楊新亮

(中國飛行試驗(yàn)研究院航電所，陜西西安710089)

0 引言

ARJ21-700飛機(jī)是我國自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)并需要申請(qǐng)美國FAA適航證的新一代民用支線客機(jī)，其適航試飛的成功與否直接關(guān)系到該型號(hào)的命運(yùn)。由于我國民機(jī)的防冰系統(tǒng)適航驗(yàn)證技術(shù)目前還沒有形成體系標(biāo)準(zhǔn)，不但國內(nèi)可供借鑒的型號(hào)試飛資料有限，而且還存在各自的局限性，對(duì)該型號(hào)的合格審定試飛借鑒意義不大。例如:1997年Y7-200A飛機(jī)雖然完成了最大連續(xù)條件下的結(jié)冰演示，但并沒有對(duì)防冰系統(tǒng)進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，只是完成了演示實(shí)驗(yàn)，也沒有對(duì)防冰系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試，能否給出CCAR25部附錄C包線內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)論還有待商榷［1］。

1 試飛方法

在《ARJ21-700飛機(jī)型號(hào)合格審定基礎(chǔ)》920GD008中明確提出，ARJ21-700飛機(jī)防冰系統(tǒng)的符合性驗(yàn)證條款為CCAR25-R3-§25.1419。如何表明對(duì)于CCAR25部條款的符合性便成為課題組必須思考的問題。總的來說，就是解決該型飛機(jī)選用什么構(gòu)型狀態(tài)，以什么速度，在什么氣象條件下，飛行多長時(shí)間，測試改裝如何保障，試驗(yàn)結(jié)果是否有效等問題。

1.1 對(duì)CCAR25.1419條款的理解

通過對(duì)CCAR25.1419條款的分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)最終目標(biāo):飛機(jī)必須具備附錄C確定的連續(xù)和間斷最大結(jié)冰狀態(tài)下安全運(yùn)行的能力。

(2)方法原則:必須測定自然結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)的結(jié)冰氣象參數(shù);必須測定防護(hù)表面溫度及防冰系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù);必須確認(rèn)飛機(jī)在各種運(yùn)行形態(tài)下防冰的可靠性。

1.2 對(duì)相關(guān)咨詢通告的理解

咨詢通告AC25.1419-1及AC20-73是FAA針對(duì)FAR25.1419條款建議的符合性方法和手段。經(jīng)分析可以得出以下結(jié)論:

(1)至少應(yīng)該進(jìn)行最大連續(xù)條件下的自然結(jié)冰試驗(yàn);

(2)對(duì)于無法找到最大間斷結(jié)冰條件的情況，可以通過分析或?qū)Ρ认惹暗念愃葡到y(tǒng)給出結(jié)論;

(3)應(yīng)該考核發(fā)出結(jié)冰告警信號(hào)時(shí)打開機(jī)翼防冰系統(tǒng)后防冰表面的溫度特性;

(4)應(yīng)該考核發(fā)出結(jié)冰告警信號(hào)后延遲打開機(jī)翼防冰系統(tǒng)后防冰表面的溫度特性，并注意可能發(fā)生的觀察冰脫落情況;

(5)應(yīng)該考核飛機(jī)待機(jī)、巡航、爬升、下降、進(jìn)場等不同飛行階段，由于機(jī)翼迎風(fēng)區(qū)域不同、速度不同而導(dǎo)致的防冰表面的溫度特性。

1.3 對(duì)附錄C的理解

暴露于結(jié)冰氣象中的時(shí)間長度是基于CCAR-25部附錄C中結(jié)冰云層的范圍，以及飛機(jī)的最小待機(jī)速度確定的。CCAR-25部附錄C給出了進(jìn)行自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)的結(jié)冰氣象要求。

(1)連續(xù)最大結(jié)冰條件。選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的云層水平范圍17.4 nmile，海拔高度范圍為0～22 000 ft(6 706 m)。假設(shè)在該高度范圍內(nèi)飛機(jī)最小待機(jī)速度為160 kn，所以在無風(fēng)條件下以160 kn的速度穿越17.4 nmile的時(shí)間為6.5 min。

(2)間斷最大結(jié)冰條件。選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的云層水平范圍2.6 nmile，海拔高度范圍4 000～22 000 ft(1 219～6 706 m)，假設(shè)在最低高度4 000 ft(1 219 m)時(shí)的飛機(jī)最小待機(jī)速度為169 kn，所以在無風(fēng)條件下以169 kn的速度穿越2.6 nmile的時(shí)間為55 s。

(3)由于自然結(jié)冰氣象的復(fù)雜性和多變性，結(jié)冰限制包線(液態(tài)水含量LWC與體積平均直徑MVD)中同時(shí)增加了4條典型的LWC-MVD曲線。自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)時(shí)由于結(jié)冰云層內(nèi)部云層物理參數(shù)的不均勻，導(dǎo)致試驗(yàn)進(jìn)行過程中氣象狀態(tài)與附錄C中的4條典型的LWC-MVD曲線不重合，經(jīng)常偏離。這就要求必須判斷結(jié)冰氣象是否滿足附錄C要求，具體方法如下:

