對某型號民用飛機迎角傳感器安裝位置的研究

摘要：迎角傳感器通過感知周圍流場的方向，有效的測量飛機的迎角，并將迎角信號發送至相關系統，達到防止飛機進入失速狀態的目的。流體力學計算軟件具有模擬氣流流場特性的功能。本文通過流體力學計算軟件模擬出某型號民用飛機在不同的飛行條件下，機頭區域的流場圖譜以及壓力云圖。在相關圖譜的分析支持下，從理論上選擇出符合迎角傳感器安裝要求的位置。

關鍵詞：迎角 迎角傳感器 失速保護系統 計算流體力學 附面層

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

隨著航空科技的發展，對飛機失速現象的預防已經有一套有效的預警機制和系統。根據飛機失速特性的不同，各型號民用飛機在臨近自身的失速迎角時，均能采用觸覺、聽覺和視覺的告警方式提醒飛行機組，甚至部分失速保護系統還能在飛行機組對告警疏忽的情況下，主動控制飛機駕駛桿以降低仰角，從而避免飛機進入失速區域。迎角傳感器作為失速保護系統的重要組成設備，是發出告警信息以及主動作動信號的核心器件。而迎角傳感器發出這些信息的前提是能夠正確的感知氣流的方向，從而判斷出飛機的迎角，達到保護的目的。因此，迎角傳感器能否通過正確的安裝測量出飛機迎角，對于整個失速保護系統來講至關重要。

隨著計算流體力學技術和軟件技術的發展，計算流體力學分析（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件在氣動力學領域的應用日益廣泛并深入，不僅為工程設計提供了強有力的手段，而且極大地提高了效率并實現了成本的降低。本文通過使用CFD軟件建立飛機流體模型，對某民用型號飛機機頭的流場進行分析，總結了流場的氣動和壓力分布特性，并重點討論了迎角傳感器的安裝位置選擇問題。

1 迎角傳感器簡介

迎角傳感器是專門用于測量飛機迎角的設備，廣泛應用于各種民用航空機型，例如CRJ-700/900，737-600/700/800/900等。迎角傳感器主要是由風標探頭組成。風標探頭置于機體外側，用于感知周圍氣流方向，測量出飛機的迎角，進而將測出的模擬數據發送至失速保護計算機轉換成數字信號，然后再由失速保護計算機發送至其他相關系統。

在實際安裝工作中，風標探頭的靈敏度是迎角傳感器穩定運行的前提。首先要保證風標探頭能夠靈敏地感知氣流方向，才能達到失速保護系統功能的穩定。而以上問題便是本文研究的方向和重點，目的在于通過CFD軟件流場分析的方法研究某型號民用飛機的流場特性，為迎角傳感器安裝位置的選擇提供理論支持。

2 迎角傳感器安裝位置要求

迎角傳感器作為一種測量飛機迎角的設備，需要靈敏地感知氣流方向。由于現代民用飛機的氣動外形、機身長度、寬度等方面不同，在氣動特性方面存在較大的差異，因此某一具體型號民用飛機的迎角傳感器安裝位置需要根據其自身特性進行選擇。本文所討論機型的迎角傳感器安裝需要注意以下3個事項：（1）安裝區域是否影響風標根部的靈敏轉動；（2）安裝區域的氣動特性是否穩定且均勻；（3）附近設備的探頭是否會影響傳感器探頭對于氣流的感知。

3 某型號民用飛機安裝位置的研究

3.1 安裝區域的分析及選擇

飛機飛行過程中，機體表面會附著一層附面層，容易影響風標根部的轉動，從而影響整個風標對于迎角的測量。附面層又稱流動邊界層或邊界層，是雷諾數繞流中緊貼物面的粘性力不可忽略的流動薄層。雷諾數的定義為：Re=ρVL/u，式中ρ，u分別標示飛行高度層上的大氣密度和動力粘性系數；L表示飛機的特征尺寸。雷諾數為一個無量綱量。其表示的物理意義是：Re越小，空氣粘性的作用越大；Re越大，粘性的作用越小。因此在一定飛行高度，當速度越大時，則粘性作用越小，對于傳感器根部的轉動影響也就越小。由于邊界層的存在，緊貼物面的流體由于分子引力的作用，完全粘附于物面，并且與物體的相對速度為零，容易阻礙風標根部的轉動。

控制邊界層發展的目的是減小繞流物體阻力，可采用良好或可變的物面形狀使邊界層盡量處于有利的順壓梯度下，避免出現過早或過大的逆壓梯度。由于某型號民用機型機頭物面變化特性較大，因此，可將迎角傳感器的安裝區域選定于機頭部分。

