民機(jī)風(fēng)擋防霧試飛環(huán)境分析

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民機(jī)風(fēng)擋防霧試飛環(huán)境分析

Analysis of Flight Test Environment for Civil Aircraft Windshield De-fog

白斌王向轉(zhuǎn)李志茂 / Bai BinWang XiangzhuanLi Zhimao

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

0引言

飛行過(guò)程中若風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面溫度低于駕駛艙內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，在風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面形成霧，低于0℃時(shí)形成霜[1]。CCAR-25中§25.773(c)[2]要求“飛機(jī)必須具有在其預(yù)定運(yùn)行的所有內(nèi)外環(huán)境條件(包括降水)下，防止風(fēng)擋和窗戶玻璃內(nèi)側(cè)在提供本條(a)規(guī)定視界的范圍上起霧的措施”。風(fēng)擋防霧采用加熱風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面，使其溫度高于環(huán)境露點(diǎn)溫度。軍機(jī)一般采用射流熱空氣加熱風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面，民機(jī)則采用電加熱方式。對(duì)于§25.773(c)中風(fēng)擋玻璃防霧視界范圍最低要求，可參考AC-25.773[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

風(fēng)擋防霧性能需通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，但無(wú)法通過(guò)飛行試驗(yàn)覆蓋“其預(yù)定運(yùn)行的所有內(nèi)外環(huán)境”，需選擇典型、嚴(yán)酷的試驗(yàn)試飛環(huán)境，并結(jié)合計(jì)算分析表明系統(tǒng)性能對(duì)適航條款的符合性。試飛試驗(yàn)環(huán)境的選擇直接關(guān)系到試飛科目的成敗、試飛架次數(shù)量及系統(tǒng)性能驗(yàn)證的充分性。

1試飛環(huán)境及試飛方法

1.1　試飛試驗(yàn)環(huán)境

風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面是否結(jié)霧取決于風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面溫度和駕駛艙空氣露點(diǎn)溫度。

空氣所能容納水汽的含量隨溫度的升高而增加，因此高露點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)在高溫且毗鄰水域的地區(qū)，即所謂的高濕熱環(huán)境[4]。

駕駛艙露點(diǎn)溫度反映駕駛艙空氣的含濕量①含濕量是指濕空氣中與1kg干空氣同時(shí)并存的水蒸氣量。含濕量愈大，露點(diǎn)溫度越高，風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面更易結(jié)霧。。駕駛艙內(nèi)空氣濕氣由空調(diào)引氣和人員呼吸產(chǎn)生。空調(diào)系統(tǒng)引氣分成冷熱兩路。高壓熱空氣經(jīng)熱交換器，由沖壓空氣冷卻，經(jīng)空氣循環(huán)機(jī)(ACM)渦輪膨脹降溫，再通過(guò)水分離器分離冷凝水，進(jìn)行除濕。由冷凝器出來(lái)的冷空氣進(jìn)入混合腔與高壓熱空氣混合后，供入駕駛艙和客艙，原理如圖1所示。民機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，濕度最大的條件為19g(水)/kg(干空氣)(環(huán)境溫度40℃)。人員呼吸引入的濕氣相對(duì)比較固定，主要與駕駛艙人員數(shù)量有關(guān)。

圖1　空調(diào)引氣示意圖

1.2　試飛方法

在試飛過(guò)程中，為驗(yàn)證防霧性能，需先使風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面結(jié)霧，然后開(kāi)啟防霧系統(tǒng)，驗(yàn)證防霧性能。試飛過(guò)程中關(guān)閉一側(cè)的風(fēng)擋加溫系統(tǒng)，并在高空低溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間巡航，待風(fēng)擋玻璃冷浸透后，快速下降到高溫、高濕環(huán)境。此時(shí)由于風(fēng)擋玻璃熱慣性，風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面的溫度仍維持在較低溫度狀態(tài)，在合適的試驗(yàn)環(huán)境條件下，風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面溫度會(huì)低于環(huán)境露點(diǎn)溫度，風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面將發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象。此時(shí)開(kāi)啟風(fēng)擋加溫系統(tǒng)加熱功能后，即可驗(yàn)證系統(tǒng)防霧性能。

為增加駕駛艙內(nèi)空氣濕度，在快速下降到低空后，可使用空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)急通風(fēng)向艙內(nèi)供氣。應(yīng)急通風(fēng)打開(kāi)后，外界大氣不經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)除濕，直接進(jìn)入飛機(jī)艙內(nèi)。

