飛機結(jié)冰探測器安裝位置研究

吳佩佩，晏 濤，任 杰

（中國航空工業(yè)集團公司成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

飛機結(jié)冰會造成飛機氣動性能和操縱品質(zhì)的下降，是嚴重威脅飛行安全的六大殺手之一，結(jié)冰嚴重時甚至可導(dǎo)致機毀人亡的重大事故［1?3］。結(jié)冰探測器作為飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于實時探測飛機結(jié)冰信號，發(fā)出報警信號。飛機根據(jù)結(jié)冰報警信號，及時開啟防冰或除冰系統(tǒng)，能夠降低飛機失事的可能性，保證飛機在復(fù)雜結(jié)冰氣象條件下的飛行安全。因此獲得準確的結(jié)冰探測信號對于指導(dǎo)飛機防/除冰系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常關(guān)鍵。結(jié)冰探測器根據(jù)功能特點的不同可分為平膜式和探頭式兩種［4］。結(jié)冰探測器在機上的安裝位置要保證其滿足結(jié)冰探測要求。平膜式結(jié)冰探測器通常安裝在易結(jié)冰的迎風(fēng)部位，如機翼、尾翼表面等。探頭式結(jié)冰探測器一般安裝在機頭表面，探頭伸出機身，探測外界大氣環(huán)境，根據(jù)探頭表面結(jié)冰情況決策是否開啟防除冰系統(tǒng)。

國內(nèi)外對結(jié)冰探測器的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能研究比較深入［5?7］，近些年對于過冷大水滴結(jié)冰探測有一些研究［8?9］，對安裝位置選擇相關(guān)研究報道相對較少。2001 年，Cober 等［10］研究表明只要結(jié)冰探測器位于水滴遮蔽區(qū)外，則安裝位置對于探測結(jié)果影響不大。Jackson 等［11］理論分析了結(jié)冰探測器的性能及安裝位置要求，George 等［12］提出了選取結(jié)冰探測器安裝位置需遵循的一些基本原則，并定性地給出了常見的安裝位置。張杰等［3］研究了國內(nèi)外的結(jié)冰探測傳感器的原理、類別等。朱程香等［13］研究不同飛行條件和氣象條件下的廣義水滴遮蔽高度大小，基于廣義水滴遮蔽高度大小研究了探頭式結(jié)冰探測器的安裝位置。劉?。?4］研究了平膜式結(jié)冰探測器的安裝位置，闡述了平膜式結(jié)冰探測器安裝位置分析的策略和方法。

本文主要針對某型飛機探頭式結(jié)冰探測器，基于三維數(shù)值仿真，分析該飛機不同結(jié)冰飛行條件下流場和水滴撞擊仿真結(jié)果，引入危險位置點的概念，計算探測器安裝位置參考區(qū)域內(nèi)的危險位置點坐標，確定了適合安裝結(jié)冰探測器的位置區(qū)域；對結(jié)冰探測器探頭表面的水滴收集特性和結(jié)冰特性進行分析，研究結(jié)冰探測器的水滴撞擊特性和結(jié)冰特性與飛機主要迎風(fēng)部件表面如機翼和發(fā)動機進氣道等部件水滴撞擊特性和結(jié)冰特性的對應(yīng)關(guān)系，全面模擬了結(jié)冰探測器的探測性能，驗證了結(jié)冰探測器安裝位置的合理性。

1 某型機結(jié)冰探測器概況及安裝位置要求

1.1 結(jié)冰探測器

某型飛機上選用探頭式結(jié)冰探測器，如圖1所示。結(jié)冰探測器露出機頭表面部分主要分為基座和探頭兩部分，總高度為80 mm，，其中探測器基座高度為55 mm，探頭高度為25 mm。當飛機遭遇結(jié)冰氣象條件時，過冷水滴撞擊到結(jié)冰探測器探頭上，探頭開始結(jié)冰，結(jié)冰量達到一定程度后，探頭振動頻率隨結(jié)冰質(zhì)量的增加而下降，當下降到設(shè)定值時發(fā)出結(jié)冰告警信號，配合飛機防除冰系統(tǒng)，可使飛機在結(jié)冰氣象條件下減小結(jié)冰失事風(fēng)險。

