民用飛機結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)要求概述

胡麗燕 張彤

摘要：民用飛機在結(jié)冰條件下運行的適航取證過程中，需要采用結(jié)冰風(fēng)洞試驗方法。而結(jié)冰風(fēng)洞作為符合性驗證方法的前提是結(jié)冰風(fēng)洞本身需要通過校準(zhǔn)。本文對民用飛機結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)的要求進行了分析，給出了結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)過程中的關(guān)注要點和符合性判定建議，為民用飛機結(jié)冰風(fēng)洞的校準(zhǔn)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機;結(jié)冰風(fēng)洞;適航符合性

0引言

25部規(guī)章《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》^[1]中對飛機在結(jié)冰條件下運行提出了各項要求，民用飛機若申請25部規(guī)章結(jié)冰條件下運行，在適航取證過程中必須滿足規(guī)章中所有關(guān)于結(jié)冰條件下運行的要求。結(jié)冰條款的符合性表明在結(jié)冰條件下工作是一項跨專業(yè)具有綜合性、復(fù)雜性以及需要技術(shù)手段和工程經(jīng)驗支持的任務(wù)，在民機適航取證過程中占據(jù)重要地位。25部規(guī)章結(jié)冰條款的符合性驗證過程中，可采取的符合性方法包括分析/計算、試驗室試驗、飛行試驗等，其中試驗室試驗包括干空氣風(fēng)洞試驗和結(jié)冰風(fēng)洞試驗。結(jié)冰風(fēng)洞試驗可以驗證臨界冰型和系統(tǒng)防冰能力，是符合性工作的重要環(huán)節(jié)，而結(jié)冰風(fēng)洞試驗作為符合性手段的前提是結(jié)冰風(fēng)洞本身試驗?zāi)芰?jīng)過一系列校準(zhǔn)試驗的驗證，以確保風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)的要求

1.1校準(zhǔn)時間

結(jié)冰風(fēng)洞的校準(zhǔn)分為基線校準(zhǔn)、中間校準(zhǔn)和檢查校準(zhǔn)。

基線校準(zhǔn)是對結(jié)冰風(fēng)洞進行全面校準(zhǔn)，包括氣動熱力學(xué)校準(zhǔn)和結(jié)冰云霧校準(zhǔn)。全面校準(zhǔn)需在初始運行或進行一次氣動外形或冰云的重大設(shè)施更改后進行，如更改熱交換器、試驗區(qū)域、噴嘴系統(tǒng)等?；€校準(zhǔn)的最少時間間隔為5年。

中間校準(zhǔn)應(yīng)在基線校準(zhǔn)之后的最初2年內(nèi)以1年為間隔進行。中間校準(zhǔn)應(yīng)至少包括確認云霧均勻性自基線校準(zhǔn)后沒有發(fā)生更改和確認風(fēng)洞中心線液態(tài)水含量（ LWC）的測量。中間校準(zhǔn)應(yīng)包含測量與模型相關(guān)的順翼展方向的總壓和靜壓以及總溫，以及使用基線校準(zhǔn)的樣本點確認液滴尺寸校準(zhǔn)。

檢查校準(zhǔn)應(yīng)每6個月進行一次，除非其被基線或中間校準(zhǔn)覆蓋。檢查校準(zhǔn)包括結(jié)冰云霧均勻性測量和中心線LWC測量，應(yīng)使用基線校準(zhǔn)過程中云霧均勻性和中心線LWC測量具有代表性的樣本點。

1.2校準(zhǔn)指標(biāo)

在結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)過程中，氣動熱力學(xué)校準(zhǔn)和結(jié)冰云霧校準(zhǔn)的試驗區(qū)域性能指標(biāo)如表1所示^[2]。

在結(jié)冰風(fēng)洞的校準(zhǔn)中，應(yīng)保證試驗區(qū)域中的氣流和云霧特性在表1中列出的相關(guān)性能指標(biāo)范圍內(nèi)。云霧均勻分布區(qū)域被定義為在給定氣流速度和水滴尺寸的情況下，LWC處于試驗區(qū)域中心線LWC±20%范圍內(nèi)的區(qū)域。通過可接受的方法來分析測量到的數(shù)據(jù)，由統(tǒng)計方法來確定準(zhǔn)確性和不確定性。時間穩(wěn)定性是指運行過程中參數(shù)的變化。均勻性是指均勻分布云霧截面內(nèi)參數(shù)的空間變化。表1中最后一列的限制值適用于風(fēng)洞設(shè)計的特點，通常不能控制。

風(fēng)洞的操作者應(yīng)當(dāng)記錄噴射系統(tǒng)（空氣和水壓）達到穩(wěn)定的時間，雖然表1中沒有給出此性能特性指標(biāo)，但是記錄這些參數(shù)很重要，因為操作者有責(zé)任確保達到穩(wěn)定云霧的時間（通常遠小于）與試驗點云霧噴射持續(xù)時間一致。

1.3校準(zhǔn)程序

結(jié)冰風(fēng)洞的校準(zhǔn)流程應(yīng)該按照航空界和適航當(dāng)局認可的構(gòu)型控制程序進行編號、發(fā)布和維護。結(jié)冰風(fēng)洞應(yīng)按照規(guī)定的時間間隔進行氣動熱力學(xué)和云霧校準(zhǔn)，以表明風(fēng)洞的儀器設(shè)備和控制程序可持續(xù)產(chǎn)生可接受的判據(jù)。氣動 熱力學(xué)和云霧校準(zhǔn)的程序要求如下：