2系統(tǒng)試飛

濕度19g(水)/kg(干空氣)(環(huán)境溫度40℃)在自然界中很難遇到，風(fēng)擋防霧試飛試驗(yàn)受到氣象條件的限制，很難開(kāi)展。某型號(hào)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)高溫試驗(yàn)曾轉(zhuǎn)場(chǎng)多地，尋求高濕熱環(huán)境。

2.1　等濕降溫

根據(jù)圖1所示，駕駛艙溫度設(shè)定點(diǎn)為T(mén)3(熱天時(shí)，航線上一般為24℃)，當(dāng)外界大氣溫度T0越低(飛行中T0

保持絕對(duì)濕度19g(水)/kg(干空氣)不變，自40℃起，降低環(huán)境溫度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣焓濕圖，如圖3(a)所示[5]，可得表1狀態(tài)點(diǎn)。

表1　等濕降溫條件下溫度-相對(duì)濕度

在某一溫度下，當(dāng)空氣濕度不小于表1中對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度即可進(jìn)行試飛試驗(yàn)，比如在35℃時(shí)，相對(duì)濕度不小于54%，即可進(jìn)行試飛試驗(yàn)。采用此種方式，可將環(huán)境溫度由40℃擴(kuò)充到24℃以上且濕度滿足要求即可。

2.2　設(shè)計(jì)保障等級(jí)

MIL-T-5842B[6]中給出了風(fēng)擋防霧設(shè)計(jì)的環(huán)境曲線，如圖2所示。圖2曲線是美國(guó)海軍用飛機(jī)風(fēng)擋防霧設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可看出：

(1)40℃且絕對(duì)濕度19g(水)/kg(干空氣)，即為圖2(b)中的O點(diǎn)，其在10%設(shè)計(jì)保障線上；

(2)“等濕降溫”即從O點(diǎn)沿露點(diǎn)溫度24℃不變，降低環(huán)境溫度，即曲線A(Curve A)；

(3)防霧試飛環(huán)境也可采用第二種拓寬方式，沿10%等級(jí)線降低溫度，即曲線B(Curve B)。

(a)高度-大氣溫度　　　　　(b)露點(diǎn)溫度-干球溫度圖2　MIL-T-5842B定義的防霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)包線

2.3　對(duì)比分析

對(duì)比方式一“等濕降溫”和方式二“等保障等級(jí)”確定的曲線，可知：

(1)B曲線的試驗(yàn)環(huán)境要求濕度條件更高。比如在85℉(29.4℃)條件下，曲線A對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度78.5℉(24℃)，曲線B對(duì)應(yīng)78.5℉(25.8℃)，曲線B要求的環(huán)境濕度更高；

(2)從設(shè)計(jì)保障等級(jí)上看，在85℉時(shí)，采用曲線A能保障82%，而采用曲線B，則保障90%，因此B曲線更嚴(yán)格。

圖3(a)給出了標(biāo)準(zhǔn)空氣的焓濕圖上，采用“等濕降溫”和“等保障等級(jí)”兩種方式得到的曲線A和B，曲線的右上方環(huán)境條件可進(jìn)行試飛試驗(yàn)；圖3(b)給出相對(duì)濕度-環(huán)境溫度圖上采用“等濕降溫”和“等保障等級(jí)”兩種方式得到的曲線A和B，曲線的右上方的環(huán)境條件可進(jìn)行風(fēng)擋防霧試飛試驗(yàn)。

(a)標(biāo)準(zhǔn)大氣焓濕圖　　　　　(b)相對(duì)濕度-溫度曲線圖3　風(fēng)擋防霧試飛環(huán)境曲線

3試飛試驗(yàn)

表2給出了空客和龐巴迪等飛機(jī)制造廠商的四個(gè)型號(hào)飛機(jī)，在進(jìn)行風(fēng)擋玻璃防霧試飛試驗(yàn)時(shí)的地面環(huán)境條件。風(fēng)擋除霧試飛試驗(yàn)環(huán)境均在40℃以下，但都在曲線A和B規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)。

表2　風(fēng)擋防霧試飛試驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)

