中型运输机机身表面静压孔气动布局设计研究

胡 冶，国洪梅，赵 楠

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，陕西 汉中 723000）

在飞机飞行过程中，驾驶员获得的空速、高度、垂直速度等大气数据需通过测量飞机周围大气压力（包括静压和全压）等信息，根据特定的关系进行换算得到。国内现役的大中型运输机机身表面静压孔常采用以镶嵌方式平齐地安装于机体外表面的静压测量装置。

国内学者就飞机静压孔布置的研究开展了大量工作。周星等人通过低速测压风洞试验测量大气传感器不同布局位置的气动特性，试验表明，其布局位置对测量结果影响较大；孙一峰等引入静压恢复系数，将迎角变化不敏感的条带状区域作静压孔布局定位的参考基线，并在风洞试验中得到了验证；刘笃喜、李静等人探讨飞机空气静压测量系统精度的用途和方法，提出了“外置式”飞机空气静压测量方法；龚和、陶建伟等人基于静压孔、全压探头以及全静压探头的传感器架构，给出了不同架构的优缺点和适用条件。中国民用航空规章第25部和低速风洞飞机模型设计准则对机身表面静压的布置位置提出了相关要求和规范性的描述。本文根据运输机机头区域天线罩较多、流场复杂的特点，对前机身流场进行了研究，根据前机身结构特征进行了分区，并对比了分区内机身表面静压，引入方差参数来筛查较好的静压孔布置位置，为同类飞机机身表面静压孔布置方案设计提供参考。

1 计算方法及可信度验证

1.1 计算模型建立

全机计算网格采用混合网格，网格划分在ICEM CFD软件中完成，垂直于表面网格生成了15层结构化的三棱柱网格以适应附面层内较强的速度梯度变化，空间为四面体网格，对翼面前缘等关键部位进行了局部加密，总网格数量约为1.2×107。全机计算网格如图1所示。

1.2 数值计算方法介绍

数值计算求解在商业软件Fluent中完成，压力与速度的耦合采用SIMPLEC方法，对流项离散采用了二阶迎风格式，湍流模型为二方程的SST k-ω模型，湍动能k和耗散率ω采用了一阶迎风格式。计算获得了全机典型迎角下的升力特性参数及前机身检测点的静压系数随迎角的变化关系曲线，并于该型机前期开展的全机测力、测压试验结果进行了对比，具体如图2所示。对比结果可知，数值计算获得全机升力系数与试验值吻合较好，机头表面压力系数随迎角变化的规律与风洞试验结果一致，因此，该数值计算方法对全机压力分布计算结果及静压系统布置位置选取具有可信的参考。

图1 全机计算网格及局部剖面网格示意图

图2 全机升力系数（左）和前机身静压采样点（右）计算值与试验值对比

2 飞机全机静压计算

2.1 静压检测点方案布置

考虑到机头外形、加装天线罩、舱门等机构，及机身上部可能因雨水、灰尘等引起的故障干扰，按照该型飞机的机身结构特征，其静压孔初步选择的布置区分为A区和B区。

A区轮廓区域为：分布于机身2a～6a框，机身上部10～36长桁之间的区域。

B区轮廓区域为：分布于机身6a～12框，机身10～21长桁之间。

机身头部分区及检测点编号规则如图3所示。

图3 机身头部区域静压分布检测点及编号规则

2.2 计算结果及分析

全机襟翼0°构型不同迎角、侧滑角表面压力云图计算结果如图4和图5所示，机头A区、B区检测点静压分布与原静压孔位置随迎角的变化曲线如图6和图7所示。前机身优选后的静压检测点压力系数及方差对比如表1所示。

图4 襟翼0°前机身不同迎角下表面静压对比

图5 襟翼0°前机身不同侧滑角表面静压对比

图6 A区检测点与原静压孔随迎角的变化曲线

图7 B区检测点与原静压孔随迎角的变化曲线

表 1 前机身静压检测点压力系数及方差对比

3 结束语

本文以中型运输机的机身表面静压孔气动布局设计工作为背景，提出了一种基于数值计算及结果统计后处理的表面静压孔辅助定位方法。首先对飞机在不同迎角下的前机身静压场进行了计算，通过后处理软件获得了机身表面静压随对迎角变化不敏感的区域，该区可作为初步设计阶段机身表面静压孔布局定位的参考基准。基于上述原则选取的静压孔初步安装位置在风洞试验中得到了验证。本方法能够直观、定量地给出机身表面可行的静压孔布置区域，具备实际应用价值，对解决类似工程问题具有较好的借鉴意义。

［1］栗中华，陈艳.飞机大气数据实时模拟系统的设计与实现［J］.测控自动化，2011，27（04）：46-48.

［2］孙一峰，杨士普.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（05）：673-677.

［3］刘笃喜，李静，赵小军.面向试飞校准的大气静压测量系统精度提高方法研究［J］.机械制造，2012（50）：58-60.

［4］周星，杨士普，蒋晓莉，等.民用飞机大气传感器低速验证试验研究［J］.航空工程进展，2013，4（01）：43-48.

［5］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（01）：124-125.

［6］中国民用航空局.CCAR 25-R3中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准［S］.［出版地不详］：［出版社不详］，2001.

［7］中国解放军总装备部.中华人民共和国军用标准（GJB180A—2006）：低速风洞飞机模型设计准则［S］.［出版地不详］：［出版社不详］，2006.