特种飞机无线电高度表系统设计

飞机的飞行高度是飞机导航系统的一项关键参数, 通常由大气数据系统的静压受感器测量气压高度, 给出相对于海平面的绝对高度, 或者相对于机场的相对高度。但许多情况下, 飞机需要距离地面 (或水面) 的真实高度, 这时气压高度不能满足要求, 需要使用无线电高度表进行测量。

一、特种飞机对无线电高度的需求

无线电高度表可以测量飞机相对于地面 (或水面) 的真实高度, 精度较高 (0.6m或2%H取大者) , 响应迅速。其测量飞机相对于跑道的高度, 为飞机的离场高度或决断高度 (DH) 提供高度参考, 保障飞机安全起飞和着陆。

某特种飞机通常需要到地形复杂的森林上空或陌生的水域 (海域) 执行森林灭火或水上救援任务, 要完成在森林上空距树梢30~50m高度上投水灭火、或在水面上空50~100m高度抛投救援物资、到水面汲水、下降着水等飞行动作。在树梢上空投水和水面上空抛投物资时, 飞机高度低, 需要精度高、响应迅速的真实高度来保障飞行安全和抛投精度;而在汲水、着水时, 飞机对高度信息的精度和响应速度要求更高。这些地方需要使用无线电高度表实时测量真实高度。

二、无线电高度表的原理

无线电高度表由收发机、发射天线、接收天线、指示器 (或由EFIS系统显示) 组成, 通常工作于4200MHz~4400MHz的频率上。发射天线发射的电磁波经地面 (或水面) 反射回来后被接收天线接收, 测量发射与接收的时间差即可确定飞机的真实高度。

无线电高度表的技术体制包括调频连续波等幅式、调频连续波恒差拍频、脉冲调制式3种, 由此分为等幅式无线电高度表、恒差拍频式无线电高度表、脉冲式无线电高度表。等幅式和恒差拍频式无线电高度表属于低高度无线电高度表, 测量范围一般为0~800m或0~1500m;脉冲式无线电高度表是大高度无线电高度表, 最大高度可以达到万米之上, 但是最低可测高度约为数米高, 精度略低于调频式无线电高度表。

三、某型飞机无线电高度表系统组成

某型飞机是大型运输类飞机, 按适航规章25部设计, 其中25.1333要求主驾驶工作系统独立, 且设备故障时无需增加动作仍能保留一组关键导航信息指示。因此采用主、副驾驶分别使用独立导航源的构型, 配备2套独立的无线电高度表。

如前所述, 某型飞机常常需要在低飞行高度上 (30~50m) 执行森林灭火/水上救援等任务, 且要下降到水面汲水或着水, 对高度测量的精度、最低可测高度、响应速度等提出了严格的要求, 但不要求大高度的无线电高度测量, 因此选择技术先进、测量精度和范围合适的恒差拍频式无线电高度表, 而非脉冲式无线电高度表。

适合的无线电高度表有国内782厂的WG-7Z和美国科林斯公司的ALT-4000。这两款无线电高度表技术体制和构型相同, 测量精度和范围相似, 且都取得了适航证, 并大量装机应用, 但ALT-4000不具备的海面杂波抑制能力, 难以有效减小飞机执行海上救援任务时高度测量的干扰, 因此选定782厂的WG-7Z。

WG-7Z型无线电高度表由收发机、发射天线与接收天线构成, 系统主要技术指标如下, 测高范围:0~1500m;姿态范围:俯仰角:-35°~+35°, 滚转角:-35°~+35°;测高精度:0~800m:±0.66m或±2%H, 800~1500m:±3%H。

WG-7Z型无线电高度表不配备指示器, 测量的高度以及自检结果等信息通过429总线送至飞机电子飞行仪表系统 (EFIS) 的正副驾驶位的显示器上。

WG-7Z通过429总线为EGPWS系统提供无线电高度信息, 以便EGPWS系统对低空时的危险状态进行告警。两套WG-7Z均正常时, EGPWS系统使用第1套的数据;若出现故障, EGPWS系统根据其自检信息选择正常工作的那套无线电高度表。

WG-7Z通过429总线为TCAS系统提供无线电高度信息, 以便TCAS系统在低空时准确监控空中交通状况。TCAS系统对两套WG-7Z的状态判别与数据使用与EGPWS系统相同。

