民用飛機靜壓孔安裝位置研究

方陽　楊士普　楊慧

【摘 要】靜壓孔傳感器用于測量飛機飛行所在高度的大氣靜壓，通過大氣數據計算機得到飛機的飛行高度和飛行速度。本文通過CFD方法對兩種國外現役機型的機身靜壓場和靜壓孔氣動特性進行研究，結合靜壓孔傳感器的使用特點及設計要求，可以獲得使得靜壓孔傳感器修正規律簡單的布局位置，為靜壓孔傳感器在試飛修正中獲得高質量的測量精度奠定良好的理論設計基礎。

【關鍵詞】靜壓孔傳感器；布局；數值分析

0 引言

民用飛機采用靜壓孔傳感器（以下簡稱靜壓孔）或全靜壓傳感器來測量飛機飛行高度的靜壓，相對于全靜壓傳感器，靜壓孔的測量精度更高，現代的先進民用飛機以及大型民用飛機均采用靜壓孔測量來流靜壓。所測得的靜壓值通過大氣數據計算機得到飛機的飛行高度和飛行速度，并在氣壓高度表和空速表上顯示出來。靜壓孔如圖 1所示。

大氣靜壓定義為飛機前方無限遠處的來流靜壓，但由于飛機上靜壓孔的位置、測量設備、馬赫數、迎角、側滑角等因素的影響，靜壓孔測量的靜壓值總會存在一定的誤差，正常情況下，此偏差可以分為：靜壓孔的安裝位置誤差、延遲誤差以及設備誤差，其中靜壓系統的靜壓誤差主要取決于其位置誤差的大小。所以，減小靜壓誤差就要減小靜壓源位置誤差。

1 機身靜壓孔安裝需求分析

1.1 機身靜壓孔安裝設計原則

機身靜壓孔一般布置在機頭和前機身上，且為了避免不同構型的影響，一般都布置在遠離機翼的地方。一般來說，應符合以下幾條安裝設計原則。

1）保證靜壓孔能有效而穩定的測量來流靜壓。

為保證靜壓孔的布局符合這一設計原則，應避免靜壓孔受到擾動氣流的影響，包括突出物擾流、起落架擾流以及排氣孔排除的氣體等等，使其處于穩定的流場中。

2）靜壓孔測量值應滿足一定的精度要求

現代為了增加空域容量，國際民航組織（ICAO）提出了RVSM運行要求，即將飛行高度層FL290（8900米）到飛行高度層FL410（12500米）之間的垂直間隔由2000英尺縮小為1000英尺。這使得對靜壓孔的精度要求更嚴苛了，平均為0.26%。靜壓孔誤差可以從三個方面考慮：靜壓孔的安裝位差、延遲誤差、設備誤差。靜壓孔的安裝誤差也叫靜壓源誤差，是由靜壓孔的布局設計決定的，此誤差決定了靜壓孔誤差的量級；延遲誤差是壓力從測量點傳遞到傳感器所耗費的時間引起的誤差；與設備誤差有關的有制造誤差、摩擦、活動部位的慣性、磁場和溫度波動。

3）靜壓孔安裝應滿足魯棒性要求

靜壓孔安裝位置在一定范圍內的偏移，不會對安裝誤差修正規律及其他設計要求產生明顯影響。

4）靜壓孔安裝應滿足可靠性要求

靜壓孔應對稱布局，主靜壓孔與備用靜壓孔應布局在不同區域。

5）制造要求

靜壓孔的安裝位置應易于實現RVSM對靜壓孔附近區域的制造容差要求。

1.2 靜壓孔安裝氣動設計要求

從氣動角度出發，靜壓孔安裝應滿足以下氣動設計原則：

1）靜壓信號隨馬赫數的變化規律應簡單，以減小修正過程的復雜性；

2）靜壓信號隨迎角應盡量不變，以減小迎角試飛精度較低帶來的靜壓誤差；

3）靜壓信號受側滑角的影響用盡可能小，以降低飛機側滑時帶來的靜壓誤差。

2 分析方法

機身靜壓孔安裝在機身表面，測量的是所在機身表面的壓力，根據氣動理論，機身表面壓力場的變化規律與馬赫數、迎角、側滑角和雷諾數這四個氣動參數有關，其中，有較大影響的參數為迎角和馬赫數，本文對這兩個參數對機身靜壓場的氣動特性影響進行分析。

本文采用CFD方法對兩種機型（X1、X2）的機身靜壓場和靜壓孔特性進行分析研究。兩種機型都采用翼身組合體巡航構型，計算網格采用ANSYS-ICEM生成的非結構網格。為了得到靜壓孔位置的精確靜壓值，在靜壓孔周圍進行加密。采用CFX軟件進行計算，湍流模型采用SST模型。

