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民用飞机总压探头布局位置气动分析方法

  • 管健

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，方阳

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，杨慧

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，蔡北京

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×

上海飞机设计研究院,上海 201210；

Aerodynamic analysis method of total pressure probe layout of civil aircraft

  • GUAN Jian

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，FANG Yang

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，YANG Hui

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，CAI Beijing

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×

Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China；

作者简介:

管健,男,博士,工程师。主要研究方向:民用飞机大气数据传感器气动布局分析。E-mail:guanjian@comac.cc;

方阳,女,硕士,高级工程师。主要研究方向:民用飞机大气数据传感器气动布局设计。E-mail:fangyang@comac.cc;

杨慧,女,硕士,高级工程师。主要研究方向:民用飞机大气数据传感器布局与校线设计。E-mail:yanghui1@comac.cc;

蔡北京,男,硕士,工程师。主要研究方向:民用飞机大气数据传感器布局与短舱进排气设计。E-mail:caibeijing@comac.cc

通讯作者:

管健,E-mail:guanjian@comac.cc

中图分类号:V221+.3

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2022.02.005

参考文献 1
COLLINSON R P G.Introduction to avionics systems[M].Springer Science & Business Media,2013.
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参考文献 2
杨慧,杨士普,黄頔,等.民用飞机静压孔气动布局设计[J].实验流体力学,2017,31(4):34-38.
查找原文
参考文献 3
孙一峰,杨士普,方阳,等.民用飞机机身表面静压孔气动布局设计研究[J].空气动力学学报,2015,33(5):673-677.
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参考文献 4
ERB R.Pitot-statics and the standard atmosphere[J].Edwards AFB,CA:USAF Test Pilot School Pitot-Statics Textbook,2005.
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参考文献 5
钱国宇.静压源误差修正及其在大气数据计算机的应用[J].航空学报,1989,10(4):171-179.
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参考文献 6
YANG H,YANG S.Analysis of aircraft’s static pressure installation residual error requirements:2018 8th international conference on manufacturing science and engineering[C]France:Atlantis Press,2018.
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参考文献 7
HAERING JR E A.Airdata measurement and calibration[J]physics letters b,1996.
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参考文献 8
BROWN E N.Position error calibration of a pressure survey aircraft using a trailing cone:NCAR/TN-313+STR NCAR TECHNICAL NOTE[R].[S.n.]:National Center for Atmospheric Research,Boulder,CO.Atmospheric Technology Div,1988.
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参考文献 9
GRACEY W.Measurement of static pressure on aircraft[R]USA:National Advisory Committee for Aeronautics Collection.1957.
查找原文
参考文献 10
FANG Y,SUN Y F,YANG S P.Aerodynamic analysis of flush-mounted static ports placement on the commercial transport aircraft:30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences[C]Korea.:ICAS,2016.
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参考文献 11
龚和,陶建伟.民用飞机大气数据全静压系统设计研究[J].科技创新导报,2015,(24):124-125.
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参考文献 12
空军第一研究所.总、静压系统设计和安装通用规范:GJB 1623-93[S].北京:国防科学技术工业委员会,1993.
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参考文献 13
中华人民共和国工业和信息化部.民用飞机总、静压感受器规范:HB 8674-2020(报批稿)[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2020.
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目录contents

    摘要

    民用飞机通过机载大气数据传感器测量飞机所处环境下的大气总压与静压,并计算空速。为研究民用飞机总压传感器布局位置的气动特性,采用CFD数值计算手段得到不同迎角和侧滑角工况下机头附近的流场,通过候选总压探头布局位置的局部气流角度和探头总压损失曲线获得不同工况下的总压损失和空速误差。当局部角度曲线斜率低且各曲线聚集时,是总压探头的理想最优布局位置,探头局部气流角对迎角和侧滑角均不敏感,能同时保证横向和纵向气动特性最优;通过探头位置的局部气流角度并结合风洞试验获得的总压损失系数分布曲线进行总压损失预估,该方法对总压损失的预测准确有效,预测精度满足要求,可用来进行空速误差估算;总压探头布局位置的选取需结合民用飞机实际运行的侧滑角/迎角包线综合判断。

    Abstract

    The total atmospheric pressure and static pressure in the environment of civil aircraft are measured by airborne air data sensors, and the airspeed can be calculated. In order to investigate aerodynamic characteristics of the total pressure probe layout location of civil aircraft, the flow field near the nose under different angles of attack and sideslip angles was obtained by CFD numerical calculation. Total pressure loss and airspeed error under different working conditions can be derived from local flow direction located on total-pressure probe and total pressure coefficient distribution. Results show that the layout position at which the local flow angle distribution curves are flat and compact is optimal for total pressure probe, and the local flow angle is insensitive to the angles of attack and sideslip. The yaw and pitch characteristics of the aircraft comes to an optimal solution. The prediction method in this paper works well in terms of effectiveness and accuracy, and the prediction accuracy agrees well with the total pressure probe measurement requirement. The airspeed error can be calculated correctly. Angle envelope of sideslip and attack should be considered when analyzing aerodynamic layout position of total pressure probe.

