СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОГО ОСТАТКА ТОПЛИВА В ПОДВЕСНОМ ТОПЛИВНОМ БАКЕ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВЫРАБОТКИ
METHOD OF DEFINING TARGET FUEL RESIDUE IN SLIPPER FUEL TANK IN FUELING

Изобретение относится к области авиации, в частности к топливным системам летательных аппаратов.
На борту самолета для размещения топлива имеются различные топливные баки, располагающиеся как внутри крыла и фюзеляжа, так и на специальных подвесных устройствах (Авиация//Энциклопедия. Москва. Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", Центральный аэродинамический институт им. Н.Е.Жуковского, 1994, статьи "Топливная система" и "Топливный бак", стр.568-570). При выполнении полетов на дальность, превышающую расчетную, используют подвесные топливные баки (ПТБ), которые ухудшают аэродинамическое сопротивление и летно-технические характеристики самолета (там же, а также Лещинер Л.Б., Ульянов И.Е. Проектирование топливных систем самолетов. М.: Машиностроение, 1975, стр.325). Целью применения ПТБ является увеличение дальности и продолжительности полета.
Применение ПТБ накладывает на пилотаж некоторые ограничения (в частности, допустимых перегрузок, маневров, скорости полета и т.п.). Эти ухудшения могут сыграть решающую роль при боевом применении самолета, поэтому ПТБ в таких ситуациях сбрасывают. Как правило, при боевом применении сброс ПТБ проводится или по усмотрению летчика, или после выработки топлива из бака. В обычной эксплуатации, например при перегоне самолета, сброс не производится. Реально чаще всего ПТБ сбрасывается при получении сигнала о его пустоте - «ПТБ пуст».
Выработка из ПТБ осуществляется путем перекачки топлива на пополнение внутреннего бака на всех возможных режимах расхода топлива по профилю полета с ПТБ.
Одним из ограничений при полете с ПТБ является ограничение скорости полета самолета в связи с флаттером крыла из-за повышенной на него нагрузки от ПТБ. Однако в процессе полета по мере выработки топлива из баков, установленных под крылом, ограничения по скорости могут быть уменьшены раньше появления сигнала «ПТБ пуст». Расчетным путем может быть установлено, при каком запасе топлива в ПТБ это допустимо, например, при остатке топлива половины бака, 500 кг и т.д. В связи с этим становится важным определять, превышает ли количество топлива в ПТБ в процессе его выработки определенную величину.
В авиации контроль за расходом топлива осуществляется с помощью топливоизмерительных систем. Известны топливоизмерительные системы, в которых значение запаса топлива устанавливается с помощью находящихся непосредственно в баках датчиков, и расходомерные системы, в которых запас топлива определяется через расход, измеряемый расходомерами, установленными в трубопроводах, подводящих топливо к двигателям - путем интегрирования мгновенного расхода топлива и вычитания этого значения из начального запаса (см., например, Домотенко Н.Т., Кравец А.С. и др. Авиационные силовые установки. М.: Транспорт, стр.178-180). Из-за низкой надежности этих систем применяются одновременно топливоизмерительная и расходомерная системы, одна из которых является дублирующей.
Определение количества топлива в баках самолетов обычно осуществляют с помощью датчиков, установленных в баках и измеряющих уровень топлива, - датчиков топливомера. Однако установка датчика в сбрасываемый подвесной бак нерациональна, т.к. они будут утеряны вместе с баком.
Известно использование в качестве сигнализаторов фиксированных количеств топлива в ПТБ датчиков подвески и датчиков сброса ПТБ (полезная модель РФ №22463). Недостатком такого подхода является то, что датчики подвески определяют только факт наличия или отсутствия бака, но не количества топлива.
Определение факта полной выработки подвесного бака без размещения в нем датчиков возможно с помощью устройства для контроля окончания выработки топлива из самолетных подвесных сбрасываемых баков, описанного в а.с. СССР №197409. Топливо вытесняют сжатым воздухом из ПТБ во внутренний бак по трубопроводу. Устройство подсоединено к этому трубопроводу и состоит из гильзы со сливным и дренажным отверстиями. Внутри гильзы установлен датчик, который формирует сигнал, когда в результате опорожнения ПТБ гильза заполняется воздухом вместо топлива.
