民機(jī)飛行結(jié)冰參數(shù)的模擬與校準(zhǔn)

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民機(jī)飛行結(jié)冰參數(shù)的模擬與校準(zhǔn)

The Simulation and Calibration of Icing Parameters for Civil Aircraft

白峰徐超軍張強(qiáng) / Bai FengXu ChaojunZhang Qiang

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

0引言

民用飛機(jī)由于結(jié)冰問題導(dǎo)致了多起航空事故，因此運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章中明確要求申請(qǐng)人必須表明飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下可以安全飛行。結(jié)冰問題的研究已經(jīng)成為民機(jī)型號(hào)研制中的重要工作，主要包括結(jié)冰參數(shù)敏感性分析、結(jié)冰風(fēng)洞臨界冰型確定、帶模擬冰的氣動(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)、飛機(jī)帶模擬冰試飛以及飛機(jī)自然結(jié)冰試飛等。依據(jù)這些工作表明飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下的飛行性能滿足適航條款要求。

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是在風(fēng)洞中模擬結(jié)冰大氣條件，獲得翼面的結(jié)冰冰型，是適航審定過程中確定臨界冰型的可靠途徑。目前歐美國(guó)家有很多成熟的結(jié)冰風(fēng)洞，例如美國(guó)NASA的IRT結(jié)冰風(fēng)洞、波音公司BRAIT結(jié)冰風(fēng)洞、意大利宇航中心CIRA的結(jié)冰風(fēng)洞(Icing Wind Tunnel,簡(jiǎn)稱IWT)等都是2m量級(jí)的成熟型號(hào)風(fēng)洞。而根據(jù)歐美型號(hào)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同的結(jié)冰條件下，同一模型在不同風(fēng)洞之間的冰型有所差異，主要是由各自風(fēng)洞對(duì)水霧參數(shù)控制和校準(zhǔn)的誤差引起的。

對(duì)于型號(hào)研究來說，開展冰風(fēng)洞的校準(zhǔn)試驗(yàn)是確定試驗(yàn)結(jié)果可靠性的依據(jù)，是保障型號(hào)帶模擬冰試飛審查合格的基礎(chǔ)。根據(jù)某型飛機(jī)的結(jié)冰研究工作需要，在意大利宇航中心的IWT風(fēng)洞進(jìn)行了飛機(jī)部件的結(jié)冰試驗(yàn)。在此之前完成了對(duì)IWT風(fēng)洞水霧參數(shù)的校準(zhǔn)試驗(yàn)，本文描述了校準(zhǔn)試驗(yàn)的方法及結(jié)果，為民用飛機(jī)結(jié)冰問題的研究工作提供參考。

1飛行結(jié)冰參數(shù)

CCAR25部中根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給出了飛機(jī)容易發(fā)生結(jié)冰的大氣參數(shù)，主要分為連續(xù)最大結(jié)冰狀態(tài)和間斷最大結(jié)冰狀態(tài)，如圖1、圖2所示。

圖1　連續(xù)最大結(jié)冰狀態(tài)

圖2　間斷最大結(jié)冰狀態(tài)

從圖中可以看到影響結(jié)冰的大氣參數(shù)主要有環(huán)境溫度、氣壓高度、平均水滴直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)。此外飛機(jī)的飛行速度、時(shí)間和姿態(tài)等也會(huì)影響結(jié)冰情況。

(1)氣壓高度

氣壓高度主要決定了飛機(jī)飛行的環(huán)境溫度，飛機(jī)結(jié)冰的高度范圍通常在0～7km之間。氣壓高度同時(shí)也影響大氣密度，溫度與密度反映了大氣的粘性，影響了水滴的收集率。

