考慮螺旋槳滑流的渦槳運輸機失速速度的適航驗證

張妙嬋 汪發亮

(民航西安航空器審定中心，西安710065)

0 引言

渦槳運輸機相對于渦扇運輸機而言，具有經濟性好、安全環保等優點，被廣泛應用于支線航空運輸和通航產業方面，比如法國的ATR系列、加拿大龐巴迪的沖-8、國內的新舟系列飛機等都是渦槳運輸機。一般情況下，渦槳飛機與渦扇飛機的設計平臺相同，制造工藝與材料選用標準相同，只是發動機的形式不同，推力產生的方式不同，因此適航標準是一致的。但是，由于渦槳飛機使用了螺旋槳作為能量輸出，而滑流是螺旋槳飛機的重要特征，在此類飛機的適航驗證時需考慮螺旋槳滑流的影響，這是與其他飛機適航驗證的不同之處。

由于螺旋槳滑流會對飛機的氣動特性產生影響，因此，在渦槳運輸機的適航驗證中，幾乎所有與飛機飛行性能和飛行品質相關的適航條款驗證時均需考慮螺旋槳滑流的影響。失速速度是飛機最小使用限制速度，也是制定飛機其它性能和飛行品質的基準參數。正是因為飛機飛行性能和飛行品質有關的多項條款中的速度和其他變量都是失速速度的函數，所以要求在開展CCAR25部中B分部的其它飛行試驗前要先完成失速速度的驗證，以供其它試驗時使用。而從本質上而言，失速速度反映的是飛機的空氣動力特性，因此，在開展失速速度的驗證時考慮滑流的影響尤為重要。

目前，國內外針對螺旋槳滑流影響方面已經開展了較多的研究工作。國外在該方面的研究工作起步較早，研究內容也比較豐富，包括通過試驗測試飛機升力面壓力分部、采用基于激勵盤模型的準定常方法研究滑流對升力部件的影響等，但并未開展螺旋槳滑流適航驗證方面的研究工作。國內在該方面的研究工作起步較晚，研究內容也主要集中在對飛機氣動特性的影響方面，包括滑流對飛機繞流的影響，滑流的氣動干擾效應，數值模擬等,但也未針對螺旋槳滑流的適航驗證方面開展研究工作。

本文從螺旋槳滑流對飛機氣動特性的影響出發，分析了考慮滑流影響的失速速度條款驗證要求，提出具體的驗證方法，以一型渦槳飛機風洞試驗為例，進一步說明滑流對飛機失速速度的影響，為其它渦槳運輸機的適航驗證工作提供一定的參考。

1 滑流對飛機氣動特性的影響

渦槳飛機在飛行過程中，流入螺旋槳的氣流會向后加速運動，同時，又會順著螺旋槳的旋轉方向扭轉流出，進而形成了截面比螺旋槳旋轉面小，速度比來流大的管狀氣流，這就是螺旋槳滑流。

螺旋槳對的滑流強度與螺旋槳拉力之間存在一定的關系，可表示為：

滑流強度=

T/qS

螺旋槳=

T/

(0.25

q

π

D

)

(1)

式中，

T

表示拉力，

D

表示槳盤直徑，

q

為飛機速壓。很顯然，隨著拉力

T

的增大，滑流強度增大。

螺旋槳轉動時產生的滑流，會一定程度對滑流范圍內的飛機氣動部件產生干擾，從而對飛機的氣動特性產生影響。而且螺旋槳滑流強度越大，對飛機氣動特性的影響也越大?；鲿痫w機升力、阻力的變化，同時，也會改變飛機的俯仰力矩、滾轉力矩和偏航力矩。進而對飛機的失速速度、失速特性、起降性能、爬升性能、縱向靜穩定性、橫航向靜穩定性等產生一定的影響。一般情況下，螺旋槳滑流會引起全機升力、阻力的增加，俯仰力矩特性、滾轉力矩和偏航力矩特性的不穩定。

2 滑流影響的失速速度條款分析

CCAR25.103失速速度中(b)(1)條要求在失速速度試飛時：“發動機慢車，或者如果產生的推力導致失速速度明顯下降，在此失速速度時不超過零推力。”此條要求開展失速速度試飛時，發動機狀態為慢車狀態。但如果使用慢車狀態得到的失速速度相比零推力時所獲得的失速速度有明顯降低，則在開展失速速度試飛時發動機推力不能大于零推力。也就是說，首先必須通過一定的試驗來確定慢車推力對失速速度的影響。

