航空燃油测量技术的发展

王丽梅　鲜燕　陈健

摘 要：燃油量是飞机燃油系统中的重要组成，准确及时地测量出燃油对飞机的安全飞行，保持重心等起着重要的作用，为了进一步研究提高航空燃油测量精度的方法，预测燃油测量未来的发展，文章介绍了燃油测量系统和燃油测量的重要性，结合文献分析法和定性分析法进行了总结归纳，分别论述了燃油液位与燃油密度测量技术的发展及其基本原理，在国内外研究现状的基础上指出了高精度、结构优化、数字化、综合化是航空燃油测量技术发展的必然趋势。

关键词：航空燃油 测量技术 发展 液位测量 密度测量

中图分类号：V31 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）10-0-02

一、燃油测量系统概况

燃油是飞机的能源，燃油系统是飞机能源的供应系统。飞机燃油系统主要功能是储存燃油，并根据飞行状态和飞行高度，按需要的压力和流量，安全可靠地将燃油供给发动机。因而在飞机的飞行过程中，燃油量对飞行安全起着重要的作用[1-2]，不仅要求燃油量能实时地显示出，并且要求其测量值尽可能精确。

1.由于飞机工作的特殊环境，燃油的消耗是动态过程，燃油液位、密度并不是固定值，同时密度会随着飞机飞行的高度、大气压力、油箱温度等的变化而改变，这就必须实时精确地测量出燃油量[3]。

2.燃油量测量精度的提高可提升每次飞行的经济效益，在飞机的每次飞行任务中，燃油量的确定必须结合飞机的载荷和航程，例如民用飞机的燃油测量精度只要每提0.5%，相应就可以至少增加2-3名乘客[4]，大大提高经济效益。因此，提高飞机燃油系统的测量精度显得尤为重要。

3.燃油测量系统中，提高液位与密度等传感器的精度、可靠性以及可维护性不仅能够使得飞机运营成本降低，还能延长平均无故障工作时间，降低维修时间，进一步研究维护性和可靠性跟高的燃油测量装置可减小飞机的维修成本和时间。

飞机燃油测量系统包括液位测量传感器、密度测量传感器、燃油测量与处理任务计算机以及油量显示等部分，图1是它的工作原理：油位测量传感器首先测量出油箱中燃油的高度h，结合飞行姿态和飞行高度以及数学模型信息，计算机可得到相应的燃油体积v，同时密度传感器可以测出燃油的密度ρ，计算机通过结合温度补偿等可得出油箱燃油的质量m，最终输出并显示。

二、燃油测量技术的发展与应用

1.燃油液位测量技术

燃油的液位测量经历了从油尺测量、浮子式液位测量技术、电容式（特性传感器到线性传感器）测量、超声波测量技术、放射性测量技术、光纤测量以及磁致伸缩技术测量等各种先进的测量方式并存的时代，使实时的体积计算成为现实[5]。

1.1浮子式液位测量技术

浮子式油位测量是通过改变燃油的浮力，从而改变浮子的位置，此类传感器观测读数直观，价格相对便宜，但由于测量范围小，可靠性差，指示误差大，易产生故障，维护量大，现在仅用于一些旧型飞机和小型飞机上。

1.2电容式液位测量技术

电容式传感器原理如图：利用被测燃油与空气作为电介质，当燃油液位的变化时将引起介电常数的变化，从而测量出液位的高度。电容与液位的关系为：

……（1）

图 电容式油位传感器原理图 图 超声波式液位传感器工作原理

式中：ε为真空介电常数，ε1为被测燃油介电常数。

电容式液位传感器可进行连续测量，结构简单成本低，但要求燃油具有稳定的介电常数，同时需要温度补偿，长期稳定性较差[6]。因此，国外大型航空公司于20世纪70年代开始研究数字式电容式传感器，改善了燃油系统整体质量，在提高系统可靠性和维护性的同时，提高了系统的安全性，使航空燃油测量技术跃上了一个新台阶。

1.3超声波液位测量技术

超声波测量是根据发射转换器和接受换能器之间的时间差以及在燃油中超声波的传播速度，可以计算出油箱至换能器之间的空高，根据油箱总高度计算得出燃油液位高度。它不仅能实现定点或连续测量，而且安装维护方便，而且成本较低，但是燃油中的杂质会引起超声波信号的严重衰减，测量结果不稳定，精度有待提高。

1.4流量式燃油液位测量

流量式油量传感器是对发动机的耗油量进行测量，并不直接进行油箱中的油位测量，通过飞机初始总油量计算出剩余油量。

……（2）

式中：mt为油箱中剩余油量，m0为起飞前初始总油量，N为脉冲数，B为换算系数，。

1.5光纤液位测量技术

光纤传感器是利用燃油对光波的调制作用[7]，使得光纤内光波的振动台、强度、波长相位、频率、振幅等发生变化，通过解调光波从而获得燃油量的液位高度。

1.6磁致伸縮技术

磁致伸缩式传感器是利用磁效应和超声效应相结合进行液位测量的，通过发射与接收磁脉冲之间的时间测出燃油液位[8]。

2.密度测量技术

燃油的密度测量从早期的间接测量、比重计测量逐渐到了振动筒式测量、放射性同位素测量、超声波测量等，使得燃油测量精度、安全性、操作性以及自动化水平大大提高。

2.1间接测量技术

早期的燃油测量系统不能对燃油密度进行直接测量，而采用的是间接测量方式。密度的间接测量又有结合介电常数和燃油温度补偿的方法以及利用燃油密度与温度、压力等之间的关系来进行间接测量两种[3，9]。