(2)環(huán)境溫度

環(huán)境溫度影響了MVD與LWC的關(guān)系，飛機(jī)發(fā)生結(jié)冰的溫度范圍一般在0°C~-40°C之間，而嚴(yán)重結(jié)冰主要出現(xiàn)在-10°C左右，因?yàn)轱w機(jī)一般在此溫度飛行時(shí)總溫接近于0°C，水滴在撞擊到飛機(jī)部件后流動(dòng)性較強(qiáng)，容易向后流動(dòng)形成帶上下冰角的冰型，嚴(yán)重破壞飛機(jī)氣動(dòng)力。

(3)LWC

LWC代表單位體積大氣內(nèi)的液態(tài)水質(zhì)量，是決定結(jié)冰量的關(guān)鍵因素。液態(tài)水含量越大，單位時(shí)間內(nèi)撞擊到飛機(jī)部件表面上的水量越多，越容易積聚成大體積的冰型，對(duì)氣動(dòng)力影響很大。在連續(xù)最大結(jié)冰環(huán)境下LWC最大可達(dá)到0.8g/m3，而在間斷最大結(jié)冰條件下可達(dá)到3.0g/m3。

(4)MVD

MVD代表單位體積大氣內(nèi)水滴的平均直徑，一定程度上影響了冰型的體積和覆蓋范圍。水滴直徑越大，則慣性越大，水滴更容易抵抗飛機(jī)部件的氣動(dòng)力而撞擊在部件表面，增加了水滴收集率，會(huì)使羊角冰的冰角更大，或增加霜冰的覆蓋范圍。一般MVD在15μm~50μm范圍內(nèi)，特殊的氣象條件下可能會(huì)存在大于50μm的大過冷水滴(SLD)，尺寸甚至可以達(dá)到300μm。

(5)飛行速度

飛行速度首先影響了水滴收集率，較大的飛行速度使得水滴更容易撞擊到飛機(jī)部件上，擴(kuò)大了撞擊極限，增加了結(jié)冰量和結(jié)冰范圍。其次，飛行速度影響了環(huán)境溫度與總溫的關(guān)系，大的飛行速度會(huì)使得總溫升高，更容易形成羊角冰。所以飛行速度越大，越容易增加冰型的嚴(yán)酷性。

(6)飛行時(shí)間

飛行時(shí)間越長(zhǎng)，越容易收集到較多的水滴，增加了積冰的體積。CCAR25部中根據(jù)一般云層的范圍，對(duì)于飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行的時(shí)間要求是：在防護(hù)區(qū)22.5min結(jié)冰量，非防護(hù)區(qū)45min結(jié)冰量的情況下滿足飛行安全。

(7)飛行姿態(tài)

飛機(jī)的結(jié)冰范圍主要在氣流的駐點(diǎn)附近，而飛行姿態(tài)影響了駐點(diǎn)位置，從而影響了冰型的位置和冰角大小。

(8)翼型

飛機(jī)在亞音速范圍內(nèi)飛行時(shí)，部件頭部的氣流會(huì)影響水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。翼型頭部半徑越小，水滴受到的氣動(dòng)力影響越小，則更容易撞擊到部件表面結(jié)冰；頭部半徑越大則反之。

在結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中這些參數(shù)都需要模擬，對(duì)于速度、壓力等參數(shù)的控制與常規(guī)風(fēng)洞相同。特殊的是需要額外安裝一套噴霧系統(tǒng)來滿足水霧參數(shù)的要求。主要的水霧系統(tǒng)模擬參數(shù)有LWC和MVD。

2結(jié)冰參數(shù)模擬

意大利宇航中心(CIRA)的結(jié)冰風(fēng)洞是一個(gè)單回路、多試驗(yàn)段的結(jié)冰風(fēng)洞，是全球范圍內(nèi)最成熟的型號(hào)結(jié)冰風(fēng)洞，如圖3所示。風(fēng)洞共有4個(gè)試驗(yàn)段，分別是：主試驗(yàn)段、第二試驗(yàn)段、附加試驗(yàn)段和開口試驗(yàn)段。本次試驗(yàn)使用第二段，截面尺寸1.15m寬×2.35m高，空風(fēng)洞最大Ma數(shù)0.7，最低環(huán)境靜溫-40°C，如表1所示。

