低速大迎角進氣道流場測試風洞試驗研究

郭佳男

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

隨著軍用飛機的高機動性、高速性、隱身性能的要求，對于進氣道與發動機之間的匹配性要求也越來越高。進氣道與發動機的相容性是指在飛行包線范圍內，飛行員進行任何允許的操縱時，進氣道能夠提供滿足要求的出口流場和流量，發動機均能在要求的狀態下穩定運行。飛機的任何機動和油門操縱的組合應使進氣道和發動機各部件在其使用限制以內，特別要保證進氣道和壓氣機的穩定裕量，以避免進氣道和發動機發生不穩定工作或喘振[1-4]。

進氣道與發動機相容性是飛行試驗中非常重要的考核內容，重點關注進氣道提供的流場能否滿足發動機的需求。當前型號試飛中，一般采用加裝于進氣道與發動機氣動壓力、溫度等氣動參數，用于開展進氣道飛行試驗，獲取進氣道性能，進氣道出口壓力畸變、溫度畸變、旋流，發動機進口空氣流量等重要性能指標，實現進氣道與發動機相容性評估。飛行試驗中，測量耙作用是直接感受進氣道流場變化，其中測量耙上的探針是測量耙的關鍵部位，直接決定著測量耙功能，影響試飛數據測試結果的準確性[5-7]。

中國飛行試驗研究院在60 余年的飛行試驗歷程中，圍繞多型軍、民用飛機進氣道與發動機相容性試飛中，成功設計研制了多型進氣道流場測量耙，獲取了寶貴的進氣道流場試飛數據，但對于低速大迎角試飛中的進氣道測量處于空白，本文基于某型飛機低速大迎角試飛中進氣流場的測量需求，通過若干關鍵技術的攻關和創新，設計了多種類型的測量耙探針形式，在風洞中開展試驗研究，獲取了豐富的試驗數據，為進氣道流場測量提供了數據支撐。

1 測量耙系統設計

根據某型機試飛的技術需求及進氣道的安裝形式，確定采用6 支梳狀測量耙組合而成，按周向等角度（60°）均勻布置，呈“水”字形，單支耙上布置5 組測點，共有6×5=30 組測點，每個測點用于獲取流場穩態總壓、靜壓及動態總壓數據。如圖1 所示。為了能在同一測點同步測量穩態總壓/靜壓、動態總壓，同時提高測量耙的準確性，研制了風洞試驗專用試驗件，設計了5種不同類型的測量耙探針，單支耙如圖2 所示，由左至右依次命名為探針1#～5#。不同探針特征參數見表1。

表1 不同探針特征參數

圖1 測量耙測量截面示意圖

圖2 測量耙風洞試驗件

探針1#為單獨的皮托式探針，探針頭部正對來流方向，周圍布置一圈靜壓孔，可實現穩態總壓/靜壓的測量。

探針2#為皮托式探針+動態壓力組合探針，在皮托式探針旁增加一個動態壓力探針，除了可獲取穩態總壓/靜壓，還可獲得動態總壓，但二者之間存在一定間距，間距10 mm，會帶來穩態總壓和動態總壓的位置誤差。

探針3#為復合探針，在一個套管內部集成了皮托式探針和動態總壓，縮短了原有2 個探針間間矩，有助于減小位置誤差。

探針4#同為復合探針，相比探針3#增加了伸出長度，耙壁回流對測量的影響相對較低。

探針5#與探針2#形式相同，只是2 個探針間距縮小，間距6 mm，用于降低動態總壓和穩態總壓的位置誤差，但是迎角較大的工況下可能會對氣流有阻擋，影響測量精度。

2 風洞試驗方案

本次試驗對象為新研制的復合探針多模式總壓畸變測量耙，試驗采用半彎刀尾撐，角度范圍為迎角α=-30～40°，側滑角β=0～20°，試驗風速為34 m/s（馬赫數M=0.10）、68 m/s（馬赫數M=0.20）和85 m/s（馬赫數M=0.25）。調整來流風速，測量耙安裝迎角和側滑角的定義示意圖如圖3、圖4所示。分別在M=0.10、0.20、0.25按照圖5所示的測量耙迎角和側滑角標定網格圖依次進行試驗，通過風洞校準試驗獲得測量耙耙體各測量點穩態總壓的角度特性（穩態總壓、靜壓、動態壓損失系數隨來流迎角、側滑角的變化特性）、速度特性（穩態總壓、動態壓力損失系數隨來流馬赫數的變化特性）。圖6為測量耙在風洞中的示意圖。

