內外場高寒環境下飛機結構的溫度特征分析

田培強，吳敬濤，鄧文亮

（中國飛機強度研究所，西安 710000）

引言

隨著民航行業的快速發展，飛機航線不斷增加，這就導致飛機飛行任務剖面逐漸擴展，機場環境和航線環境出現極端氣候環境[1]，如低溫環境下飛機結構會出現變形和結冰等問題。在飛機運營階段，飛機不可避免地要遭遇高溫、高寒、濕熱、結冰等極端氣候環境。如果飛機的環境適應性能力不足，輕則降低飛機的使用性能，影響飛機運行；重則導致飛機發生安全性事故，嚴重時甚至還會發生機毀人亡的災難[2]。因此，需要研究極端氣候環境條件下飛機結構和機構的功能與性能變化，能夠為飛機維護提供支持，提高飛機安全性。

因此本文通過結合外場自然條件和內場實驗室條件的極端環境下飛機全狀態氣候環境試驗，分析外場和實驗室的試驗環境條件和試驗過程，研究極端環境下飛機典型結構的環境溫度特征，為飛機運營維護提供依據。

1 飛機氣候環境試驗概述

波音737飛機運行環境包線[3]的起飛和著陸最低溫度限制為-54 ℃，最高運行溫度限制為54 ℃，通常大型客機的運行環境包線與該機型相似，因此確定本文研究的極限溫度范圍為（-55～54）℃。本文主要圍繞飛機的地面環境試驗開展研究，因為選取飛機起飛和降落過程的運行環境，根據MIL-STD-810H中502.7節全球低溫環境的統計（如表1所示），低溫環境出現概率最大的溫度為（-21～ -31）℃[4]，因此本文選取該溫度范圍（-21～ -31）℃作為所研究的飛機運營環境條件。

表1 全球地面低溫循環范圍

1.1 飛機外場環境試驗

飛機外場環境試驗過程中，確定出環境溫度在（-21～31）℃之間的時間點，在該時間點的環境條件下，飛機開啟APU，未起動發動機，飛機機采系統所采集的當日靜溫/總溫環境數據如圖1所示。由于起動APU會影響周圍環境溫度，為盡量保證數據不受APU系統影響，均選取曲線起始點作為所分析的試驗數據：此時飛機航電系統所測得的靜溫/總溫均值為-28.8 ℃。

圖1 外場環境試驗的靜溫/總溫曲線

1.2 飛機實驗室環境試驗

飛機實驗室環境試驗中，在多個極端溫度點下多個飛機系統開展了研發性試驗和適航符合性驗證試驗，環境試驗溫度歷程曲線如圖2所示。

圖2 實驗室環境試驗溫度歷程曲線

由于飛機外場環境是在早上進行，溫度處于上升階段，為與飛機運營環境和外場試驗環境保持相同條件，選取實驗室環境試驗數據的溫度上升階段，且外場環境試驗中靜溫/總溫為-28.8 ℃，最終確定實驗室環境試驗溫度點為：大氣靜溫與總溫均值為-28.78 ℃。

2 內外場極端條件下飛機內外部結構環境溫度特征分析

外場自然環境和實驗室環境的兩個溫度點均是處在溫度上升階段，且內場實驗室溫度相比于外場自然環境溫度，相差0.07 %，在誤差允許范圍內，內外場環境條件是等同的。根據飛機結構特點，本節分別從飛機的外部結構溫度和內部結構溫度，分析外場和實驗室對民機內外部結構影響的一致性。

2.1 極端環境下飛機外部結構環境溫度特點

從飛機運營環境和機構功能出發，飛機機翼環境溫度間接地影響著燃油油溫和襟縫翼等活動翼面溫度，飛機尾翼環境溫度直接地影響著垂平尾機構功能，飛機吊掛環境溫度直接地影響著發動機起動和運行性能[5]，因此本小節從機翼、尾翼和吊掛三個飛機外部結構來分析飛機外部結構環境特點，三個飛機外部結構的外場和實驗室環境數據如表2所示。

由表2可知，飛機機翼、吊掛和尾翼三個外部機構在實驗室極端環境下的環境溫度，與外場環境下三個外部機構的環境溫度趨勢相同，即均比外場環境和實驗室環境溫度低，導致此現象的原因是此時外場環境和實驗室環境均處在溫度上升階段。但由于內外場的溫度最低點和升溫速率不同，產生了實驗室環境下三個外部機構溫度比外場環境下三個外部機構溫度更低的現象，也是對飛機機構的嚴格考核，這也表征了飛機氣候環境實驗室試驗的重要性，即實驗室試驗可有效且精準地擴展外場試驗，進而為拓寬飛機運營包線提供支撐。

表2 內外場極端環境下飛機外部結構環境溫度（℃）

2.2 極端環境下飛機內部結構環境溫度特點

上述飛機的三個外部結構均從中后機身進行分析，飛機內部環境結構選取前中機身進行研究，因此本小節從機頭的雷達艙和翼身整流罩兩個內部結構來分析飛機內部結構環境特點。內外場極端環境下飛機內部結構環境溫度數據如表3所示。

由表3可知，飛機翼身整流罩和雷達艙兩個內部結構在實驗室極端環境下的環境溫度，與外場環境下兩個內部結構的環境溫度趨勢相同，即均比外場環境和實驗室環境溫度高，導致此現象的原因是由于外部結構的隔熱，但不同位置的隔熱性能和密封性能不同，也就導致內部溫度不同，并且機頭的雷達艙溫度低于翼身整流罩溫度。

表3 內外場極端環境下飛機內部結構環境溫度（℃）

2.3 飛機內外部結構的環境溫度分布分析

從飛機整機結構環境溫度出發，分析飛機全機身溫度分布和飛機內外部環境差異，由圖3可知：

1）對于機身外的環境溫度分布，在外場或實驗室，機翼環境溫度與尾翼環境溫度誤差僅1.67 ℃和0.12 ℃，且實驗室環境下飛機環境溫度分布比外場環境下飛機環境溫度分布更均勻；

2）對于機身內部的環境溫度，無論是外場環境還是實驗室環境，翼身整流罩的隔熱保溫效果比雷達艙的隔熱保溫效果更好。

3 結論

本文圍繞飛機整機內外場環境試驗，結合外場環境試驗溫度和實驗室環境試驗溫度歷程，在外場回溫階段（靜溫由-35 ℃回溫-28.8 ℃時）和實驗室回溫階段（靜溫由-45 ℃回溫-28.8 ℃時），選取內外場共同的溫度點為靜溫/總溫為-28.8 ℃和-28.78 ℃，兩者誤差為0.07 %，在此條件下，分析外場與實驗室下飛機內外部結構環境溫度特征。經對比可得：實驗室環境下飛機環境溫度變化趨勢與外場飛機環境溫度變化趨勢相同，即飛機外部結構環境溫度比靜溫/總溫低，飛機內部結構環境溫度比靜溫/總溫高，但由于實驗室所達到的溫度更低，導致實驗室環境下飛機結構溫度低于外場環境下飛機結構溫度。并且實驗室環境下飛機環境溫度分布比外場環境下飛機環境溫度分布更均勻，對于飛機結構的保溫效果，發現翼身整流罩的的隔熱保溫效果比雷達艙的隔熱保溫效果更好，可為飛機低溫維護提供支撐。