内外场高寒环境下飞机结构的温度特征分析

田培强，吴敬涛，邓文亮

（中国飞机强度研究所，西安 710000）

引言

随着民航行业的快速发展，飞机航线不断增加，这就导致飞机飞行任务剖面逐渐扩展，机场环境和航线环境出现极端气候环境[1]，如低温环境下飞机结构会出现变形和结冰等问题。在飞机运营阶段，飞机不可避免地要遭遇高温、高寒、湿热、结冰等极端气候环境。如果飞机的环境适应性能力不足，轻则降低飞机的使用性能，影响飞机运行；重则导致飞机发生安全性事故，严重时甚至还会发生机毁人亡的灾难[2]。因此，需要研究极端气候环境条件下飞机结构和机构的功能与性能变化，能够为飞机维护提供支持，提高飞机安全性。

因此本文通过结合外场自然条件和内场实验室条件的极端环境下飞机全状态气候环境试验，分析外场和实验室的试验环境条件和试验过程，研究极端环境下飞机典型结构的环境温度特征，为飞机运营维护提供依据。

1 飞机气候环境试验概述

波音737飞机运行环境包线[3]的起飞和着陆最低温度限制为-54 ℃，最高运行温度限制为54 ℃，通常大型客机的运行环境包线与该机型相似，因此确定本文研究的极限温度范围为（-55～54）℃。本文主要围绕飞机的地面环境试验开展研究，因为选取飞机起飞和降落过程的运行环境，根据MIL-STD-810H中502.7节全球低温环境的统计（如表1所示），低温环境出现概率最大的温度为（-21～ -31）℃[4]，因此本文选取该温度范围（-21～ -31）℃作为所研究的飞机运营环境条件。

表1 全球地面低温循环范围

1.1 飞机外场环境试验

飞机外场环境试验过程中，确定出环境温度在（-21～31）℃之间的时间点，在该时间点的环境条件下，飞机开启APU，未起动发动机，飞机机采系统所采集的当日静温/总温环境数据如图1所示。由于起动APU会影响周围环境温度，为尽量保证数据不受APU系统影响，均选取曲线起始点作为所分析的试验数据：此时飞机航电系统所测得的静温/总温均值为-28.8 ℃。

图1 外场环境试验的静温/总温曲线

1.2 飞机实验室环境试验

飞机实验室环境试验中，在多个极端温度点下多个飞机系统开展了研发性试验和适航符合性验证试验，环境试验温度历程曲线如图2所示。

图2 实验室环境试验温度历程曲线

由于飞机外场环境是在早上进行，温度处于上升阶段，为与飞机运营环境和外场试验环境保持相同条件，选取实验室环境试验数据的温度上升阶段，且外场环境试验中静温/总温为-28.8 ℃，最终确定实验室环境试验温度点为：大气静温与总温均值为-28.78 ℃。

2 内外场极端条件下飞机内外部结构环境温度特征分析

外场自然环境和实验室环境的两个温度点均是处在温度上升阶段，且内场实验室温度相比于外场自然环境温度，相差0.07 %，在误差允许范围内，内外场环境条件是等同的。根据飞机结构特点，本节分别从飞机的外部结构温度和内部结构温度，分析外场和实验室对民机内外部结构影响的一致性。

2.1 极端环境下飞机外部结构环境温度特点

从飞机运营环境和机构功能出发，飞机机翼环境温度间接地影响着燃油油温和襟缝翼等活动翼面温度，飞机尾翼环境温度直接地影响着垂平尾机构功能，飞机吊挂环境温度直接地影响着发动机起动和运行性能[5]，因此本小节从机翼、尾翼和吊挂三个飞机外部结构来分析飞机外部结构环境特点，三个飞机外部结构的外场和实验室环境数据如表2所示。

由表2可知，飞机机翼、吊挂和尾翼三个外部机构在实验室极端环境下的环境温度，与外场环境下三个外部机构的环境温度趋势相同，即均比外场环境和实验室环境温度低，导致此现象的原因是此时外场环境和实验室环境均处在温度上升阶段。但由于内外场的温度最低点和升温速率不同，产生了实验室环境下三个外部机构温度比外场环境下三个外部机构温度更低的现象，也是对飞机机构的严格考核，这也表征了飞机气候环境实验室试验的重要性，即实验室试验可有效且精准地扩展外场试验，进而为拓宽飞机运营包线提供支撑。

表2 内外场极端环境下飞机外部结构环境温度（℃）

2.2 极端环境下飞机内部结构环境温度特点

上述飞机的三个外部结构均从中后机身进行分析，飞机内部环境结构选取前中机身进行研究，因此本小节从机头的雷达舱和翼身整流罩两个内部结构来分析飞机内部结构环境特点。内外场极端环境下飞机内部结构环境温度数据如表3所示。

由表3可知，飞机翼身整流罩和雷达舱两个内部结构在实验室极端环境下的环境温度，与外场环境下两个内部结构的环境温度趋势相同，即均比外场环境和实验室环境温度高，导致此现象的原因是由于外部结构的隔热，但不同位置的隔热性能和密封性能不同，也就导致内部温度不同，并且机头的雷达舱温度低于翼身整流罩温度。

表3 内外场极端环境下飞机内部结构环境温度（℃）

2.3 飞机内外部结构的环境温度分布分析

从飞机整机结构环境温度出发，分析飞机全机身温度分布和飞机内外部环境差异，由图3可知：

1）对于机身外的环境温度分布，在外场或实验室，机翼环境温度与尾翼环境温度误差仅1.67 ℃和0.12 ℃，且实验室环境下飞机环境温度分布比外场环境下飞机环境温度分布更均匀；

2）对于机身内部的环境温度，无论是外场环境还是实验室环境，翼身整流罩的隔热保温效果比雷达舱的隔热保温效果更好。

3 结论

本文围绕飞机整机内外场环境试验，结合外场环境试验温度和实验室环境试验温度历程，在外场回温阶段（静温由-35 ℃回温-28.8 ℃时）和实验室回温阶段（静温由-45 ℃回温-28.8 ℃时），选取内外场共同的温度点为静温/总温为-28.8 ℃和-28.78 ℃，两者误差为0.07 %，在此条件下，分析外场与实验室下飞机内外部结构环境温度特征。经对比可得：实验室环境下飞机环境温度变化趋势与外场飞机环境温度变化趋势相同，即飞机外部结构环境温度比静温/总温低，飞机内部结构环境温度比静温/总温高，但由于实验室所达到的温度更低，导致实验室环境下飞机结构温度低于外场环境下飞机结构温度。并且实验室环境下飞机环境温度分布比外场环境下飞机环境温度分布更均匀，对于飞机结构的保温效果，发现翼身整流罩的的隔热保温效果比雷达舱的隔热保温效果更好，可为飞机低温维护提供支撑。