①通過實(shí)際測得的大氣總溫，在LWC-MVD圖中插值計(jì)算得到該溫度的LWC-MVD曲線;

②通過實(shí)際測得的 MVD，在該溫度對(duì)應(yīng)的LWC-MVD曲線上得到LWC理論值;

③對(duì)比LWC實(shí)測值與理論值，當(dāng)比值小于某值時(shí)，認(rèn)為該試驗(yàn)無效;當(dāng)比值大于某值時(shí)，認(rèn)為該氣象條件不可接受，應(yīng)終止試驗(yàn)。

1.4 機(jī)翼熱氣防冰系統(tǒng)CFD仿真計(jì)算

機(jī)翼熱氣防冰系統(tǒng)［2］CFD仿真計(jì)算使用目前流行的Fluent流體計(jì)算軟件［3］完成。主要內(nèi)容包括:使用模型軟件的前期準(zhǔn)備(建模及網(wǎng)格生成工作)，外部流動(dòng)參數(shù)及模型設(shè)置，水收集系數(shù)計(jì)算［4］，無粘流計(jì)算，外部熱載荷計(jì)算，熱氣防冰系統(tǒng)引氣參數(shù)設(shè)置，防冰腔內(nèi)熱氣流動(dòng)與換熱初始計(jì)算，熱氣防冰系統(tǒng)表面溫度計(jì)算［5］等。

對(duì)機(jī)翼沿氣流方向從翼根到翼尖均勻截取了11個(gè)剖面，計(jì)算了1 m，3 m，6 m和9 m處共4個(gè)剖面不同飛行階段時(shí)防冰系統(tǒng)自然結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果。具體計(jì)算初始條件如表1所示，CFD計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

表1 計(jì)算初始條件Table 1 Calculated the initial conditions

從圖1(a)可以看出:同一翼型剖面上，駐點(diǎn)(s/c=0)位置及其附近單位面積的水收集量(β)最大，沿氣流方向從駐點(diǎn)沿上下表面向后單位面積水收集量逐漸變小;不同翼型剖面上，沿翼展方向，駐點(diǎn)位置附近單位面積的水收集量從翼根到翼稍逐漸增大，這說明最早出現(xiàn)積冰的部位位于翼稍附近。從圖1(b)可以看出:不同翼型剖面上，駐點(diǎn)位置及其附近單位面積的防冰熱載荷最大，沿氣流方向從駐點(diǎn)沿上下表面向后單位面積防冰熱載荷逐漸變小;在機(jī)翼的整個(gè)翼展上，防冰熱載荷在機(jī)翼中段最大，在翼梢位置次之，在翼根位置最小。從圖1(c)可以看出，同一翼型剖面上，同一駐點(diǎn)位置單位面積的防冰熱載荷從大到小依次為:巡航過程、下降過程、爬升過程、待機(jī)過程、進(jìn)場過程。從圖1(d)可以看出，巡航構(gòu)型下(MVD=15，LWC=0.8)自然結(jié)冰試飛過程中防冰防護(hù)區(qū)域表面溫度最低為283.4 K(10.3℃)，最高為368.5 K(95.4℃)，滿足防護(hù)區(qū)域表面溫度大于1.7℃、小于120℃的溫度要求。

圖1 CFD計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculated results of CFD

2 試飛方案設(shè)計(jì)

2.1 試飛方案制定

在制定ARJ21-700飛機(jī)機(jī)翼防冰系統(tǒng)自然結(jié)冰試飛方案中，得到如下啟示:

(1)由于ARJ21-700并不存在可以進(jìn)行類比的且已經(jīng)拿到適航證的類似型號(hào)民用飛機(jī)，所以間斷最大結(jié)冰條件下的自然結(jié)冰試驗(yàn)也應(yīng)該進(jìn)行，以演示該氣象條件下的系統(tǒng)性能。

(2)根據(jù)咨詢通告的內(nèi)容，試飛考核的狀態(tài)至少應(yīng)該包括:最大連續(xù)結(jié)冰條件下結(jié)冰告警后打開和延遲打開機(jī)翼防冰系統(tǒng);最大連續(xù)結(jié)冰條件下發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)打開機(jī)翼防冰系統(tǒng);最大間斷結(jié)冰條件下結(jié)冰告警后打開機(jī)翼防冰系統(tǒng)。

(3)根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，試飛考核的飛行階段順序?yàn)?巡航過程→下降過程→爬升過程→起飛過程→待機(jī)過程→進(jìn)場過程。

(4)通過對(duì)于 CCAR25部附錄 C的分析，對(duì)ARJ21-700飛機(jī)進(jìn)行機(jī)翼防冰系統(tǒng)自然結(jié)冰試飛的時(shí)間確定如下:

