大型客機(jī)氣候?qū)嶒炇以囼炑芯?/h1>

2018-01-09 06:00:59WANGTaoMIYi

民用飛機(jī)設(shè)計與研究訂閱 2017年4期 收藏

關(guān)鍵詞：氣象條件氣候低溫

/ WANG Tao MI Yi

(中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 200232)

大型客機(jī)氣候?qū)嶒炇以囼炑芯?/p>

王濤米毅/ WANG Tao MI Yi

(中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海200232)

為確保飛機(jī)在各種極端氣象條件下飛行的安全性，驗證設(shè)計運行環(huán)境包線內(nèi)各系統(tǒng)的功能與性能，需開展相應(yīng)的試驗試飛活動，極端自然環(huán)境有時間窗口難以捕捉、持續(xù)時間短、等待周期長的特點，但氣候?qū)嶒炇铱扇斯つM高溫、低溫、冰霧、凍雨、吹雪等極端氣象條件，不受自然環(huán)境的限制，可有效提升試驗效率，縮短試飛周期，是現(xiàn)代大型客機(jī)進(jìn)行極端氣候試驗的有效手段。介紹了氣候?qū)嶒炇业囊饬x與作用、全球氣候?qū)嶒炇业那闆r，重點介紹了麥肯利氣候?qū)嶒炇业脑囼灄l件及試驗型號情況，并基于某型號實際經(jīng)驗，詳細(xì)闡述了典型氣候?qū)嶒炇以囼灥哪康?、?nèi)容與方法、風(fēng)險及風(fēng)險降低措施，為后續(xù)大型客機(jī)極端氣候試驗提供了參考。

大型客機(jī)；氣候?qū)嶒炇?；低溫試驗；高溫試驗；結(jié)冰試驗

0 引言

ARJ21-700飛機(jī)在研制取證階段，曾多次赴海拉爾、廈門、長沙、烏魯木齊等外場開展低溫、高溫、結(jié)冰等自然極端氣象條件試驗，在一定程度上影響了型號取證周期。國際大型客機(jī)主制造商通常會在試飛前期開展氣候?qū)嶒炇以囼?，為設(shè)計優(yōu)化和構(gòu)型更改提供更充足的時間，有效縮短了試飛取證周期，而國內(nèi)機(jī)型尚無開展氣候?qū)嶒炇以囼灥慕?jīng)驗。本文詳細(xì)介紹了麥肯利氣候?qū)嶒炇业挠布O(shè)施及試驗條件，并闡述了氣候?qū)嶒炇以囼灥膬?nèi)容與方法，為氣候?qū)嶒炇业脑O(shè)計制造及國產(chǎn)大型客機(jī)氣候?qū)嶒炇以囼灥拈_展提供借鑒和參考。

1 氣候?qū)嶒炇业囊饬x與作用

圖1為波音737飛機(jī)運行環(huán)境包線，其運行環(huán)境最低溫度為-73℃，起飛和著陸最低溫度限制為-54℃，最高運行溫度限制為54℃，通常大型客機(jī)的運行環(huán)境包線與該機(jī)型相似。為驗證系統(tǒng)設(shè)計并向局方表明符合性，確保飛機(jī)在其設(shè)計運行環(huán)境包線范圍內(nèi)能夠按照設(shè)計預(yù)期安全運行，可以使用計算分析、模擬仿真、試驗試飛等方式，而試驗試飛通常是必不可少的環(huán)節(jié)。

自然極端氣象條件具有其特有的時間窗口且持續(xù)時間相對較短，錯過一次后往往需要等待一年才能夠再次捕捉，ARJ21-700飛機(jī)在研制取證過程中曾3次赴海拉爾開展低溫試驗，在三亞、閻良、長沙、廈門等地共計5次開展高溫試驗，在烏魯木齊、加拿大溫莎機(jī)場等地共計5次開展自然結(jié)冰試驗，試驗次數(shù)遠(yuǎn)多于國外大型客機(jī)主制造商，這在一定程度上說明了自然極端氣象條件的難以捕捉、持續(xù)時間短、等待周期長的特性。

氣候?qū)嶒炇业某霈F(xiàn)有效地解決了該問題，氣候?qū)嶒炇铱扇斯つM低溫、高溫、冰霧、吹雪、凍雨、風(fēng)沙等極端氣象條件，在短時間內(nèi)實現(xiàn)驗證飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)在各種極端氣象條件下的工作狀況，能夠有效降低飛行試驗對極端自然環(huán)境的依賴，提高試飛效率，縮短試飛周期。

