民用飛機適航用臨界冰形的確定及驗證

周 峰，馮麗娟，徐超軍，趙克良，韓志熔

(1. 上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210; 2. 中航商用發(fā)動機有限責任公司，上海 200241)

民用飛機適航用臨界冰形的確定及驗證

周 峰1.*，馮麗娟2，徐超軍1，趙克良1，韓志熔1

(1. 上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210; 2. 中航商用發(fā)動機有限責任公司，上海 200241)

對民用飛機結(jié)冰適航取證用臨界冰形確定及驗證進行研究。在民用飛機結(jié)冰適航取證過程中，首先需要確定臨界冰形，為結(jié)冰后的性能和操穩(wěn)評估提供冰形輸入。首先確定臨界冰形的判斷標準，制定臨界冰形確定的工作思路；然后采用SADRICE結(jié)冰數(shù)值軟件開展結(jié)冰冰形參數(shù)的敏感性分析，獲取臨界結(jié)冰條件；最后通過冰風洞試驗對參數(shù)敏感性結(jié)論進行驗證。結(jié)果表明數(shù)值模擬參數(shù)敏感性分析結(jié)論與冰風洞試驗結(jié)果一致，數(shù)值模擬所得臨界冰形上冰角與冰風洞試驗一致，下冰角存在一定差異，但不影響冰形臨界性判斷結(jié)論。參數(shù)敏感性分析所得臨界結(jié)冰條件以及冰風洞試驗所得臨界冰形正確，可作為結(jié)冰適航取證臨界結(jié)冰條件及臨界冰形。臨界冰形確定思路、方法可為其他民用飛機結(jié)冰適航取證提供參考。

結(jié)冰；適航；臨界冰形；參數(shù)敏感性；冰風洞

0 引 言

當飛機經(jīng)過含有過冷水滴的云層時，在其不同部位上(如螺旋槳、發(fā)動機進氣口、空速管、機翼及尾翼等)將會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[1]。結(jié)冰將會導(dǎo)致升力下降，阻力上升，并且容易導(dǎo)致飛機過早失速，對飛機的操縱性和穩(wěn)定性有很大的影響，嚴重時將會導(dǎo)致無法挽回的飛行事故[2-4]。

飛機結(jié)冰嚴重威脅著各類飛機的飛行安全，民用航空適航規(guī)章CCAR(China Civil Aviation Regulation)25部[5]對結(jié)冰條件下的飛行做了嚴格規(guī)定，民用客機為了取得適航證，必須表明對適航規(guī)章中結(jié)冰條款的符合性。

民機結(jié)冰適航取證過程中，需要對飛機在結(jié)冰后各個飛行狀態(tài)下的操穩(wěn)和性能品質(zhì)進行評估，并開展各類試飛工作[5-7]。適航條款對飛機的操縱性、穩(wěn)定性以及機動能力提出很多驗證項目，需要證明飛行中飛機帶冰之后整個飛機仍然可以安全操縱，能夠完成飛行的基本任務(wù)，以表明結(jié)冰的氣象條件對飛機飛行安全不構(gòu)成威脅；同時還需要確定結(jié)冰后對性能(發(fā)動機推力性能，起降性能、失速特性等)的影響量，以便對飛行員在結(jié)冰條件下如何安全駕駛給予參考說明。

根據(jù)咨詢通告AC(Advisory Circular)25.1419《運輸類飛機結(jié)冰條件下飛行合格審定》，要進行飛機結(jié)冰后氣動特性以及性能、操穩(wěn)分析，首先需要確定各個飛行狀態(tài)以及不同的大氣條件下飛機的臨界結(jié)冰條件，并根據(jù)這些條件，確定用于適航取證的臨界冰形[6-7]。

