757机身的时候为了防止污水流入用透明胶布把静压孔给封住了,清洗完毕忘记把胶布给揭掉。飞机起飞后由于静压系统堵住无法提供速度和高度,*终引起了一系列的问题,并且由于机长和塔台的错误引导导致飞机坠海,70人丧生!秘鲁航空也因此在不久后破产。


迎角传感器


迎角是指飞机翼弦与气流之间的夹角,若这一角度过大会造成机翼失去升力,从而导致飞机进入失速状态。因而迎角是重要的飞行参数之一,飞行员必须使飞机在一定的迎角范围内飞行。现代绝大多数民航飞机还有失速警告系统,当实际迎角接近临界迎角而使飞机有失速的危险时,失速警告系统即发出各种形式的告警信号,而迎角传感器则为失速警告系统提供数据支撑。



▲ 翼弦与气流之间的夹角α就是“迎角”


迎角传感器一般安装在飞机侧面靠近机头的位置,可分为风标式和零压式两种。


▲ 上图红圈内的是波音717的迎角传感器


风标式迎角传感器是由一个具有对称剖面的翼型叶片和角度变换器组成,它具有构造简单、体积小的优点。但是风标易受微小扰动的影响,安装位置的影响也很大,在高速飞机上要找到气流比较平稳的部位是非常困难的。

▲ 风标式迎角传感器


▲ 上图中*下方红圈内的即为风标式迎角传感器


压差归零式迎角传感器探头上有对称的两对进气槽迎着气流。当飞机迎角不变时,每对气槽感受到的气流气压是相等的。当飞机迎角发生变化时,使其中一对气槽感受到的气压增加,另一对的气压减小,这两个气压通过互不相同的气道作用到桨叶的正反叶面上,其合力产生一个与迎角变化反向相反的气动反馈力矩,使探头组件转动,直至两对气槽的对称平面与气流方向平行,两对气槽的压力重新相等为止。同时,探头组件的电刷相对于电位计有一个相应的角位移,从而输出与迎角变化成比例的电压信号。目前广泛运用于各种飞机,优点是误差小、工作稳定。



▲ 压差归零式迎角传感器


2018年10月,印尼狮航一架机龄还不满半年的波音737MAX8客机从雅加达飞往邦加槟港,飞机在起飞后约十分钟坠毁在机场旁的爪哇海之中,机上189人无人生还。尽管到目前为止事故的*终调查报告还未发布,但从目前所掌握的证据来看这次事故的原因很可能与迎角传感器维护不当有关。


侧滑角传感器


所谓的“侧滑”是指飞机对称面与相对气流方向不一致的飞行,侧滑角你可以把它理解为空速方向和飞机中轴线竖直方向的夹角,如下图。


▲ 侧滑角示意图


侧滑是由于存在侧风或者飞行中飞机对称面偏离飞行轨迹而造成的,从操纵上讲主要是登方向舵过大所造成,就好比高速行驶中的汽车驾驶员猛打方向盘会造成汽车侧滑一样。


飞机侧滑角传感器一般安装在机头部位,其原理和风标式迎角传感器类似。

▲ 侧滑角传感器特写





▲ 上图红圈内的为空客A350的侧滑角传感器

大气总温探测器


大气总温传感器通常安装在翼尖、垂尾顶部、机头侧面或其他气流不易受到扰动的地方。总温传感器其实就是一个用来测量温度的装置,但是它测得的数据并非飞机周围环境大气的真实温度,而是“总温”。


▲ 上图从上到下依次为空速管、迎角传感器、备用空速管,*下方红色圈内的便是大气总温传感器


总温是空气以绝热过程完全静止时,它的动能将转化为内能时反映出来的温度。飞机飞行时,空气相对飞机运动,但空气遇到总温传感器探头时,会因为受到阻滞而相对流速降低到零,在这个过程当中空气受到压缩,动能转换为热能并且局部温度会升高,这个温度称为总温。因此总温传感器测得的温度会比飞机周围大气环境的温度要高。例如,飞机在10000米高空以0.8马赫速度巡航时,外界大气约为-60℃,而总温传感器的测得的读数就约为-30℃。



▲ 大气总温传感器结构示意图


测得总温后,计算机可以计算出外界大气的真实温度,也就是“静温”。除此之外,计算机还可以根据总温以及指示空速计算出飞机的真实空速。


防结冰探测器


飞机结冰会导致飞机操稳品质下降,影响飞行安全。目前绝大多数民航客机出厂时都有配备防结冰传感器。防结冰传感器一般位于机头部位,垂直于机头蒙皮安装。



▲ 防结冰探测器结构示意图


防结冰探测器通以交流电,并以一定频率振动。当飞机进入结冰条件,探头开始结冰时,探头的震动频率会随结冰质量的增加而下降,当下降到设定值时会发出结冰警告,并自动接通机翼和发动机整流罩的防除冰系统,但自动防冰一般仅在飞机离地后才能工作。



▲ 大雪过后,机务小哥用手上的温度去融化防结冰探测器上的冰雪


这些传感器的功能,你都掌握了吗?