①間斷最大結(jié)冰條件:選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的云層水平范圍2.6 nmile，海拔高度范圍4 000～22 000 ft(1 219～6 706 m)，根據(jù)ARJ21-700飛機(jī)的性能報(bào)告，得出在該高度范圍內(nèi)最小待機(jī)速度為176 kn，故無風(fēng)條件下以176 kn速度穿越2.6 nmile的時(shí)間為54 s。

②連續(xù)最大結(jié)冰條件:選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的云層水平范圍17.4 nmile，海拔高度范圍為0～22 000 ft(6 706 m)，根據(jù)ARJ21-700飛機(jī)的性能報(bào)告，得出在該高度范圍內(nèi)最小待機(jī)速度為176 kn，所以在無風(fēng)條件下以176 kn速度穿越17.4 nmile的時(shí)間為5.9 min。

表2給出了ARJ21-700飛機(jī)進(jìn)行機(jī)翼防冰系統(tǒng)試飛的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)。

表2 試飛選取的狀態(tài)點(diǎn)Table 2 Selected flight test points

2.2 試飛技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案的制定

由于機(jī)翼防冰系統(tǒng)自然結(jié)冰試飛屬于一類風(fēng)險(xiǎn)科目，需要在試飛前制定完善的應(yīng)對(duì)預(yù)案。經(jīng)過查閱國外防冰系統(tǒng)適航試驗(yàn)的相關(guān)資料，并咨詢國外同行后，得到如下結(jié)論:

(1)試驗(yàn)有效判據(jù):當(dāng)LWC實(shí)測值與理論值的比值大于等于0.7時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)有效;

(2)終止試驗(yàn)判據(jù):當(dāng)LWC實(shí)測值與理論值的比值大于1.5時(shí)，應(yīng)該終止試驗(yàn);

(3)機(jī)翼防護(hù)區(qū)域監(jiān)控部位按重要性排序依次為:縫翼中部、縫翼翼尖、縫翼翼根、縫翼根部順氣流下游流場情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2012年3月19日，ARJ21-700飛機(jī)104架機(jī)在烏魯木齊地窩堡機(jī)場進(jìn)行了最大連續(xù)結(jié)冰條件下機(jī)翼防冰系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)，共飛行了1個(gè)架次共2.5 h。試驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看到，無論是特定剖面還是沿翼展方向，表面溫度分布趨勢的試驗(yàn)值與計(jì)算值都符合很好。

圖2 試驗(yàn)結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison between CFD and flight test

3.2 誤差分析

從計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值的對(duì)比看，利用防冰系統(tǒng)仿真分析模型軟件進(jìn)行防冰系統(tǒng)表面溫度的計(jì)算，特別是機(jī)翼下表面，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間存在誤差。其原因很可能是計(jì)算模型沒有考慮下表面作動(dòng)筒引起的紊流效應(yīng)，對(duì)下表面對(duì)流換熱系數(shù)預(yù)估偏低，導(dǎo)致溫度計(jì)算偏高。外部對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算模型采用的是附面層積分方法，并分為層流、紊流、過渡區(qū)來分別計(jì)算，所以計(jì)算模型本身存在一定的近似計(jì)算，且層流到紊流的轉(zhuǎn)變位置至今很難用數(shù)值方法來界定［6］。目前通用的計(jì)算模型都是進(jìn)行近似簡化，有可能由于作動(dòng)筒紊流效應(yīng)的影響導(dǎo)致了其層流、紊流、過渡區(qū)的分布發(fā)生了變化，所以需要對(duì)現(xiàn)有近似方法采取一定的更改，使之更能反映真實(shí)的物理過程。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)CCAR25-R3及相關(guān)咨詢通告條款的分析，給出了進(jìn)行ARJ21-700飛機(jī)機(jī)翼防冰系統(tǒng)合格審定試飛的初步方案。結(jié)合CFD方法對(duì)飛行試驗(yàn)過程仿真計(jì)算，實(shí)時(shí)演示了飛行試驗(yàn)過程，細(xì)化并最終制定出科學(xué)的飛行試驗(yàn)方法。通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了試飛方法的可行性和科學(xué)性，同時(shí)又驗(yàn)證了CFD仿真計(jì)算方法的正確性，為后續(xù)我國運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)翼防冰系統(tǒng)的試飛提供了技術(shù)和方法參考。

［1］ 中國民用航空局.CCAR-25-R3 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國民用航空局，1985.

［2］ 裘燮綱，韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)［M］.北京:航空專業(yè)教材編審組，1985.

［3］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:54-60.

［4］ 周志宏，李鳳蔚，李廣寧.基于兩相流歐拉方法的翼型結(jié)冰數(shù)值模擬［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28(1):138-142.

［5］ 陳維建，張大林.飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰過程的數(shù)值模擬［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20(5):1010-1017.

［6］ Guilherme Silva，Otavio Silvares，Euryale Zerbini.Simulation of an airfoil electro-thermal anti-ice system operating in running wet regime［R］.AIAA-2005-1374，2005.