Наиболее близким к изобретению является способ определения достижения нулевого остатка топлива в ПТБ (обнаружения факта опорожнения ПТБ), заключающийся в том, что используют устройство по а.с. СССР №197409 или аналогичное и получают сигнал об опорожнении ПТБ при достижении практически нулевого уровня топлива (с погрешностью, обусловленной конструкцией). Это решение не приемлемо для определения значений в интервале от «бак полон» до «бак пуст».
Задачей изобретения является обеспечение возможности определения достижения заранее определенного запаса топлива в ПТБ внутри интервала от «ПТБ полон» - «ПТБ пуст» без установки дополнительных топливоизмеряющих датчиков в этих баках или другой дополнительной топливоизмеряющей аппаратуры.
Задача решается с помощью способа определения достижения заданного остатка топлива в подвесном топливном баке в процессе его выработки, в котором предварительно определяют базовое событие и вычисляют количество топлива, которое должно быть израсходовано после базового события до достижения заданного остатка топлива в подвесном топливном баке, при наступлении базового события фиксируют показание расходомера и затем следят за показаниями расходомера до достижения значения, превышающего зафиксированное показание на упомянутое количество топлива, по достижении этого значения формируют сигнал о достижении заданного остатка топлива в подвесном топливном баке.
В качестве базового события может быть выбрано начало выработки упомянутого подвесного топливного бака.
При таком выборе базового события для повышения надежности используют устройства, обеспечивающие перекачку топлива из подвесного топливного бака во внутренний бак при поддержании уровня топлива во внутреннем баке в определенном диапазоне, и дополнительно в момент начала выработки подвесного топливного бака фиксируют показание топливомера внутреннего бака, в процессе выработки подвесного топливного бака отслеживают, чтобы показания топливомера находились в этом определенном диапазоне.
В качестве базового события может быть выбрано окончание выработки топливного бака, который вырабатывается непосредственно перед упомянутым подвесным топливным баком.
Определение факта наступления базового события, фиксирование и отслеживание показаний расходомера, формирование упомянутого сигнала осуществляют с помощью вычислителя.
Упомянутый сигнал отражают средствами индикации.
Предлагаемый способ позволяет по показаниям общей топливоизмеряющей аппаратуры определить, достигнут ли заданный остаток топлива в ПТБ в процессе его выработки, что позволяет летчику принять решение о возможности снятия некоторых ограничений (повышения скорости, выполнения маневра и т.п.)
Изобретение поясняется фигурами.
На фиг.1 показана принципиальная схема топливной системы самолета, в которой может быть реализован предлагаемый способ.
На фиг.2 показан в увеличенном масштабе струйный индикатор уровня, обеспечивающий перекачку топлива из подвесного топливного бака в определенном диапазоне уровня топлива во внутреннем баке.
Предлагаемый способ может быть реализован благодаря тому, что в современных самолетах перекачка топлива из подвесного бака во внутренний бак начинается в момент, когда количество топлива во внутреннем баке, снабженном датчиками топливомера, опускается до заранее определенного уровня. При этом в период перекачки топлива из ПТБ перекачка топлива во внутренний бак из других баков не происходит.
Предполагается также, что расход топлива двигателями (в единицу времени) не превышает темпа перекачки топлива из ПТБ (количества топлива, перекачанного в единицу времени во внутренний бак).
Далее со ссылками на позиции фиг.1 и 2 описан принцип действия устройств для перекачки топлива из ПТБ.
Для осуществления способа могут быть использованы известные устройства выработки (перекачки) топлива из подвесных топливных баков (5) или (6) во внутренний бак (1) в определенном диапазоне уровня топлива во внутреннем баке (1). Топливо перекачивается по трубам (2), соединяющим ПТБ (5) или (6) с внутренним баком (1), выход из которых перекрыт клапанами (7) или (8) с гидравлическим управлением от струйных индикаторов уровня (СИУ) (10) или (11). СИУ (10) и (11) расположены во внутреннем баке (1) на уровнях, при которых должен вырабатываться данный ПТБ (5) или (6), по одному для каждого из ПТБ. В СИУ (10) или (11) имеются (см. фиг.2) входной штуцер (22) и приемный штуцер (23).