圖3 測量耙迎角定義

圖4 測量耙側滑角定義

圖5 測量耙迎角和側滑角網格圖

圖6 測量耙在風洞中示意圖

3 試驗結果與分析

定義δ 為壓力損失系數，表征探針的壓力損失特性，即測量耙探針所測得總壓與風洞所測得標準總壓比值。

3.1 穩態總壓角度特性試驗結果分析

圖7—圖11 為1#～5#探針穩態總壓迎角特性變化曲線示意圖。由圖7—圖11 可以看出迎角對總壓損失的影響較為明顯，迎角為0°時的總壓損失最小，隨著迎角的絕對值增大，總壓損失逐步增大，且變化趨勢越來越明顯，基本呈拋物線型；相同側滑角下，正迎角（耙體上仰）下的總壓損失相對負迎角（耙體下傾）會更大一些，這是由于耙體上仰導致耙體本身對氣流的阻礙作用較大，氣流流過的損失加劇。隨著側滑角增大，總壓損失也在增大，這是由于大側滑角下氣流流經探針邊緣會產生較為明顯的流動分離，導致流經探針的總壓損失增大。

圖7 1#探針穩態總壓損失隨姿態角變化（M=0.2）

圖8 2#探針穩態總壓損失隨姿態角變化（M=0.2）

圖9 3#探針穩態總壓損失隨姿態角變化（M=0.2）

圖10 4#探針穩態總壓損失隨姿態角變化（M=0.2）

圖11 5#探針穩態總壓損失隨姿態角變化（M=0.2）

3.2 穩態總壓速度特性試驗結果分析

圖12—圖16 為1#～5#探針不同馬赫數和迎角下的總壓損失特性曲線。由圖12—圖16 可以看出，馬赫數對總壓損失影響相對較小，曲線整體趨于平緩，在大迎角下，隨著馬赫數增大損失逐漸增大。這是由于隨著來流馬赫數增大，探針處的流動分離更加劇烈，導致壓力損失增大。

圖12 1#探針穩態總壓損失隨馬赫數變化（β=0°）

圖13 2#探針穩態總壓損失隨馬赫數變化（β=0°）

圖14 3#探針穩態總壓損失隨馬赫數變化（β=0°）

圖15 4#探針穩態總壓損失隨馬赫數變化（β=0°）

圖16 5#探針穩態總壓損失隨馬赫數變化（β=0°）

3.3 穩態總壓不同探針特性試驗結果分析

圖17—圖19 為1#～5#探針不同迎角和側滑角下的總壓損失特性曲線。由圖17—圖19 可以看出，隨著迎角和側滑角的變化，不同探針間的總壓損失變化趨勢基本一致，大側滑角下不同探針間的總壓損失差值愈來愈明顯。整體來看，3#和4#探針角度特性曲線相比其他探針來說趨勢更為平緩，這是由于套管的存在，對于氣流有一定的整流作用，也就是說3#和4#探針對于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內進行流場測量。

圖17 不同探針穩態總壓迎角特性變化（β=0°）

圖18 不同探針穩態總壓迎角特性變化（β=10°）

圖19 不同探針穩態總壓迎角特性變化（β=20°）

4 結論

1）穩態總壓隨迎角和側滑角的增大，總壓損失逐漸增大，且變化趨勢愈來愈明顯，正迎角下比負迎角更為明顯。

2）馬赫數變化對穩態總壓的壓力損失影響較小，風速對不同探針的影響較為線性，趨勢線較好。

3）復合探針對于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內進行測量。