楊新亮

(中國飛行試驗研究院航電所，陜西西安710089)

0 引言

ARJ21-700飛機是我國自主設計生產(chǎn)并需要申請美國FAA適航證的新一代民用支線客機，其適航試飛的成功與否直接關系到該型號的命運。由于我國民機的防冰系統(tǒng)適航驗證技術目前還沒有形成體系標準，不但國內(nèi)可供借鑒的型號試飛資料有限，而且還存在各自的局限性，對該型號的合格審定試飛借鑒意義不大。例如:1997年Y7-200A飛機雖然完成了最大連續(xù)條件下的結冰演示，但并沒有對防冰系統(tǒng)進行充分的試驗驗證，只是完成了演示實驗，也沒有對防冰系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行測試，能否給出CCAR25部附錄C包線內(nèi)的系統(tǒng)結論還有待商榷［1］。

1 試飛方法

在《ARJ21-700飛機型號合格審定基礎》920GD008中明確提出，ARJ21-700飛機防冰系統(tǒng)的符合性驗證條款為CCAR25-R3-§25.1419。如何表明對于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，就是解決該型飛機選用什么構型狀態(tài)，以什么速度，在什么氣象條件下，飛行多長時間，測試改裝如何保障，試驗結果是否有效等問題。

1.1 對CCAR25.1419條款的理解

通過對CCAR25.1419條款的分析，可以得出以下結論:

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

(2)方法原則:必須測定自然結冰試驗時的結冰氣象參數(shù);必須測定防護表面溫度及防冰系統(tǒng)運行參數(shù);必須確認飛機在各種運行形態(tài)下防冰的可靠性。

1.2 對相關咨詢通告的理解

咨詢通告AC25.1419-1及AC20-73是FAA針對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論:

(1)至少應該進行最大連續(xù)條件下的自然結冰試驗;

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

(3)應該考核發(fā)出結冰告警信號時打開機翼防冰系統(tǒng)后防冰表面的溫度特性;

(4)應該考核發(fā)出結冰告警信號后延遲打開機翼防冰系統(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)應該考核飛機待機、巡航、爬升、下降、進場等不同飛行階段，由于機翼迎風區(qū)域不同、速度不同而導致的防冰表面的溫度特性。

1.3 對附錄C的理解

暴露于結冰氣象中的時間長度是基于CCAR-25部附錄C中結冰云層的范圍，以及飛機的最小待機速度確定的。CCAR-25部附錄C給出了進行自然結冰飛行試驗的結冰氣象要求。

(1)連續(xù)最大結冰條件。選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時對應的云層水平范圍17.4 nmile，海拔高度范圍為0～22 000 ft(6 706 m)。假設在該高度范圍內(nèi)飛機最小待機速度為160 kn，所以在無風條件下以160 kn的速度穿越17.4 nmile的時間為6.5 min。

(2)間斷最大結冰條件。選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時對應的云層水平范圍2.6 nmile，海拔高度范圍4 000～22 000 ft(1 219～6 706 m)，假設在最低高度4 000 ft(1 219 m)時的飛機最小待機速度為169 kn，所以在無風條件下以169 kn的速度穿越2.6 nmile的時間為55 s。

(3)由于自然結冰氣象的復雜性和多變性，結冰限制包線(液態(tài)水含量LWC與體積平均直徑MVD)中同時增加了4條典型的LWC-MVD曲線。自然結冰飛行試驗時由于結冰云層內(nèi)部云層物理參數(shù)的不均勻，導致試驗進行過程中氣象狀態(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冰氣象是否滿足附錄C要求，具體方法如下:

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

②通過實際測得的 MVD，在該溫度對應的LWC-MVD曲線上得到LWC理論值;

③對比LWC實測值與理論值，當比值小于某值時，認為該試驗無效;當比值大于某值時，認為該氣象條件不可接受，應終止試驗。

1.4 機翼熱氣防冰系統(tǒng)CFD仿真計算

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

對機翼沿氣流方向從翼根到翼尖均勻截取了11個剖面，計算了1 m，3 m，6 m和9 m處共4個剖面不同飛行階段時防冰系統(tǒng)自然結冰試驗結果。具體計算初始條件如表1所示，CFD計算結果如圖1所示。

表1 計算初始條件Table 1 Calculated the initial conditions

從圖1(a)可以看出:同一翼型剖面上，駐點(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，沿氣流方向從駐點沿上下表面向后單位面積防冰熱載荷逐漸變小;在機翼的整個翼展上，防冰熱載荷在機翼中段最大，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、待機過程、進場過程。從圖1(d)可以看出，巡航構型下(MVD=15，LWC=0.8)自然結冰試飛過程中防冰防護區(qū)域表面溫度最低為283.4 K(10.3℃)，最高為368.5 K(95.4℃)，滿足防護區(qū)域表面溫度大于1.7℃、小于120℃的溫度要求。

