CN106275465A - 连续燃料箱液位控制 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了连续燃料箱液位控制。一种飞机燃料分配方法包括：选择纵向重心；以及预测所述纵向重心在飞行期间的变化速率。燃料位于所述飞机的垂直尾翼的垂直尾翼箱中，并以预定输送速率从所述垂直尾翼箱向前输送以抵消所预测的变化速率，由此维持所选择的重心。一种飞机燃料分配系统包括：中心主燃料箱；垂直尾翼箱；以及垂直尾翼燃料泵，其在所述垂直尾翼箱与所述中心主燃料箱之间泵送燃料。电子控制器操作所述垂直尾翼燃料泵，以使得燃料以预定输送速率在所述垂直尾翼箱与所述中心主燃料箱之间流动，以便自动维持所述飞机的纵向重心的最佳位置。
Description
技术领域
本文所公开的主题涉及飞机。更具体地，本公开涉及从飞机燃料箱以及在飞机燃料箱之间的燃料流动的管理。
背景技术
燃料成本对于诸如航空公司的飞机运营商来说是一大笔经营费用，因此运营商不断地努力减少这些成本。一种可能减少飞机燃料消耗的方法是管理飞机在长途飞行期间的纵向轴线(即，“俯仰”轴线)重心(CG)。
已知的是，在巡航飞行状态中，沿飞机的纵向轴线稍微向后定位飞机CG可减小飞机的阻力，由此减少燃料消耗。在将纵向CG稍微向后定位的情况下，水平尾翼升力所造成的负面影响减小，从而导致由于受减弱水平尾翼升力影响的减小的力矩臂而使飞机迎角(OAA)总体减小。较低OAA减小飞机寄生阻力，由此节省燃料。沿飞机的偏航和俯仰轴线对飞机CG的控制还通过在飞机的各种燃料箱之间进行正确燃料输送来实现。然而，飞机的俯仰轴线CG对飞机的OAA具有最大的影响。
在计算在巡航飞行期间的期望纵向CG时考虑到了许多因素，诸如乘客和机组人员的数量和分布，以及物品(诸如货物、食物、饮用水等)的重量和机载位置。所有这些物品重量连同飞机的无燃料重量或“干”重一起限定飞机的零燃料重量(ZFW)。添加飞行所需机载燃料(FOB)使飞机达到其最大起飞重量(MTOW)。虽然飞机的ZFW重量在整个飞行期间维持相对恒定，但是随着燃料被发动机消耗，MTOW不断减少，因此使得飞机的纵向CG是动态的。燃料使用通常导致纵向CG进一步向后移动到不期望的位置。
参考图1，典型长途飞机200在中心主箱202(通常是飞机200最大的箱)中承载它们的FOB。燃料还承载于机翼箱(诸如机翼箱204、206、208)中，并且通过位于燃料箱中的收集器单元214流出，所述收集器单元214直接将燃料供应给发动机。在这个实施方案中，总共有四(4)个发动机(即，每个机翼有两(2)个发动机，如图2所示)。在一些飞机中，附加燃料可承载于水平尾翼箱210和/或垂直尾翼箱212中。通常首先从中心主箱202、接着从机翼箱204、206、208(从内部机翼箱204开始)消耗燃料。在外部机翼箱208中的燃料通常最后消耗，因为在那些箱中的燃料的重量抵消作用于机翼端部的增大翼升力，因此减小巡航飞行状态期间机翼端部上的结构应力。飞机机翼端部中的燃料缓冲箱216用于允许任何燃料体积变化/从外部机翼箱208溢出。这种燃料体积变化可导致(但不限于)燃料温度和压力的变化、周围空气温度和压力的变化、飞机飞行姿态(即，转弯期间倾斜、起飞/着陆期间上仰/下倾、由于湍流引起的振动等)变化等。
随着燃料消耗，燃料通常在中心主箱202与机翼箱204、406、208之间输送以维持飞机200的横向配平或平衡。此外，燃料在中心主箱202与水平尾翼箱210之间来回输送以影响飞机200的CG。将燃料向前输送到中心主箱202使CG向前移动，而将燃料向后输送到水平尾翼箱210使CG向后移动。这种燃料输送通常由飞行机组人员(通常是专门执行燃料输送的人)手动执行。当CG由于燃料消耗而在飞行期间移动时，飞行机组人员打开泵以输送燃料，然后在CG移动到期望位置时关闭泵。这个过程会在整个飞行期间周期性地重复，从而导致在整个飞行期间，CG相对于飞机的平均空气动力弦(MAC)不精确地逐步变化。
发明内容