圖3　CIRA-IWT風(fēng)洞

主試驗(yàn)段第二試驗(yàn)段附加試驗(yàn)段開口試驗(yàn)段高(m)2.352.352.352.35寬(m)2.251.153.602.25長(zhǎng)(m)7.005.008.307.00最大Ma數(shù)0.40.70.25<0.4最低靜溫(℃)-32-40-32-32靜壓范圍39000Pa~145000Pa;對(duì)應(yīng)高度從海平面到7000m;MVD范圍10μm~50μmLWC范圍0.1g/m3~4.0g/m3

在風(fēng)洞的收縮段前有一排網(wǎng)狀噴口(Spray Bar)，噴口內(nèi)有高壓氣管和高壓水管，水氣在噴口內(nèi)混合后噴出，為了保證水含量在試驗(yàn)段內(nèi)達(dá)到均勻分布，IWT風(fēng)洞采用了較長(zhǎng)的收縮段，詳見圖4。

圖4　噴霧系統(tǒng)

通過控制合理的水壓和氣壓以及噴口的開閉，結(jié)合氣壓高度和速度，達(dá)到需要的MVD和LWC，噴口細(xì)節(jié)如圖5所示。

圖5　噴霧噴口

3結(jié)冰參數(shù)校準(zhǔn)

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)由于其特殊性，除了進(jìn)行常規(guī)風(fēng)洞流場(chǎng)校準(zhǔn)之外，還需要對(duì)風(fēng)洞的噴霧系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證水霧參數(shù)的準(zhǔn)確。主要是對(duì)平均水滴直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)和水含量均勻度進(jìn)行校準(zhǔn)評(píng)估，而影響這些參數(shù)的因素主要有水霧噴口密度、噴口氣壓、噴口水壓、環(huán)境靜壓、來流Ma數(shù)等。

3.1　水含量均勻度校準(zhǔn)

首先需要對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)的液態(tài)水含量均勻度進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估在不同噴口密度、噴口氣壓、噴口水壓的情況下，試驗(yàn)段內(nèi)的水含量是否均勻。通過大量試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境靜壓和來流Ma數(shù)的變化對(duì)水含量的均勻度影響不大。在IWT風(fēng)洞中，一般采用在試驗(yàn)段內(nèi)安裝格柵，通過測(cè)量一定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)各個(gè)柵格的積冰厚度來評(píng)估水含量的均勻度。柵格間距約為10cm，單個(gè)格板厚度約3mm。結(jié)冰條件一般選擇靜溫較低，容易形成霜冰的情況，而且結(jié)冰時(shí)間不能太長(zhǎng)，防止冰型畸變，如圖6所示。

圖6　測(cè)冰格柵

在測(cè)得每個(gè)格柵的冰型厚度后，以試驗(yàn)段中心格柵處的冰型厚度為參考，得到無量綱冰型厚度分布，用其來反映液態(tài)水含量的分布誤差：

LWCi/LWCc=Ti/Tc

(1)

根據(jù)典型試驗(yàn)結(jié)果可以看到在試驗(yàn)段中心約70%的區(qū)域內(nèi)，水含量誤差控制在20%以內(nèi)，如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)段水含量均勻度

3.2　平均水滴直徑校準(zhǔn)

對(duì)MVD的測(cè)量采用在試驗(yàn)段中間設(shè)置兩個(gè)ADA(Airborne Droplets Analyser) 探頭，可以分別測(cè)量直徑為0.5μm~136μm和1.9μm~608μm的水滴，通過對(duì)大約30萬個(gè)水滴進(jìn)行光譜分析得到平均水滴直徑，如圖8所示。

圖8　ADA探頭

通過大量試驗(yàn)結(jié)果得到，在固定水霧噴口密度的情況下，影響MVD的主要因素有噴口氣壓、噴口水壓、環(huán)境靜壓，因此可以得到MVD的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，并繪制出經(jīng)驗(yàn)圖譜，如圖9所示。

