飛機結冰探測器安裝位置研究

吳佩佩，晏 濤，任 杰

（中國航空工業集團公司成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092）

飛機結冰會造成飛機氣動性能和操縱品質的下降，是嚴重威脅飛行安全的六大殺手之一，結冰嚴重時甚至可導致機毀人亡的重大事故［1?3］。結冰探測器作為飛機環境控制系統的重要組成部分，用于實時探測飛機結冰信號，發出報警信號。飛機根據結冰報警信號，及時開啟防冰或除冰系統，能夠降低飛機失事的可能性，保證飛機在復雜結冰氣象條件下的飛行安全。因此獲得準確的結冰探測信號對于指導飛機防/除冰系統的工作狀態非常關鍵。結冰探測器根據功能特點的不同可分為平膜式和探頭式兩種［4］。結冰探測器在機上的安裝位置要保證其滿足結冰探測要求。平膜式結冰探測器通常安裝在易結冰的迎風部位，如機翼、尾翼表面等。探頭式結冰探測器一般安裝在機頭表面，探頭伸出機身，探測外界大氣環境，根據探頭表面結冰情況決策是否開啟防除冰系統。

國內外對結冰探測器的結構、工作原理和性能研究比較深入［5?7］，近些年對于過冷大水滴結冰探測有一些研究［8?9］，對安裝位置選擇相關研究報道相對較少。2001 年，Cober 等［10］研究表明只要結冰探測器位于水滴遮蔽區外，則安裝位置對于探測結果影響不大。Jackson 等［11］理論分析了結冰探測器的性能及安裝位置要求，George 等［12］提出了選取結冰探測器安裝位置需遵循的一些基本原則，并定性地給出了常見的安裝位置。張杰等［3］研究了國內外的結冰探測傳感器的原理、類別等。朱程香等［13］研究不同飛行條件和氣象條件下的廣義水滴遮蔽高度大小，基于廣義水滴遮蔽高度大小研究了探頭式結冰探測器的安裝位置。劉?。?4］研究了平膜式結冰探測器的安裝位置，闡述了平膜式結冰探測器安裝位置分析的策略和方法。

本文主要針對某型飛機探頭式結冰探測器，基于三維數值仿真，分析該飛機不同結冰飛行條件下流場和水滴撞擊仿真結果，引入危險位置點的概念，計算探測器安裝位置參考區域內的危險位置點坐標，確定了適合安裝結冰探測器的位置區域；對結冰探測器探頭表面的水滴收集特性和結冰特性進行分析，研究結冰探測器的水滴撞擊特性和結冰特性與飛機主要迎風部件表面如機翼和發動機進氣道等部件水滴撞擊特性和結冰特性的對應關系，全面模擬了結冰探測器的探測性能，驗證了結冰探測器安裝位置的合理性。

1 某型機結冰探測器概況及安裝位置要求

1.1 結冰探測器

某型飛機上選用探頭式結冰探測器，如圖1所示。結冰探測器露出機頭表面部分主要分為基座和探頭兩部分，總高度為80 mm，，其中探測器基座高度為55 mm，探頭高度為25 mm。當飛機遭遇結冰氣象條件時，過冷水滴撞擊到結冰探測器探頭上，探頭開始結冰，結冰量達到一定程度后，探頭振動頻率隨結冰質量的增加而下降，當下降到設定值時發出結冰告警信號，配合飛機防除冰系統，可使飛機在結冰氣象條件下減小結冰失事風險。

圖1 探頭式結冰探測器Fig1 Probe ice detector

1.2 安裝位置要求

綜合國內外對于結冰探測器安裝位置的研究，結冰探測器安裝位置選擇的基本原則主要包括以下4 點：（1）探頭伸出水滴遮蔽區，過冷水滴能撞擊到探頭上；（2）避免安裝在氣流分離區和滯止區；（3）探頭伸出氣流附面層；（4）避免與大氣數據傳感器發生氣動干擾，避開雷達罩、登機門和機組逃生通道等結構限制。

為確保結冰探測信號準確及時，需對機頭表面進行流場和水滴特性計算，分析結冰探測器附近水滴濃度，以使結冰探測器安裝位置符合基本原則。

2 計算方法

2.1 流場計算

假設氣流為不可壓縮牛頓流體，在不考慮重力場的條件下求解穩態模型，可采用如下N?S 方程［15］

式中：V為氣流速度；ρ為空氣密度；p為靜壓；μ為動力黏度。

2.2 水滴撞擊特性計算

式中：n為壁面法線單位向量；αa為來流水滴體積分數；αw為微元體水滴體積分數。

2.3 結冰計算

綜合考慮影響結冰的各項因素，根據質量和能量守恒原理，建立結冰熱力學模型。探測器表面及飛機其他結冰表面微元體的質量守恒和能量守恒關系［16?17］如圖2、3 所示。

