民用飞机迎角传感器及静压探测器布局验证方法

陈 功 李秋捷 / Chen Gong Li Qiujie

(上海飞机设计研究院，上海201210)



民用飞机迎角传感器及静压探测器布局验证方法

陈 功 李秋捷 / Chen Gong Li Qiujie

(上海飞机设计研究院，上海201210)

主要针对民用飞机迎角传感器及总静压探测器布局方案的设计及验证方法进行阐述。通过CFD仿真计算确定了适合的安装区域，并通过风洞试验对设计方案进行了验证。从迎角传感器的纵向特性及侧滑角的敏感性、静压测量的纵/横向变化规律分别对其进行了比较分析，获得了可靠的结果。

风洞试验；迎角传感器；静压探测器；气动布局

0 引言

民用飞机的大气传感器是其航电系统的重要组成部分，包括迎角传感器、静(总)压探测器、温度/湿度探测器、结冰探测器等。其中迎角传感器与静压探测器在大气传感器系统中起到了重要的作用。迎角传感器的作用是通过外置风标叶片感知机身表面流场的变化情况，实时计算飞机机身迎角；静压探测器的作用是通过空速管上的静压孔探测静压变化并通过一定逻辑计算出飞行速度。

由于机身实时迎角关系到飞控和操稳系统的设定，而实时飞行速度关系到对飞行性能的监控，因此应保证对以上两个状态参数测量的准确性。根据以往民用飞机型号的设计经验和实际使用情况，除提高硬件本身的精度和性能，迎角传感器及静压探测器的安装位置和布局方式至关重要，在型号的设计过程中应尽早予以充分地考虑。

研究此类问题的方法主要有两种，即CFD计算及风洞试验。CFD仿真计算可以有效地建立机头附近的局部流场并通过数据处理软件有效地显示，从而选择出一个有效的范围。而风洞试验可以更直观地对CFD计算所选位置进行有效的验证。因此，结合CFD仿真计算与风洞试验验证对大气传感器选位问题进行研究不失为可靠的方法。

1 布局方案确定

考虑到测量的稳定性，迎角传感器及静压探测器一般对称布置在机头两侧外形相对平整、流场变化相对稳定的区域。在具体安装位置的选择时，一般先通过CFD计算工具模拟机头附近的流场，分析流场方向及压力变化梯度后选择相对稳定的区域作为迎角传感器及静压探测器的安装位置。

本次CFD计算采用ICEM在局部生成300万的结构网格，并通过FLUENT的解算器进行计算。

图1 采用CFD对机头表面流场模拟

机头流场CFD计算结果如图1所示。图中白色带状区域为流场稳定带，在这个区域中的流场形态变化相对稳定且规律性较强，不会因飞机的常规姿态变化而发生畸变，是布置迎角传感器与静压探测器的合理区域[1]。

结合以上CFD计算，并兼顾机头内部结构及安装空间等限制条件，初步筛选出了两种可行性较高的布局方案A、B，如图2所示。

图2 迎角传感器与静压探测器布局方案

图中AOA代表迎角传感器的安装位置，PS代表静压探测器的安装位置。

2 评估标准

迎角传感器及静压探测器安装位置是否合理可以通过以下标准进行判断：

(1)迎角传感器纵向特性。即某一状态下机身迎角ɑb与迎角传感器读数ɑAOA的关系。根据航空工业标准[2]中的相关要求，该纵向特性应保持足够的线性程度，即：

αAOA=f(αb)=k·αb+φ0

其中k为纵向特性函数的斜率，其物理意义为机身迎角ɑb与迎角传感器读数ɑAOA的比例系数；φ0为截距，其物理意义为机身迎角为0°时的下洗角。该函数的线性程度越高，反应迎角传感器的纵向特性越好。

(2)迎角传感器侧滑敏感性。即在某个机身迎角时，对称分布在机头两侧的迎角传感器在不同侧滑角时的读数差异。根据相关要求，在任何情况下，侧滑角引起的迎角传感器读数差异不应过大，即：

δɑAOA(β)=|ɑAOA-L(β)-ɑAOA-R(β)|≤|Δ|

其中，δɑAOA(β)为当侧滑角为β时，左右对称位置迎角传感器读数的差异，Δ为一常量，其绝对值由不同飞机型号及其构型确定。δɑAOA(β)越大，说明迎角传感器对侧滑角越敏感，对测量干扰越大，越不利于迎角传感器的正常工作。