雖然美國聯(lián)邦航空管理局FAA (Federal Aviation Administration)公開發(fā)布了一些資料文獻用于指導(dǎo)工業(yè)方進行結(jié)冰適航取證，但是對于臨界冰形的確定及驗證技術(shù)(結(jié)冰適航取證工作思路、流程、工具和方法等一系列的技術(shù)體系)，國外是進行嚴格的技術(shù)封鎖的。

而在我國首架噴氣渦扇支線客機ARJ21-700飛機適航取證FAA影子審查過程中，結(jié)冰適航取證是FAA最為關(guān)注的影子審查項目之一， FAA對結(jié)冰適航審查的嚴苛程度也可見一斑。

本文以國內(nèi)某民用飛機結(jié)冰適航取證為例，對臨界冰形確定及驗證進行研究：首先給出臨界冰形判斷原則；然后通過數(shù)值模擬方法對結(jié)冰參數(shù)進行敏感性分析，得到臨界結(jié)冰條件以及相應(yīng)臨界冰形；最后開展冰風洞試驗對數(shù)值模擬結(jié)論進行驗證。本文臨界冰形確定思路、方法以及最終結(jié)論可為其他相關(guān)飛機型號結(jié)冰設(shè)計以及適航取證提供直接參考。

1 臨界冰形的判斷標準

1.1 臨界冰形定義

FAA飛機結(jié)冰計劃-12A工作組(下文簡稱12A工作組)對臨界冰形的定義如下：在結(jié)冰合格審定包線內(nèi)能夠產(chǎn)生的、在適用飛行階段對飛機的性能和操縱品質(zhì)有最不利影響的具有幾何形狀和特征的冰型。

12A工作組對臨界冰形的定義與AC25.1419《運輸類飛機結(jié)冰條件下飛行合格審定》等相關(guān)咨詢通告對臨界冰形的定義類似，但12A工作組將目光關(guān)注于結(jié)冰冰形及其特征上。

1.2 不同部件臨界冰形判斷原則

12A工作組對冰形外形特征的描述主要包括冰形厚度、冰角特征，如圖1所示。圖中h即為冰角厚度，θ表示上冰角張角，x為冰形弦向相對位置。

在獲得結(jié)冰位置、冰形厚度、冰角大小等參數(shù)后，從對氣動力的影響角度來對機翼和平尾上的臨界結(jié)冰條件進行判斷。12A工作組同時給出了臨界冰形外形的一般特征：結(jié)冰冰角在升力方向具有最大的投影高度。如圖1中hv所示，hv最大者對應(yīng)的冰形為臨界冰形。

圖1 結(jié)冰冰形外形特征示意圖

基于以上原則給出機翼、平尾上臨界冰形的判斷原則如下：

(1)對于機翼，升力的影響是最重要的，上表面冰角對升力形態(tài)破壞最嚴重，因此，在其他主要冰形參數(shù)相同的情況下，上翼面冰角的高度越大就越臨界；

(2)對于平尾，平尾的可操縱性是最重要的，在其他主要冰形參數(shù)相同的情況下，下表面結(jié)冰冰角對飛機操穩(wěn)品質(zhì)影響較大，因此，下表面冰角的高度越大，就越臨界。

2 臨界冰形確定的思路

影響適航用臨界冰形的因素有飛機飛行狀態(tài)和CCAR25部附錄C結(jié)冰氣象條件。飛機飛行狀態(tài)包括：飛機構(gòu)型、飛行重量、重心、飛行速度Ma、高度H、迎角α和飛行時間。結(jié)冰氣象條件包括：環(huán)境溫度SAT(Static Air Temperature)、液態(tài)水含量LWC(Liquid Water Contain)、平均水滴直徑MVD(Medium Volume Diameter)。

根據(jù)咨詢通告AC25.1419以及12A工作組結(jié)論，通常45min“待機冰形”即為飛機臨界結(jié)冰冰形。本文在分析時飛機構(gòu)型選為待機構(gòu)型，重量、重心、飛行速度、高度與飛機所定義的待機狀態(tài)保持一致。因此本文將在特定飛行條件下，對結(jié)冰氣象條件進行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)臨界冰形判斷原則，確定臨界結(jié)冰條件以及相應(yīng)的臨界冰形。在此基礎(chǔ)上開展風洞試驗驗證，以表明臨界結(jié)冰條件的正確性，以及計算臨界冰形與風洞試驗的一致性。

