前起落架对大气数据系统测量值影响的计算研究

郑 颖 马玉敏 徐 倩 郭 洁

（1、中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安710089 2、航空工业一飞院，陕西 西安710089）

目前民用飞机依靠先进的大气数据系统，通过安装在飞机表面的传感器或探头探测周围自由气流信息，经过大气数据计算机解算后得到指示空速、真空速、气压高度、马赫数、总压、静压、总温、大气密度、迎角和侧滑角等参数[1-2]，是飞行器导航系统、飞行控制系统、飞行管理系统以及座舱仪表显示/警告系统等机载系统不可缺少的信息，大气数据的准确可靠直接影响飞行器的安全与稳定飞行。其中静压、总压、迎角、总温是最基本的大气数据，分别由大气数据传感器组合中的静压孔、皮托管、风标、总温探头测量得到，其它大气和飞行参数均可通过这些基本信息解算得到。

国外主要飞机制造商对传感器安装定位的技术已相当成熟，波音、空客公司在此方面都有丰富系统的经验积累，但是作为一项关键技术，很少有研究资料公开发表。国内型号设计单位如一飞院、商飞都对大气数据传感器布局及应用的研究较也少。汪发亮[3-4]等采用计算流体力学技术分析了飞机巡航、起飞着陆构型下流场，对智能探头式大气数据传感器的安装位置选择以及位置误差修正进行了实例研究。赵克良[5]等对民用飞机风标式迎角传感器的安装定位进行了研究，给出了类似机头外形的迎角传感器安装定位规律。周峰、孙一峰、杨慧、杨士普[6-8]等根据CFD 结果，确定飞机机身表面静压随马赫数和迎角变化不敏感的区域，结合飞机实际机体结构或其他设备布置的限制，确定了静压孔布局位置。采用风洞试验方法，验证静压孔测量特性，试验测量得到襟缝翼、扰流板、起落架以及地面效应对静压孔测量的影响量，对齐平式静压孔安装具有一定的参考价值。但目前关于前起落架对机头探头式大气数据系统测量值的影响研究较少。本文以某型民用运输飞机为背景，研究了前起落架放下对机头探头式总静压传感器测量值的影响量，为大气数据的校准提供数据支持。

1 CFD 计算说明

1.1 数值方法

本文采用三维定常雷诺平均N－S 方程[9]

其中，V 为控制体体积，S 为控制体表面，Q 为守恒量，f 为通过控制体表面S 的无粘通量和粘性通量之和，n 为控制体表面的外法向单位矢量。

计算软件采用ANSYS-CFX，使用基于有限元的有限体积法离散RANS 方程，时间离散选用了全隐式时间推进格式，空间离散采用了高阶迎风格式，湍流模型为两方程SST 模型。

1.2 几何模型和计算网格

静压传感器是飞机最为重要的大气数据传感器，为大气数据计算机计算空速、气压高速等提供静压参数，而且由于传感器附近静压分布复杂，加之飞行工况、构型的变化均可能对静压场产生显著影响，所以计算构型选择为机身+总静压传感器。计算网格采用ICEM 生成的贴体结构化网格，采用H-O 拓扑形式，在物面附近生成O 型网格，远场采用H 型网格，整个流场域网格疏密分布合理，过渡均匀，满足计算要求。为了模拟粘性附面层的需要，第一层网格距离物面的距离约为0.003mm，网格增长率为1.2 左右。机身+总静压传感器（前起落架放下、全模）状态网格量为3400 万，机身+总静压传感器（前起落架收上、半模）状态网格量为2600 万。计算工况见表1，图1-2。

表1 计算工况

图1 前起落架收上状态物面网格图

图2 前起落架放下状态物面网格图

2 计算结果分析

某民用运输机总静压传感器的总压口位于空速管的头部，空气流动到总压口时，在此滞止，速度为零，因而可以测得气流的总压。在空速管的侧面，前后位置各有一对上下连接的静压孔，用来测量静压[10]。共安装有4 个总静压传感器，在机头左右各对称分布一个备用总静压传感器（偏上位置）和主总静压传感器（偏下位置），安装位置及测压孔的编号如图3 所示，Ps 系列表示静压孔的编号，Pt 系列表示总压孔的编号。总压分别取备用空速管和主空速管总压孔测量点的总压值，静压取各个空速管四个静压孔测量点的平均值。

图3 总静压传感器的测压孔分布

图4 备用空速管总压随迎角变化曲线

图5 主空速管总压随迎角变化曲线

图6 备用空速管静压系数随迎角变化曲线

图7 主空速管静压系数随迎角变化曲线

按照GJB1623-93《总、静压设计和安装通用规范》的要求，在飞机整个飞行马赫数范围内，总压的测量误差不大于0.4%[11]。照此标准，在高度0Km,马赫数0.2 时，总压为104191Pa，合理的误差范围在103774～104607Pa。图4 和图5 分别是前起落架放下和收上状态下备用空速管和主空速管的总压数值随迎角变化曲线，其中Ptmax 表示误差允许范围的上限，Ptmin 表示误差允许范围的下限。计算结果表明总压测量值都在误差允许范围内，前起落架放下对备用空速管总压孔测量值的影响量大约为12.8Pa，对主空速管总压孔测量值的影响量大约为6.2Pa。

运输类飞机适航条例CCAR25-R4 25.1325 条对静压系统的设计及安装主要性能要求如下：每个静压系统的设计和安装必须使在海平面标准大气下所指示的气压高度的误差每100 节不超过±10m(30 英尺），速度小于100 节时，气压高度误差允许为±10m（30 英尺）[12]。将要求转换成马赫数0.2、高度0m 时的静压系数误差是0.056,气压高度误差不超过13.2m。在中小迎角下（-4°≤α≤12°），前起落架放下对备用空速管静压系数测量值影响量大约为0.0003，对主空速管静压系数测量值影响量大约为0.002；对在大迎角下（13°≤α≤16°），前起落架放下对备用空速管静压系数测量值影响量大约为0.02，对主空速管静压系数测量值影响量大约为0.007。在海平面附近高度变化幅度不大的假设条件下，不考虑密度的变化量，粗略地以压力与高度的换算公式 做近似计算，静压系数变化0.0003、0.002 时，高度的影响量大约为0.07m、0.47m；静压系数变化0.02、0.007，高度的影响量大约为4.72m、1.65m（图6-7）。

3 结论

本文以某型民用运输机为背景，通过CFD 计算分析了前起落架对总静压传感器测量值的影响，得到以下结论：

前起落架对总压测量值的影响量均在误差范围内；在中小迎角下，前起落架对静压测量值影响很小，在大迎角下，前起落架放下对备用空速管静压测量值影响量稍大。

本文研究内容为某型民用运输机的大气数据系统的校准提供了数据支持，但是后续还需结合飞行试验数据完成最终的数据修正。