Перекачка, например, из ПТБ (5) осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Из подвесного топливного бака (ПТБ) (5) топливо через трубу (2) поступает на управляемый клапан (7) во внутреннем баке (1). В СИУ (10) топливо от постороннего источника подается под давлением во входной штуцер (22) и проходит в приемный штуцер (23), если полость между штуцерами (22) и (23) не заполнена топливом. В этом случае под давлением струи клапан (7) открывается и топливо из ПТБ (5) поступает во внутренний бак (1). При этом уровень топлива в баке (1) поднимается и заполняет полость между штуцерами (22) и (23). Давление струи падает, и клапан (7) закрывается. При некотором опорожнении бака (1) (вследствие перекачки топлива из бака (1) в расходный бак (3)) уровень топлива в баке (1) вновь падает и цикл снова повторяется: СИУ (10) открывает клапан (7), и топливо снова перекачивается из ПТБ (5), его уровень поднимается, СИУ (10) закрывает клапан (7), и перекачка прекращается. Такие циклы повторяются до опорожнения ПТБ (5).
После опорожнения ПТБ (5) уровень топлива в баке (1) продолжает опускаться (вследствие перекачки топлива из бака (1) в расходный бак (3)), пока не достигнет уровня, где установлено следующее СИУ (11), которое управляет выработкой из следующего подвесного топливного бака (6).
В процессе выработки из ПТБ (5) или (6) или других ПТБ, которые на фиг.1 не показаны, уровень топлива в баке (1) сравнительно стабилен. Причинами некоторых колебаний уровня топлива могут быть описанное выше циклическое функционирование СИУ и эволюции самолета. Процесс перекачки топлива из очередного ПТБ происходит аналогично: он начинается, когда уровень топлива в баке (1) достигает уровня расположения СИУ, соответствующего этому ПТБ или паре симметричных ПТБ, а затем на период выработки ПТБ уровень топлива в баке (1) примерно стабилизируется в определенном диапазоне (определяемом параметрами СИУ).
Во внутреннем баке (1) имеются также датчики (14) топливомера для контроля уровня топлива в баке (1).
На фиг.1 показан также расходный бак (3), в который перекачивается топливо из внутреннего бака (1), прежде чем поступить в двигатели. При перекачке в двигатели топливо проходит через датчик расходомера (15).
Способ определения достижения заданного остатка топлива в подвесном топливном баке в процессе его выработки заключается в следующем.
Предварительно (при подготовке к полету или еще раньше) определяют базовое событие и, в зависимости от этого события, вычисляют количество топлива Q, которое должно быть израсходовано двигателями после базового события до достижения заданного остатка топлива в подвесном топливном баке (например, (5) или (6)).
В качестве базового события выбирают, например, следующее:
- запуск двигателей (этот вариант может дать большую ошибку из-за длительности промежутка времени между запуском двигателей и началом выработки ПТБ),
- начало выработки данного подвесного топливного бака,
- окончание выработки топливного бака, который вырабатывается непосредственно перед упомянутым подвесным топливным баком (может быть как другой подвесной бак, так и внутренний),
- другое событие.
ПТБ нач
ост
ПТБ нач
ост
Если базовым событием является начало выработки данного подвесного топливного бака, вычисляемое количество топлива Q равно начальному количеству топлива в подвесном топливном баке О (вес топлива, вырабатываемого из ПТБ от полной его заправки до опустошения, известен из Руководства по эксплуатации - РЭ) минус Q - величина остатка топлива, факт достижения которого желают определить предлагаемым способом (Q=Q-О).
ПТБ нач
ост
Если базовым событием является окончание выработки другого топливного бака, к этой разности надо прибавить количество топлива ΔQ из внутреннего бака (1), а может быть, и из еще каких-то баков, которое должно быть перекачано в двигатели между окончанием выработки другого топливного бака и началом выработки данного подвесного топливного бака (Q=О-О+ΔQ).
р
p
Так как расходомер имеет погрешность (δ), для принятия решения о снятии ограничения к количеству протекшего топлива Q целесообразно добавить δ Q. При таком учете погрешности остаток топлива в баке может оказаться несколько меньше, чем разрешенный для снятия ограничения, но это приведет только к большей надежности (для целей снятия ограничений).
1
При наступлении базового события в полете фиксируют показания расходомера P.