飞机还装备自动驾驶系统 (AP) , WG-7Z通过429总线为AP系统提供无线电高度信息, 以便AP系统在起飞离场、进近着陆等低空飞行时有足够精确度和响应速度的高度信息对飞机进行制导和控制。AP系统对两套WG-7Z的状态判别与数据使用与EGPWS系统相同。

此外, WG-7Z通过429总线将无线电高度以及自检信息送入飞行数据记录系统进行记录, 以便于在试飞测试、地面维护、飞行训练中对无线电高度表系统的数据进行分析。

四、某型无线电高度表的天线布局

无线电高度表系统测量的无线电高度实际上是电磁波在发射天线、反射点、接收天线之间的传播距离, 因此发射天线和接收天线的安装位置对于准确、高效测量飞机高度非常重要。

民机上无线电高度表的天线一般要求安装在主轮轴线上或附近与主轮轴线平行的位置线上, 以准确反映起落架相对于地面的高度。波音空客的大客机上, 无线电高度表天线基本都安装在机腹上起落架附近。某型飞机因为运营模式及环境限制, 机腹上不能安装天线;机翼内侧有发动机螺旋桨和浮筒等部件的遮挡, 不适合安装无线电高度表天线;若将天线安装在机翼外侧, 由于远离飞机对称面, 当飞机姿态角较大时, 不能代表飞机的高度。经过与其它机载天线的布局协调和试验验证, 无线电高度表天线最终被布局到飞机平尾外侧下表面, 水平安装。平尾下表面为宽大的金属蒙皮, 可以作为天线的地平面保证天线的发射和接收效率。为减小线路损耗, 收发机也布置在平尾上, 同一套无线电高度表的收发机、发射天线和接收天线安装在平尾同一侧。

无线电高度表的天线工作在4200MHz~4400MHz频段, 水平极化, 期望的方向图是笔状的, 指向地面。接收天线接收的未经地面反射的直射波分量必须远小于地面反射回波能量, 因此发射天线和接收天线之间的隔离度必须满足产品技术规范要求的85d B, 等效为发射天线和接收天线的间距必须大于0.9m。在某EMC室外场, 利用左平尾局部1:1等效平板试验件测试无线电高度表发射天线和接收天线的隔离度。当发射天线和接收天线的间距为1m时, 隔离度低于85d B;当间距为1.5m时, 隔离度达到90d B左右, 满足要求。1.5m间距时, 隔离度试验数据如下表。

某型飞机的平尾到主轮轴线有约16m的高度差, 无线电高度表的天线布局在平尾下表面显然不能准确表示飞机的高度, 因此在设置无线电高度表的0高度时应减去这个高度差, 使指示的无线电高度代表飞机起落架到地面的距离。

天线的相对位置对于有效地发挥天线的性能, 精确测量高度也非常重要。无线电高度表的天线除了要求间距够大满足隔离度要求外, 还要求天线按H面耦合安装, 如下图所示;天线轴线应对齐, 位置偏差小于10mm, 角度偏差小于2度。

五、总结

某型飞机需要在低空高度上执行森林灭火/水上救援任务, 必需高精度, 快速响应的真实高度信息。根据飞机的使用需求和适航规章的要求, 为飞机配置两套无线电高度表系统, 通过ARINC429总线与EFIS等机载航电系统交联, 进行显示和各项告警。在大量分析和试验验证的基础上, 确定将天线布局在左、右平尾下表面, 并通过严格的安装设计, 保证无线电高度表系统充分发挥其性能, 高效、准确地测量飞机高度, 保障飞行安全。

摘要：无线电高度表是现代飞机普遍装备的一种关键导航设备, 主要有等幅调频连续波、恒差拍频调频连续波、脉冲调制三种技术体制。本文论述特种飞机无线电高度表系统的设计, 首先分析特型飞机对无线电高度信息的必然需求, 接着论述无线电高度表工作原理和分类, 然后以某型飞机为例详细介绍了无线电高度表系统的组成、选型和交联关系, 最后通过分析和试验确定天线布局, 并明确收发机和天线的安装要求, 确保无线电高度表系统正常工作, 保障飞行安全。

关键词：无线电高度表,恒差拍频,脉冲调制,天线布局