民用飞机静压孔安装位置研究

方 阳 杨士普 杨 慧

(上海飞机设计研究院,中国 上海 201210)

【摘 要】静压孔传感器用于测量飞机飞行所在高度的大气静压,通过大气数据计算机得到飞机的飞行高度和飞行速度。本文通过CFD方法对两种国外现役机型的机身静压场和静压孔气动特性进行研究,结合静压孔传感器的使用特点及设计要求,可以获得使得静压孔传感器修正规律简单的布局位置,为静压孔传感器在试飞修正中获得高质量的测量精度奠定良好的理论设计基础。

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关键词 静压孔传感器;布局;数值分析

0 引言

民用飞机采用静压孔传感器(以下简称静压孔)或全静压传感器来测量飞机飞行高度的静压,相对于全静压传感器,静压孔的测量精度更高,现代的先进民用飞机以及大型民用飞机均采用静压孔测量来流静压。所测得的静压值通过大气数据计算机得到飞机的飞行高度和飞行速度,并在气压高度表和空速表上显示出来。静压孔如图 1所示。

大气静压定义为飞机前方无限远处的来流静压,但由于飞机上静压孔的位置、测量设备、马赫数、迎角、侧滑角等因素的影响,静压孔测量的静压值总会存在一定的误差,正常情况下,此偏差可以分为:静压孔的安装位置误差、延迟误差以及设备误差,其中静压系统的静压误差主要取决于其位置误差的大小。所以,减小静压误差就要减小静压源位置误差。

1 机身静压孔安装需求分析

1.1 机身静压孔安装设计原则

机身静压孔一般布置在机头和前机身上,且为了避免不同构型的影响,一般都布置在远离机翼的地方。一般来说,应符合以下几条安装设计原则。

1)保证静压孔能有效而稳定的测量来流静压。

为保证静压孔的布局符合这一设计原则,应避免静压孔受到扰动气流的影响,包括突出物扰流、起落架扰流以及排气孔排除的气体等等,使其处于稳定的流场中。

2)静压孔测量值应满足一定的精度要求

现代为了增加空域容量,国际民航组织(ICAO)提出了RVSM运行要求,即将飞行高度层FL290(8900米)到飞行高度层FL410(12500米)之间的垂直间隔由2000英尺缩小为1000英尺。这使得对静压孔的精度要求更严苛了,平均为0.26%。静压孔误差可以从三个方面考虑:静压孔的安装位差、延迟误差、设备误差。静压孔的安装误差也叫静压源误差,是由静压孔的布局设计决定的,此误差决定了静压孔误差的量级;延迟误差是压力从测量点传递到传感器所耗费的时间引起的误差;与设备误差有关的有制造误差、摩擦、活动部位的惯性、磁场和温度波动。

3)静压孔安装应满足鲁棒性要求

静压孔安装位置在一定范围内的偏移,不会对安装误差修正规律及其他设计要求产生明显影响。

4)静压孔安装应满足可靠性要求

静压孔应对称布局,主静压孔与备用静压孔应布局在不同区域。

5)制造要求

静压孔的安装位置应易于实现RVSM对静压孔附近区域的制造容差要求。

1.2 静压孔安装气动设计要求

从气动角度出发,静压孔安装应满足以下气动设计原则:

1)静压信号随马赫数的变化规律应简单,以减小修正过程的复杂性;

2)静压信号随迎角应尽量不变,以减小迎角试飞精度较低带来的静压误差;

3)静压信号受侧滑角的影响用尽可能小,以降低飞机侧滑时带来的静压误差。

2 分析方法

机身静压孔安装在机身表面,测量的是所在机身表面的压力,根据气动理论,机身表面压力场的变化规律与马赫数、迎角、侧滑角和雷诺数这四个气动参数有关,其中,有较大影响的参数为迎角和马赫数,本文对这两个参数对机身静压场的气动特性影响进行分析。

本文采用CFD方法对两种机型(X1、X2)的机身静压场和静压孔特性进行分析研究。两种机型都采用翼身组合体巡航构型,计算网格采用ANSYS-ICEM生成的非结构网格。为了得到静压孔位置的精确静压值,在静压孔周围进行加密。采用CFX软件进行计算,湍流模型采用SST模型。

