李賀,張建軍,傅耘,石慧,萬(wàn)軍
(1.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所,北京 100028;2.西南技術(shù)工程研究所,重慶 400039)
嚴(yán)寒地區(qū)是指全年有3個(gè)月以上時(shí)間冰雪覆蓋,月極端氣溫在-30 ℃以下的區(qū)域[1]。我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)分布廣泛,極低的氣溫和長(zhǎng)久的低溫持續(xù)時(shí)間嚴(yán)重影響了航空裝備的使用性能,由低溫環(huán)境引發(fā)的飛機(jī)故障覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品及機(jī)電產(chǎn)品,涉及起落架、燃油、電線(xiàn)電纜、飛控、液壓等各個(gè)系統(tǒng),極大影響了飛機(jī)的作戰(zhàn)效能。尤其是對(duì)于服役于東北、西藏等嚴(yán)寒地區(qū)飛機(jī),在服役期間有超過(guò)90 %的時(shí)間處于地面停放狀態(tài)[2],長(zhǎng)久低溫環(huán)境使得低溫疲勞不斷累積,不僅降低了飛機(jī)的可靠性,對(duì)其壽命也產(chǎn)生了不利影響。另外,當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室低溫環(huán)境試驗(yàn)條件缺乏針對(duì)性,無(wú)法準(zhǔn)確反映設(shè)備所處的極限誘發(fā)環(huán)境溫度。因此,確定飛機(jī)真實(shí)服役環(huán)境條件下各艙室溫度變化規(guī)律,準(zhǔn)確掌握飛機(jī)在嚴(yán)寒環(huán)境下的全機(jī)溫度分布,對(duì)于解決飛機(jī)低溫故障頻發(fā)問(wèn)題,優(yōu)化機(jī)載設(shè)備低溫環(huán)境試驗(yàn)條件,提高飛機(jī)維修保障能力有著重要意義。
限于極限環(huán)境出現(xiàn)的窗口期,一般無(wú)法獲得裝備在真實(shí)服役條件下的極限溫度數(shù)據(jù),工程上通常采用溫度預(yù)測(cè)方法,對(duì)溫度環(huán)境條件進(jìn)行預(yù)測(cè),以指導(dǎo)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件的制定。目前,平臺(tái)溫度數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法主要分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法和流體力學(xué)計(jì)算(CFD)仿真法,其中,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法又包括統(tǒng)計(jì)歸納法[3]、基于物理傳熱機(jī)制的建模方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4-7],相較于統(tǒng)計(jì)歸納與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等依靠數(shù)據(jù)本身變化規(guī)律的方法,基于物理傳熱機(jī)制的方法同時(shí)兼顧的裝備的物理狀態(tài)變化以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),具有更高的準(zhǔn)確度以及泛化能力。S.P.Mahulikar等[8]應(yīng)用物理傳熱機(jī)制模型對(duì)飛機(jī)后機(jī)身蒙皮溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。王浚[9]根據(jù)飛機(jī)座艙的傳熱機(jī)制推導(dǎo)了座艙溫度的數(shù)學(xué)模型。傅耘等[10]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了飛機(jī)平臺(tái)動(dòng)態(tài)溫度預(yù)測(cè)模型,通過(guò)輸入飛機(jī)飛行的高度和馬赫數(shù),獲取飛機(jī)后設(shè)備艙的溫度。羅成等[11]基于熱網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了導(dǎo)彈艙室在貯存環(huán)境下的溫度變化。PANG等[12]基于熱網(wǎng)絡(luò)模型建立了某型無(wú)人機(jī)在高海拔長(zhǎng)航時(shí)過(guò)程中的溫度預(yù)測(cè)模型,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外對(duì)于停放狀態(tài)下的飛機(jī)整機(jī)平臺(tái)環(huán)境研究較少,而在真實(shí)的嚴(yán)寒服役條件下的研究則基本處于空白。