圖2 結冰表面微元體質量平衡Fig.2 Mass balance of icing surface micro-elements

根據質量及能量守恒定律，可得

圖3 結冰表面微元體能量平衡Fig.3 Energy balance of icing surface micro-elements

式中：mfrz為當前微元體的結冰質量；qfrz為凍結而釋放的潛熱；min為流入當前微元體的質量；qin為前一微元體帶入的熱量；mimp為撞擊到當前微元體的水滴質量；qimp為收集水帶入的熱量；mevap為微元體蒸發的質量；qevap為蒸發帶走的熱量；mout為流出微元體的質量；qout為對應流出的熱量；qvisc為氣動加熱熱量；qconv為與外界的對流換熱熱量。

上述各項熱流的計算公式如下［18］

式中：h為表面與外界的傳熱系數，Ts為表面溫度；Tl為附面層溫度；Levap為水的汽化蒸發潛熱；Tw，in、Tw分別為前一微元體和當前微元體的液態水溫度；r*為無量綱附面層恢復系數，與氣體的普朗特數有關；cp，w為水的比定壓熱容；Lfrz為水凍結成冰的的相變潛熱，ci為冰的比熱容。

引入凍結系數f，定義為微元體內液態水的結冰質量流量與進入該微元體的質量流量的比值，即

式中，f的取值范圍為0 ≤f≤1。將式（13）及各質量項和能量項公式代入式（5，6）中求解得到各微元體內的結冰量。

3 結冰探測器安裝位置分析

3.1 計算條件

為準確預測流場及水滴特性，計算條件的選取非常重要。根據某型飛機的飛行包線，選取了飛機爬升、平飛和下滑3 個飛行狀態時的典型高度、馬赫數和迎角作為飛行條件。環境溫度在結冰概率較高的溫度區間-5～-25 ℃之間選取。水滴直徑取20 μm。液態水含量在中國民航規章25 部附錄C 中根據水滴直徑和環境溫度確定。6種不同計算條件如表1 所示，其中LWC 表示液態水含量。

表1 6 種計算條件Table 1 Six calculation conditions

3.2 流場及水滴場分析

基于飛機結構布局如圖4 所示。曲線F1和F2之間的機頭區域為結冰探測器布置范圍，選取機身表面的點R（Suggested point）為重點考慮位置。過機身軸線和點R的平面為F0平面，過機身軸線和曲線F1的平面為F1平面，過機身軸線和曲線F2的平面為F2平面，以下計算和分析主要針對這3 個平面。

圖4 F0、F1、F2平面示意圖Fig.4 Plane of F0, F1, F2

采用結冰軟件FENSAP?ICE 對表1 中6 種不同條件下的結冰狀態進行三維流場和水滴撞擊特性分析。6 種條件（Cases 1～6）下機頭附近F0截面的液態水含量分布如圖5 所示。結冰探測器的長度以三點兩段線（分別表示探測器基座和探頭的長度）的形式放置在點R處。為便于區分圍繞飛機機頭的水滴遮蔽區、濃度增加區和遠場來流濃度區，本文定義：當地局部位置的液態水含量（LWCi）＜遠場來流的液態水含量（LWC0）時為水滴濃度遮蔽區；LWCi＞LWC0時為水滴濃度增加區；LWCi=LWC0時為遠場來流濃度區。

圖5 表1 計算條件下機頭周圍F0截面液態水含量分布云圖Fig.5 Liquid water content distribution of F0 section around nose under conditions in Table 1

如圖5 所示，截面與機體表面的交線與濃度增加區底部之間的深藍色區域即為水滴濃度遮蔽區。本文定義機頭表面水滴濃度增加區開始明顯出現的位置及水滴濃度遮蔽區大于探測器基座高度55 mm 的位置為危險位置點（Dangerous point，DP）。為確保結冰探測器探測性能的可靠性，適合放置結冰探測器位置的區域應為上述兩個危險位置點之間的區域。

從圖5 中可以看出，交線F0上的兩個危險位置點已經標識在圖中，探測器的安裝位置處于兩個危險位置點之間，安裝位置處的水滴濃度遮蔽區非常薄，探測器長度遠大于遮蔽區高度，探測器探頭部分位于水滴濃度的增加區內，能夠保證結冰探測器探測性能的靈敏性。

將6 種條件下3 個截面的危險點坐標標注在機體表面，如圖6 所示?；谏鲜龇治?，可以認為危險位置點聚集的兩處區域之間的部分為適合安放結冰探測器的位置區域。因此，結合危險位置點的坐標選取y方向的兩個截面S1 和S2，這兩個截面與F1和F2分別相交于A、B、C、D4 點。則四邊形ABCD即為適合安裝結冰探測器的位置區域，點R位于該四邊形的中間區域內。