1）氣動熱力學(xué)校準(zhǔn)

應(yīng)進行干空氣的氣熱校準(zhǔn)以確定風(fēng)洞的空氣質(zhì)量，應(yīng)記錄速度分布、溫度分布、湍流強度分布、中心線空速校準(zhǔn)和風(fēng)洞氣流角度分布。每個風(fēng)洞應(yīng)生成一個預(yù)期使用范圍的試驗矩陣，此試驗矩陣至少包括氣動力學(xué)校準(zhǔn)和熱力學(xué)校準(zhǔn)。氣動力學(xué)校準(zhǔn)包括中心線靜壓和總壓修正測量，和表2中列出的外界溫度調(diào)節(jié)下的速度、氣流方向和湍流測量。

熱力學(xué)校準(zhǔn)應(yīng)包括表3中范圍從0℃（32°F）到-30℃（-22°F）的4個溫度點（或試驗中將使用的最低運行溫度）;

2）云霧校準(zhǔn)

云霧校準(zhǔn)是確定風(fēng)洞基本的云霧特性。云霧校準(zhǔn)中應(yīng)考慮噴嘴校準(zhǔn)、云霧尺寸和均勻度、水滴中值體積直徑（MVD）校準(zhǔn)、LWC校準(zhǔn)。

噴嘴校準(zhǔn)：噴嘴校準(zhǔn)應(yīng)包括氣流和水流特性，對于外部混合和內(nèi)部混合的噴嘴，采用的排放因子不同，內(nèi)部混合噴嘴應(yīng)確定綜合了氣液兩相流的因子。

云霧尺寸和均勻度：應(yīng)在參考平面（模型支撐系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心位置）上設(shè)定測量點的矩陣。測量點間的間距應(yīng)不大于12.5%，任意方向不超過15cm。

水滴MVD校準(zhǔn)：水滴大小，用MVD表示，是噴嘴空氣和水流速率（對于空氣輔助的霧化噴嘴）的函數(shù)。對于MVD校準(zhǔn)，風(fēng)洞應(yīng)被設(shè)定為50%～100%的風(fēng)洞最大速度，試驗區(qū)域的大氣靜溫應(yīng)足夠低至能使云霧回流最小化。應(yīng)在風(fēng)洞中心線上，固定的試驗區(qū)域進行MVD的測量。

LWC校準(zhǔn)：風(fēng)洞內(nèi)試驗區(qū)域的LWC主要取決于噴射水流速率，試驗區(qū)域空速和云霧截面積，也可能與水滴MVD、噴嘴空氣壓力、相對濕度、試驗區(qū)域溫度或其他因素有一定關(guān)系。每個風(fēng)洞應(yīng)首先確定LWC、水流速率和試驗區(qū)域空速的函數(shù)關(guān)系。此函數(shù)關(guān)系可以通過試驗或分析假設(shè)來確定。通過試驗來確定時，需要足夠多的試驗點來證實函數(shù)有效。通過分析假設(shè)確定時，也需通過試驗來驗證此函數(shù)關(guān)系。

2結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)過程中應(yīng)關(guān)注的問題

1）風(fēng)洞應(yīng)首先制定合理的構(gòu)型控制程序，并嚴(yán)格按程序?qū)嵤┕芾?。對于風(fēng)洞每次的校準(zhǔn)試驗應(yīng)做好相應(yīng)記錄，確保風(fēng)洞校準(zhǔn)歷史連續(xù)性。由于結(jié)冰風(fēng)洞中涉及的測量儀器設(shè)備、噴嘴等數(shù)量較多，應(yīng)對每樣儀器設(shè)備建立相應(yīng)的檔案，并記錄各儀器的使用校準(zhǔn)狀況。

2）為保證風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須保證所用的測量儀器準(zhǔn)確可靠。結(jié)冰風(fēng)洞各測量儀器設(shè)備需滿足各相應(yīng)校驗標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且每次試驗時所有測量儀器設(shè)備都在有效的校驗周期內(nèi)并經(jīng)具有相應(yīng)資質(zhì)的機構(gòu)校準(zhǔn)。對于一些自研儀器設(shè)備，需格外關(guān)注其校準(zhǔn)問題。

3結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)的符合性判據(jù)

結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)可接受的判據(jù)（見表1），氣動熱力學(xué)校準(zhǔn)需滿足表1中所示的空氣動力學(xué)參數(shù)均勻度要求，并且僅在選擇的試驗范圍內(nèi)有效。結(jié)冰云霧校準(zhǔn)應(yīng)能覆蓋那些滿足表1中定義的LWC均勻度的試驗區(qū)域，這些區(qū)域可能會隨試驗條件而變化，可以從受控的噴嘴參數(shù)推斷或試驗過程中原地測量LWC和MVD數(shù)值的時間穩(wěn)定性。并且，應(yīng)限制在云霧均勻性范圍內(nèi)進行冰風(fēng)洞試驗。

參考文獻

[1] CCAR-25-R4，中國民用航空條例（第25部）運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局.2011.

[2] SAE ARP 5905. Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels [S]. USA.SAE Intemational Group.2003.