(3)静压的纵向稳定性[3]。纵向稳定性体现为静压满足波动不超过一定幅值时所涵覆盖迎角区间。该迎角区间越大，说明静压的纵向稳定性越高。

(4)静压的横向稳定性。横向稳定性体现为静压在侧滑角变化时的波动范围[4]。波动越小，即横向稳定性越高。

由于CFD计算很难准确地定量分析以上各参数，因此有必要引入风洞试验的验证技术。

3 试验设备

3.1 迎角传感器

试验所用的迎角传感器，由叶片、内部霍尔线圈及壳体组成，额定工作电压为5V，有效偏角测量范围+45°～-45°，灵敏度η<0.05°，风标试验件外形如图3所示。

图3 风标试验件

3.2 静压探测器试验件

试验所用的静压(总压)探测器外形根据真实情况缩比，采用3D金属粉末打印技术制成，测压孔直径约为0.5mm，孔内径的粗糙度μ=0.16，所造成的沿程压力损失<1%。并通过了4Psi的气密性和通气性测试。

4 试验分析与讨论

4.1 迎角传感器纵向特性分析

方案A、B的迎角传感器纵向特性如图4所示。

图4 迎角传感器纵向特性

分析图4中的结果可知，两种布局方案下的迎角传感器纵向特性在一定的机身迎角范围内均呈现出高度线性，线性程度均达到R=0.999 8+量级，表明两种方案下的迎角传感器纵向特性均能满足要求。虽然两者的斜率k和截距φ0有所不同，但并不影响对其纵向特性的评价。

4.2 迎角传感器对侧滑角敏感性

方案A、B的迎角传感器对侧滑角敏感性如图5所示。

图5 迎角传感器对侧滑角敏感度

分析图5中的结果可知，采用方案A时，左右迎角传感器读数差异随侧滑角发展过快，说明该位置的迎角传感器对侧滑角过于敏感，在数值上大大超过了要求的范围；采用方案B时，左右迎角传感器读数差异随侧滑角发展的速度明显降低，在数值上亦在规定的要求范围之内。

4.3 静压纵向稳定性

方案A、B的静压纵向稳定性如图6所示。

图6 静压纵向稳定性

分析图6中的结果可知，两种方案下的静压均能在一定的迎角范围内保持相对稳定，波动均在合理区间内。但进一步比较两种方案的纵向静压曲线可知，采用方案B时，静压曲线变化幅度更平缓，即反映方案B的静压纵向稳定性更高。

4.4 静压横向稳定性

方案A、B的静压纵向稳定性如图7所示。

图7 静压横向稳定性

分析图7中的结果可知，侧滑角变化对静压的影响很小，说明两种方案都可以保证较高的静压横向稳定性。

4.5 方案A、B各指标对比

通过第4节中对风洞试验结果整个指标的分析对比，其结果见表1。

表1 方案A、B各指标对比

从表1中的比较结果可以看出，对于该型号民用飞机的迎角传感器及静压探测器的布局选位，方案B的各项指标均满足相关要求，在迎角传感器的纵向特性、对侧滑角敏感性及静压纵向稳定性等指标上均优于方案A。

5 结论

本文主要介绍了通过CFD计算及风洞试验验证的方式对某型号的民用飞机的迎角传感器及静压探测器布局方案的设计及验证过程。经过对试验结果的比较分析，选出了在气动上更合理的方案，为型号的设计研发提供了重要的依据。而CFD计算结合风洞试验验证的方法也可以为类似的气动问题提供借鉴。

[1] 赵克良，周峰，张淼.民用飞机攻角传感器安装定位研究[J].空气动力学学报,2015，33:420-426.

[2] HB6763-93. 攻角和侧滑角系统的安装[S]．航空工业标准,1996.

[3]汤黄华.攻角传感器的安装与校准[J].洪都科技，1994，2:1-7.

[4] 席敬泽,张辉.对某型号民用飞机迎角传感器安装位置的研究[J].科技创新导报，2011，29:44-45，47.

Validation of Attack Angle Sensor and Static Pressure Detector Arrangement for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

In this paper, design/ validation of attack angle senor and static pressure detector was discussed. Appropriate mounting area was chosen by CFD method while wind tunnel test was utilized for validation. Longitude characteristics and sensitivity-to-slide of attack angle senor, as well as longitude/lateral stability of static pressure, were compared and analyzed to obtain reliable result.

wind tunnel test; attack angle senor; static pressure detector; aerodynamic arrangement

V245.2

A