    关键词

    总压传感器 ； 布局 ； 迎角 ； 侧滑角

  • 0 引言

  • 民用飞机通过机载大气数据传感器测量飞机所处环境下的大气总压与静压,通过总压和静压计算空速,供导航、飞控、发动机控制系统使用[1]。为了精确计算飞行速度和高度,需要准确测量飞行远场的总压和静压。对于民用飞机,静压易受飞机飞行马赫数、襟缝翼、起落架构型和姿态等的影响,因此飞机需要通过大气数据系统布局设计[2-3]进行传感器布局选位并设计静压源校线完成位置误差修正获得远场来流静压。对于总压,若总压传感器不位于螺旋桨影响区、机翼尾迹区、机身表面附面层和超声速区域,亚声速飞行时总压传感器感受的总压可认为是自由流的总压[4],在大多数工况下,由于总压探头与相对来流的气流夹角所造成的总压测量误差很小通常可以忽略,但当飞机处在一些极限工况(如极限侧滑、边界迎角)时,总压传感器的测量误差会造成空速精度变差,并且在拥有多套空速系统的飞机上发生空速信号不一致的现象,从而无法判断空速信号的准确性。因此大气数据传感器布局一直是现代民用飞机总体布局设计的一个重要研究方面,目前国内外研究学者已对静压源位置选取、位置误差分析、试飞校准方法等进行了研究[5-10],但对总压测量误差的分析较少,气动分析是开展全静压系统设计的基础[11],通过CFD数值模拟能够得到不同测量位置的总压测量误差,为后续安装位置选取提供依据。本文针对总压传感器布局位置的选取和气动评估分析方法进行分析讨论,通过结合CFD数值计算获得探头位置处的局部气流角度,并根据局部气流角和机身迎角/侧滑角的对应关系计算得到各迎角、侧滑角工况下的总压损失,进而对各个源位置的总压损失、空速误差进行分析。

  • 1 模型及数值计算方法

  • 以国内某型民用飞机为计算模型,本文通过采用翼身组合体巡航构型进行CFD数值求解来得到各计算工况时机头各位置处局部气流角度数值库。使用ANSYS-ICEM软件生成非结构网格,如图1所示。采用ANSYS CFX求解雷诺时均NS方程,湍流模型为SST两方程湍流模型。

  • 图1 CFD计算网格

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 机头表面流场分析

  • 现代民用飞机大都具有多套冗余备份且互为独立的大气数据传感器。总压传感器应位于对测量总压干扰最小的位置,所选位置应避开附面层、侧滑、减速板、舱门、襟翼等影响[12]。对速度方向场变化规律有影响的气动参数包括机身迎角、侧滑角、速度和雷诺数等,在机头侧面或前机身侧面区域,迎角、侧滑角对速度方向场影响显著。当前众多民用飞机型号大气数据传感器大多布置在机头附近位置,为分析机头附近流场受飞机姿态的敏感性影响规律,图2和图3分别给出了不同迎角、侧滑角工况下的机头表面流线图,不同工况时,机头各处感受的气流特性也不同,以任两点为例(例如A、B附近位置),在相同迎角不同侧滑时(图2),位置B附近的局部气流角度变化较大,且在左侧滑(侧滑角为负)时B处局部角度达到最大,A处当地气流角度则随侧滑变化较小且局部气流角度较小,表现为对侧滑不敏感,横向特性易满足总压探头布置要求;相同侧滑不同迎角时(图3),B处气流角较小且气流方向变化不大,A处的气流角度变化较为剧烈,且在大迎角工况局部气流角相对更大,表现为对迎角不敏感,纵向特性较优。

  • 文献[12]指出,在飞机的整个马赫数范围内,总压误差不应大于0.4%,总压探头的测量精度通常与感受来流气流的角度相关。应根据总压传感器在飞机上安装位置的局部攻角范围设计总压布局,以满足总压传感器测量误差的要求[13]。

  • 图2 不同侧滑流线示意图(迎角相同)

  • 图3 不同迎角流线示意图(无侧滑)