圖1 探頭式結(jié)冰探測器Fig1 Probe ice detector

1.2 安裝位置要求

綜合國內(nèi)外對于結(jié)冰探測器安裝位置的研究，結(jié)冰探測器安裝位置選擇的基本原則主要包括以下4 點：（1）探頭伸出水滴遮蔽區(qū)，過冷水滴能撞擊到探頭上；（2）避免安裝在氣流分離區(qū)和滯止區(qū)；（3）探頭伸出氣流附面層；（4）避免與大氣數(shù)據(jù)傳感器發(fā)生氣動干擾，避開雷達罩、登機門和機組逃生通道等結(jié)構(gòu)限制。

為確保結(jié)冰探測信號準確及時，需對機頭表面進行流場和水滴特性計算，分析結(jié)冰探測器附近水滴濃度，以使結(jié)冰探測器安裝位置符合基本原則。

2 計算方法

2.1 流場計算

假設(shè)氣流為不可壓縮牛頓流體，在不考慮重力場的條件下求解穩(wěn)態(tài)模型，可采用如下N?S 方程［15］

式中：V為氣流速度；ρ為空氣密度；p為靜壓；μ為動力黏度。

2.2 水滴撞擊特性計算

式中：n為壁面法線單位向量；αa為來流水滴體積分數(shù)；αw為微元體水滴體積分數(shù)。

2.3 結(jié)冰計算

綜合考慮影響結(jié)冰的各項因素，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒原理，建立結(jié)冰熱力學(xué)模型。探測器表面及飛機其他結(jié)冰表面微元體的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系［16?17］如圖2、3 所示。

圖2 結(jié)冰表面微元體質(zhì)量平衡Fig.2 Mass balance of icing surface micro-elements

根據(jù)質(zhì)量及能量守恒定律，可得

圖3 結(jié)冰表面微元體能量平衡Fig.3 Energy balance of icing surface micro-elements

式中：mfrz為當前微元體的結(jié)冰質(zhì)量；qfrz為凍結(jié)而釋放的潛熱；min為流入當前微元體的質(zhì)量；qin為前一微元體帶入的熱量；mimp為撞擊到當前微元體的水滴質(zhì)量；qimp為收集水帶入的熱量；mevap為微元體蒸發(fā)的質(zhì)量；qevap為蒸發(fā)帶走的熱量；mout為流出微元體的質(zhì)量；qout為對應(yīng)流出的熱量；qvisc為氣動加熱熱量；qconv為與外界的對流換熱熱量。

上述各項熱流的計算公式如下［18］

式中：h為表面與外界的傳熱系數(shù)，Ts為表面溫度；Tl為附面層溫度；Levap為水的汽化蒸發(fā)潛熱；Tw，in、Tw分別為前一微元體和當前微元體的液態(tài)水溫度；r*為無量綱附面層恢復(fù)系數(shù)，與氣體的普朗特數(shù)有關(guān)；cp，w為水的比定壓熱容；Lfrz為水凍結(jié)成冰的的相變潛熱，ci為冰的比熱容。

引入凍結(jié)系數(shù)f，定義為微元體內(nèi)液態(tài)水的結(jié)冰質(zhì)量流量與進入該微元體的質(zhì)量流量的比值，即

式中，f的取值范圍為0 ≤f≤1。將式（13）及各質(zhì)量項和能量項公式代入式（5，6）中求解得到各微元體內(nèi)的結(jié)冰量。

3 結(jié)冰探測器安裝位置分析

3.1 計算條件

為準確預(yù)測流場及水滴特性，計算條件的選取非常重要。根據(jù)某型飛機的飛行包線，選取了飛機爬升、平飛和下滑3 個飛行狀態(tài)時的典型高度、馬赫數(shù)和迎角作為飛行條件。環(huán)境溫度在結(jié)冰概率較高的溫度區(qū)間-5～-25 ℃之間選取。水滴直徑取20 μm。液態(tài)水含量在中國民航規(guī)章25 部附錄C 中根據(jù)水滴直徑和環(huán)境溫度確定。6種不同計算條件如表1 所示，其中LWC 表示液態(tài)水含量。

表1 6 種計算條件Table 1 Six calculation conditions

3.2 流場及水滴場分析

基于飛機結(jié)構(gòu)布局如圖4 所示。曲線F1和F2之間的機頭區(qū)域為結(jié)冰探測器布置范圍，選取機身表面的點R（Suggested point）為重點考慮位置。過機身軸線和點R的平面為F0平面，過機身軸線和曲線F1的平面為F1平面，過機身軸線和曲線F2的平面為F2平面，以下計算和分析主要針對這3 個平面。

