結(jié)冰對爬升性能的影響研究

吳仁民 王 睿

(中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040)

0 引言

飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，飛機迎風(fēng)部件表面結(jié)冰現(xiàn)象比較常見。結(jié)冰改變了飛機氣動外形，從而改變了氣動力，影響到了飛機的穩(wěn)定性與操縱性，如果不重視飛機結(jié)冰問題，就有可能會對飛行產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，甚至可能產(chǎn)生導(dǎo)致機毀人亡。

國外很早就注意到飛機結(jié)冰問題，對飛機結(jié)冰進行了大量的試驗研究和數(shù)值計算分析，形成了很多成熟的數(shù)值分析軟件和完備的冰風(fēng)洞試驗條件，國內(nèi)對飛機結(jié)冰的研究起步比較晚，且多數(shù)為對機翼等部件結(jié)冰機理的研究， 很少能定量地分析結(jié)冰對飛行性能的影響，綜上所述，很有必要進行結(jié)冰對飛機飛行性能的影響研究，為將來設(shè)計考慮結(jié)冰情況提供參考。

結(jié)冰并不改變飛機的運動數(shù)學(xué)模型。本文通過將飛機作為一個質(zhì)點進行受力分析，建立飛機運動的動力學(xué)方程。 結(jié)冰對飛機氣動數(shù)據(jù)的影響量，通過其他機型試驗的結(jié)果給出，在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計算的方法分析了結(jié)冰對飛機飛行性能的影響并給出了相應(yīng)結(jié)論。

1 計算公式及方法

1.1 動力學(xué)方程

飛行性能計算中，將飛機視為一個質(zhì)點，飛機在垂直平面內(nèi)無側(cè)滑時受力情況如圖1 所示， 按照航跡坐標(biāo)系建立飛行的運動方程，將力分解到沿速度方向和垂直于速度方向，利用牛頓第二定律可得出動力學(xué)方程如下：

式中：α 機身迎角；V 飛行速度；T 發(fā)動機可用推力；D 阻力；L 升力；φT推力作用線與機身軸線夾角；θ 航跡角；G 飛機重量；t 時間；g 重力加速度。

圖1 垂直平面內(nèi)無側(cè)滑飛行受力分析

1.2 最大爬升率爬升

根據(jù)爬升率定義可求的爬升率：

聯(lián)立（2）式、（3）式將 θ 消去化簡可得爬升率計算公式，見式（4）：

飛機以最大爬升率方式爬升時，θ 和V 變化較小， 可以近似認為dθ/dt=0，dV/dH=0。

2 算例

通常情況下，結(jié)冰導(dǎo)致飛機的氣動特性變差，從而影響到飛機的飛行性能。冰風(fēng)洞和飛行試驗的結(jié)果表明，大多數(shù)情況下，結(jié)冰后飛機的失速速度約增大5%～10%，全機的升力系數(shù)約減小5%～15%，阻力系數(shù)約增大15%～50%。

在本文給出的算例中， 假定升力系數(shù)減少10%， 阻力系數(shù)增大32.5%，可用推力下降5%。 計算結(jié)果見表1。

表1 飛行重量53.5 噸，爬升率

3 計算結(jié)果分析及討論

由于結(jié)冰導(dǎo)致剩余功率減少,使得飛機的爬升率、爬升角、爬升梯度都有所減小,且減小的比例與剩余功率減小的比例基本一致，由表1可見，爬升率減少量為30%～60%。

4 結(jié)論

結(jié)冰改變了飛機氣動外形，使飛機爬升性能變差，最大爬升率減少量為30%～60%；

因此，在民機的設(shè)計中,應(yīng)著力開展結(jié)冰對飛機氣動特性的影響和防除冰裝置的研制的研究設(shè)計工作，或者在飛機運營過程中，應(yīng)根據(jù)氣象雷達合理的避開結(jié)冰區(qū)，使飛機設(shè)計更合理、飛行更經(jīng)濟、更安全。

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［2］張錫金，主編.飛機設(shè)計手冊：第六冊[M].北京:航空工業(yè)出版社，2006.

［3］顧誦芬，解思適.飛機總體設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001：89-200.

［4］裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統(tǒng)[M].北京:航空專業(yè)教材編審組：70-130.