民機飛行結冰參數的模擬與校準

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民機飛行結冰參數的模擬與校準

The Simulation and Calibration of Icing Parameters for Civil Aircraft

白峰徐超軍張強 / Bai FengXu ChaojunZhang Qiang

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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

0引言

民用飛機由于結冰問題導致了多起航空事故，因此運輸類飛機適航規章中明確要求申請人必須表明飛機在結冰氣象條件下可以安全飛行。結冰問題的研究已經成為民機型號研制中的重要工作，主要包括結冰參數敏感性分析、結冰風洞臨界冰型確定、帶模擬冰的氣動力風洞試驗、飛機帶模擬冰試飛以及飛機自然結冰試飛等。依據這些工作表明飛機在結冰氣象條件下的飛行性能滿足適航條款要求。

結冰風洞試驗是在風洞中模擬結冰大氣條件，獲得翼面的結冰冰型，是適航審定過程中確定臨界冰型的可靠途徑。目前歐美國家有很多成熟的結冰風洞，例如美國NASA的IRT結冰風洞、波音公司BRAIT結冰風洞、意大利宇航中心CIRA的結冰風洞(Icing Wind Tunnel,簡稱IWT)等都是2m量級的成熟型號風洞。而根據歐美型號試驗研究發現，在相同的結冰條件下，同一模型在不同風洞之間的冰型有所差異，主要是由各自風洞對水霧參數控制和校準的誤差引起的。

對于型號研究來說，開展冰風洞的校準試驗是確定試驗結果可靠性的依據，是保障型號帶模擬冰試飛審查合格的基礎。根據某型飛機的結冰研究工作需要，在意大利宇航中心的IWT風洞進行了飛機部件的結冰試驗。在此之前完成了對IWT風洞水霧參數的校準試驗，本文描述了校準試驗的方法及結果，為民用飛機結冰問題的研究工作提供參考。

1飛行結冰參數

CCAR25部中根據大量統計數據給出了飛機容易發生結冰的大氣參數，主要分為連續最大結冰狀態和間斷最大結冰狀態，如圖1、圖2所示。

圖1　連續最大結冰狀態

圖2　間斷最大結冰狀態

從圖中可以看到影響結冰的大氣參數主要有環境溫度、氣壓高度、平均水滴直徑(MVD)、液態水含量(LWC)。此外飛機的飛行速度、時間和姿態等也會影響結冰情況。

(1)氣壓高度

氣壓高度主要決定了飛機飛行的環境溫度，飛機結冰的高度范圍通常在0～7km之間。氣壓高度同時也影響大氣密度，溫度與密度反映了大氣的粘性，影響了水滴的收集率。

(2)環境溫度

環境溫度影響了MVD與LWC的關系，飛機發生結冰的溫度范圍一般在0°C~-40°C之間，而嚴重結冰主要出現在-10°C左右，因為飛機一般在此溫度飛行時總溫接近于0°C，水滴在撞擊到飛機部件后流動性較強，容易向后流動形成帶上下冰角的冰型，嚴重破壞飛機氣動力。

(3)LWC

LWC代表單位體積大氣內的液態水質量，是決定結冰量的關鍵因素。液態水含量越大，單位時間內撞擊到飛機部件表面上的水量越多，越容易積聚成大體積的冰型，對氣動力影響很大。在連續最大結冰環境下LWC最大可達到0.8g/m3，而在間斷最大結冰條件下可達到3.0g/m3。

(4)MVD

MVD代表單位體積大氣內水滴的平均直徑，一定程度上影響了冰型的體積和覆蓋范圍。水滴直徑越大，則慣性越大，水滴更容易抵抗飛機部件的氣動力而撞擊在部件表面，增加了水滴收集率，會使羊角冰的冰角更大，或增加霜冰的覆蓋范圍。一般MVD在15μm~50μm范圍內，特殊的氣象條件下可能會存在大于50μm的大過冷水滴(SLD)，尺寸甚至可以達到300μm。