按照上述思路，臨界結(jié)冰冰形的確定流程如圖2所示：

圖2 臨界冰形確定的工作思路

3 臨界冰形確定

3.1 冰形計算方法介紹

本文采用SADRICE結(jié)冰計算軟件進行結(jié)冰計算，該軟件通過求解二維可壓NS方程獲得二元翼型空間流場；通過拉格朗日法求解水滴運動軌跡，并計算水滴收集系數(shù)[8-11]；通過改進的Messinger熱力學(xué)模型[12]求解結(jié)冰過程中的傳質(zhì)傳熱[13]，最終獲得結(jié)冰冰形，具體過程見參考文獻[8-18]。

圖3為軟件驗證結(jié)果，計算翼型為NACA0012翼型。由圖3可知，SADRICE結(jié)冰計算軟件與冰風洞試驗結(jié)果吻合很好，能夠作為本文結(jié)冰計算的軟件。

圖3 SADRICE結(jié)冰計算軟件算例驗證

3.2 參數(shù)敏感性分析思路

CCAR25部附錄C結(jié)冰氣象條件如圖4所示，結(jié)冰氣象條件為一個包線范圍，對于MVD、LWC以及SAT，已知其中任意2個參數(shù)，就能確定第3個參數(shù)。在參數(shù)敏感性分析時，固定其他參數(shù)，逐個考察結(jié)冰冰形對單個參數(shù)的敏感性。

圖4 CCAR25部附錄C結(jié)冰氣象條件

根據(jù)JAR AMJ 25.1419建議以及12A工作組建議，對于固定翼飛機，總溫接近0℃時，更易生成雙角冰。因此本文首先令環(huán)境總溫RAT(Recovered Air Temperature)=0℃，根據(jù)來流速度得到對應(yīng)的來流靜溫；在此基礎(chǔ)上改變MVD，計算不同MVD對應(yīng)冰形，并根據(jù)臨界冰形判斷原則確定嚴重結(jié)冰冰形對應(yīng)的MVD；最后采用獲得的MVD，改變環(huán)境總溫RAT，最終確定嚴重結(jié)冰冰形對應(yīng)的溫度條件。

其中，總溫RAT與靜溫SAT、速度Ma的關(guān)系如下：RAT=SAT(1+η×(γ-1)/2×Ma2)，□為溫度恢復(fù)因子，一般取值0.9；γ為比熱比，取值1.4；在SAT、MVD確定的情況下，LWC可由圖4查得。

3.3 MVD參數(shù)敏感性分析

本文以某國產(chǎn)支線飛機機翼以及平尾剖面為例，進行參數(shù)敏感性分析，機翼剖面翼型為超臨界翼型，平尾剖面翼型為NACA對稱翼型。通過對機翼、平尾2種不同類型翼型結(jié)冰參數(shù)敏感性分析，以期獲得相同的參數(shù)敏感性分析結(jié)論。飛機待機狀態(tài)飛行參數(shù)如表1所示。

表1 待機狀態(tài)飛行參數(shù)

根據(jù)CCAR 25部附錄C，通?？紤]的MVD范圍為15～40μm。MVD大小直接關(guān)系到水滴撞擊極限以及收集系數(shù)，影響結(jié)冰范圍以及結(jié)冰量。同時，由圖4可知，隨著MVD的增加，空氣液態(tài)水含量LWC將減小，而最終結(jié)冰量與收集系數(shù)以及LWC有關(guān)。