在一个实施方案中，一种飞机中的燃料分配的方法包括：选择飞机的期望纵向重心；以及确定重心位置在飞机飞行操作期间的预期变化速率。一定体积燃料位于飞机的垂直尾翼的垂直尾翼箱中，并且燃料沿飞机的纵向轴线以预定输送速率从垂直尾翼箱向前输送以抵消重心位置的预期变化速率，由此将重心维持在所选择的位置。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，将燃料从设置在飞机的水平尾翼的一个或多个水平尾翼箱输送到垂直尾翼箱，并且沿纵向轴线以预定速率将燃料从垂直尾翼箱向前输送。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，沿飞机的纵向轴线将燃料向前输送到飞机的中心主燃料箱。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，将燃料从中心主燃料箱泵送到飞机的一个或多个发动机。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预定输送速率是基于飞机的预期燃料消耗速率。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预期燃料消耗速率通过飞机燃料量指示系统中的传感器确定。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预期燃料消耗速率是基于所规划的飞行航线的预定燃料消耗速率。
在另一实施方案中，一种用于飞机的内部燃料分配系统包括：中心主燃料箱；其位于飞机机身处；垂直尾翼燃料箱，其位于飞机的垂直尾翼处；以及垂直尾翼燃料泵，其沿飞机的纵向轴线在垂直尾翼燃料箱与中心主燃料箱之间泵送燃料。控制器可操作地连接到垂直尾翼燃料泵以控制垂直尾翼燃料泵的操作，以使得燃料以预定输送速率在垂直尾翼燃料箱与中心主燃料箱之间流动，以便维持飞机的纵向重心的选择位置。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，两个或更多个水平尾翼燃料箱定位在飞机的一个或多个水平尾翼处、与垂直尾翼燃料箱选择性地流体连通。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，三通阀可操作地将两个或更多个水平尾翼燃料箱和垂直尾翼燃料箱连接，以便控制水平尾翼燃料箱与垂直尾翼燃料箱之间的燃料流动。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，垂直尾翼燃料泵定位在垂直尾翼燃料箱处，以便在水平尾翼燃料箱与垂直尾翼燃料箱之间来泵送燃料流。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，垂直尾翼燃料泵被配置成沿飞机的纵向轴线将燃料从垂直尾翼燃料箱向前泵送到中心主燃料箱。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预定输送速率是基于飞机的预期燃料消耗速率。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预期燃料消耗速率通过飞机燃料量指示系统中的传感器确定。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，预期燃料消耗速率是基于所规划的飞行航线的预定燃料消耗速率。
