ARJ21-700飛機機翼防冰系統自然結冰試飛方法

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適航驗證技術目前還沒有形成體系標準，不但國內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條件下的結冰演示，但并沒有對防冰系統進行充分的試驗驗證，只是完成了演示實驗，也沒有對防冰系統的關鍵參數進行測試，能否給出CCAR25部附錄C包線內的系統結論還有待商榷［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，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確定的連續和間斷最大結冰狀態下安全運行的能力。

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

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。經分析可以得出以下結論:

(1)至少應該進行最大連續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，可以通過分析或對比先前的類似系統給出結論;

(3)應該考核發出結冰告警信號時打開機翼防冰系統后防冰表面的溫度特性;

(4)應該考核發出結冰告警信號后延遲打開機翼防冰系統后防冰表面的溫度特性，并注意可能發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)連續最大結冰條件。選取液態水含量無因次系數為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。選取液態水含量無因次系數為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部云層物理參數的不均勻，導致試驗進行過程中氣象狀態與附錄C中的4條典型的LWC-MVD曲線不重合，經常偏離。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CFD仿真計算

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

(2)根據咨詢通告的內容，試飛考核的狀態至少應該包括:最大連續結冰條件下結冰告警后打開和延遲打開機翼防冰系統;最大連續結冰條件下發動機慢車狀態打開機翼防冰系統;最大間斷結冰條件下結冰告警后打開機翼防冰系統。

(3)根據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:選取液態水含量無因次系數為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ARJ21-700飛機的性能報告，得出在該高度范圍內最小待機速度為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連續最大結冰條件:選取液態水含量無因次系數為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ARJ21-700飛機的性能報告，得出在該高度范圍內最小待機速度為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試飛的試驗狀態點。

表2 試飛選取的狀態點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。經過查閱國外防冰系統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: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:當LWC實測值與理論值的比值大于1.5時，應該終止試驗;

(3)機翼防護區域監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結冰條件下機翼防冰系統的飛行試驗，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，利用防冰系統仿真分析模型軟件進行防冰系統表面溫度的計算，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預估偏低，導致溫度計算偏高。外部對流換熱系數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，且層流到紊流的轉變位置至今很難用數值方法來界定［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、過渡區的分布發生了變化，所以需要對現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，為后續我國運輸類飛機機翼防冰系統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［M］.北京:航空專業教材編審組，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值模擬［J］.西北工業大學學報，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.