提取出机身上所有的网格点数值,用FORTRAN编程处理,可以在机身上比较直接形象的看出不随马赫数或迎角变化的位置,如图 2所示。由图可以看出,从单纯的气动角度考虑,深蓝色地带为布置静压孔的理想位置,在这个区域,机身静压随迎角变化的敏感程度很低。而在红色区域,机身静压随迎角变化最为敏感。 图 2(b)曲线中给出了,处于深蓝色区域的S2和处于蓝绿色区域的S1两个位置的静压随迎角的变化曲线的对比。可以看出,S2处的静压几乎不随迎角变化而变化,而S1处则随迎角有一定的变化。显然,可以得出,位置S2更适合安装静压孔。

3 计算结果

机型X1和X2各有六个静压孔,均对称分布在机身两边,机身左边静压孔位置如图3、图4、图7以及图8中的红点位置所示,图中可以看出两个机型的三个静压孔有两个静压孔的位置布置的比较靠近,为主静压孔,XI的主静压孔记为S1,X2的主静压孔记为P1;还有一个静压孔布置的稍远,为备用静压孔,X1的备用静压孔记为S2,X2的备用静压孔记为P2。

3.1 X1计算结果分析

本节通过CFD方法研究了X1飞机的机身静压场的气动特性,并且得到了其静压孔处的静压值随迎角和马赫数的变化规律。

由图 3得出,X1布置在机身上的两个主静压孔在不同马赫数下都是处于对迎角敏感度较低的深蓝色区域,几乎是无迎角效应,这样在试飞修正时就静压信号就可以不用进行迎角修正,正如图 5(a)所示;但图 4则显示两个主静压孔却不是处于对马赫数敏感度较低的深蓝色区域,而是位于该区域的前方,这是由于X1飞机在住静压孔靠近机翼的那个方向布置了货舱门,而且相对于迎角信号来说,试飞时马赫数的精度较高,图 6(a)显示主静压孔的静压随马赫数的变化比较简单,因此,进行静压信号的马赫数修正时精度也会较高。

由于X1的机头靠近风挡处的结构不是很平整,而静压孔安装对飞机表面的粗糙度要求很高,为0.8甚至更高,同时为了防水要求,其备用静压孔并没有布置在机头的对迎角敏感度较低的区域,而是出于该区域的下方,如图 3所示。图 5(b)显示备用静压孔的静压信号虽然不是随迎角不变的,但几乎是单调线性变化,这样也能减小修正时的误差。

3.2 X2计算结果分析

本节通过CFD方法研究了X2飞机的机身静压场的气动特性,并且得到了其静压孔处的静压值随迎角和马赫数的变化规律。

X2飞机的主静压孔和备用静压孔都布置在了机身位置,这样能够避开机头区域的复杂结构区域,满足静压孔安装的制造容差要求。

图 7表示了三个静压孔测量的静压值在不同的马赫数下,随迎角几乎是不变的,说明三个静压孔都布置在对迎角信号敏感度低的区域,如图 9所示。图 10给出了三个静压信号在不同迎角下随马赫数的变化规律,虽然不是随马赫数不变,但都是简单变化的。

4 总结

本文通过CFD方法对X1、X2两种机型的机身静压场的气动特性进行了研究,获得了静压孔位置静压信号随迎角和马赫数的变化规律。

这两种机型的静压孔定位首先都是优先考虑迎角的影响,尽量保证无迎角效应,或者随迎角线性变化;其次随马赫数的变化也是简单单调的,这样有利于后续的静压源误差修正。静压孔的这种定位规律是由目前的试飞技术水平决定的。目前来说,相对于迎角的试飞精度,马赫数的试飞精度较高。保证了静压孔位置无迎角效应,那么就减小了由迎角修正带来的静压源误差。

另外,这两种机型在静压孔定位时,都尽量远离了机翼前缘,这样可以减小襟缝翼的影响,提高了静压测量精度,保证了飞行安全。

[责任编辑:汤静]

浏览次数:  更新时间:2015-11-03 12:30:10
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