在另一实施方案中，一种飞机包括：机身，其沿飞机的纵向轴线延伸；两个机翼，所述两个机翼从机身横向延伸；尾翼，其从机身的尾部部分基本上垂直地延伸；一个或多个发动机，所述一个或多个发动机可操作地连接到飞机以提供对飞机的推力；以及燃料分配系统，其将燃料提供到一个或多个发动机。所述燃料分配系统包括位于机身处的中心主燃料箱、位于垂直尾翼处的尾翼燃料箱、以及沿飞机的纵向轴线在垂直尾翼燃料箱与中心主燃料箱之间泵送燃料的垂直尾翼燃料泵。电子控制器可操作地连接到垂直尾翼燃料泵，以便自动控制对垂直尾翼燃料泵的操作，以使得燃料以预定输送速率在垂直尾翼燃料箱与中心主燃料箱之间流动，由此维持飞机的纵向重心的所选择的最佳位置。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，两个或更多个水平尾翼燃料箱定位在飞机的一个或多个水平尾翼处、与垂直尾翼燃料箱选择性地流体连通。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，三通阀可操作地将两个或更多个水平尾翼燃料箱和垂直尾翼燃料箱连接，以便控制水平尾翼燃料箱与垂直尾翼燃料箱之间的燃料流动。
可替代地或另外地，在这个或其他实施方案中，垂直尾翼燃料泵定位在垂直尾翼燃料箱处，以便在水平尾翼燃料箱与垂直尾翼燃料箱之间来泵送燃料流。
附图说明
本公开的主题在本说明书结论部分中特别指出并清楚地要求保护。结合附图，阅读以下详细描述，本公开的上述和其他特征及优点是显而易见的，在附图中：
图1是用于飞机的典型现有技术燃料分配系统的示意图；
图2是飞机的实施方案的平面图；
图3是飞机的实施方案的尾部部分的正视图；
图4是飞机的另一实施方案的平面图；以及
图5是用于飞机的燃料分配系统的实施方案的示意图。
详细描述
图2示出的是飞机10的实施方案的平面图。飞机10包括从飞机10的头部14轴向延伸到尾部16的机身12，以及从机身12横向延伸的机翼18。飞机10还包括尾部部分，所述尾部部分包括横向延伸的水平尾翼20，以及垂直延伸的垂直尾翼22，这在图3的侧视图中示出。如图3所示，垂直尾翼箱36可占据垂直尾翼22内部的任意空间，只要所述垂直尾翼箱36不干扰任何内部垂直尾翼结构。此类结构可以是移动的(例如，方向舵、平衡翼等)或固定的(例如，结构支撑翼梁、棱条等)。
再次参考图2，飞机10利用发动机24提供推力，所述发动机24被供应有来自由飞机10机载的多个燃料箱的燃料。燃料箱包括中心主箱26、多个机翼箱28、30、32、位于机翼端部82处的缓冲燃料箱80、水平尾翼箱34和垂直尾翼箱36。应当了解，所示燃料箱的布置仅是一种构造，并且本领域的技术人员将认识到，也设想了本公开的范围内的其他布置，诸如不同数量和几何形状的机翼箱或中心主箱或水平尾翼箱或垂直尾翼箱。
维持飞机10的重心(CG)38在所选择的范围(在40处用虚线示意性地示出)内期望减小水平尾翼20的寄生阻力，所述寄生阻力有助于减少飞机的燃料消耗。然而，超过后方CG限制42可能危害飞机10的轴线(即，“俯仰”轴线)平衡，从而致使操作不稳定。
在飞行期间，最初从中心主箱26，然后从机翼箱28、30、32消耗燃料。随着从中心主箱26消耗燃料，轴向CG 38慢慢向后偏移。为了补偿从中心主箱26消耗的燃料，燃料以预定速率从垂直尾翼箱36输送，由闭合环路78自动化电子控制器70控制(两者都在图5中示出)。可针对飞行和/或其他因素利用计划好的燃料消耗速率来设置所述速率，所述因素可包括(但不限于)：飞行路径前进方向校正(即，由于在通往最终目的地的途中的周围大气天气变化)、季节性逆风/顺风/横风、意外飞行路径变更(即，由于在通往最终目的地的途中的临时停止、碰撞、鸟类撞击、恐怖活动等)、由于机上医疗紧急情况飞行路径变更/着陆、补充的待机燃料(即，在最终目的地附近的备用机场上方“循环”直到发现着陆点)、ETOPS规则(飞机是否利用两个发动机飞过海洋)、燃料加油机(即，以较低的燃料价格从机场运载附加燃料)等。例如，所述速率可直接由飞机燃料量指示系统中的传感器确定，或它可以是基于所规划的飞行航线的预定燃料消耗速率，或它可来源于飞行软件中的周期性“检查点”，所述“检查点”将预期/计划燃料消耗速率与实际燃料消耗速率比较。