鑒于氣候?qū)嶒炇业纳鲜鰞?yōu)點，國際大型客機(jī)主制造商一般在試飛前期，使用FTV2(Flight Test Vehicle，簡稱FTV2)進(jìn)行氣候?qū)嶒炇以囼?大部分為研發(fā)試驗)，充分驗證飛機(jī)各系統(tǒng)在低溫、高溫、結(jié)冰等條件下的功能與性能，為飛機(jī)各系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化和構(gòu)型完善留出充足的時間周期，在自然極端氣象條件下開展相應(yīng)的合格審定試飛，極大地提升了試飛效率，型號試飛周期可縮短至1～2年。

2 全球氣候?qū)嶒炇仪闆r介紹

氣候?qū)嶒炇沂情_展飛機(jī)氣候試驗的有力工具，是綜合運用制冷、加熱、空調(diào)、控制、計量等技術(shù)模擬極端氣象條件的載體。上世紀(jì)四十年代開始，美國空軍開始建設(shè)氣候?qū)嶒炇?，用于各軍用飛機(jī)的極端氣候試驗，后來演變發(fā)展成為世界知名的麥肯利氣候?qū)嶒炇?，目前正常運營的氣候?qū)嶒炇疫€有英國飛機(jī)氣候?qū)嶒炇摇⑷鸬滹w機(jī)氣候?qū)嶒炇液晚n國飛機(jī)氣候?qū)嶒炇业?，而我國在這方面起步較晚，氣候?qū)嶒炇艺诨I建中。

麥肯利氣候?qū)嶒炇椅挥诿绹Ａ_里達(dá)州的埃格林空軍基地，始建于1944年，包括主機(jī)庫、全氣候?qū)嶒炇?、溫?高度實驗室、設(shè)備實驗室、太陽輻射/風(fēng)沙/降雨實驗室、鹽霧實驗室[1]，各實驗室的空間大小及試驗條件詳見表1。麥肯利氣候?qū)嶒炇覟槊绹哲娂八饺似髽I(yè)提供試驗條件服務(wù)，在其中進(jìn)行試驗的飛機(jī)型號超過400種，飛機(jī)設(shè)備超過2 000臺，近期試驗型號包括C5、F117、F22、F35、B787、CS100、A350XWB等，各型號的氣候?qū)嶒炇以囼炃闆r詳見表2。

表1 麥肯利氣候?qū)嶒炇以囼灄l件概況[2]

表2 麥肯利氣候?qū)嶒炇医跈C(jī)型試驗信息

續(xù)表2

機(jī)型試驗項目試驗時間試驗周期備注CS100低溫、高溫、結(jié)冰試驗2014年4月4周低溫-54℃,高溫53℃A350XWB低溫、高溫試驗2014年5月28日2.5周F-35低溫、冰凍、高溫高濕、暴雨試驗2015年3月未知低溫-40℃、高溫高濕(氣溫27℃～49℃,40℃條件下相對濕度從74%～58%) Ejet低溫試驗2016年10月未知低溫-46.3℃

3 典型的大型客機(jī)氣候?qū)嶒炇以囼?/h2>

3.1 低溫試驗

低溫試驗主要檢查飛機(jī)易受低溫影響的系統(tǒng)，冷浸透前后對相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行對比檢查，冷浸透后需要檢查飛機(jī)過夜停放后的正常上電運行，并考慮部分系統(tǒng)的失效情況。

低溫試驗分為-40℃試驗和-54℃試驗，-54℃為飛機(jī)地面運行環(huán)境包線左邊界，-40℃為飛機(jī)運行常見的低溫天氣，為降低試驗風(fēng)險，先進(jìn)行-40℃試驗，然后進(jìn)行-54℃試驗，兩種試驗程序基本一致，具體如下：

1)冷浸透前檢查

檢查記錄飛機(jī)液體泄漏情況、艙門開啟力、發(fā)動機(jī)、APU、電源系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、液壓起落架系統(tǒng)、飛機(jī)固定系統(tǒng)、排氣管道系統(tǒng)、機(jī)載測試系統(tǒng)及實時監(jiān)控系統(tǒng)狀況。