圖4 F0、F1、F2平面示意圖Fig.4 Plane of F0, F1, F2

采用結(jié)冰軟件FENSAP?ICE 對表1 中6 種不同條件下的結(jié)冰狀態(tài)進行三維流場和水滴撞擊特性分析。6 種條件（Cases 1～6）下機頭附近F0截面的液態(tài)水含量分布如圖5 所示。結(jié)冰探測器的長度以三點兩段線（分別表示探測器基座和探頭的長度）的形式放置在點R處。為便于區(qū)分圍繞飛機機頭的水滴遮蔽區(qū)、濃度增加區(qū)和遠場來流濃度區(qū)，本文定義：當?shù)鼐植课恢玫囊簯B(tài)水含量（LWCi）＜遠場來流的液態(tài)水含量（LWC0）時為水滴濃度遮蔽區(qū)；LWCi＞LWC0時為水滴濃度增加區(qū)；LWCi=LWC0時為遠場來流濃度區(qū)。

圖5 表1 計算條件下機頭周圍F0截面液態(tài)水含量分布云圖Fig.5 Liquid water content distribution of F0 section around nose under conditions in Table 1

如圖5 所示，截面與機體表面的交線與濃度增加區(qū)底部之間的深藍色區(qū)域即為水滴濃度遮蔽區(qū)。本文定義機頭表面水滴濃度增加區(qū)開始明顯出現(xiàn)的位置及水滴濃度遮蔽區(qū)大于探測器基座高度55 mm 的位置為危險位置點（Dangerous point，DP）。為確保結(jié)冰探測器探測性能的可靠性，適合放置結(jié)冰探測器位置的區(qū)域應(yīng)為上述兩個危險位置點之間的區(qū)域。

從圖5 中可以看出，交線F0上的兩個危險位置點已經(jīng)標識在圖中，探測器的安裝位置處于兩個危險位置點之間，安裝位置處的水滴濃度遮蔽區(qū)非常薄，探測器長度遠大于遮蔽區(qū)高度，探測器探頭部分位于水滴濃度的增加區(qū)內(nèi)，能夠保證結(jié)冰探測器探測性能的靈敏性。

將6 種條件下3 個截面的危險點坐標標注在機體表面，如圖6 所示?；谏鲜龇治?，可以認為危險位置點聚集的兩處區(qū)域之間的部分為適合安放結(jié)冰探測器的位置區(qū)域。因此，結(jié)合危險位置點的坐標選取y方向的兩個截面S1 和S2，這兩個截面與F1和F2分別相交于A、B、C、D4 點。則四邊形ABCD即為適合安裝結(jié)冰探測器的位置區(qū)域，點R位于該四邊形的中間區(qū)域內(nèi)。

圖6 結(jié)冰探測器建議安裝范圍示意圖Fig.6 Recommended installation range of ice detector

4 結(jié)冰探測器水滴收集特性和結(jié)冰特性計算

4.1 結(jié)冰探測器水滴收集特性計算

為保證結(jié)冰探測器探測信號的準確性，應(yīng)確保探測器表面有水滴撞擊，且探頭表面的最大收集系數(shù)應(yīng)大于機身表面主要迎風(fēng)部件如發(fā)動機進氣道唇口和機翼前緣等的最大收集系數(shù)。選取條件1，通過FENSAP?ICE 三維仿真，分析了R位置處結(jié)冰探測器的水滴流場特性。

圖7、8 分別為條件1 下結(jié)冰探測器周圍和探測器表面的液態(tài)水含量分布及探測器表面的水滴收集特性。結(jié)果表明，探測器已遠遠伸出水滴濃度遮蔽區(qū)，探頭表面的液態(tài)水含量高于來流的液態(tài)水含量分布，氣流中有足夠的水滴撞擊在探頭的表面上，保證了探頭表面液態(tài)水收集的靈敏性。

圖7 條件1 下探測器周圍及表面液態(tài)水含量分布云圖Fig.7 Liquid water content distribution around and on sur?face of detector of Case 1

圖8 條件1 下局部收集系數(shù)在探測器表面的分布Fig.8 Distribution of local collection coefficient on detector surface of Case 1

相對于飛機迎風(fēng)部件如機翼前緣，探頭式結(jié)冰探測器的尺寸非常小，其局部水收集系數(shù)遠遠大于機翼、尾翼等表面的局部水收集系數(shù)，因此只要結(jié)冰探測器探頭布置于水滴遮蔽區(qū)外，探頭的局部水收集系數(shù)必定大于飛機迎風(fēng)部件表面的局部水收集系數(shù)［13］。