某型號(hào)飛機(jī)成功實(shí)施了風(fēng)擋防霧試飛(表2中“某民機(jī)(201Y)”)。飛機(jī)13:16下降到5 200ft高度后，使用應(yīng)急通風(fēng)，駕駛艙內(nèi)濕度由10%~14%迅速增加到30%~34%，此時(shí)駕駛艙溫度約28℃，露點(diǎn)溫度為12.5℃。由于風(fēng)擋玻璃高空冷浸透及玻璃的熱慣性，其內(nèi)表面溫度此時(shí)為8℃，風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面迅速結(jié)霧。13:20時(shí)風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面溫度為11℃，此時(shí)打開(kāi)風(fēng)擋加溫系統(tǒng)后，溫度迅速加熱至13℃以上，此時(shí)玻璃內(nèi)表面溫度(13℃)高于露點(diǎn)溫度(12.5℃)，霧氣消失。圖4(a)給出試飛的剖面曲線。圖4(b)給出了快速下降過(guò)程及下降后風(fēng)擋玻璃表面溫度變化趨勢(shì)。試飛過(guò)程中，風(fēng)擋玻璃結(jié)霧和除霧后對(duì)比如圖5所示。

(a)飛行剖面

(b)快速下降圖4　風(fēng)擋防霧試飛剖面及玻璃表面溫度

(a)內(nèi)表面結(jié)霧

(b)除霧后圖5　風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面結(jié)霧及除霧對(duì)比

5結(jié)論

本文提出的風(fēng)擋除霧試飛環(huán)境分析及拓寬方式已經(jīng)應(yīng)用在某型號(hào)民機(jī)的試飛試驗(yàn)，其可指導(dǎo)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)進(jìn)行風(fēng)擋防霧試飛試驗(yàn)。經(jīng)實(shí)踐證明可有效解決飛機(jī)風(fēng)擋防霧試飛過(guò)程中環(huán)境條件選擇問(wèn)題。

引用文件：

[1]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第15分冊(cè)：生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1999.

[2]中國(guó)民用航空局. CCAR-25R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部:運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空局，2009.

[3]FAA. AC 25.773-1 Pilot Compartment View Design Considerations[S]. 1993.

[4]SAE. SAE AIR 1168/4 Ice, Rain, Fog, and Frost Protection[S]. 1990.

[5]薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1990.

[6]MIL-T-5842B Transparent Areas on Aircraft Surface(Windshields and Canopies),Rain Removing and Washer System for, De-Frosting, De-Icing, Defogging，General Specification[S].1985.

摘要：

針對(duì)民機(jī)風(fēng)擋防霧在§25.773(c)符合性驗(yàn)證過(guò)程中試飛試驗(yàn)環(huán)境條件過(guò)于寬泛的問(wèn)題，通過(guò)分析機(jī)上風(fēng)擋玻璃結(jié)霧的環(huán)境條件，確定了風(fēng)擋防霧驗(yàn)證時(shí)的嚴(yán)酷條件高濕熱環(huán)境(19g水/kg干空氣，溫度40℃)。對(duì)于高濕熱條件在自然界難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了等濕降溫和等設(shè)計(jì)保障等級(jí)兩種不同的防霧試飛環(huán)境條件拓寬方式，并分別在標(biāo)準(zhǔn)大氣焓濕圖、相對(duì)濕度-環(huán)境溫度圖上給出了兩種方式確定的風(fēng)擋防霧試飛環(huán)境范圍。通過(guò)這兩種方式確定的風(fēng)擋防霧試飛環(huán)境，已成功應(yīng)用在某型號(hào)飛機(jī)風(fēng)擋防霧試飛的適航符合性驗(yàn)證工作中。事實(shí)證明其是一種有效的試驗(yàn)環(huán)境拓寬方法。對(duì)風(fēng)擋防霧試飛操作方式也進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)擋防霧;試飛試驗(yàn);等濕降溫;等設(shè)計(jì)保障等級(jí)

[Abstract]This paper solves the problem that is met during civil aircraft windshield de-fog performance certification phase. As the environment defined in §25.773(c) is too general to conduct windshield de-fog flight tests, a high temperature with high humidity(19g water/kg dry air, ambient temperature 40℃) is introduced as the critical case for windshield de-fog flight test after analyzing the principle of fogging on aircraft windshield. The paper proposes two different methods to define the de-fog flight test environment, hold humidity while drop temperature, or hold guaranteed class for system designing, as the dedicated high temperature with high humidity is hardly to meet in ambient air. Applicable curves for flight test are plotted on standard atmosphere enthalpy and humid chart, relative humidity-environment temperature chart respectively. The curves have been proved feasibly by other type aircrafts de-fog flight test, and the curves could be used to find an appropriate environment for civil aircraft windshield de-fog flight test. Flight test method for windshield de-fog is also discussed in this thesis.

[Key words]windshield de-fog; flight test; hold humidity while drop temperature; hold guaranteed class

中圖分類(lèi)號(hào)：V217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A