试验机结冰气象探测器安装位置及高度研究
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作者:张锋 张玮欣
摘 要：基于某大型民用客机，采用数值仿真方法，仿真计算试验机的水滴撞击特性。选取机身、机翼上可能的安装点位，通过对比分析安装点位附近的LWC与远场LWC，确定安装点位处安装结冰气象探测器（CCP）所需的安装高度，研究结冰气象探测器（CCP）在试验机机身、机翼上的安装位置、高度之间的关系。为试验机结冰试飞中CCP探测器位置的选取和安装高度的确定提供技术参考。
关键词：结冰试飞 结冰气象探测器 安装位置 计算流体力学
中图分类号：V244 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0034-04
1 引言
飞机结冰常常会给飞行安全带来极大的危害，需要在试飞阶段根据相关适航条款，对待定型的飞机进行自然结冰试验验证，以充分了解待定型飞机的结冰特性、防除冰系统的工作性能与工作逻辑，以及结冰对飞行性能、飞行品质的影响等，找出设计缺陷，为优化设计提供重要参考，从而保证后期商业运行中的飞行安全。
自然结冰试飞需要苛刻的气象条件，CCAR-25-R4.附录C对此有着严格的规定。结冰气象探测器（CCP）作为国际上公认的结冰气象探测设备，可以精准测量结冰气象的相关参数（LWC与MVD），为自然结冰试飞提供真实的结冰环境参数支持。在真实的结冰试飞中，由于气流的影响，结冰气象探测器能否准确测量相关参数主要取决于其在飞机上的安装位置。所以需要研究结冰气象探测器（CCP）在试验机上的安装位置，以保证其可以准确测量试验机所处的自然结冰气象条件，从而保证试飞科目的有效性及符合性。
2 国内外研究现状
George A.Isaac等人提出了结冰气象探测器安装位置选取的一些基本原则，定性地给出了通常的安装位置[1]。国内学者对结冰气象探测器的研究相对较少，主要研究了结冰探测器的种类、原理及安装位置等。张杰等人研究了国内外的结冰探测传感器的原理、类别等[2]，朱程香等人研究了探头式结冰探测器的安装位置[3]，刘巍等人研究了平模式结冰探测器的安装位置[4]。
结冰气象探测器（CCP）不同于结冰探测器，它是机载粒子测量系统的一种，测量对象为试验机所处的结冰气象条件，主要为液体水含量（LWC）和平均有效水滴直径（MVD）。结冰气象探测器基本尺寸为970mm×220mm×290mm，重量约13kg（见图1）。
3 研究方法
基于某大型民用客机，根据试飞需求，选取典型的计算状态，采用数值仿真方法，计算仿真试验机的水滴撞击特性。选取机身、机翼上典型的安装点位，通过对比分析研究点位附近的LWC与远场的LWC，确定安装点位的安装高度，绘制安装位置-高度曲线图，研究结冰气象探测器（CCP）在试验机机身、机翼上安装位置和安装高度之间的关系。
3.1 安装基本原则
根据CCAR-25-R4.附录C的规定，结合实际的结冰飞行条件和探测器的特性，提出以下安装原则：
（1）避开水滴遮蔽区;
（2）对于20～40μm直径的液滴，都能探测到;
（3）在飞机的有效飞行迎角、侧滑角范围内，探测器均有效;
（4）安装在液态水含量值（LWC）梯度变化较平缓的区域。
3.2 计算状态
（1）飞行条件。
V：100m/s
H：3km
AOA：0;4;8;12
β：-8;-4;0;4;8
（2）结冰气象条件。
MVD：20um，40um
LWC：1g/m^2
T：-10°C
3.3 网格划分
对不带探测器的干净试验机进行非结构网格划分，在机身表面生成棱柱网格以模拟附面层，飞机第一层附面层网格高度为飞机平均气动弦长的10-4量级，相邻两层附面层厚度之比为1.2，半模网格量约800万，图2为该试验机的半模非结构网格。
3.4 空气流场计算
采用三维可压缩流定常N-S方程的积分形式进行数值模拟，其通式在直角坐标系中可表示为：
式（1）中各变量的定义见文献[5]，计算中采用格心格式的有限体积法对控制方程进行离散，湍流模型选择SST k-ω模型，计算中涉及的边界条件有远场边界条件和物面边界条件，远场边界距离模型20倍的机身长度，物面为无滑移边界条件。