2)飛機(jī)冷浸透

3)冷浸透后檢查

測量艙門開啟力，檢查客艙應(yīng)急出口滑梯打開情況和所有艙門開啟情況；使用蓄電池為飛機(jī)上電，起動APU，檢查蓄電池供電、APU低溫起動及APU引氣加溫性能；開展駕駛艙內(nèi)顯示與控制器件初始化及工作檢查，記錄各系統(tǒng)啟動時間；預(yù)熱并起動發(fā)動機(jī)，檢查發(fā)動機(jī)低溫起動性能及APU大電負(fù)載下的引氣能力；開展液壓系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)液壓作動活動面的工作情況；開展發(fā)動機(jī)工作檢查，確認(rèn)各種推力下發(fā)動機(jī)及反推力裝置的工作狀態(tài)；檢查發(fā)電機(jī)供電及供電切換功能；開展配平、高升力系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)電作動活動面的工作情況；開展燃油系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)壓力加油、燃油轉(zhuǎn)輸?shù)裙δ?；開展起落架、剎車系統(tǒng)及前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)起落架正常收放、應(yīng)急放、正常剎車、備份剎車及前輪轉(zhuǎn)彎功能。

3.2 高溫試驗

高溫試驗主要檢查飛機(jī)易超溫的系統(tǒng)、部件、區(qū)域，熱浸透前后對相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，用于試驗結(jié)果對比，熱浸透后需要檢查飛機(jī)曝曬停放后的正常運行，并考慮部分系統(tǒng)的失效情況。圖2為氣候?qū)嶒炛姓谶M(jìn)行的高溫試驗。

高溫試驗分為40℃試驗和55℃試驗，55℃為飛機(jī)地面運行環(huán)境包線右邊界，40℃為飛機(jī)運行常見的高溫天氣，為降低試驗風(fēng)險，先進(jìn)行40℃試驗，后進(jìn)行55℃試驗，兩種試驗程序基本一致，具體如下：

1)熱浸透前檢查

檢查記錄飛機(jī)液體泄漏情況、艙門開啟力、發(fā)動機(jī)、APU、電源系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、液壓起落架系統(tǒng)、飛機(jī)固定系統(tǒng)、排氣管道系統(tǒng)、機(jī)載測試系統(tǒng)及實時監(jiān)控系統(tǒng)狀況。

2)飛機(jī)熱浸透

3)熱浸透后檢查

測量艙門開啟力，檢查客艙應(yīng)急出口滑梯打開情況和所有艙門開啟情況；使用蓄電池為飛機(jī)上電，起動APU，檢查蓄電池供電、APU高溫起動及APU引氣冷卻性能；開展駕駛艙內(nèi)顯示與控制器件初始化及工作檢查，記錄各系統(tǒng)啟動時間；檢查設(shè)備艙溫度，在APU最大電負(fù)載、HSTA多次配平等條件下確認(rèn)后設(shè)備艙是否超溫；APU引氣起動發(fā)動機(jī)，檢查APU引氣及交叉引氣下的發(fā)動機(jī)高溫起動性能；檢查環(huán)控系統(tǒng)性能，確認(rèn)各種引氣源與PACK組合下的空調(diào)系統(tǒng)冷卻性能；開展飛控系統(tǒng)工作檢查，包括BIT、方向舵/升降舵/副翼配平循環(huán)檢查、襟縫翼正常收放檢查、襟縫翼收放過程中的主飛控舵面操作；開展發(fā)動機(jī)工作檢查，確認(rèn)各種推力、引氣、發(fā)電等發(fā)動機(jī)工作情況及發(fā)動機(jī)/APU關(guān)車后的回?zé)?；開展燃油系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)壓力加油、燃油轉(zhuǎn)輸?shù)裙ぷ髑闆r；開展起落架、剎車系統(tǒng)及前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)工作檢查，確認(rèn)起落架正常收放、應(yīng)急放、正常剎車、備份剎車及前輪轉(zhuǎn)彎功能。

3.3 結(jié)冰試驗

結(jié)冰試驗主要檢查在冰霧、凍雨、吹雪等氣象條件下的發(fā)動機(jī)/APU起動及各種狀態(tài)下的工作情況。圖3為氣候試驗室內(nèi)正在進(jìn)行的結(jié)冰試驗。結(jié)冰試驗具體試驗程序如下：