圖6 結冰探測器建議安裝范圍示意圖Fig.6 Recommended installation range of ice detector

4 結冰探測器水滴收集特性和結冰特性計算

4.1 結冰探測器水滴收集特性計算

為保證結冰探測器探測信號的準確性，應確保探測器表面有水滴撞擊，且探頭表面的最大收集系數應大于機身表面主要迎風部件如發動機進氣道唇口和機翼前緣等的最大收集系數。選取條件1，通過FENSAP?ICE 三維仿真，分析了R位置處結冰探測器的水滴流場特性。

圖7、8 分別為條件1 下結冰探測器周圍和探測器表面的液態水含量分布及探測器表面的水滴收集特性。結果表明，探測器已遠遠伸出水滴濃度遮蔽區，探頭表面的液態水含量高于來流的液態水含量分布，氣流中有足夠的水滴撞擊在探頭的表面上，保證了探頭表面液態水收集的靈敏性。

圖7 條件1 下探測器周圍及表面液態水含量分布云圖Fig.7 Liquid water content distribution around and on sur?face of detector of Case 1

圖8 條件1 下局部收集系數在探測器表面的分布Fig.8 Distribution of local collection coefficient on detector surface of Case 1

相對于飛機迎風部件如機翼前緣，探頭式結冰探測器的尺寸非常小，其局部水收集系數遠遠大于機翼、尾翼等表面的局部水收集系數，因此只要結冰探測器探頭布置于水滴遮蔽區外，探頭的局部水收集系數必定大于飛機迎風部件表面的局部水收集系數［13］。

4.2 結冰探測器結冰特性計算

在確保探測器表面有水滴撞擊的同時，還應保證探測器探頭表面的結冰特性等級不低于機身表面主要迎風部件如發動機唇口和機翼前緣等的結冰特性等級。而評價結冰探測器結冰特性主要從結冰強度和結冰程度兩個方面入手。在以下的分析中，選取爬升階段（條件1）、平飛階段（條件4）和下滑階段（條件5）3 種典型的結冰條件，采用FENSAP?ICE 軟件三維仿真，分析R處結冰探測器的結冰特性。

4.2.1 結冰強度

結冰強度指冰在飛機部件表面形成的速度，即在單位時間內的結冰厚度，單位為mm/min。結冰強度可分為弱、中度、強和極強4 個等級，如表2所示［18］。

表2 結冰強度等級Table 2 Icing intensity level

根據飛機使用的結冰探測器的工作原理，其探頭表面結冰厚度達到0.5 mm 時，探測系統開始告警，探頭表面結冰厚度達到1.0 mm 時，探頭開始加熱除冰。因此，本文通過結冰仿真得到探頭表面結冰厚度為0.5 mm 和1.0 mm 的時間間隔Δt，確定在該時間段內探測器表面的結冰厚度Δh，進而得出探測器的結冰強度J0（J0=Δh/Δt）。同時，為了獲得結冰告警期間對應的其他部件結冰情況，計算同樣結冰環境中相同時間段（Δt）內機翼和發動機唇口處的最大結冰厚度（分別為Δδ1和Δδ2）。

表3 為3 種結冰條件下探測器探頭表面結冰強度、發動機唇口結冰強度和機翼結冰強度的計算結果。

表3 探測器結冰強度Table 3 Icing intensity of detector

通過對比發現，只在條件4 下，探頭表面出現的是弱結冰強度，其余兩個狀態為強結冰；而發動機唇口和機翼的結冰強度均為弱結冰。探測器的結冰強度不低于發動機唇口和機翼的結冰強度，探測器的結冰強度預警滿足要求。

4.2.2 結冰程度

結冰程度是指飛行時間內飛機表面所結冰層的最大厚度。基于飛行試驗數據，結冰程度的分級情況如表4 所示［18］。

表4 結冰程度等級Table 4 Icing degree level

表5 所示為探測器探頭表面、發動機唇口和機翼最大結冰厚度hmax的計算結果。通過對比可看出，在所有結冰狀態中，探測器探頭表面的結冰厚度高于發動機唇口及機翼的結冰厚度。上述對比表明探測器的結冰程度不低于機體上主要部件迎風面上的結冰程度，充分說明探測器安裝位置是合理有效的。

表5 部件表面最大結冰厚度對比Table 5 Comparison of maximum icing thickness oncomponent surface

5 結論

本文針對某型飛機結冰探測器，闡述了結冰探測器安裝位置要求，采用三維仿真模擬了多種結冰條件下機頭表面流場和水滴撞擊特性，通過定義水滴濃度遮蔽區和水滴濃度增加區分析機頭的水滴撞擊特性，引入危險位置點確定結冰探測器合理的安裝范圍，并通過結冰探測器表面與飛機主要迎風部件表面的結冰特性仿真對比分析，驗證安裝位置的合理有效。