對于渦槳類運輸機，確定慢車推力對失速速度的影響，可參照AC25-7D中的方法，在同一襟翼位置，分別在慢車推力狀態和在推力近似為所選構型下以1.5

V

保持平飛所需推力情況下，進行至少三次失速試飛，將這些試驗得到的失速速度外推至零推力狀態，得到零推力狀態下的失速速度，如果慢車狀態和零推力狀態下的失速速度之間的差值等于或小于0.5 kn/s,則認為推力對失速速度的影響不明顯，可采用慢車推力來確定失速速度。對于可變槳距的渦槳飛機，也可以在發動機慢車的狀態下，通過調節槳距，分別得到正拉力系數、負拉力系數時的失速速度，再利用內插的方式，獲得零拉力系數條件下的失速速度。

從這些要求和方法可以看出，驗證失速速度的飛行試驗都是在飛機帶動力的條件下開展的。飛機在帶動力失速試飛時，由于飛機飛行速度很低，為了維持飛機飛行姿態，反而需要一個相對較大的拉力，這時就會產生一定的滑流強度。

圖1 螺旋槳飛機升力分布圖

另外，在失速速度驗證時，還需考慮在飛機進入失速及改出失速過程中飛機的動態響應特性需符合第CCAR25.201條和CCAR25.203條對失速特性的要求，飛機在達到失速迎角時，仍需具有足夠的縱向和橫航向操縱效率。

3 滑流影響的失速速度驗證方法

在進行渦槳飛機失速速度驗證時，需從以下方面開展驗證工作：

3.1 理論計算分析

可通過CFD計算的方法，分析計算飛機帶動力條件下的氣動特性。計算飛機在不同構型、不同拉力系數狀態下，螺旋槳滑流對飛機機翼、尾翼流場的干擾情況；計算螺旋槳滑流對升力系數、阻力系數隨迎角變化的影響量；計算由于螺旋槳拉力軸線偏離飛機重心引起的俯仰力矩的影響量；計算由于螺旋槳拉力軸線偏離飛機軸線帶來的滑流對偏航力矩的影響量；計算由滑流引起的飛機動壓變化導致的機翼和尾翼部件的俯仰、滾轉和偏航力矩的變化量。

3.2 風洞試驗

實踐經驗表明，由于螺旋槳滑流的復雜特性，一般通過數值模擬雖然不能很好地模擬真實流態，但可以對滑流影響的趨勢和流場特征提供參考。相對而言，風洞試驗可以模擬真實流態并具有更高的精度。

開展螺旋槳滑流影響的風洞試驗，需重點考慮以下幾方面的工作：

(1)試驗模型

一般使用縮比模型來完成實驗，模型的縮比程度取決于飛機的尺寸、試驗風洞的條件和所做試驗的類型。模型設計應包括模型本身的設計和模型在風洞中安裝部件的設計。由于試驗中需采用舵機控制飛機各個操縱面偏轉，因此在模型設計時還需預留舵機安裝接口。試驗模型的生產必須符合模型設計文件的要求，試驗模型需經制造符合性檢查以確認符合模型設計要求。

(2)試驗數據的獲取方法

考慮螺旋槳滑流影響的風洞試驗必須在飛機帶動力條件下開展。由于螺旋槳對氣動力的影響分為直接影響(螺旋槳拉力和徑向力的影響)和間接影響(滑流影響)。試驗時，通過測得的全機天平數據、旋轉軸天平數據和扣除旋轉軸天平后的全機數據，可分別得到全機帶動力的氣動數據、螺旋槳直接力影響的數據和純滑流影響的數據。

