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，為優化設計提供重要參考，從而保證后期商業運行中的飛行安全。

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（LWC與MVD），為自然結冰試飛提供真實的結冰環境參數支持。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，根據試飛需求，選取典型的計算狀態，采用數值仿真方法，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CCAR-25-R4.附錄C的規定，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;

（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）安裝在液態水含量值（LWC）梯度變化較平緩的區域。

3.2 計算狀態

（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 網格劃分

對不帶探測器的干凈試驗機進行非結構網格劃分，在機身表面生成棱柱網格以模擬附面層，飛機第一層附面層網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，半模網格量約800萬，圖2為該試驗機的半模非結構網格。

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 基本規律

（1）水滴直徑（MVD）越大，遮蔽區越大。

（2）飛行迎角越大，水滴遮蔽區越大。

在機身對稱面和機翼各剖面區域，遮蔽區隨著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內，發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，飛機迎風區域附近有較高的液態水含量分布區，該區域為液態水含量的濃度增加區，再往外發展，濃度增加區慢慢變弱，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地弦長的關系。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.