将燃料以这种预定速率从垂直尾翼箱36输送防止CG 38移动超过后方CG限制42。参考图4，如果一旦垂直尾翼箱36中的燃料用尽，那么需要输送附加燃料以防止CG 38(图2中示出)移动超过后方CG限制42(图2中示出)，可将燃料从水平尾翼箱34输送到垂直尾翼箱36，并且随后向前输送到中心主箱26。此外，由于仅将燃料从垂直尾翼箱36输送到中心主箱26，因此预期飞机10的横向(即，“侧倾”轴线)稳定性不变化。
由于不太可能需要将燃料从中心主箱26向后输送到垂直尾翼箱36，因此可大大地简化燃料输送系统。所述系统利用重量检测和预算算法，所述预算算法仅需要监测飞机的纵向CG位置。此外，存在于垂直尾翼箱36中的附加燃料允许CG 38(图2中示出)被定位成更靠近于最佳后方位置，而不超过后方CG限制42(图2中示出)，即使在飞行开始时也是如此，因此当飞机10处于最大MTOW时，减少在飞行期间从垂直尾翼箱36输送到中心主箱26的燃料。
在图5中示出燃料分配和输送系统50的实施方案的示意图。所述示意图示出了中心主燃料箱26、机翼箱28、30、32、水平尾翼箱34和垂直尾翼箱36。纵向燃料输送线路52将垂直尾翼箱36和中心主燃料箱26连接，而横向燃料输送线路54将机翼箱28、30、32连接到中心主燃料箱26，并且发动机燃料供应线路56将燃料从中心主燃料箱26分配到发动机24(图2中示出)。垂直尾翼燃料泵58位于垂直尾翼箱36处，以便沿纵向燃料输送线路52在垂直尾翼箱36与中心主燃料箱26之间泵送燃料。在垂直尾翼燃料泵58出现故障的情况下，来自垂直尾翼箱36的燃料可因正常飞行姿态期间的引力作用而排出。随后，水平尾翼燃料泵60就可进一步将燃料沿纵向燃料输送线路52从垂直尾翼箱36泵送到中心主燃料箱26。水平尾翼燃料泵60位于每个水平尾翼箱34处，以便将燃料从水平尾翼箱34泵送到垂直尾翼箱36，并且随后在需要时，通过纵向燃料输送线路52泵送到中心主箱26。这种燃料流动是沿水平尾翼燃料输送线路62和沿纵向燃料输送线路52进行。在沿燃料输送线路62的横向方向上、在水平尾翼箱34之间的无限制的燃料输送通过致动水平尾翼燃料泵60实现和调节。
水平尾翼燃料输送线路62通过三通阀64来连接到纵向燃料输送线路52，所述三通阀64允许燃料从水平尾翼燃料线路62中的一个或另一个流入垂直尾翼箱36，并且还可利用来使燃料在水平尾翼箱34之间流动以维持水平尾翼20处的横向(“侧倾”轴线)平衡。还在水平尾翼箱34与垂直尾翼箱36之间(例如，三通燃料阀64与垂直尾翼燃料泵58之间)设有燃料截流阀66，以便控制水平尾翼箱34与垂直尾翼箱36之间的燃料流动。当期望或需要燃料从水平尾翼箱34流动到垂直尾翼箱36时，打开燃料截流阀66。在其他情况下，燃料截流阀66保持关闭。此外，三通燃料阀64以比例相同的燃料量从每个水平尾翼燃料箱34流动。因此，消除由于燃料重量从(比如说)端口(即，ALF(从后向前看)位置的“左边”)水平尾翼燃料箱34转移到右舷(即，ALF位置的“右边”)水平尾翼箱34而造成的任何潜在横向不稳定性。
中心主箱26包括主燃料泵68，所述主燃料泵68将燃料从中心主箱26通过发动机燃料供应线路56泵送到发动机24(图2中示出)。主燃料三通阀72位于中心主箱26处并将纵向燃料输送线路52连接到发动机燃料供应线路56并连接到中心主箱26。主燃料三通阀72允许将燃料选择性地从纵向燃料输送线路52和/或中心主箱26引向发动机燃料供应线路56。主燃料止回阀74和主燃料截流阀76沿主燃料泵68与主燃料三通阀72之间的燃料路径定位，以便控制中心主箱26与主燃料三通阀72之间的燃料流动。
本文描述的系统和方法提供用于在飞机上控制燃料流动的简单、精确可靠且质轻、成本有效的解决方案。管理燃料输送，以使得飞机纵向(“俯仰”轴线)CG维持在所选择的范围内来提供所选择的最佳OAA，由此减少飞机燃料消耗。此外，当通过现有实践实施时，所描述的系统并不抑制现有地面燃料加注(或燃料卸出)。