2.2基于谐振技术测量

基于谐振技术的燃油密度测量采用的是谐振筒式传感器，它通过测量谐振筒在不同状态下的固有振动频率，从而测量出测量燃油的密度，输出量为频率[10-11]。谐振筒可视为一个单自由度受迫振动的二阶系统。当外力能够克服阻尼力时，系统将在谐振状态，根据振动理论，其谐振频率为（3）式，即固有频率。当燃油进入谐振状态的谐振筒中，将随之一起振动并成为其振动质量的有效部分，总质量由m变成，测量出此时的振动频率即可以确定出燃油的密度。

……（3）

式中：m为等效质量，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，E为材料弹性模量，I为刚度。

2.3放射性同位素测量技术

放射性同位素燃油密度测量是基于燃油对辐射射线的吸收原理，当γ射线穿过燃油时，其衰减程度与穿过的燃油厚度、密度以及成分有关，其放射性强度的衰减规律如（4）式[12-15]，根据衰减后射线的强度I可得出燃油密度。

……（4）

式中： ρx为燃油的密度，μ为燃油的质量吸收系数，当燃油固定后，可将其视作常数，I0为穿透燃油前射线的强度，I为穿透燃油后射线的强度，d 为射线穿过燃油的距离。

2.4超声波测量技术

超声波测量燃油密度利用的是超声波在燃油中的传播过程其传播速度与燃油密度、声阻抗等密切有关[16]，根据（5）式测量出燃油中的声速即可得到燃油的密度。

……（5）

式中：c为超声波的传播速度；E 为燃油的体积弹性模量；ρ为燃油的密度。

3.国内外燃油测量技术的应用现状

我国的燃油测量技术研究起步较晚[17]，从20世纪70年代才开始跟踪与研究航空液位传感器、燃油密度传感器及其相关技术，目前我国民用飞机的燃油液位测量技术仍旧停留在电容式阶段，燃油密度测量主要采用间接方式，即介电常数与温度补偿的方法进行测量，只有个别机型选用了数字化燃油测量系统，这样导致燃油测量数字化程度偏低，容易造成测量系统的可靠性较低，测量精度偏度，平均无故障工作时间较短，占用维修时间较多。

在传感器方面，我国的磁致伸缩测量以及超声波传感器还在预研阶段，相对于国外先进的传感器技术，还存在着较大的差距，例如霍尼韦尔和史密斯公司等国外大型公司大力开展数字式燃油测量系统技术研究，先后在波音 757、波音 767、C-130和F-22 等飞机上成功运用放射性燃油密度传感器和谐振式密度传感器，结合补偿修正技术、BIT叫技术等使密度测量传感器在测量精度、可靠性和使用寿命方面有很大的提高。其中以美国F-22为代表的第四代战斗机不仅更换了密度测量，还彻底放弃了电容式液位测量，使燃油测量系统发生了质的飞越。

三、燃油测量技术的发展趋势

大力开展各种新型的燃油液位和燃油密度的测量技术研究，研制高精度、高安全性、高维护性的测量传感器，制造适合我国飞机燃油系统发展需求的测量系统，是实现飞机燃油管理的重要基础。未来航空燃油测量系统的发展将集中体现在几个方面：

1.高精度推动系统发展

飞机燃油测量精度的每一点提高在航空业追求低成本和高效率的今天都是非常可贵的，测量传感器的精度直接决定了测量系统的精度，高精度传感器的研制，测量误差的补偿与修正技术的完善，达到减小系统误差的目的，不仅能提高燃油的利用效率，更能显著提高经济效益；

2.结构优化丰富系统内涵

高精度传感器的研制不仅需要不断改进传感器的加工与制造工艺，研制各类新型经济环保更安全的材料，还需要不断进行传感器内部结构与分布技术的优化，力图实现传感器的一体化、小型化，每一种新的技术创新都会极大地丰富和发展燃油测量系统。

3.数字化、综合化已成为必然趋势

数字化、综合化已经成为所有机载设备系统，包括燃油系统发展的必然趋势，改进燃油测量系统可靠性和维护性等，着力提高系统整体功能性，使得整个燃油系统向着智能控制发展，实现燃油系统的数字化、综合化管理，最终形成未来飞机的系统大综合。

参考文献

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作者简介：王丽梅，女，（1969-），本科，工程师，研究方向：航空油料质量管理和油库安全管理。

鲜燕，女，（1988-），硕士研究生，工程师，研究方向：航空油料储存和安全管理。

陈健，男，副科长，中国民航飛行学院新津分院航空加油站站长，助理工程师，研究方向：航空油料管理及其储存。