民用飛機結冰風洞校準要求概述

胡麗燕 張彤

摘要：民用飛機在結冰條件下運行的適航取證過程中，需要采用結冰風洞試驗方法。而結冰風洞作為符合性驗證方法的前提是結冰風洞本身需要通過校準。本文對民用飛機結冰風洞校準的要求進行了分析，給出了結冰風洞校準過程中的關注要點和符合性判定建議，為民用飛機結冰風洞的校準提供一定參考。

關鍵詞：民用飛機;結冰風洞;適航符合性

0引言

25部規章《運輸類飛機適航標準》^[1]中對飛機在結冰條件下運行提出了各項要求，民用飛機若申請25部規章結冰條件下運行，在適航取證過程中必須滿足規章中所有關于結冰條件下運行的要求。結冰條款的符合性表明在結冰條件下工作是一項跨專業具有綜合性、復雜性以及需要技術手段和工程經驗支持的任務，在民機適航取證過程中占據重要地位。25部規章結冰條款的符合性驗證過程中，可采取的符合性方法包括分析/計算、試驗室試驗、飛行試驗等，其中試驗室試驗包括干空氣風洞試驗和結冰風洞試驗。結冰風洞試驗可以驗證臨界冰型和系統防冰能力，是符合性工作的重要環節，而結冰風洞試驗作為符合性手段的前提是結冰風洞本身試驗能力經過一系列校準試驗的驗證，以確保風洞試驗數據的準確性和可靠性。

1結冰風洞校準的要求

1.1校準時間

結冰風洞的校準分為基線校準、中間校準和檢查校準。

基線校準是對結冰風洞進行全面校準，包括氣動熱力學校準和結冰云霧校準。全面校準需在初始運行或進行一次氣動外形或冰云的重大設施更改后進行，如更改熱交換器、試驗區域、噴嘴系統等?；€校準的最少時間間隔為5年。

中間校準應在基線校準之后的最初2年內以1年為間隔進行。中間校準應至少包括確認云霧均勻性自基線校準后沒有發生更改和確認風洞中心線液態水含量（ LWC）的測量。中間校準應包含測量與模型相關的順翼展方向的總壓和靜壓以及總溫，以及使用基線校準的樣本點確認液滴尺寸校準。

檢查校準應每6個月進行一次，除非其被基線或中間校準覆蓋。檢查校準包括結冰云霧均勻性測量和中心線LWC測量，應使用基線校準過程中云霧均勻性和中心線LWC測量具有代表性的樣本點。

1.2校準指標

在結冰風洞校準過程中，氣動熱力學校準和結冰云霧校準的試驗區域性能指標如表1所示^[2]。

在結冰風洞的校準中，應保證試驗區域中的氣流和云霧特性在表1中列出的相關性能指標范圍內。云霧均勻分布區域被定義為在給定氣流速度和水滴尺寸的情況下，LWC處于試驗區域中心線LWC±20%范圍內的區域。通過可接受的方法來分析測量到的數據，由統計方法來確定準確性和不確定性。時間穩定性是指運行過程中參數的變化。均勻性是指均勻分布云霧截面內參數的空間變化。表1中最后一列的限制值適用于風洞設計的特點，通常不能控制。

風洞的操作者應當記錄噴射系統（空氣和水壓）達到穩定的時間，雖然表1中沒有給出此性能特性指標，但是記錄這些參數很重要，因為操作者有責任確保達到穩定云霧的時間（通常遠小于）與試驗點云霧噴射持續時間一致。

1.3校準程序

結冰風洞的校準流程應該按照航空界和適航當局認可的構型控制程序進行編號、發布和維護。結冰風洞應按照規定的時間間隔進行氣動熱力學和云霧校準，以表明風洞的儀器設備和控制程序可持續產生可接受的判據。氣動 熱力學和云霧校準的程序要求如下：

1）氣動熱力學校準

應進行干空氣的氣熱校準以確定風洞的空氣質量，應記錄速度分布、溫度分布、湍流強度分布、中心線空速校準和風洞氣流角度分布。每個風洞應生成一個預期使用范圍的試驗矩陣，此試驗矩陣至少包括氣動力學校準和熱力學校準。氣動力學校準包括中心線靜壓和總壓修正測量，和表2中列出的外界溫度調節下的速度、氣流方向和湍流測量。

熱力學校準應包括表3中范圍從0℃（32°F）到-30℃（-22°F）的4個溫度點（或試驗中將使用的最低運行溫度）;

2）云霧校準

云霧校準是確定風洞基本的云霧特性。云霧校準中應考慮噴嘴校準、云霧尺寸和均勻度、水滴中值體積直徑（MVD）校準、LWC校準。

噴嘴校準：噴嘴校準應包括氣流和水流特性，對于外部混合和內部混合的噴嘴，采用的排放因子不同，內部混合噴嘴應確定綜合了氣液兩相流的因子。

云霧尺寸和均勻度：應在參考平面（模型支撐系統旋轉中心位置）上設定測量點的矩陣。測量點間的間距應不大于12.5%，任意方向不超過15cm。

水滴MVD校準：水滴大小，用MVD表示，是噴嘴空氣和水流速率（對于空氣輔助的霧化噴嘴）的函數。對于MVD校準，風洞應被設定為50%～100%的風洞最大速度，試驗區域的大氣靜溫應足夠低至能使云霧回流最小化。應在風洞中心線上，固定的試驗區域進行MVD的測量。

LWC校準：風洞內試驗區域的LWC主要取決于噴射水流速率，試驗區域空速和云霧截面積，也可能與水滴MVD、噴嘴空氣壓力、相對濕度、試驗區域溫度或其他因素有一定關系。每個風洞應首先確定LWC、水流速率和試驗區域空速的函數關系。此函數關系可以通過試驗或分析假設來確定。通過試驗來確定時，需要足夠多的試驗點來證實函數有效。通過分析假設確定時，也需通過試驗來驗證此函數關系。

2結冰風洞校準過程中應關注的問題

1）風洞應首先制定合理的構型控制程序，并嚴格按程序實施管理。對于風洞每次的校準試驗應做好相應記錄，確保風洞校準歷史連續性。由于結冰風洞中涉及的測量儀器設備、噴嘴等數量較多，應對每樣儀器設備建立相應的檔案，并記錄各儀器的使用校準狀況。

2）為保證風洞試驗數據的準確性，必須保證所用的測量儀器準確可靠。結冰風洞各測量儀器設備需滿足各相應校驗標準的要求，并且每次試驗時所有測量儀器設備都在有效的校驗周期內并經具有相應資質的機構校準。對于一些自研儀器設備，需格外關注其校準問題。

3結冰風洞校準的符合性判據

結冰風洞校準可接受的判據（見表1），氣動熱力學校準需滿足表1中所示的空氣動力學參數均勻度要求，并且僅在選擇的試驗范圍內有效。結冰云霧校準應能覆蓋那些滿足表1中定義的LWC均勻度的試驗區域，這些區域可能會隨試驗條件而變化，可以從受控的噴嘴參數推斷或試驗過程中原地測量LWC和MVD數值的時間穩定性。并且，應限制在云霧均勻性范圍內進行冰風洞試驗。

參考文獻

[1] CCAR-25-R4，中國民用航空條例（第25部）運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空局.2011.

[2] SAE ARP 5905. Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels [S]. USA.SAE Intemational Group.2003.