(5)飛行速度

飛行速度首先影響了水滴收集率，較大的飛行速度使得水滴更容易撞擊到飛機部件上，擴大了撞擊極限，增加了結冰量和結冰范圍。其次，飛行速度影響了環境溫度與總溫的關系，大的飛行速度會使得總溫升高，更容易形成羊角冰。所以飛行速度越大，越容易增加冰型的嚴酷性。

(6)飛行時間

飛行時間越長，越容易收集到較多的水滴，增加了積冰的體積。CCAR25部中根據一般云層的范圍，對于飛機在結冰氣象條件下飛行的時間要求是：在防護區22.5min結冰量，非防護區45min結冰量的情況下滿足飛行安全。

(7)飛行姿態

飛機的結冰范圍主要在氣流的駐點附近，而飛行姿態影響了駐點位置，從而影響了冰型的位置和冰角大小。

(8)翼型

飛機在亞音速范圍內飛行時，部件頭部的氣流會影響水滴的運動軌跡。翼型頭部半徑越小，水滴受到的氣動力影響越小，則更容易撞擊到部件表面結冰；頭部半徑越大則反之。

在結冰風洞試驗中這些參數都需要模擬，對于速度、壓力等參數的控制與常規風洞相同。特殊的是需要額外安裝一套噴霧系統來滿足水霧參數的要求。主要的水霧系統模擬參數有LWC和MVD。

2結冰參數模擬

意大利宇航中心(CIRA)的結冰風洞是一個單回路、多試驗段的結冰風洞，是全球范圍內最成熟的型號結冰風洞，如圖3所示。風洞共有4個試驗段，分別是：主試驗段、第二試驗段、附加試驗段和開口試驗段。本次試驗使用第二段，截面尺寸1.15m寬×2.35m高，空風洞最大Ma數0.7，最低環境靜溫-40°C，如表1所示。

圖3　CIRA-IWT風洞

主試驗段第二試驗段附加試驗段開口試驗段高(m)2.352.352.352.35寬(m)2.251.153.602.25長(m)7.005.008.307.00最大Ma數0.40.70.25<0.4最低靜溫(℃)-32-40-32-32靜壓范圍39000Pa~145000Pa;對應高度從海平面到7000m;MVD范圍10μm~50μmLWC范圍0.1g/m3~4.0g/m3

在風洞的收縮段前有一排網狀噴口(Spray Bar)，噴口內有高壓氣管和高壓水管，水氣在噴口內混合后噴出，為了保證水含量在試驗段內達到均勻分布，IWT風洞采用了較長的收縮段，詳見圖4。

圖4　噴霧系統

通過控制合理的水壓和氣壓以及噴口的開閉，結合氣壓高度和速度，達到需要的MVD和LWC，噴口細節如圖5所示。

圖5　噴霧噴口

3結冰參數校準

結冰風洞試驗由于其特殊性，除了進行常規風洞流場校準之外，還需要對風洞的噴霧系統進行校準，保證水霧參數的準確。主要是對平均水滴直徑(MVD)、液態水含量(LWC)和水含量均勻度進行校準評估，而影響這些參數的因素主要有水霧噴口密度、噴口氣壓、噴口水壓、環境靜壓、來流Ma數等。

3.1　水含量均勻度校準

首先需要對試驗段內的液態水含量均勻度進行測量，評估在不同噴口密度、噴口氣壓、噴口水壓的情況下，試驗段內的水含量是否均勻。通過大量試驗結果表明環境靜壓和來流Ma數的變化對水含量的均勻度影響不大。在IWT風洞中，一般采用在試驗段內安裝格柵，通過測量一定試驗時間內各個柵格的積冰厚度來評估水含量的均勻度。柵格間距約為10cm，單個格板厚度約3mm。結冰條件一般選擇靜溫較低，容易形成霜冰的情況，而且結冰時間不能太長，防止冰型畸變，如圖6所示。

圖6　測冰格柵

在測得每個格柵的冰型厚度后，以試驗段中心格柵處的冰型厚度為參考，得到無量綱冰型厚度分布，用其來反映液態水含量的分布誤差：

LWCi/LWCc=Ti/Tc

(1)