1
1
Затем следят за показаниями расходомера до достижения значения, превышающего зафиксированное показание P на количество топлива Q, вычисленное, как было описано выше (т.е. количество топлива, которое должно быть израсходовано двигателями после базового события до достижения заданного остатка топлива в подвесном топливном баке). По достижении этого значения (т.е. когда показания расходомера равны P+Q) формируют сигнал о достижении заданного остатка топлива в подвесном топливном баке.
Предпочтительно, если используют устройства, обеспечивающие перекачку топлива из подвесных топливных баков во внутренний бак при поддержании уровня топлива во внутреннем баке в определенном диапазоне. Этот диапазон изменения количества топлива от начала включения датчика управления запорным устройством подачи топлива из ПТБ до его отключения при восстановлении уровня топлива после пополнения бака за счет перекачки из ПТБ (гистерезис) также известен из РЭ.
Тогда для повышения надежности способа дополнительно в момент начала выработки подвесного топливного бака фиксируют показания топливомера внутреннего бака и в процессе выработки подвесного топливного бака отслеживают, чтобы показания топливомера находились в этом определенном диапазоне (т.е. отличались от зафиксированных не более чем на определенную величину). Это позволяет своевременно обнаружить нештатную ситуацию.
Определение факта наступления базового события, фиксирование и отслеживание показаний расходомера, формирование сигнала о достижении заданного остатка топлива в подвесном топливном баке осуществляют с помощью вычислителя.
Этот сигнал тут же отражают средствами индикации, чтобы летчик мог принять решение о возможности или невозможности снятия ограничений, обусловленных наполненностью ПТБ.
Пример 1: Реализация определения достижения заданного остатка топлива в ПТБ (5) и (6) в случае топливной системы самолета, принципиальная схема которой показана на фиг.1. Базовое событие - начало выработки ПТБ (5) для бака (5), начало выработки ПТБ (6) для бака (6).
В состав топливной системы входят:
- внутренние баки (1), (3), (4);
- устанавливаемые под крылом подвесные баки (КПБ) (5);
- подфюзеляжный подвесной бак (ФПБ) (6);
- трубопровод (2), по которому топливо из (5) или (6) перекачивается в бак (1);
- управляемые клапаны (запорные устройства) (7) и (8), открывающиеся при начале выработки топлива из ПТБ, согласно порядку выработки топлива;
- датчики уровня (СИУ) (9) внутреннего бака (4), которые срабатывают по достижении уровня I, открывая выход топливу из бака (4);
- датчики уровня (СИУ) (10), (11), которые срабатывают, открывая выход из трубопровода (2) в бак (1) по достижении соответствующего уровня II или III;
- датчик-сигнализатор (12), выдающий сигнал «бак (4) пуст»;
- насосы (13), перекачивающие топливо из бака в бак или подкачивающие его двигателю;
- датчики топливомера(14);
- датчик расходомера (15);
- обратный клапан (16), препятствующий перетеканию топлива из бака (1) в ПТБ.
Установка СИУ (9), (10), (11) в одном баке (1) на определенных уровнях обеспечивает заданную очередность выработки топлива в соответствии с требованиями центровки.
5
6
Перед полетом для каждого из ПТБ (5) и (6) вычисляют (как разность между начальным запасом топлива в ПТБ и заданным остатком топлива в ПТБ) количество топлива Q и О соответственно, которое должно быть израсходовано (т.е. пройти через датчик расходомера (15)) от соответствующего базового события до достижения заданного остатка топлива в ПТБ (5) и (6).
При полете самолета топливо вырабатывают в следующем порядке:
0
1. Сначала вырабатывается бак (1) до уровня установки СИУ (9) - (уровень I). При этом из бака (1) вырабатывается известное кол-во топлива ΔQ. Начинается выработка топлива из бака (4). В процессе расхода топлива на двигатель уровень топлива в баке (1) поддерживается в некотором диапазоне возле СИУ (9) до опорожнения бака (4), затем выдается сигнал от датчика-сигнализатора (12) о том, что бак (4) пуст.
