[科普中国]-大气数据处理计算机

简介

大气数据计算机是一种多输入多输出的机载综合设备。它靠传感器得到如静压、总压、总温等参数，再把这些参数通过输入接口传递到相应的测试转化设备上去，最后得出飞机的当前飞行数据和外部飞行环境的各项参数和数据。

它和以往单一仪器测试单一数据相比，较少了仪器设备的数量，也节约了机载空间；在数据的精确度和辨识度上，也由于更合理的运算和误差处理模式得到了提升。1

大气数据计算机的组成大气数据计算机主要由四大部分组成：

数据传感器，收集各重要参数，其中总温，总压与静压是最主要参数；

分析数据的计算机，进行计算并分析纠正误差；

显示和输出装置，将相应的信息传送到各系统设备中；

自检和故障监控系统，按照设定的标准自行检查，判定是否有故障发生。1

基本工作过程首先，通过传感器获得压力与温度方面的基本参数(最重要的参数：总温，总压和静压)并把它们转化为脉冲信号，然后通过转化器，把脉冲信号转化为中央处理器(CPU)可以识别的数字信号，再通过设定的计算公式算出其他需要的大气参数数据，最后通过输出接口显示出来。1

主要输出参数在飞机飞行过程中，有大气数据计算机输出的一些主要的参数：

飞行高度：气压在校正后得出飞机的垂直距离。

总温：气流绝热滞止到速度为零时的温度。

全压：平行于气流方向和正对气流方向时，测得的压力。该数据是可以通过设置的传感器直接测出获得的。

静压：由于空气的不规则运动撞击产生的压力。

动压：全压与静压之差。

攻角：来流速度与翼弦之间的夹角。1

发展简史大气数据计算机的发展一直紧随航空技术的发展而发展，在其发展过程中，一共经历了高度控制型、气压计算机型、简单机电式、中等复杂的机电式、高级复杂的机电式、数字/模拟混合型，以及目前广泛应用于现代化飞行器的数字式大气数据计算机。

最早的飞机是在没有任何飞行仪表的情况下飞行的，驾驶员只能依赖于他的视觉、感觉和听觉给出相对地面的高度和速度等大气参数。因此，这种飞行只限于在良好的气候条件下进行的，试图在恶劣天气下飞行维修会发生飞行事故。

随着航空技术的发展，航空专家们越来越多的认识到必须设计一种能够在能见度差的条件下操纵飞机的系统，即飞行状态仪表。大气数据仪表系统即是表征飞行状态仪表的一部分。

随着气动仪表的高速发展，从而导致了气动传感器的出现，促进了大气数据算机的产生及发展。

在20世纪40年代和50年代，许多高空、高速飞机相继出现。随着飞行性能的要求的提高，自动驾驶仪和飞机增稳系统也相继装备在飞机上。而每一种新的要求，都会导致一种新的大气数据传感器的出现。但是由于一个分立式传感器只能输出一个信号，因此当需要大量大气数据信号时，就不能不重复使用大量的传感器。这样，不仅增加了设备的重量和体积，而且会产生动压、静压系统的状态误差以及静压源误差，从而引起自动驾驶仪的稳定性变差，不适应高速飞机的要求。

针对上述问题，科学家们设计出了第一代的大气数据计算机。其基本思想就是将原先的大量的分立式数据传感器综合为两个基本的传感器，即静压传感器及全压传感器。然后，利用先进的闭环伺服回路技术，把经过高度、空速、马赫数等函数解算后的结果输送到自动驾驶仪及真空需要大气数据信息的飞行系统中。这种综合式的设备就是中央大气数据计算机(CADC ) 。

这种电气机械式(即模拟式)CADC与原先的分立式传感器相比，在结构上有了很大改进，整体重量减少了50%，大大减少了管路的复杂性，全压、静压系统表壳的总容量明显减少，从而使气动时间常数大大减少，自动驾驶仪的稳定性得到了很大的提高。因此，这种电气机械式中央大气数据计算机一直持续应用到20世纪60年代。

随着航空技术的发展，飞机的性能要求越来越高，需要越来越多的大气数据函数，这就使得中央大气数据计算机变得越来越复杂。其输出参数包括：高度、指示高速、马赫数、真空速、大气总温和静温，当量空速、空气密度以及各种函数。一般来说，每增加一个大气数据函数，大气数据计算机就需要有一套新的伺服系统和一个函数解算装置，而且每个函数又派生出许多不同形式的输出。所以，中央数据计算机(CADC)实际上是一种非常复杂的模拟计算机。

系统的复杂性使功率损耗和重量增加，体积较大及平均故障间隔时间缩短。因此，可靠性又成为一个严重的问题。随着大规模集成电路和运算放大器的出现，使固态模拟式大气数据计算机的设计产生成为可能，而随着数字式计算机的微型化，固态模拟式大气数据计算迅速地向混合式大气数据计算机(HADC)的方向发展。

到了20世纪70年代，HADC使用微处理机作为具有模拟和数字输入/输出的中央处理器。与前所讲的机电式模拟式大气数据计算机相比，其体在体积上和重量上均有所减少，大约为1/2。因而，延长了平均故障间隔时间，使可靠性大大提高。

根据20世纪80年代飞机发展的需要，美国又设计出了数字式大气数据计算机(DADC)。DADC应用微处理机和半导体存储器的技术，由程序直接完成大气数据的计算。它具有处理模拟、离散和数字输入的能力，并能提供离散和数字输出。随着计算机科学技术的迅速发展，可以预见，DADC的计算机功能和监控功能等方面将会更加完善，它的体积、重量和功率损耗将会进步减少，价格将会进一步降低。

当前，航空技术向着更高的集成方向发展，即向“大系统”方向过渡。所谓“大系统”就是飞机上装备一台中心计算机，由它对飞机上所有电子设备进行系统监控、故障诊断和操作整理。每个系统与中心计算机之间由总线连接起来，而实际上大气数据计算机就是其中的一个独立的子系统。而随着计算机速度的提高，内存容量的扩大，子系统的计算任务可以由中心计算机来承担，大气数据传感器输出的信息方可直接传送到中心计算机的数据采集系统。这样，既减少了系统的计算机数量，而且使用和维护更加简单、成本降低。这将是大气数据计算机发展的方向。2