圖5給出了機翼不同剖面處(剖面1和剖面2，見圖5中Section 1和Section 2)MVD參數(shù)敏感性分析結(jié)果，圖6給出了平尾處MVD參數(shù)敏感性分析結(jié)果。由圖5和6可知，MVD=18、20和25μm時冰角高度較大，MVD=20μm時冰角高度最大，對應(yīng)的冰形最為臨界。

圖5 不同機翼站位MVD參數(shù)敏感性分析

圖6 平尾MVD參數(shù)敏感性分析

3.4 溫度參數(shù)敏感性分析

飛機結(jié)冰一般發(fā)生在0～-20℃的溫度范圍內(nèi)，尤其在-2～-10℃的范圍內(nèi)，遭遇結(jié)冰的次數(shù)最多，而強烈結(jié)冰主要發(fā)生在-2～-8℃的溫度范圍內(nèi)。當溫度較低時，通常情況下結(jié)霜冰(楔形冰)而溫度較高時，易結(jié)光冰(羊角冰)。霜冰一般是流線型的，其粗糙度容易導(dǎo)致流動轉(zhuǎn)捩提前、附面層加厚，從而增加阻力，降低升力，對飛機的安全飛行有一定的威脅。光冰一般是非流線型的，它通常使翼型的幾何外形發(fā)生急劇變化，在角狀冰之后容易引起大范圍的流動分離，從而急劇增加阻力，降低升力，嚴重威脅飛機的安全飛行。而總溫在0℃附件時一般生成光冰，因此一般情況下總溫在冰點附近時，飛機翼面結(jié)冰更為臨界。

圖7為機翼不同剖面處溫度敏感性分析結(jié)果，圖8為平尾處溫度敏感性分析結(jié)果。從圖7和8中可以看出總溫RAT=0℃時，機翼和平尾上對應(yīng)的冰形最為臨界。

圖7 不同機翼站位溫度敏感性分析

圖8 平尾溫度敏感性分析

3.5 參數(shù)敏感性分析結(jié)論

由MVD、RAT的參數(shù)敏感性分析結(jié)果，在機翼、平尾剖面上得到一致的參數(shù)敏感性分析結(jié)論：MVD=20μm、RAT=0℃對應(yīng)的結(jié)冰冰角在升力方向投影最高，相應(yīng)的冰形最為臨界。

4 冰風洞試驗驗證

本文對參數(shù)敏感性分析結(jié)果以及相應(yīng)的數(shù)值模擬獲得的冰形進行冰風洞試驗驗證，冰風洞選取意大利CRIA冰風洞，試驗?zāi)Ｐ瓦x取機翼剖面1。如圖9所示，試驗?zāi)Ｐ拓Q直安裝于試驗段，冰風洞試驗狀態(tài)如表2所示。

圖9 冰風洞及試驗?zāi)Ｐ?/p>

冰風洞試驗結(jié)果如圖10和11所示。圖10為MVD參數(shù)敏感性試驗結(jié)果，由圖可知MVD=20μm時，冰角高度最大，冰形最臨界，與計算分析結(jié)果一致。而MVD=15μm時冰角高度次之，且結(jié)冰量最大，這與該狀態(tài)LWC較大有關(guān)。

圖11為溫度參數(shù)敏感性試驗結(jié)果，由圖可知總溫RAT=0℃時，冰角高度最大，冰形最臨界，與計算分析結(jié)果一致。

圖10和11風洞試驗驗證結(jié)果顯示，數(shù)值模擬所得參數(shù)敏感性結(jié)論與冰風洞試驗結(jié)果一致。

圖12為數(shù)值模擬所得臨界冰形與風洞試驗臨界冰形對比結(jié)果，結(jié)冰時間為45min。由圖12可知，數(shù)值模擬與冰風洞試驗所得臨界冰形上冰角吻合較好，下冰角差異較大，數(shù)值模擬沒有捕捉到下冰角，但這不影響臨界冰形的判斷。

對于下冰角的差異，主要原因是數(shù)值模擬中對流換熱系數(shù)求解以及溢流模型還不夠完善，尤其是翼型駐點以下區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)的求解，導(dǎo)致很難準確捕捉下冰角。