3.2 流場模型的建立與參數設置

根據某型號民用飛機機頭物面變化較強的特性，為了充分分析出選擇區域的流場特性能，需要分析飛機在各個不同的飛行形態下的情況。通過CFD軟件模擬分析出不同高度、馬赫數、迎角、側滑角機頭處的流場圖譜。對于高度、馬赫數、迎角、側滑角的參數設置組合方式見表1。表中的數據分別給出了飛機從滑行階段，到低空域的爬升，和最終巡航高度的相關數據，并模擬出飛機在這些區域的姿態變化情況。

通過分析得出以下流場圖譜：

（1）當高度為0，馬赫數為0.15時，迎角15度，側滑角0度的圖譜，如圖1所示：

圖1 H=0，M=0.15，AOA=15°，β=0°

（2）當高度為3000，馬赫數為0.2時，迎角0度，側滑角3度的圖譜，如圖2所示：

圖2 H=3000，M=0.2，AOA=0°，β=3°

（3）當高度為0，馬赫數為0.15時，迎角15度，側滑角3度的圖譜，如圖3所示：

圖3 H=0，M=0.15，AOA=15°，β=3°

（4）當高度為11000，馬赫數為0.82時，迎角0度，側滑角3度的圖譜，如圖4所示：

圖4 H=11000，M=0.82，AOA=0°，β=3°

（5）當高度為11000，馬赫數為0.82時，迎角4度，側滑角3度的圖譜，如圖5所示：

圖5 H=11000，M=0.82，AOA=4°，β=3°

通過CFD軟件模擬分析，我們可以看出機頭蒙皮處存在孔狀的區域的尾部氣流較為紊亂。因為當地安裝了全靜壓探頭，對氣流的流動產生了影響。

當飛機處于低空速，大迎角，無側滑（如圖1）；低空速，小迎角，有側滑（如圖2）；低空速，大迎角，有側滑（如圖3）；高空速，無迎角，有側滑（如圖4）；高空速，小迎角，有側滑（如圖5）時，全靜壓探頭孔上方區域的氣流均表現的較為平穩，特別是在無迎角的情況下，此區域的氣流角度大致平行于機身縱軸。若空速、飛行姿態不變則持續飛行中能形成一個定常流；若空速或者飛行姿態發生變化時，流場也會急速的發生變化，使風標能夠快速的感應氣流，實時對迎角進行測量。

3.3 機頭周圍環境對迎角傳感器的影響分析

迎角傳感器的安裝不僅要考慮安裝位置的氣動特性還需考慮周圍環境對其自身的影響。在3.2小節中提到，當模擬飛機飛行狀態時，全靜壓探頭尾部的氣流較為紊亂，但對其上下方區域無影響。

通過CFD軟件計算出的機頭壓力云圖（如圖6所示）可以分析出，在機頭部分存在大概5個壓力帶，呈現出紅、黃、綠、青、藍的色帶，由于機頭曲面對氣流流速的緩解，壓力帶的分布從機頭向機身，自高而低。為了避免壓力帶之間氣流的干擾，需將迎角傳感器與全靜壓探頭安裝于同一壓力區域中。

3.4 安裝位置的選擇

從以上各個飛行階段的流場圖譜以及壓力圖譜中可以看出，灰色框內的流場圖不僅均勻且與全靜壓探頭均處于綠色的壓力帶中。具體如圖7所示：

4 結論

本文使用CFD軟件對某型號機型機頭流場進行了模擬分析，獲得機頭流場分布的特性并探討了迎角安裝區域選定的理論合理性。研究表明：

（1）飛機機頭的理論外形在氣動方面具有較好的特性，附面層對于機頭的影響較小，氣流能在機頭形成均勻、平穩的流場；

（2）迎角傳感器的安裝不僅僅需要在氣動特性好的區域，還需要注意安裝的可行性，最好是氣流角度大致平行于機身縱軸；

（3）由于周圍設備的存在，會對周圍流場形成一定的干擾，流場圖中也能清晰的看到，全靜壓探頭的存在流場在此處分離，容易形成邊界層和尾跡區。因此需考慮相關因素的影響。

通過理論流場的研究，初步確定了迎角傳感器的安裝位置，此位置均符合安裝要求，但為了進一步確定位置的合理性，需在飛機進行大規模的試飛后，通過試飛數據做出進一步的研究。

參考文獻

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