1)冰霧及凍雨條件下的發(fā)動機(jī)起動、脫冰及最大起飛推力檢查。

2)冰霧、吹雪及凍雨條件下的APU起動、APU最大電負(fù)載工作、APU引氣起動發(fā)動機(jī)。

4 典型試驗風(fēng)險及風(fēng)險降低措施

氣候?qū)嶒炇以囼炁c自然極端氣象條件試驗風(fēng)險基本一致，具體如下：

1)低溫及結(jié)冰試驗風(fēng)險：復(fù)雜設(shè)計導(dǎo)致的蓄電池拆卸困難；穿戴防寒手套時的飛機(jī)維護(hù)困難；低溫時氧氣面罩不工作；密封橡膠失效導(dǎo)致液體(燃油、滑油、液壓油、作動器媒介)泄漏；駕駛艙顯示器預(yù)熱慢；剎車盤間凍結(jié)導(dǎo)致剎車系統(tǒng)故障；輪胎與地面凍結(jié)；發(fā)動機(jī)/APU無法起動；試驗人員凍傷；飛機(jī)固定系統(tǒng)失效導(dǎo)致飛機(jī)滑動。

2)高溫試驗風(fēng)險：試驗人員中暑；電子電氣設(shè)備

超溫；測試儀器超溫；設(shè)備艙超溫；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超溫；滅火瓶/氧氣瓶/氮氣瓶釋放；飛機(jī)固定系統(tǒng)失效導(dǎo)致飛機(jī)滑動。

主要的風(fēng)險降低措施有：準(zhǔn)備充分的保暖措施(如防寒服、防滑靴、防寒手套等)及防中暑藥品；將測試/監(jiān)控設(shè)備布置在制冷/制熱空間外；準(zhǔn)備快速冷卻及加溫裝置，及時冷卻高溫零部件或為部分設(shè)備快速加溫；準(zhǔn)備輪擋、飛機(jī)系留等裝置并做好檢查，防止發(fā)動機(jī)開車時的飛機(jī)滑動；試驗過程中試驗溫度逐步逼近，且在過程中注意檢查飛機(jī)狀態(tài)，防止飛機(jī)損傷。

5 結(jié)論

自然極端氣象條件存在窗口難以捕捉、持續(xù)時間短、等待周期長的特點，且試驗后的飛機(jī)設(shè)計完善周期長，而氣候?qū)嶒炇以谝欢ǔ潭壬辖鉀Q了該問題，后續(xù)機(jī)型可考慮使用其開展相關(guān)試驗驗證工作，以縮短試飛取證周期。

氣候?qū)嶒炇以囼灠ǖ蜏卦囼?、高溫試驗和結(jié)冰試驗，試驗執(zhí)行時應(yīng)注意試驗溫度循序漸進(jìn)，在試驗環(huán)境建立前后對發(fā)動機(jī)、APU、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、指示/記錄系統(tǒng)、艙門結(jié)構(gòu)等飛機(jī)各受影響系統(tǒng)進(jìn)行功能與性能對比檢查，以驗證各種極端氣象條件下飛機(jī)是否滿足設(shè)計指標(biāo)及條款要求。

[1] 郗伯雅.埃格林空軍基地的麥金利氣候?qū)嶒炇液喗閇J].國外導(dǎo)彈技術(shù)， 1983(02)：76-80.

[2] C Wayne Drake，朱仲方. 空軍麥金萊氣候?qū)嶒炇业沫h(huán)境試驗?zāi)芰J]. 國外導(dǎo)彈與航天運載器，1988(01)： 59-66.

Research on Airliner Climatic Laboratory Test

(Flight Test Center of COMAC，Shanghai 200232，China)

Tests are essential to ensure airplane safety in various extreme weather, and to verify system function and performance in the airplane environmental envelope. Natural extreme weather is difficult to capture and long time to wait for, also it has short duration. Artificial weather conditions like extreme hot, extreme cold, freezing fog, freezing drizzle, blowing snow could be achieved in climatic laboratory, without constraint of natural environment. Test efficiency could be effectively improved and test cycle could be shortened. It’s an effective mean for modern airliner manufacture for extreme weather tests. Significance of climatic laboratory, status of global climate laboratories are introduced. The report focuses on the test condition simulated and tests had been conducted in Mckinley Climatic laboratory. Test objectives, test contents, test methods, test hazards and mitigations are elaborated based on practical experience. The test results can provide a reference for subsequent airplane climatic laboratory test.

airliner; climatic laboratory; cold weather test; hot weather test; icing test

V216.5

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.023

王濤男，本科，試飛工程師。主要研究方向：大型客機(jī)試飛任務(wù)規(guī)劃，動力裝置、APU、燃油、惰化、防火、空調(diào)、防冰、除雨等系統(tǒng)試飛研究。Tel: 021-20889213；E-mail: wangtao1@comac.cc

米毅男，碩士，高級工程師。主要研究方向：大型客機(jī)試飛任務(wù)規(guī)劃，飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)試飛研究。Tel: 021-20889180；E-mail: miyi@comac.cc

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