試驗機結冰氣象探測器安裝位置及高度研究

張鋒 張瑋欣

摘 ? 要：基于某大型民用客機，采用數(shù)值仿真方法，仿真計算試驗機的水滴撞擊特性。選取機身、機翼上可能的安裝點位，通過對比分析安裝點位附近的LWC與遠場LWC，確定安裝點位處安裝結冰氣象探測器（CCP）所需的安裝高度，研究結冰氣象探測器（CCP）在試驗機機身、機翼上的安裝位置、高度之間的關系。為試驗機結冰試飛中CCP探測器位置的選取和安裝高度的確定提供技術參考。

關鍵詞：結冰試飛 ?結冰氣象探測器 ?安裝位置 ?計算流體力學

中圖分類號：V244 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0034-04

1 ?引言

飛機結冰常常會給飛行安全帶來極大的危害，需要在試飛階段根據(jù)相關適航條款，對待定型的飛機進行自然結冰試驗驗證，以充分了解待定型飛機的結冰特性、防除冰系統(tǒng)的工作性能與工作邏輯，以及結冰對飛行性能、飛行品質的影響等，找出設計缺陷，為優(yōu)化設計提供重要參考，從而保證后期商業(yè)運行中的飛行安全。

自然結冰試飛需要苛刻的氣象條件，CCAR-25-R4.附錄C對此有著嚴格的規(guī)定。結冰氣象探測器（CCP）作為國際上公認的結冰氣象探測設備，可以精準測量結冰氣象的相關參數(shù)（LWC與MVD），為自然結冰試飛提供真實的結冰環(huán)境參數(shù)支持。在真實的結冰試飛中，由于氣流的影響，結冰氣象探測器能否準確測量相關參數(shù)主要取決于其在飛機上的安裝位置。所以需要研究結冰氣象探測器（CCP）在試驗機上的安裝位置，以保證其可以準確測量試驗機所處的自然結冰氣象條件，從而保證試飛科目的有效性及符合性。

2 ?國內外研究現(xiàn)狀

George A.Isaac等人提出了結冰氣象探測器安裝位置選取的一些基本原則，定性地給出了通常的安裝位置[1]。國內學者對結冰氣象探測器的研究相對較少，主要研究了結冰探測器的種類、原理及安裝位置等。張杰等人研究了國內外的結冰探測傳感器的原理、類別等[2]，朱程香等人研究了探頭式結冰探測器的安裝位置[3]，劉巍等人研究了平模式結冰探測器的安裝位置[4]。

結冰氣象探測器（CCP）不同于結冰探測器，它是機載粒子測量系統(tǒng)的一種，測量對象為試驗機所處的結冰氣象條件，主要為液體水含量（LWC）和平均有效水滴直徑（MVD）。結冰氣象探測器基本尺寸為970mm×220mm×290mm，重量約13kg（見圖1）。

3 ?研究方法

基于某大型民用客機，根據(jù)試飛需求，選取典型的計算狀態(tài)，采用數(shù)值仿真方法，計算仿真試驗機的水滴撞擊特性。選取機身、機翼上典型的安裝點位，通過對比分析研究點位附近的LWC與遠場的LWC，確定安裝點位的安裝高度，繪制安裝位置-高度曲線圖，研究結冰氣象探測器（CCP）在試驗機機身、機翼上安裝位置和安裝高度之間的關系。

3.1 安裝基本原則

根據(jù)CCAR-25-R4.附錄C的規(guī)定，結合實際的結冰飛行條件和探測器的特性，提出以下安裝原則：

（1）避開水滴遮蔽區(qū);

（2）對于20～40μm直徑的液滴，都能探測到;

（3）在飛機的有效飛行迎角、側滑角范圍內，探測器均有效;

（4）安裝在液態(tài)水含量值（LWC）梯度變化較平緩的區(qū)域。

3.2 計算狀態(tài)

（1）飛行條件。

V：100m/s

H：3km

AOA：0;4;8;12

β：-8;-4;0;4;8

（2）結冰氣象條件。

MVD：20um，40um

LWC：1g/m^2

T：-10°C

3.3 網(wǎng)格劃分

對不帶探測器的干凈試驗機進行非結構網(wǎng)格劃分，在機身表面生成棱柱網(wǎng)格以模擬附面層，飛機第一層附面層網(wǎng)格高度為飛機平均氣動弦長的10-4量級，相鄰兩層附面層厚度之比為1.2，半模網(wǎng)格量約800萬，圖2為該試驗機的半模非結構網(wǎng)格。

3.4 空氣流場計算

采用三維可壓縮流定常N-S方程的積分形式進行數(shù)值模擬，其通式在直角坐標系中可表示為：

式（1）中各變量的定義見文獻[5]，計算中采用格心格式的有限體積法對控制方程進行離散，湍流模型選擇SST ?k-ω模型，計算中涉及的邊界條件有遠場邊界條件和物面邊界條件，遠場邊界距離模型20倍的機身長度，物面為無滑移邊界條件。

