运输机全静压受感器低速风洞试验研究

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）

飞机在飞行过程所需的重要大气数据参数需要通过测量飞机周围大气压力等信息，根据一定的修正关系得到。对于飞机静压和总压信息的测量，就是由飞机大气数据系统中的全静压系统负责实现[1-2]。全静压系统直接影响到飞机的飞行安全，是飞机设计中非常重要的组成部分。国内外众多专家学者就飞机全静压系统的测量校准进行了研究，涉及误差源分析、装置选取、安装定位、试飞校准等方面的工作[3-4]。本文就飞机前机身加装任务系统天线后，在试飞中反映出仪表相对气压高度指示误差较大的问题开展了研究，通过风洞试验，获得了多个方案的总压、静压随迎角、侧滑角的规律，按照全静压受感器布置原则获得了满足使用要求的位置方案，为同类飞机全静压受感器布置方案设计提供参考。

1 大气传感器布置原则

1.1 静压源

静压源为飞机提供静压信号，其随马赫数的变化规律应简单，以降低修正过程的复杂性；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；随侧滑角的影响应尽可能小，以降低飞机侧滑时带来的静压误差。

1.2 总压探头

《总、静压系统设计和安装通用规范》（GJB 1623—93）要求：总压探头应位于对测量总压干扰最小的位置。所选择的位置应避开附面层、下洗流、舱门、襟翼收放等因素的影响，还应考虑飞机上排放的油液及其他类似条件的影响；在机身两侧安装L型总压探头，应成对设置并径向对称安装。当左、右探头不能互换时，应用定位器保证总压探头总是安装在正确的位置；在飞机的整个M数范围内，总压误差不应大于0.4%[5]。

1.3 全静压受感器（测总压和静压）

全静压受感器是飞机在飞行过程中同时测量全压（也称为总压）和静压的装置，如图1所示。该装置的总压孔和静压孔均布置在同一根管上，端头孔测量来流总压，在管壁布置的小孔测量当地静压[6]。全静压受感器也是飞机防冰的重点部位，在设计中加装了防冰加热系统。

图1 全静压受感器实物及表面静压孔

2 试验模型及方案

2.1 试验模型

全静压受感器设备相对于全机外形尺寸较小，如果模型缩比太小，缩比后的外形浸没在附面层中，影响试验结果。因此，在风洞阻塞度、天平支撑能力和试验经费等因素允许的条件下，应尽可能采用大尺寸模型。本次试验采用1∶5缩比模型，在国内某8 m×6 m风洞进行了试验，试验速压为2 750 Pa（风速V≈70 m/s）。同时为模拟机翼对前机身的上洗效应，试验模型采用机身加部分机翼。为减小模型支架对前机身气流的干扰，支撑方式选择背撑方式，见图2.

图2 飞机全静压受感器试验模型

2.2 安装位置方案准备

为了获取前机身典型位置区域全、静压随迎角、侧滑角的变化规律，获得最优的全、静压布置方案，在试验方案准备阶段通过CFD方法，选取了一系列选型安装点用于风洞试验验证。

2.3 试验数据采集和处理

分别在不吹风和吹风条件下采集初读数和吹风数，测压点测量压力＝吹风数-初读数。测压试验结果按公式（1）计算测点的压力系数：

式（1）中：Pi为试验段内流场某点处压力测量值；P0为来流总压测量值；PⅡ为来流静压测量值；C0为风洞总压系数标定结果；CⅡ为风洞静压系数标定结果。

对试验结果进行的洞壁干扰阻塞效应修正公式为：

式（2）中：CRi为修正后的试验结果数据；ε为阻塞效应修正系数。

3 试验结果

3.1 静压测量试验

静压试验获得的纵向结果见图3，由图可知：各测压点在αW≈4°前静压变化曲线的梯度均较大，Q1、Q2等处呈明显的抛物线特征，并在αW≈8°附近达到绝对值最小；各曲线在小迎角（αW≤4°）差异较小，αW＞4°后差异逐渐增大；Q11、Q12等处静压系数Cpi绝对值略小于其他测压点，且随迎角的变化规律趋于线性。

图3 纵向静压测量结果

测压点静压曲线随侧滑角β的变化规律见图4，由图可知，静压值迎风一侧高于背风一侧，且随着水平高度下移，两侧差异逐渐减小。同一测压点随迎角增加，静压系数Cpi随侧滑角变化梯度逐渐增加。

3.2 总压测量试验

根据静压纵向试验结果，筛选部分位置进行总压测量试验，并进行了1∶1尺寸受感器测压试验，结果见图5.由图可知：风速管总压测量结果与布置位置相关，Q1与Q7点总压损失最小，且与1∶1尺寸受感器测得的总压值相当，Q12点总压损失较大。去除前机身两侧天线罩后，Q12点处总压明显恢复，且与其他测压点总压基本相当，由此可知天线罩对Q12点位置的总压测量结果影响较大，同时也表明总压测量结果随迎角变化不大。

图4 横向静压测量结果

图5 总压纵向试验曲线

根据静压横向试验结果，筛选部分位置进行总压测量试验，结果见图6.由图可知：Q1点总压损失最小，且随侧滑角变化最小，基本与1∶1尺寸受感器总压测量结果一致，随着受感器位置下移，总压损失量随侧滑角增加而下降且速度逐渐加快。

图6 总压横向试验曲线

3.3 全静压受感器布置位置分析

结合静压孔气动设计原则及相关规范要求，飞机全静压受感器布置位置应满足总压Cp0损失最小原则，同时根据空速校准误差不大于3%或5节（约9 km/h）的标准要求，按V＝300 km/h计算得到Cpi应不大于±0.06.

单从静压方面考虑，Q3、Q7、Q10均是较好的全静压受感器布置位置。而兼顾总、静压时，考虑到飞机系统总压不进行补偿而静压可以进行补偿设计，Q1点附近总压随侧滑角变化较小，因此试验中所选区域全静压受感器最佳布置位置为Q1～Q3。

4 结论

经论述，得出以下3点结论：①试验表明受感器在机头的布置位置受机身表面附件流场及天线罩干扰明显，不同位置的测量结果存在差异，规律有所不同；②根据机头总压、静压的压力系数及随迎角、侧滑角的变化规律，获得了较好的全静压受感器布置位置，试验达到预期目的，为后续的验证试飞提供了重要的技术支撑；③通过本次试验研究，揭示了全静压受感器在测量飞机总压、静压时的气动规律差异，丰富了全静压受感器布局设计的理论基础，并且建立了全静压受感器布局设计的风洞试验方法。

［1］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（1）：124-125.

［2］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.

［3］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（4）：46-48.

［4］Gracey W.Measurement of aircraft speed and altitude.Measurement of Aircraft Speed&Altitude，1980（4）.

［5］汪发亮，魏剑龙，钱瑞战，等.基于计算流体力学的大气数据传感器应用研究［J］.测控技术，2014（34）：529.

［6］宋歌.大气数据系统的发展及展望［J］.科技创新与应用，2014（19）：296.