提取出機身上所有的網格點數值，用FORTRAN編程處理，可以在機身上比較直接形象的看出不隨馬赫數或迎角變化的位置，如圖 2所示。由圖可以看出，從單純的氣動角度考慮，深藍色地帶為布置靜壓孔的理想位置，在這個區域，機身靜壓隨迎角變化的敏感程度很低。而在紅色區域，機身靜壓隨迎角變化最為敏感。 圖 2（b）曲線中給出了，處于深藍色區域的S2和處于藍綠色區域的S1兩個位置的靜壓隨迎角的變化曲線的對比。可以看出，S2處的靜壓幾乎不隨迎角變化而變化，而S1處則隨迎角有一定的變化。顯然，可以得出，位置S2更適合安裝靜壓孔。

3 計算結果

機型X1和X2各有六個靜壓孔，均對稱分布在機身兩邊，機身左邊靜壓孔位置如圖3、圖4、圖7以及圖8中的紅點位置所示，圖中可以看出兩個機型的三個靜壓孔有兩個靜壓孔的位置布置的比較靠近，為主靜壓孔，XI的主靜壓孔記為S1，X2的主靜壓孔記為P1；還有一個靜壓孔布置的稍遠，為備用靜壓孔，X1的備用靜壓孔記為S2，X2的備用靜壓孔記為P2。

3.1 X1計算結果分析

本節通過CFD方法研究了X1飛機的機身靜壓場的氣動特性，并且得到了其靜壓孔處的靜壓值隨迎角和馬赫數的變化規律。

由圖 3得出，X1布置在機身上的兩個主靜壓孔在不同馬赫數下都是處于對迎角敏感度較低的深藍色區域，幾乎是無迎角效應，這樣在試飛修正時就靜壓信號就可以不用進行迎角修正，正如圖 5（a）所示；但圖 4則顯示兩個主靜壓孔卻不是處于對馬赫數敏感度較低的深藍色區域，而是位于該區域的前方，這是由于X1飛機在住靜壓孔靠近機翼的那個方向布置了貨艙門，而且相對于迎角信號來說，試飛時馬赫數的精度較高，圖 6（a）顯示主靜壓孔的靜壓隨馬赫數的變化比較簡單，因此，進行靜壓信號的馬赫數修正時精度也會較高。

由于X1的機頭靠近風擋處的結構不是很平整，而靜壓孔安裝對飛機表面的粗糙度要求很高，為0.8甚至更高，同時為了防水要求，其備用靜壓孔并沒有布置在機頭的對迎角敏感度較低的區域，而是出于該區域的下方，如圖 3所示。圖 5（b）顯示備用靜壓孔的靜壓信號雖然不是隨迎角不變的，但幾乎是單調線性變化，這樣也能減小修正時的誤差。

3.2 X2計算結果分析

本節通過CFD方法研究了X2飛機的機身靜壓場的氣動特性，并且得到了其靜壓孔處的靜壓值隨迎角和馬赫數的變化規律。

X2飛機的主靜壓孔和備用靜壓孔都布置在了機身位置，這樣能夠避開機頭區域的復雜結構區域，滿足靜壓孔安裝的制造容差要求。

圖 7表示了三個靜壓孔測量的靜壓值在不同的馬赫數下，隨迎角幾乎是不變的，說明三個靜壓孔都布置在對迎角信號敏感度低的區域，如圖 9所示。圖 10給出了三個靜壓信號在不同迎角下隨馬赫數的變化規律，雖然不是隨馬赫數不變，但都是簡單變化的。

4 總結

本文通過CFD方法對X1、X2兩種機型的機身靜壓場的氣動特性進行了研究，獲得了靜壓孔位置靜壓信號隨迎角和馬赫數的變化規律。

這兩種機型的靜壓孔定位首先都是優先考慮迎角的影響，盡量保證無迎角效應，或者隨迎角線性變化；其次隨馬赫數的變化也是簡單單調的，這樣有利于后續的靜壓源誤差修正。靜壓孔的這種定位規律是由目前的試飛技術水平決定的。目前來說，相對于迎角的試飛精度，馬赫數的試飛精度較高。保證了靜壓孔位置無迎角效應，那么就減小了由迎角修正帶來的靜壓源誤差。

另外，這兩種機型在靜壓孔定位時，都盡量遠離了機翼前緣，這樣可以減小襟縫翼的影響，提高了靜壓測量精度，保證了飛行安全。

[責任編輯：湯靜]