圖1 CFD計算結果Fig.1 Calculated results of CFD

2 試飛方案設計

2.1 試飛方案制定

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

(1)由于ARJ21-700并不存在可以進行類比的且已經(jīng)拿到適航證的類似型號民用飛機，所以間斷最大結冰條件下的自然結冰試驗也應該進行，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)至少應該包括:最大連續(xù)結冰條件下結冰告警后打開和延遲打開機翼防冰系統(tǒng);最大連續(xù)結冰條件下發(fā)動機慢車狀態(tài)打開機翼防冰系統(tǒng);最大間斷結冰條件下結冰告警后打開機翼防冰系統(tǒng)。

(3)根據(jù)CFD計算結果，試飛考核的飛行階段順序為:巡航過程→下降過程→爬升過程→起飛過程→待機過程→進場過程。

(4)通過對于 CCAR25部附錄 C的分析，對ARJ21-700飛機進行機翼防冰系統(tǒng)自然結冰試飛的時間確定如下:

①間斷最大結冰條件:選取液態(tài)水含量無因次系數(shù)為1時對應的云層水平范圍2.6 nmile，海拔高度范圍4 000～22 000 ft(1 219～6 706 m)，根據(jù)ARJ21-700飛機的性能報告，得出在該高度范圍內(nèi)最小待機速度為176 kn，故無風條件下以176 kn速度穿越2.6 nmile的時間為54 s。

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

表2給出了ARJ21-700飛機進行機翼防冰系統(tǒng)試飛的試驗狀態(tài)點。

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

2.2 試飛技術風險預案的制定

由于機翼防冰系統(tǒng)自然結冰試飛屬于一類風險科目，需要在試飛前制定完善的應對預案。經(jīng)過查閱國外防冰系統(tǒng)適航試驗的相關資料，并咨詢國外同行后，得到如下結論:

(1)試驗有效判據(jù):當LWC實測值與理論值的比值大于等于0.7時，認為試驗有效;

(2)終止試驗判據(jù):當LWC實測值與理論值的比值大于1.5時，應該終止試驗;

(3)機翼防護區(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 試驗結果及分析

3.1 CFD計算結果與試驗結果對比

2012年3月19日，ARJ21-700飛機104架機在烏魯木齊地窩堡機場進行了最大連續(xù)結冰條件下機翼防冰系統(tǒng)的飛行試驗，共飛行了1個架次共2.5 h。試驗結果和模型計算結果如圖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值與計算值都符合很好。

圖2 試驗結果和CFD計算結果對比Fig.2 Comparison between CFD and flight test

3.2 誤差分析

從計算結果和試驗值的對比看，利用防冰系統(tǒng)仿真分析模型軟件進行防冰系統(tǒng)表面溫度的計算，特別是機翼下表面，計算結果和試驗結果之間存在誤差。其原因很可能是計算模型沒有考慮下表面作動筒引起的紊流效應，對下表面對流換熱系數(shù)預估偏低，導致溫度計算偏高。外部對流換熱系數(shù)計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)來分別計算，所以計算模型本身存在一定的近似計算，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］。目前通用的計算模型都是進行近似簡化，有可能由于作動筒紊流效應的影響導致了其層流、紊流、過渡區(qū)的分布發(fā)生了變化，所以需要對現(xiàn)有近似方法采取一定的更改，使之更能反映真實的物理過程。

4 結束語

本文通過對CCAR25-R3及相關咨詢通告條款的分析，給出了進行ARJ21-700飛機機翼防冰系統(tǒng)合格審定試飛的初步方案。結合CFD方法對飛行試驗過程仿真計算，實時演示了飛行試驗過程，細化并最終制定出科學的飛行試驗方法。通過飛行試驗驗證了試飛方法的可行性和科學性，同時又驗證了CFD仿真計算方法的正確性，為后續(xù)我國運輸類飛機機翼防冰系統(tǒng)的試飛提供了技術和方法參考。

［1］ 中國民用航空局.CCAR-25-R3 運輸類飛機適航標準［S］.北京:中國民用航空局，1985.

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

［3］ 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，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冰數(shù)值模擬［J］.西北工業(yè)大學學報，2010，28(1):138-142.

［5］ 陳維建，張大林.飛機機翼結冰過程的數(shù)值模擬［J］.航空動力學報，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.