本文基于某型飛機(jī)在我國(guó)西南某區(qū)域嚴(yán)寒區(qū)域下的真實(shí)服役停放狀態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次分區(qū),研究了飛機(jī)溫度誘發(fā)環(huán)境的分析方法,確定了整機(jī)不同艙室的溫度變化規(guī)律,并以外界氣候環(huán)境溫度為輸入,采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與物理傳熱機(jī)制方法,分別建立飛機(jī)溫度的雙層回歸模型和多模式換熱模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)各艙室溫度的預(yù)測(cè),為機(jī)載設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與精準(zhǔn)保障提供支撐。
本文針對(duì)某型飛機(jī)開(kāi)展了全機(jī)溫度環(huán)境實(shí)測(cè)工作,并對(duì)其溫度環(huán)境進(jìn)行分析與研究。飛機(jī)所處區(qū)域?yàn)槲覈?guó)西南某地區(qū),屬于典型的嚴(yán)寒地區(qū)。飛機(jī)露天停放于外場(chǎng)停機(jī)坪,無(wú)遮擋物。為了充分了解全機(jī)環(huán)境分布,在飛機(jī)座艙、設(shè)備艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、起落架艙、蓄電池艙、中央設(shè)備艙、尾梁、蒙皮等8個(gè)區(qū)域設(shè)置24個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),1個(gè)外界百葉箱溫度采集點(diǎn)。測(cè)量時(shí)間選擇為溫度環(huán)境最為嚴(yán)酷的1月份夜間,測(cè)量周期1周。
嚴(yán)寒環(huán)境測(cè)量采用IMC SPARTAN數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng),T型熱電偶進(jìn)行溫度采集,熱電偶測(cè)量精度小于0.5 ℃,溫度響應(yīng)時(shí)間為0.5 s,測(cè)量頻率1 Hz。詳細(xì)測(cè)點(diǎn)分布如表1所示。
表1 溫度測(cè)點(diǎn)分布
環(huán)境分區(qū)是進(jìn)行全機(jī)溫度環(huán)境分析的基礎(chǔ)。本文環(huán)境分區(qū)是通過(guò)兩步完成的:一是根據(jù)飛機(jī)平臺(tái)的傳熱特性,將相似傳熱結(jié)構(gòu)的艙室進(jìn)行歸類(lèi)[13];二是在數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。最終,全機(jī)分為設(shè)備艙、座艙、燃油和液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、起落架艙、機(jī)翼和尾梁六部分,具體如圖1所示。
圖1 某型飛機(jī)溫度環(huán)境分區(qū)示意圖
以2020年1月16日為例,按照分區(qū)結(jié)果給出整個(gè)夜間各個(gè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù),其中,艙室溫度取該艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度平均值。為顯示各艙室溫度與外界溫度環(huán)境關(guān)系,將百葉箱溫度也繪入圖中,具體溫度分布如圖2所示。
通過(guò)圖2溫度變化曲線(xiàn)可以看出,飛機(jī)在夜間外場(chǎng)停放期間,各區(qū)域溫度與外界環(huán)境正相關(guān),隨時(shí)間推移呈平穩(wěn)下降的趨勢(shì),最終趨于一定值。其中,發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度最高,機(jī)翼和尾梁溫度最低,座艙、設(shè)備艙、燃油和液壓系統(tǒng)、起落架艙內(nèi)溫度依次降低,平穩(wěn)時(shí),各區(qū)域溫差減小,全機(jī)溫度分布趨于均勻。
圖2 1月16日各區(qū)域溫度變化曲線(xiàn)
發(fā)動(dòng)艙溫度明顯高于其他艙室,這是因?yàn)楫?dāng)日清晨存在試車(chē),燃燒釋熱使得發(fā)動(dòng)機(jī)附近初始溫度較高導(dǎo)致的。機(jī)翼和尾梁溫度最低,甚至低于外界大氣溫度,主要有以下三方面原因:一是相對(duì)于機(jī)內(nèi)設(shè)備,蒙皮直接與外界環(huán)境接觸,無(wú)防護(hù)措施;二是由于蒙皮為金屬材料,熱容較小,熱量變化較快;三是夜間蒙皮對(duì)外空間輻射散熱。