MVD=f(Pair,Pwat,H)

(2)

圖9　MVD經(jīng)驗(yàn)圖譜

通過流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)得到通過經(jīng)驗(yàn)函數(shù)對(duì)MVD的控制誤差在±20%以內(nèi)，如圖10所示。

圖10　MVD誤差

3.3　液態(tài)水含量校準(zhǔn)

對(duì)LWC一般采用測(cè)量安裝在試驗(yàn)段中間的冰刀結(jié)冰厚度的方法，該冰刀的結(jié)冰厚度與水霧參數(shù)的關(guān)系已經(jīng)通過前期的試驗(yàn)校準(zhǔn)得到，因此可以通過結(jié)冰厚度反算出LWC。采用的冰刀厚度約3mm，試驗(yàn)靜溫較低保證形成霜冰，同時(shí)結(jié)冰試驗(yàn)很短(約30s)保證冰型的精度，如圖11所示。

圖11　冰刀測(cè)量LWC

通過大量試驗(yàn)結(jié)果得到，在固定水霧噴口密度的情況下，影響LWC的主要因素有噴口氣壓、噴口水壓、環(huán)境靜壓、來流Ma數(shù)，因此可以得到LWC因子K的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，并繪制出經(jīng)驗(yàn)圖譜，如圖12所示。

LWC=f1(K)

(3)

K=f2(Pair,Pwat,Ps,Ma)

(4)

圖12　LWC因子(K)圖譜

通過流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)得到通過經(jīng)驗(yàn)函數(shù)對(duì)LWC控制誤差在±20%以內(nèi)，如圖13所示。

圖13　LWC誤差

至此完成了對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)的校準(zhǔn)試驗(yàn)，此外對(duì)于風(fēng)洞靜溫、靜壓、風(fēng)速的校準(zhǔn)也十分重要，具體的精度如表2所示。

表2　風(fēng)洞參數(shù)控制精度

4結(jié)論

本文通過對(duì)意大利宇航中心IWT結(jié)冰風(fēng)洞完成的冰風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)描述，介紹了結(jié)冰風(fēng)洞水霧參數(shù)校準(zhǔn)方法。國(guó)外對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可以接受的風(fēng)洞水霧參數(shù)控制誤差不能超過20%。對(duì)于LWC和MVD統(tǒng)計(jì)性校準(zhǔn)參數(shù)，需要進(jìn)行概率分布分析，以便更好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果誤差進(jìn)行控制及評(píng)估。

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摘要：

結(jié)冰問題的研究對(duì)于民用飛機(jī)設(shè)計(jì)十分重要，采用結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是主要的方法之一，歐美國(guó)家有很多成熟的結(jié)冰風(fēng)洞用于型號(hào)研究。結(jié)冰風(fēng)洞中需要對(duì)很多參數(shù)進(jìn)行控制，其中水霧參數(shù)精確控制的難度很大，而且一般通過間接方法來進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)，往往誤差較大，導(dǎo)致不同結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果往往有所差異。文章介紹了在意大利宇航中心的IWT結(jié)冰風(fēng)洞完成的冰風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)，對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞水霧參數(shù)校準(zhǔn)方法進(jìn)行了闡述，為民機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞研究提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞；水霧參數(shù)；平均水滴直徑；液態(tài)水含量；水含量均勻度

[Abstract]It is important for civil aircraft design to research the icing influence. One of the main ways is adopting the icing wind tunnel test, which are extensively used for airplane research in USA and Europe. Many parameters were controlled during the icing wind tunnel,which cloud parameter was controlled with large difficulty and was measured indirectly, so the error was considerable which led to large difference from icing wind tunnel to another. Icing wind tunnel parameter calibration test in CIRA-IWT was introduced, and the cloud parameter correction methods were illuminated, which can provide reference to the icing wind tunnel research for civil aircraft.

[Key words]icing wind tunnel; cloud parameter; MVD; LWC; uniformity of the water content

中圖分類號(hào)：V216.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A