根據典型試驗結果可以看到在試驗段中心約70%的區域內，水含量誤差控制在20%以內，如圖7所示。

圖7　試驗段水含量均勻度

3.2　平均水滴直徑校準

對MVD的測量采用在試驗段中間設置兩個ADA(Airborne Droplets Analyser) 探頭，可以分別測量直徑為0.5μm~136μm和1.9μm~608μm的水滴，通過對大約30萬個水滴進行光譜分析得到平均水滴直徑，如圖8所示。

圖8　ADA探頭

通過大量試驗結果得到，在固定水霧噴口密度的情況下，影響MVD的主要因素有噴口氣壓、噴口水壓、環境靜壓，因此可以得到MVD的經驗函數，并繪制出經驗圖譜，如圖9所示。

MVD=f(Pair,Pwat,H)

(2)

圖9　MVD經驗圖譜

通過流場校測試驗得到通過經驗函數對MVD的控制誤差在±20%以內，如圖10所示。

圖10　MVD誤差

3.3　液態水含量校準

對LWC一般采用測量安裝在試驗段中間的冰刀結冰厚度的方法，該冰刀的結冰厚度與水霧參數的關系已經通過前期的試驗校準得到，因此可以通過結冰厚度反算出LWC。采用的冰刀厚度約3mm，試驗靜溫較低保證形成霜冰，同時結冰試驗很短(約30s)保證冰型的精度，如圖11所示。

圖11　冰刀測量LWC

通過大量試驗結果得到，在固定水霧噴口密度的情況下，影響LWC的主要因素有噴口氣壓、噴口水壓、環境靜壓、來流Ma數，因此可以得到LWC因子K的經驗函數，并繪制出經驗圖譜，如圖12所示。

LWC=f1(K)

(3)

K=f2(Pair,Pwat,Ps,Ma)

(4)

圖12　LWC因子(K)圖譜

通過流場校測試驗得到通過經驗函數對LWC控制誤差在±20%以內，如圖13所示。

圖13　LWC誤差

至此完成了對結冰風洞噴霧系統的校準試驗，此外對于風洞靜溫、靜壓、風速的校準也十分重要，具體的精度如表2所示。

表2　風洞參數控制精度

4結論

本文通過對意大利宇航中心IWT結冰風洞完成的冰風洞校準試驗描述，介紹了結冰風洞水霧參數校準方法。國外對結冰風洞試驗結果可以接受的風洞水霧參數控制誤差不能超過20%。對于LWC和MVD統計性校準參數，需要進行概率分布分析，以便更好地對試驗結果誤差進行控制及評估。

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摘要：

結冰問題的研究對于民用飛機設計十分重要，采用結冰風洞試驗是主要的方法之一，歐美國家有很多成熟的結冰風洞用于型號研究。結冰風洞中需要對很多參數進行控制，其中水霧參數精確控制的難度很大，而且一般通過間接方法來進行測試校準，往往誤差較大，導致不同結冰風洞試驗結果往往有所差異。文章介紹了在意大利宇航中心的IWT結冰風洞完成的冰風洞校準試驗，對結冰風洞水霧參數校準方法進行了闡述，為民機結冰風洞研究提供參考。

關鍵詞：結冰風洞；水霧參數；平均水滴直徑；液態水含量；水含量均勻度

[Abstract]It is important for civil aircraft design to research the icing influence. One of the main ways is adopting the icing wind tunnel test, which are extensively used for airplane research in USA and Europe. Many parameters were controlled during the icing wind tunnel,which cloud parameter was controlled with large difficulty and was measured indirectly, so the error was considerable which led to large difference from icing wind tunnel to another. Icing wind tunnel parameter calibration test in CIRA-IWT was introduced, and the cloud parameter correction methods were illuminated, which can provide reference to the icing wind tunnel research for civil aircraft.

[Key words]icing wind tunnel; cloud parameter; MVD; LWC; uniformity of the water content

中圖分類號：V216.5

文獻標識碼：A