1
5
2. Затем вновь идет подработка бака (1) до уровня установки СИУ (10) (уровень II) - датчика управления выработкой из бака (5). При этом в баке (1) вырабатывается известное кол-во топлива ΔQ. Достижение уровня II является началом выработки бака (5), и с этого момента идет выработка топлива только из бака (5). Фиксируют показание расходомера в этот момент, после чего следят за показанием расходомера до тех пор, пока оно не увеличится на величину Q. Когда это значение показаний расходомера будет достигнуто, формируют сигнал о достижении заданного остатка топлива в ПТБ (5). Появление этого сигнала отображают средствами индикации, чтобы летчик мог принять необходимое решение. Несмотря на появление сигнала о достижении заданного остатка, продолжают выработку бака (5).
Дополнительно в момент начала выработки бака (5) фиксируют показания датчиков (14) топливомера бака (1), в процессе выработки ПТБ (5) отслеживают, чтобы показания датчика топливомера (14) бака (1) находились в определенном диапазоне. Если они выходят за этот диапазон до появления сигнала о том, что бак (5) пуст, делают вывод о сбое в процессе выработки бака (5).
2
6
3. После выработки бака (5) вырабатывают из бака (1) количество топлива ΔQ. В этот момент начинается выработка бака (6). Фиксируют показание расходомера в этот момент и следят за показанием расходомера до тех пор, пока оно не увеличится на величину Q. Когда это значение показаний расходомера будет достигнуто, формируют сигнал о достижении заданного остатка топлива в ПТБ (6) и его появление отображают средствами индикации. Продолжают выработку бака (6).
4. Далее вырабатывается полностью бак (1) и бак (3).
Пример 2: Реализация определения достижения заданного остатка топлива в ПТБ (5) в случае той же топливной системы. Базовое событие для ПТБ (5) - окончание выработки бака (4).
5
1
Для целей снятия ограничений по режимам полета допустимо принять в качестве базового события момент прохождения сигнала «бак (4) пуст». Тогда количество топлива, которое должно быть израсходовано (т.е. пройти через датчик расходомера (15)) до достижения заданного остатка топлива в ПТБ (5), равно Q (вычисленное как разность между начальным запасом топлива в ПТБ (5) и заданным остатком топлива в ПТБ (5)) плюс запас в баке (1) между уровнями I и II (ΔQ).
Тогда выполняют следующие действия:
0
5
1
- при возникновении базового сигнала «бак (4) пуст» с помощью вычислителя фиксируют показания расходомера P, после чего следят за показанием расходомера до тех пор, пока оно не увеличится на величину (Q+ΔQ),
- когда это значение показаний расходомера будет достигнуто, формируют сигнал о достижении заданного остатка топлива в ПТБ (5). Появление этого сигнала отображают средствами индикации и продолжают выработку бака (5).
В простейшем случае темп расхода из бака (4) обеспечивает пополнение бака (1) на всех режимах работы двигателя на всех этапах профиля полета. Если же не обеспечивает, то одновременно с перекачкой из бака (4) опускается уровень топлива в баке (1) и по достижении уровня II «недостающее» топливо добавляется из ПТБ (5), т.е. когда начнется выработка топлива из ПТБ (5). После опустошения бака (4) в ПТБ (5) топлива будет меньше. Эта ошибка в определении количества топлива в ПТБ (5) сохранится и далее, но в целях снятия ограничений на возможности полета с ПТБ это допустимо по следующим причинам:
- уменьшение остатка улучшает условие для снятия ограничений;
- «ошибка» по массе незначительна, так как время работы на режиме повышенного расхода невелико - несколько десятков секунд.
Базовое событие для выработки последующего ПТБ (6) может быть выбрано независимо от выбора базового события для ПТБ (5).
2
Частота опроса параметров выбирается в зависимости от величины расхода топлива на двигатель g и количества топлива ΔQ, вырабатываемого из бака (1) от момента начала выработки ПТБ (5) до момента начала выработки следующего бака, но решающего решения не имеет.
Таким образом, вышеизложенное показывает, что получение сигнала о достижении заданного остатка топлива в подвесном топливном баке в процессе его выработки можно реализовать имеющимися на борту самолета средствами. Задача сводится к нахождению алгоритма выдачи сигнала о достижении заданного остатка в ПТБ - определение начала отсчета (базового события), определение расходов из внутренних баков и ПТБ, постоянный контроль запаса топлива и его сравнение с последующими показаниями. Нет необходимости вводить дополнительные датчики и агрегаты в систему, задачу можно решить, введя новую программу в вычислитель самолета.