虽然仅结合有限数量的实施方案对本公开进行详细描述，但应易于理解，本公开不限于这些公开的实施方案。相反，可对本公开进行修改以并入之前未描述但与本发明的精神和/或范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，尽管已描述了各种实施方案，但应理解，本公开的各个方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为限于先前描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。
Claims (15)
1.一种飞机中的燃料分配的方法，其包括：
选择飞机的期望纵向重心；
确定所述重心位置在所述飞机飞行操作期间的预测变化速率；
在所述飞机的垂直尾翼的垂直尾翼箱中设置一定体积燃料；以及
沿所述飞机的纵向轴线以预定输送速率将所述燃料从所述垂直尾翼箱向前输送以抵消所述重心位置的所述预测变化速率，由此将所述重心维持在所选择的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将燃料从设置在所述飞机的水平尾翼处的一个或多个水平尾翼箱输送到所述垂直尾翼箱；并且
沿所述纵向轴线以所述预定速率将所述燃料从所述垂直尾翼箱向前输送。
3.如权利要求1或2所述的方法，其进一步包括沿所述飞机的纵向轴线将所述燃料向前输送到所述飞机的中心主燃料箱。
4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括将所述燃料从所述中心主燃料箱泵送到所述飞机的一个或多个发动机。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述预定输送速率是基于所述飞机的发动机的预期燃料消耗速率。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述预期燃料消耗速率通过飞机燃料量指示系统中的传感器确定。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述预期燃料消耗速率是基于所规划的飞行航线的预定燃料消耗速率。
8.一种用于飞机的内部燃料分配系统，其包括：
中心主燃料箱，其设置在飞机机身处；
垂直尾翼燃料箱，其设置在所述飞机的垂直尾翼处；
垂直尾翼燃料泵，其沿所述飞机的纵向轴线在所述垂直尾翼燃料箱与所述中心主燃料箱之间泵送燃料；以及
控制器，其可操作地连接到所述垂直尾翼燃料泵以控制所述垂直尾翼燃料泵的操作，以使得燃料以预定输送速率在所述垂直尾翼燃料箱与所述中心主燃料箱之间流动，以便维持所述飞机的纵向重心的选择位置。
9.如权利要求8所述的系统，其进一步包括两个或更多个水平尾翼燃料箱，所述水平尾翼燃料箱设置在所述飞机的一个或多个水平尾翼处、与所述垂直尾翼燃料箱选择性地流体连通。
10.如权利要求9所述的系统，其进一步包括三通阀，所述三通阀将所述两个或更多个水平尾翼燃料箱和所述垂直尾翼燃料箱可操作地连接，以便控制所述水平尾翼燃料箱与所述垂直尾翼燃料箱之间的燃料流动。
11.如权利要求9或10所述的系统，其进一步包括水平尾翼燃料泵，所述水平尾翼燃料泵设置在水平尾翼燃料箱处，以便在所述水平尾翼燃料箱与所述垂直尾翼燃料箱之间来泵送燃料流。
12.如权利要求8至11中任一项所述的系统，其中所述垂直尾翼燃料泵被配置成沿所述飞机的所述纵向轴线将燃料从所述垂直尾翼燃料箱向前泵送到所述中心主燃料箱。
13.如权利要求8至12中任一项所述的系统，其中所述预定输送速率是基于所述飞机的发动机的预期燃料消耗速率。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述预期燃料消耗速率通过飞机燃料量指示系统中的传感器确定。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述预期燃料消耗速率是基于所规划的飞行航线的预定燃料消耗速率。
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