3.5 水滴撞击特性计算
在空气流场计算仿真的基础上，采用欧拉法，建立质量守恒和动量守恒控制方程，计算试验机周围的液态水含量分布情况，得到试验机的水滴撞击特性。
4 结果及分析
4.1 基本规律
（1）水滴直径（MVD）越大，遮蔽區越大。
（2）飞行迎角越大，水滴遮蔽区越大。
在机身对称面和机翼各剖面区域，遮蔽区随着MVD和迎角的增加而增大。由于直径大的水滴惯性相对较大，气流对其产生的影响相对较小，在相同的迎角下，其运动轨迹相对更接近于直线，所以大水滴遮蔽区相对较大，见图3;在相同的MVD情况下，水滴惯性相同，气流对其影响相当，飞行迎角的增加使得上翼面的水滴遮蔽区相对较大，见图4。 4.2 机翼安装分析
由图5可知，当飞机以20°侧滑角飞行时，机翼内侧处于机身水滴装机特性的影响区内，发动机短舱对机翼水滴撞击特性的影响在展向位置不会超过9.3m，选择机翼展向10m和15m处剖面研究CCP探测器的安装位置和安装高度。
由4.1可知，在正迎角飞行时，机翼上的水滴遮蔽区主要集中在上翼面，所以上翼面不适于安装CCP探测器。在下翼面，飞机迎风区域附近有较高的液态水含量分布区，该区域为液态水含量的浓度增加区，再往外发展，浓度增加区慢慢变弱，直至同远场的浓度。图6为机翼下翼面安装CCP探测器所需要的支撑高度随当地弦长的关系。由图6可知：
（1）在机翼展向10m和15m的处，下翼面安装CCP探测器所需的安装高度和位置规律相似。
（2）在各种飞行和气象条件下，机翼下翼面安装CCP探测器所需高度均不超过0.33m，易于满足结构设计需求。
（3）当MVD相同时，随着飞行迎角的增大，在同一位置安装CCP探测器所需要的高度越高。
当迎角相同时，MVD越大，在同一位置安裝CCP探测器所需的高度越高。
4.3 机身安装分析
机身单侧加装CCP探测器一般会产生较大的非对称力矩，对载机的操稳特性影响较大，一般不建议加装在飞机侧方。选取机身对称面上、下各5个安装点位，见图7，研究机身对称面处安装位置与安装高度之间的关系，见图8，由图8可知：
（1）机背安装CCP探测器所需要的支撑高度远大于机腹，这主要是由于飞机正迎角飞行时，机背遮蔽区远大于机腹所致。
（2）机背安装CCP探测器，在所有飞行迎角下，安装位置越远离机头，所需要的高度越高;在相同的安装位置，安装探测器所需高度随迎角的增加而增大，随MVD的增大而增大。若使安装高度小于1m，需要在X<10m处安装。
机腹安装CCP探测器，当飞行迎角为0°时，安装位置越远离机头，安装探测器所需要的高度越大;在其他正迎角下，安装高度随飞机纵坐标变化较小;在相同的安装位置，安装探测器所需高度随MVD的增大而增加。在X=10m处，安装高度需不小于0.52m。
5 结语
基于某大型民用客机，分析研究了CCP探测器在试验机上可能的安装位置，给出了机身和机翼下翼面安装位置和安装高度的对应关系，形成主要结论如下：
（1）机背和机翼上翼面遮蔽区随着水滴直径MVD和飞行迎角的增加而增大。
（2）机翼外侧下翼面安装CCP探测器时，安装高度均小于0.33m。
（3）在机身背部安装使安装CCP探测器时，若要使安装高度小于1m，则需要在X<10m处确定安装位置。
（4）机身腹部虽然相对机身背部所需的安装高度较低，但由于CCP探测器对环境的较高要求，实际使用中并不推荐安装在机腹。
参考文献
[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] 张杰，周磊，张洪，等.飞机结冰探测技术[J].仪器仪表学报，2006（12）：1579-1586.
[3] 朱程香，孙志国，付斌，等.探头式结冰探测器安装位置分析[J].航空动力学报，2011（12）：2677-2683.
[4] 刘巍，叶林.平模式结冰探测器大型客机机翼安装位置研究[D].华中科技大学，2011.
[5] 陈科甲，白俊强，朱军.发动机短舱对翼身组合体跨音速气动特性影响研究[J].航空计算技术，2010，40（1）：64.
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