  • 总压探头与局部气流夹角若超出总压探头产品规范所定义的角度范围,将引起较大的气流损失,进而造成总压实测值偏低,总压和空速精度降低。根据CFD结果进一步提取图2中A、B附近位置处的局部角度如图4所示,其中角度值已脱密处理,并且两图中迎角、侧滑角的范围一致。由图4可知B附近位置处各曲线分布较聚集,但曲线斜率较大,表现为对侧滑角更为敏感,极限侧滑时局部气流角大,极易超出总压探头产品定义角度。A附近位置局部角度曲线斜率低,但各曲线相对分散,表现为对迎角更为敏感,在大迎角时有超出探头定义角度范围的风险。

  • 图4 机头不同位置处气流角度

  • 总压探头的位置选取与评估计算需同时考虑迎角和侧滑角对当地气流角的影响,对横向和纵向特性综合考虑。为了不超出探头产品规范中规定的气流夹角范围,理想的总压探头布局位置需满足局部角度曲线斜率低且各曲线分布密集两个要求,但在不能同时满足以上两条件时,需折中考虑对迎角和侧滑角的敏感性,以保证在民用飞机迎角/侧滑角包线范围内所选布局位置处产生较低的总压损失和空速误差。

  • 2.2 分析预测方法

  • 对于选取的任一总压布局位置,根据式(1)计算得到给定空速为V时的动压Q,并通过式(2)计算该速度下的总压损失dPt。其中总压损失系数δ(总压测量有损失时该值为负)可根据总压探头气流损失的风洞试验拟合曲线(图5)来得到。

  • Q=P0×1+0.2Va023.5-1
    (1)
  • dPt=Q×δ
    (2)

  • 式中:

  • a 0——标准海平面声速,340m/s;

  • P 0——标准海平面大气压力,101325Pa;

  • Q——动压,Pa;

  • V——选定的评估校准空速,m/s;

  • 图5 风洞试验结果拟合误差曲线

  • δ——总压损失系数,无量纲;

  • dPt——总压损失,Pa。

  • 根据式(3)和式(4)可得到任意迎角/侧滑角工况时的指示空速V′和空速误差dV,据此可完成迎角/侧滑角包线范围内对该布局位置的气动评估分析。

  • V'=a0×5×Q×(1+δ)/P0+113.5-1
    (3)
  • dV-V'-V
    (4)

  • 式中:

  • V′——指示空速,m/s;

  • dV——空速误差,m/s。

  • 2.3 计算方法试飞验证

  • 为验证总压布局气动分析方法的可靠性,依据以上方法计算该型民用飞机某两处总压布局位置处的总压值,为方便与试飞数据进行对比,计算两处总压的差值,并将其与试飞时的总压差值对比,结果如图6所示,可知CFD计算结果与试飞数据规律与趋势一致性良好,在量值上略有偏差,预测偏差在合理范围之内,预测精度满足文献[12]中规定的总压误差不大于0.4%要求。因此本文的预测手段和方法可信,在进行民用飞机总压探头布局位置分析时可以采用本文的分析方法进行工程估算。

  • 图6 CFD与试飞总压差对比

  • 2.4 候选布局位置气动分析

  • 根据2.1节探头局部气流角度特性,并采用2.2节的分析方法,对候选位置附近点进行气动评估分析。A、B两示例位置的气动分析结果见图7和图8,两图中横、纵坐标分别为侧滑角、迎角,且范围相同,并已做脱密处理。相较而言,A附近位置横向特性较优,在大的侧滑范围内总压损失都维持在较低的水平,空速精度也相对较低,但在大迎角工况时,空速精度有降低的风险;而对B附近位置,纵向特性较优,在较宽的迎角范围内,都能保证较低的总压损失和较高的空速精度,但在极限侧滑时空速误差相对较大,分析结果与2.1节中表面流线、局部气流角度的分析一致。

  • 图7 总压损失

  • 图8 总压损失引起的空速误差

  • 总压传感器的气流横向、纵向特性也是其布局选位需考虑的一个因素。总压传感器选定布局位置后,需结合民用飞机实际迎角/侧滑角包线,完成包线范围内的总压或空速的精度评估,为相关科目试飞提供依据。

  • 3 结论

  • 本文通过数值计算结果对民用飞机总压布局位置进行气动分析,得到以下结论:

  • 1) 机头表面不同位置处局部气流角度随迎角和侧滑角的敏感性不同,布局位置选择时需折中考虑局部气流角度的横向和纵向特性,在局部角度曲线斜率低且各曲线聚集时,为理想最优位置;

  • 2) 通过CFD计算结合探头气流损失曲线获得布局位置处的总压损失,经与试飞数据对比,该总压布局位置气动分析方法准确有效,可进行工程应用;

  • 3) 总压布局位置的气动分析需结合民用飞机实际运行的迎角/侧滑角包线综合判断。

  • 参考文献

    • [1] COLLINSON R P G.Introduction to avionics systems[M].Springer Science & Business Media,2013.