(3)試驗的動力模擬裝置

試驗動力模擬裝置需根據試驗所需發動機的工作狀態和模型的縮比程度來選擇。發動機的整個拉力系數和試驗測量用的旋轉軸天平需考慮與試驗飛機模型的發動機部分相匹配。

(4)試驗狀態

試驗狀態需覆蓋發動機的工作狀態范圍，需包含飛機的各種使用構型，考慮不同的飛行速度，以及飛機的整個迎角和側滑角范圍。

考慮滑流對飛機失速速度的影響時，需關注風洞試驗時低風速、不同高度、發動機慢車狀態對應的試驗點的數據。

(5)其它的試驗關注點

為了能更好、更高效地完成試驗，可結合計算分析的情況對試驗數據進行分析確認，確保試驗數據準確有效。

3.3 飛行試驗

不管是分析計算、還是風洞試驗，都不能完全反映飛機的真實狀態，尤其是飛機帶動力時的真實狀態，還需通過飛行試驗對風洞試驗獲得的氣動數據進行修正。一般通過極曲線試飛的形式獲得飛機帶動力時的極曲線，用于對飛機帶動力的風洞試驗數據進行修正。一般情況下，渦槳飛機極曲線試飛數據都是采用穩定爬升、穩定平飛以及穩定下滑的方式獲取，這時候飛機的迎角都較小。通過開展失速速度的飛行試驗，除了驗證飛機的失速速度外，還可為飛機在大迎角狀態下的氣動數據修正提供數據。

由于螺旋槳滑流強度隨著螺旋槳拉力的變化而變化，而同一發動機狀態下，螺旋槳產生的拉力隨著飛機飛行速度和高度會發生改變，滑流強度也會隨著發生改變。因此，在試飛時需考慮高度和速度的影響。由于在失速速度的飛行試驗時已考慮了高度和速度因素，因此，并不需針對螺旋槳滑流規劃單獨的試驗，按常規的失速速度試飛的試驗規劃即可獲取相關數據。

4 風洞試驗舉例

以某型渦槳運輸機為例，考慮滑流對氣動特性的影響，該機開展了帶動力的風洞試驗。

試驗采用縮比模型飛機，由機身、翼身整流、機翼(包括可偏轉副翼、可偏轉擾流板、可偏轉襟翼)、垂尾(包括可偏轉方向舵)、平尾(包括可偏轉升降舵)、短艙(包括螺旋槳和槳葉調整結構)以及起落架(包括前起落架和后起落架)組成。

通過帶動力的試驗得出了該型飛機在不同構型下對應不同拉力系數時的風洞試驗結果。針對失速速度試飛時發動機慢車狀態，根據其對應的拉力系數范圍，本文以巡航構型為例，給出了考慮滑流影響的縱向氣動特性試驗結果，并將試驗結果與不考慮滑流影響的縱向氣動特性結果進行了比較(見圖2～圖6)。在圖2～圖6中：

C

為升力系數，

C

為阻力系數，

α

為飛機迎角，

c

俯仰力矩系數，

C

滾轉力矩系數，

C

偏航力矩系數。

由圖2～圖6可以看出，滑流對飛機的縱向氣動特性會產生一定的影響。飛機在巡航構型、發動機慢車狀態下，螺旋槳滑流增大了飛機的升力線斜率和最大升力系數，進而增大了飛機的失速迎角。因此，考慮螺旋槳滑流的影響可以進一步提升飛機的低速性能。

圖2 巡航構型全機帶動力慢車和不帶動力的CL-α曲線

圖3 巡航構型全機帶動力慢車和不帶動力的CD-α曲線

圖4 巡航構型全機帶動力慢車和不帶動力的Cm-α曲線

圖5 巡航構型全機帶動力慢車和不帶動力的Cl-α曲線

圖6 巡航構型全機帶動力慢車和不帶動力Cn-α的曲線

但是，滑流的影響使飛機俯仰力矩系數減小，縱向靜穩定性下降，增大了飛機的阻力系數，同時也使飛機在縱向上產生了一定的橫航向分量，存在一定的滾轉力矩和偏航力矩，使飛機的航向穩定性和橫向穩定性有所降低，對飛機的縱向和橫航向操縱也產生了影響。這些結果為失速試飛提供了很好的參考，提高了試飛的安全性。

由此可見，即使是在失速速度試飛對應的發動機慢車狀態，滑流對飛機氣動特性的影響也是顯而易見的，在發動機更大功率狀態時滑流對飛機氣動特性的影響將更加顯著。

5 結論

本文根據適航條款的要求，考慮了渦槳飛機螺旋槳會產生滑流的特點，從適航驗證的角度分析說明了渦槳運輸類飛機開展失速速度驗證的思路方法，并重點以風洞試驗為例，說明了開展失速速度驗證時的典型發動機工作狀態條件下，螺旋槳滑流對飛機失速速度的影響，進而表明在開展失速速度驗證時考慮螺旋槳滑流的必要性。本文的方法可為渦槳運輸類飛機的失速速度以及飛行性能和飛行品質相關的其它適航條款的驗證提供一定的參考。