圖10 MVD參數(shù)敏感性冰風洞試驗

圖11 溫度參數(shù)敏感性冰風洞試驗

圖12 數(shù)值模擬與冰風洞試驗臨界冰形對比

Fig.12 Critical ice shape comparison between simulation and wind tunnel test

通過以上分析可知，數(shù)值模擬參數(shù)敏感性分析結(jié)論與冰風洞試驗驗證結(jié)果完全一致，數(shù)值模擬臨界冰形上冰角與冰風洞試驗所得臨界冰形上冰角吻合較好。由此可見數(shù)值模擬方法可靠，所得參數(shù)敏感性結(jié)論正確。

5 結(jié) 論

本文對結(jié)冰適航取證用臨界冰形確定及驗證進行了研究。首先對臨界冰形的定義以及判斷原則進行說明，然后制定臨界冰形確定思路，在此基礎(chǔ)上通過參數(shù)敏感性分析方法確定臨界結(jié)冰條件以及冰形，最后通過冰風洞試驗對臨界結(jié)冰條件以及冰形進行驗證，得到以下結(jié)論：

(1)SADRICE結(jié)冰計算軟件可靠，可以作為本文臨界冰形確定的工具；

(2)臨界冰形確定思路合理、可行，參數(shù)敏感性分析結(jié)論正確：MVD=20μm、RAT=0℃時結(jié)冰條件最為臨界(本結(jié)論僅限本文研究對象)；

(3)數(shù)值模擬臨界冰形主要特征與冰風洞試驗結(jié)果一致：上冰角基本重合；受數(shù)值模擬模型的限制，未能捕獲下冰角，但不影響冰形臨界性結(jié)論。

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(編輯：楊 娟)

Determination and verification of critical ice shape for the certification of civil aircraft

Zhou Feng1，*, Feng Lijuan2, Xu Chaojun1, Zhao Keliang1, Han Zhirong1

(1. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China; 2. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

Ice accretion of civil aircraft has been a major concern to flight safety. The civil aircraft must show compliance with the airworthness icing regulation to make sure that the aircraft can fly safely under the icing condition. The critical ice shape is the most important input for the evaluation of performance/stability and control under the icing condition, and therefore it must be determined at the very begining of ice certification. Firstly, the standard of the critical ice shape is set up, and the procedure of the critical ice shape determination is proposed. Then, the sensitivity of the icing conditions has been analysed by SADRICE code, and the critical icing condition is obtained. Icing wind tunnel tests have been conducted in Italian Aerospace Research Center to verify the critical icing condition. The test results show great agreement with numerical simulation results. It is found that MVD=20μm, RAT=0℃ is the most critical icing condition for the aircraft under research. Test and numerical resuts of the angle and height of the ice shape upper horn are the same, testifying the correctness of the sensitive analysis and the relevant critical icing condition. The critical ice shape can be used in aircraft icing certification. This is of value to other aircrafts icing certifications.

icing;certification;critical ice shape;sensitive analysis;icing wind tunnel

1672-9897(2016)02-0008-06

10.11729/syltlx20160019

2015-12-22;

2016-03-02

ZhouF,FengLJ,XuCJ,etal.Determinationandverificationofcriticaliceshapeforthecertificationofcivilaircraft.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(2): 8-13. 周 峰，馮麗娟，徐超軍, 等. 民用飛機適航用臨界冰形的確定及驗證. 實驗流體力學(xué), 2016, 30(2): 8-13.

V212.1，V244.1+5

A

周 峰(1983-)，男，江蘇泰州人，高級工程師。研究方向：氣動設(shè)計、結(jié)冰研究及適航取證。通信地址：上海浦東新區(qū)金科路5188號(201210)。E-mail：zhoufeng@comac.cc

*通信作者 E-mail: zhoufeng@comac.cc