整體而言,各艙室設(shè)備誘發(fā)環(huán)境溫度相差較大,最大溫差>10 ℃,針對(duì)不同的艙室內(nèi)的設(shè)備,在進(jìn)行低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與制定低溫環(huán)境試驗(yàn)條件時(shí),應(yīng)采取不同的方法及量值。
雙層回歸分析是指通過(guò)兩次回歸分析,確定變量之間的函數(shù)關(guān)系。本部分建立溫度預(yù)測(cè)模型的思路是:以百葉箱溫度(即外界氣溫)T0為自變量,考慮環(huán)境因素的影響,建立艙室溫度Ti變化的函數(shù)關(guān)系。
飛機(jī)在外場(chǎng)停放時(shí),外界氣候環(huán)境是其內(nèi)部溫度變化的主驅(qū)動(dòng)力。低溫、日照、大風(fēng)、降雪等也會(huì)對(duì)飛機(jī)內(nèi)溫度環(huán)境產(chǎn)生影響。由前文分析可知,外界大氣溫度為飛機(jī)溫度變化的冷源,低溫將直接導(dǎo)致艙室內(nèi)溫度降低;日照提供了熱輻射的熱源,可提高飛機(jī)溫度;大風(fēng)加快了空氣流動(dòng),使得強(qiáng)迫對(duì)流換熱量增加;雪花可以阻礙機(jī)體結(jié)構(gòu)的散熱,但是融化時(shí)又會(huì)吸熱導(dǎo)致飛機(jī)溫度降低。除此之外,不同艙室由于所處的位置不同,與外界熱交換的情況也有所不同。因此,氣候環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)因素是影響飛機(jī)溫度環(huán)境變化的關(guān)鍵。
為避免氣候因素干擾,選取晴朗無(wú)風(fēng)夜間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,此時(shí)建立的模型只與飛機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)。數(shù)據(jù)再現(xiàn)外界氣溫與機(jī)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況,可發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)溫度與外界氣溫近似呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系。由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在試車(chē)狀態(tài),溫度遠(yuǎn)高于正常停放狀態(tài),故暫不分析。采用線(xiàn)性回歸算法,對(duì)上述各測(cè)點(diǎn)關(guān)系擬合,得到各測(cè)點(diǎn)隨氣溫變化關(guān)系系數(shù)如表2所示。其中,k為斜率,b為截距,r2為擬合優(yōu)度。
表2 晴朗無(wú)風(fēng)夜晚系數(shù)擬合表
根據(jù)系數(shù)擬合情況,對(duì)飛機(jī)進(jìn)行二次分區(qū)。各區(qū)域回歸方程如下:
艙室Ⅰ,T1=0.996T0+0.8425;
艙室Ⅱ,T2=1.670T0+13.8437;
艙室Ⅲ,T3=1.464T0+10.1316;
艙室Ⅳ,T4=2.051T0+23.4483;
艙室Ⅴ,T5=1.115T0+3.7393;
艙室Ⅵ,T6=1.080T0+1.2020。
由此得到晴朗無(wú)風(fēng)夜間飛機(jī)各艙室與外界氣溫之間的定量關(guān)系。
考慮到大風(fēng)、降雪等其他影響因素,需要對(duì)上述模型進(jìn)行修正。選取典型的風(fēng)雪天氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合,得到系數(shù)與k、b之間關(guān)系分布如圖3所示。
由圖3可知,添加了風(fēng)雪影響的系數(shù)k2,b2與晴朗無(wú)風(fēng)條件下的系數(shù)k,b之間存在很好的線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)其進(jìn)行回歸擬合可得:k2=2.216k-0.9528,b2=1.524b+5.5539。將 其帶入晴朗無(wú)風(fēng)環(huán)境模型,即可得出飛機(jī)艙內(nèi)溫度與外界氣溫的定量關(guān)系。
圖3 考慮風(fēng)雪因素的模型系數(shù)與晴朗無(wú)風(fēng)模型系數(shù)關(guān)系
為檢驗(yàn)上述模型的準(zhǔn)確性,首先任選一未參與參數(shù)擬合的無(wú)風(fēng)天氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行模型精度檢驗(yàn),本文選取1月14日艙室Ⅰ、Ⅵ的溫度測(cè)量結(jié)果,預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差如圖4和圖5所示。