3.5 水滴撞擊特性計算

在空氣流場計算仿真的基礎上，采用歐拉法，建立質量守恒和動量守恒控制方程，計算試驗機周圍的液態(tài)水含量分布情況，得到試驗機的水滴撞擊特性。

4 ?結果及分析

4.1 基本規(guī)律

（1）水滴直徑（MVD）越大，遮蔽區(qū)越大。

（2）飛行迎角越大，水滴遮蔽區(qū)越大。

在機身對稱面和機翼各剖面區(qū)域，遮蔽區(qū)隨著MVD和迎角的增加而增大。由于直徑大的水滴慣性相對較大，氣流對其產生的影響相對較小，在相同的迎角下，其運動軌跡相對更接近于直線，所以大水滴遮蔽區(qū)相對較大，見圖3;在相同的MVD情況下，水滴慣性相同，氣流對其影響相當，飛行迎角的增加使得上翼面的水滴遮蔽區(qū)相對較大，見圖4。

4.2 機翼安裝分析

由圖5可知，當飛機以20°側滑角飛行時，機翼內側處于機身水滴裝機特性的影響區(qū)內，發(fā)動機短艙對機翼水滴撞擊特性的影響在展向位置不會超過9.3m，選擇機翼展向10m和15m處剖面研究CCP探測器的安裝位置和安裝高度。

由4.1可知，在正迎角飛行時，機翼上的水滴遮蔽區(qū)主要集中在上翼面，所以上翼面不適于安裝CCP探測器。在下翼面，飛機迎風區(qū)域附近有較高的液態(tài)水含量分布區(qū)，該區(qū)域為液態(tài)水含量的濃度增加區(qū)，再往外發(fā)展，濃度增加區(qū)慢慢變弱，直至同遠場的濃度。圖6為機翼下翼面安裝CCP探測器所需要的支撐高度隨當?shù)叵议L的關系。由圖6可知：

（1）在機翼展向10m和15m的處，下翼面安裝CCP探測器所需的安裝高度和位置規(guī)律相似。

（2）在各種飛行和氣象條件下，機翼下翼面安裝CCP探測器所需高度均不超過0.33m，易于滿足結構設計需求。

（3）當MVD相同時，隨著飛行迎角的增大，在同一位置安裝CCP探測器所需要的高度越高。

當迎角相同時，MVD越大，在同一位置安裝CCP探測器所需的高度越高。

4.3 機身安裝分析

機身單側加裝CCP探測器一般會產生較大的非對稱力矩，對載機的操穩(wěn)特性影響較大，一般不建議加裝在飛機側方。選取機身對稱面上、下各5個安裝點位，見圖7，研究機身對稱面處安裝位置與安裝高度之間的關系，見圖8，由圖8可知：

（1）機背安裝CCP探測器所需要的支撐高度遠大于機腹，這主要是由于飛機正迎角飛行時，機背遮蔽區(qū)遠大于機腹所致。

（2）機背安裝CCP探測器，在所有飛行迎角下，安裝位置越遠離機頭，所需要的高度越高;在相同的安裝位置，安裝探測器所需高度隨迎角的增加而增大，隨MVD的增大而增大。若使安裝高度小于1m，需要在X<10m處安裝。

機腹安裝CCP探測器，當飛行迎角為0°時，安裝位置越遠離機頭，安裝探測器所需要的高度越大;在其他正迎角下，安裝高度隨飛機縱坐標變化較小;在相同的安裝位置，安裝探測器所需高度隨MVD的增大而增加。在X=10m處，安裝高度需不小于0.52m。

5 ?結語

基于某大型民用客機，分析研究了CCP探測器在試驗機上可能的安裝位置，給出了機身和機翼下翼面安裝位置和安裝高度的對應關系，形成主要結論如下：

（1）機背和機翼上翼面遮蔽區(qū)隨著水滴直徑MVD和飛行迎角的增加而增大。

（2）機翼外側下翼面安裝CCP探測器時，安裝高度均小于0.33m。

（3）在機身背部安裝使安裝CCP探測器時，若要使安裝高度小于1m，則需要在X<10m處確定安裝位置。

（4）機身腹部雖然相對機身背部所需的安裝高度較低，但由于CCP探測器對環(huán)境的較高要求，實際使用中并不推薦安裝在機腹。

參考文獻

[1] Measuring Cloud Parameters for In-Flight Icing Certification Tests. George A.Isaac*，Stewart G. Cober and J. Walter Strapp. AIAA 2005-857. 10-13 January 2005.

[2] 張杰，周磊，張洪，等.飛機結冰探測技術[J].儀器儀表學報，2006（12）：1579-1586.

[3] 朱程香，孫志國，付斌，等.探頭式結冰探測器安裝位置分析[J].航空動力學報，2011（12）：2677-2683.

[4] 劉巍，葉林.平模式結冰探測器大型客機機翼安裝位置研究[D].華中科技大學，2011.

[5] 陳科甲，白俊強，朱軍.發(fā)動機短艙對翼身組合體跨音速氣動特性影響研究[J].航空計算技術，2010，40（1）：64.