4.2 結(jié)冰探測器結(jié)冰特性計算

在確保探測器表面有水滴撞擊的同時，還應(yīng)保證探測器探頭表面的結(jié)冰特性等級不低于機身表面主要迎風(fēng)部件如發(fā)動機唇口和機翼前緣等的結(jié)冰特性等級。而評價結(jié)冰探測器結(jié)冰特性主要從結(jié)冰強度和結(jié)冰程度兩個方面入手。在以下的分析中，選取爬升階段（條件1）、平飛階段（條件4）和下滑階段（條件5）3 種典型的結(jié)冰條件，采用FENSAP?ICE 軟件三維仿真，分析R處結(jié)冰探測器的結(jié)冰特性。

4.2.1 結(jié)冰強度

結(jié)冰強度指冰在飛機部件表面形成的速度，即在單位時間內(nèi)的結(jié)冰厚度，單位為mm/min。結(jié)冰強度可分為弱、中度、強和極強4 個等級，如表2所示［18］。

表2 結(jié)冰強度等級Table 2 Icing intensity level

根據(jù)飛機使用的結(jié)冰探測器的工作原理，其探頭表面結(jié)冰厚度達到0.5 mm 時，探測系統(tǒng)開始告警，探頭表面結(jié)冰厚度達到1.0 mm 時，探頭開始加熱除冰。因此，本文通過結(jié)冰仿真得到探頭表面結(jié)冰厚度為0.5 mm 和1.0 mm 的時間間隔Δt，確定在該時間段內(nèi)探測器表面的結(jié)冰厚度Δh，進而得出探測器的結(jié)冰強度J0（J0=Δh/Δt）。同時，為了獲得結(jié)冰告警期間對應(yīng)的其他部件結(jié)冰情況，計算同樣結(jié)冰環(huán)境中相同時間段（Δt）內(nèi)機翼和發(fā)動機唇口處的最大結(jié)冰厚度（分別為Δδ1和Δδ2）。

表3 為3 種結(jié)冰條件下探測器探頭表面結(jié)冰強度、發(fā)動機唇口結(jié)冰強度和機翼結(jié)冰強度的計算結(jié)果。

表3 探測器結(jié)冰強度Table 3 Icing intensity of detector

通過對比發(fā)現(xiàn)，只在條件4 下，探頭表面出現(xiàn)的是弱結(jié)冰強度，其余兩個狀態(tài)為強結(jié)冰；而發(fā)動機唇口和機翼的結(jié)冰強度均為弱結(jié)冰。探測器的結(jié)冰強度不低于發(fā)動機唇口和機翼的結(jié)冰強度，探測器的結(jié)冰強度預(yù)警滿足要求。

4.2.2 結(jié)冰程度

結(jié)冰程度是指飛行時間內(nèi)飛機表面所結(jié)冰層的最大厚度?；陲w行試驗數(shù)據(jù)，結(jié)冰程度的分級情況如表4 所示［18］。

表4 結(jié)冰程度等級Table 4 Icing degree level

表5 所示為探測器探頭表面、發(fā)動機唇口和機翼最大結(jié)冰厚度hmax的計算結(jié)果。通過對比可看出，在所有結(jié)冰狀態(tài)中，探測器探頭表面的結(jié)冰厚度高于發(fā)動機唇口及機翼的結(jié)冰厚度。上述對比表明探測器的結(jié)冰程度不低于機體上主要部件迎風(fēng)面上的結(jié)冰程度，充分說明探測器安裝位置是合理有效的。

表5 部件表面最大結(jié)冰厚度對比Table 5 Comparison of maximum icing thickness oncomponent surface

5 結(jié)論

本文針對某型飛機結(jié)冰探測器，闡述了結(jié)冰探測器安裝位置要求，采用三維仿真模擬了多種結(jié)冰條件下機頭表面流場和水滴撞擊特性，通過定義水滴濃度遮蔽區(qū)和水滴濃度增加區(qū)分析機頭的水滴撞擊特性，引入危險位置點確定結(jié)冰探測器合理的安裝范圍，并通過結(jié)冰探測器表面與飛機主要迎風(fēng)部件表面的結(jié)冰特性仿真對比分析，驗證安裝位置的合理有效。