    • [2] 杨慧,杨士普,黄頔,等.民用飞机静压孔气动布局设计[J].实验流体力学,2017,31(4):34-38.

    • [3] 孙一峰,杨士普,方阳,等.民用飞机机身表面静压孔气动布局设计研究[J].空气动力学学报,2015,33(5):673-677.

    • [4] ERB R.Pitot-statics and the standard atmosphere[J].Edwards AFB,CA:USAF Test Pilot School Pitot-Statics Textbook,2005.

    • [5] 钱国宇.静压源误差修正及其在大气数据计算机的应用[J].航空学报,1989,10(4):171-179.

    • [6] YANG H,YANG S.Analysis of aircraft’s static pressure installation residual error requirements:2018 8th international conference on manufacturing science and engineering[C]France:Atlantis Press,2018.

    • [7] HAERING JR E A.Airdata measurement and calibration[J]physics letters b,1996.

    • [8] BROWN E N.Position error calibration of a pressure survey aircraft using a trailing cone:NCAR/TN-313+STR NCAR TECHNICAL NOTE[R].[S.n.]:National Center for Atmospheric Research,Boulder,CO.Atmospheric Technology Div,1988.

    • [9] GRACEY W.Measurement of static pressure on aircraft[R]USA:National Advisory Committee for Aeronautics Collection.1957.

    • [10] FANG Y,SUN Y F,YANG S P.Aerodynamic analysis of flush-mounted static ports placement on the commercial transport aircraft:30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences[C]Korea.:ICAS,2016.

    • [11] 龚和,陶建伟.民用飞机大气数据全静压系统设计研究[J].科技创新导报,2015,(24):124-125.

    • [12] 空军第一研究所.总、静压系统设计和安装通用规范:GJB 1623-93[S].北京:国防科学技术工业委员会,1993.

    • [13] 中华人民共和国工业和信息化部.民用飞机总、静压感受器规范:HB 8674-2020(报批稿)[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2020.

  • 基本信息

    中图分类号: V221+.3
    文献标识码: A
    DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2022.02.005

    基金信息

    引用信息

    管健,方阳,杨慧,等.民用飞机总压探头布局位置气动分析方法[J].民用飞机设计与研究,2022(2):29-34.

    GUAN J, FANG Y, YANG H, et al. Aerodynamic analysis method of total pressure probe layout of civil aircraft[J].Civil Aircraft Design and Research,2022(2):29-34(in Chinese).

    稿件历史

  • 参考文献

    • [1] COLLINSON R P G.Introduction to avionics systems[M].Springer Science & Business Media,2013.

    • [2] 杨慧,杨士普,黄頔,等.民用飞机静压孔气动布局设计[J].实验流体力学,2017,31(4):34-38.

    • [3] 孙一峰,杨士普,方阳,等.民用飞机机身表面静压孔气动布局设计研究[J].空气动力学学报,2015,33(5):673-677.

    • [4] ERB R.Pitot-statics and the standard atmosphere[J].Edwards AFB,CA:USAF Test Pilot School Pitot-Statics Textbook,2005.

    • [5] 钱国宇.静压源误差修正及其在大气数据计算机的应用[J].航空学报,1989,10(4):171-179.

    • [6] YANG H,YANG S.Analysis of aircraft’s static pressure installation residual error requirements:2018 8th international conference on manufacturing science and engineering[C]France:Atlantis Press,2018.

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    • [8] BROWN E N.Position error calibration of a pressure survey aircraft using a trailing cone:NCAR/TN-313+STR NCAR TECHNICAL NOTE[R].[S.n.]:National Center for Atmospheric Research,Boulder,CO.Atmospheric Technology Div,1988.

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    • [11] 龚和,陶建伟.民用飞机大气数据全静压系统设计研究[J].科技创新导报,2015,(24):124-125.

    • [12] 空军第一研究所.总、静压系统设计和安装通用规范:GJB 1623-93[S].北京:国防科学技术工业委员会,1993.

    • [13] 中华人民共和国工业和信息化部.民用飞机总、静压感受器规范:HB 8674-2020(报批稿)[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2020.

    • 出版刊物

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