由圖4和圖5可知,基于晴朗無(wú)風(fēng)天氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的溫度預(yù)測(cè)模型具有較好的精度,針對(duì)不同艙室,預(yù)測(cè)的最大誤差穩(wěn)定在2 ℃以?xún)?nèi)。
圖4 晴朗無(wú)風(fēng)夜晚艙室Ⅰ溫度預(yù)測(cè)值及誤差
圖5 晴朗無(wú)風(fēng)夜晚艙室Ⅵ溫度預(yù)測(cè)值及誤差
任選一未參與參數(shù)擬合的風(fēng)雪天氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行模型精度檢驗(yàn),本文選取1月16日艙室Ⅰ、Ⅵ的溫度測(cè)量結(jié)果,預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差如圖6和圖7所示。
分析圖6和圖7可知,在晴朗無(wú)風(fēng)模型的基礎(chǔ)上,考慮風(fēng)雪因素后,模型的預(yù)測(cè)精度有所下降,遍歷所有區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果,模型最大誤差為3.84 ℃。因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別飛機(jī)所處的氣候環(huán)境,從而選擇相應(yīng)的溫度預(yù)測(cè)方法。
圖6 添加風(fēng)雪因素后的艙室Ⅰ溫度預(yù)測(cè)值及誤差
圖7 添加風(fēng)雪因素后的艙室Ⅵ溫度預(yù)測(cè)值及誤差
上文利用雙層回歸算法可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)飛機(jī)停放時(shí)各艙室的溫度,由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特性,未能體現(xiàn)飛機(jī)熱環(huán)境的形成與傳遞機(jī)制,因此模型的應(yīng)用受到較多限制。為建立更加準(zhǔn)確、應(yīng)用更廣的預(yù)測(cè)模型,本部分對(duì)飛機(jī)的傳熱機(jī)理進(jìn)行分析,采用集中參數(shù)法,建立溫度預(yù)測(cè)模型。建模的思路是:以某一艙室為研究對(duì)象,通過(guò)分析其內(nèi)外傳熱關(guān)系,建立基于傳熱機(jī)制的物理模型,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行擬合,最終得到該艙室內(nèi)溫度隨外界氣溫的變化關(guān)系。
飛機(jī)停放于外界停機(jī)坪,其熱環(huán)境主要由內(nèi)外環(huán)境共同作用決定。內(nèi)環(huán)境是指飛機(jī)內(nèi)部空氣、設(shè)備、壁面(包括桁架)之間的換熱,主要包括艙內(nèi)設(shè)備工作發(fā)熱、環(huán)控系統(tǒng)冷卻、設(shè)備與設(shè)備之間的熱輻射、設(shè)備與內(nèi)壁(包括桁架)間的熱傳導(dǎo)及熱輻射、設(shè)備與環(huán)控冷卻氣間的對(duì)流換熱、壁面與空氣間的對(duì)流換熱、蒙皮與內(nèi)壁之間的導(dǎo)熱等。外環(huán)境是指以飛機(jī)為整體,與外界發(fā)生的質(zhì)量與能量交換,主要包括太陽(yáng)對(duì)飛機(jī)表面的輻射、上層空間對(duì)飛機(jī)上表面的輻射、地表對(duì)飛機(jī)下表面的輻射、飛行過(guò)程中外部氣流與蒙皮間產(chǎn)生的氣動(dòng)熱等。
以飛機(jī)蒙皮為例,由于是夜間停放,且艙內(nèi)設(shè)備和環(huán)控系統(tǒng)均不工作,忽略地面輻射,則其熱耗散方式主要包括與外部空氣對(duì)流換熱、與外部空氣間的熱輻射以及與機(jī)體內(nèi)壁面間的熱傳導(dǎo)。根據(jù)能量守恒定律,可獲得蒙皮的熱流方程如下:
式中:
cps—蒙皮材料的熱容;
ms—蒙皮質(zhì)量;
h0—蒙皮與空氣的對(duì)流換熱系數(shù);
ε—蒙皮發(fā)射率(黑度);
σ—斯忒藩-玻爾茲曼常量,其值為5.67×10-8W/(m2·K4);
λ—導(dǎo)熱系數(shù);
l—壁面厚度;
AS—蒙皮面積;
t—時(shí)間;
TS—蒙皮表面溫度;
Ti—壁面內(nèi)表面溫度;
Te—外界氣溫。
考慮到蒙皮溫度主要隨外界氣溫變化,受內(nèi)部導(dǎo)熱影響較小,故忽略壁面導(dǎo)熱的影響。又上述各參數(shù)中,熱容、質(zhì)量、面積等系數(shù)均為常數(shù),故上式可簡(jiǎn)化為
式中:
A、B—常數(shù)。
將式(2)進(jìn)行離散化,得到方程如下:
式中:
上標(biāo)n—第n時(shí)刻的取值。
