結冰對爬升性能的影響研究

吳仁民 王 睿

(中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040)

0 引言

飛機在結冰氣象條件下飛行時，飛機迎風部件表面結冰現象比較常見。結冰改變了飛機氣動外形，從而改變了氣動力，影響到了飛機的穩定性與操縱性，如果不重視飛機結冰問題，就有可能會對飛行產生嚴重的不利影響，甚至可能產生導致機毀人亡。

國外很早就注意到飛機結冰問題，對飛機結冰進行了大量的試驗研究和數值計算分析，形成了很多成熟的數值分析軟件和完備的冰風洞試驗條件，國內對飛機結冰的研究起步比較晚，且多數為對機翼等部件結冰機理的研究， 很少能定量地分析結冰對飛行性能的影響，綜上所述，很有必要進行結冰對飛機飛行性能的影響研究，為將來設計考慮結冰情況提供參考。

結冰并不改變飛機的運動數學模型。本文通過將飛機作為一個質點進行受力分析，建立飛機運動的動力學方程。 結冰對飛機氣動數據的影響量，通過其他機型試驗的結果給出，在此基礎上，采用數值計算的方法分析了結冰對飛機飛行性能的影響并給出了相應結論。

1 計算公式及方法

1.1 動力學方程

飛行性能計算中，將飛機視為一個質點，飛機在垂直平面內無側滑時受力情況如圖1 所示， 按照航跡坐標系建立飛行的運動方程，將力分解到沿速度方向和垂直于速度方向，利用牛頓第二定律可得出動力學方程如下：

式中：α 機身迎角；V 飛行速度；T 發動機可用推力；D 阻力；L 升力；φT推力作用線與機身軸線夾角；θ 航跡角；G 飛機重量；t 時間；g 重力加速度。

圖1 垂直平面內無側滑飛行受力分析

1.2 最大爬升率爬升

根據爬升率定義可求的爬升率：

聯立（2）式、（3）式將 θ 消去化簡可得爬升率計算公式，見式（4）：

飛機以最大爬升率方式爬升時，θ 和V 變化較小， 可以近似認為dθ/dt=0，dV/dH=0。

2 算例

通常情況下，結冰導致飛機的氣動特性變差，從而影響到飛機的飛行性能。冰風洞和飛行試驗的結果表明，大多數情況下，結冰后飛機的失速速度約增大5%～10%，全機的升力系數約減小5%～15%，阻力系數約增大15%～50%。

在本文給出的算例中， 假定升力系數減少10%， 阻力系數增大32.5%，可用推力下降5%。 計算結果見表1。

表1 飛行重量53.5 噸，爬升率

3 計算結果分析及討論

由于結冰導致剩余功率減少,使得飛機的爬升率、爬升角、爬升梯度都有所減小,且減小的比例與剩余功率減小的比例基本一致，由表1可見，爬升率減少量為30%～60%。

4 結論

結冰改變了飛機氣動外形，使飛機爬升性能變差，最大爬升率減少量為30%～60%；

因此，在民機的設計中,應著力開展結冰對飛機氣動特性的影響和防除冰裝置的研制的研究設計工作，或者在飛機運營過程中，應根據氣象雷達合理的避開結冰區，使飛機設計更合理、飛行更經濟、更安全。

［1］金長江，范立欽，周士林.飛機飛行性能計算[M].北京:國防工業出版社，1983：58-120.

［2］張錫金，主編.飛機設計手冊：第六冊[M].北京:航空工業出版社，2006.

［3］顧誦芬，解思適.飛機總體設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2001：89-200.

［4］裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統[M].北京:航空專業教材編審組：70-130.