任取三天溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(含風(fēng)雪、晴朗天氣),對(duì)方程(5)進(jìn)行參數(shù)擬合。擬合方法選擇逐步回歸法,在不斷引入自變量的同時(shí),剔除不顯著變量,直至方程不再引入和剔除變量即達(dá)到“最優(yōu)”為止。得到參數(shù)擬合結(jié)果如表3。
表3 參數(shù)擬合表
最終獲得模型方程如下:
對(duì)于飛機(jī)內(nèi)其他艙室的溫度,可采取相同辦法進(jìn)行熱環(huán)境分析,并引入預(yù)測(cè)的蒙皮溫度,最終獲得其溫度的預(yù)測(cè)值,由于方法相同,本文不在此贅述。
為檢驗(yàn)上述模型的準(zhǔn)確性,任選一未參與參數(shù)擬合實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,本文選取1月15日機(jī)身蒙皮的測(cè)量結(jié)果,預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差如圖8所示。
圖8 多模式換熱模型蒙皮溫度預(yù)測(cè)值及誤差
對(duì)實(shí)測(cè)溫度與模型預(yù)測(cè)溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)表4。其中,最大偏差:
表4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果
平均偏差
相關(guān)系數(shù)為
式中:
Tj—第j個(gè)溫度值;
n—測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù),本樣本n=44666。
由圖8及表4可知,本文提供的溫度預(yù)測(cè)模型具有較好的精度,對(duì)于機(jī)身蒙皮溫度的預(yù)測(cè),最大誤差不超過(guò)2 ℃。以蒙皮溫度為輸入,建立其他艙室與蒙皮之間的熱平衡方程,求解得到各艙室溫度分布。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果,其他艙室預(yù)測(cè)最大誤差不超過(guò)3 ℃。相較于雙層回歸模型,該模型雖然建模過(guò)程較為復(fù)雜,但是準(zhǔn)確度更高,適用范圍更廣。
本文通過(guò)對(duì)停放于某嚴(yán)寒地區(qū)飛機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、分析與預(yù)測(cè),明確了嚴(yán)寒環(huán)境下全機(jī)溫度環(huán)境的變化規(guī)律,建立了準(zhǔn)確的全機(jī)溫度誘發(fā)環(huán)境的預(yù)測(cè)模型。形成主要結(jié)論如下:
1)在進(jìn)行溫度環(huán)境分析與預(yù)測(cè)時(shí),良好的環(huán)境分區(qū)是工作開(kāi)展的基礎(chǔ),本文根據(jù)飛機(jī)不同結(jié)構(gòu)的傳熱特性與數(shù)據(jù)分布情況,將全機(jī)分為6個(gè)區(qū)域,分析了不同區(qū)域下全機(jī)溫度變化情況,獲得了全機(jī)溫度變化規(guī)律:嚴(yán)寒環(huán)境下,飛機(jī)在停放過(guò)程中,其內(nèi)部各艙室溫度與外界溫度變化正相關(guān),同時(shí)受到機(jī)身結(jié)構(gòu)位置與大風(fēng)、降雪等氣候環(huán)境的影響,機(jī)翼和尾梁等外露部分是全機(jī)溫度最低區(qū)域。
2)分別基于回歸分析與傳熱分析方法建立了溫度預(yù)測(cè)模型。其中,雙層回歸模型建模方法相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)于晴朗無(wú)風(fēng)夜晚預(yù)測(cè)精度較高,在風(fēng)雪天氣精度有所降低,最大誤差不超過(guò)4 ℃;多模式換熱模型建模方法相對(duì)復(fù)雜,可準(zhǔn)確表征飛機(jī)的熱環(huán)境形成與傳遞機(jī)制,預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確,最大誤差不超過(guò)3 ℃。在進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)預(yù)期精度要求與數(shù)據(jù)信息情況進(jìn)行選擇,如對(duì)精度要求不高,外界氣候信息掌握較為全面時(shí),可采用回歸分析方法。
3)通過(guò)溫度環(huán)境預(yù)測(cè)模型,掌握全機(jī)溫度環(huán)境嚴(yán)酷程度,可應(yīng)用于不同區(qū)域艙內(nèi)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確提出、環(huán)境試驗(yàn)條件準(zhǔn)確確定和精準(zhǔn)保障等方面,對(duì)于裝備環(huán)境適應(yīng)性與環(huán)境試驗(yàn)工作的提升具有一定價(jià)值。