基于民用飞机RVSM性能需求的静压源气动设计研究

2022-05-17杨士普

机械设计与制造工程 2022年4期

周星，杨士普，钟园

(中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210)

RVSM(reduced vertical separation minimum)即缩小最低垂直间隔，是指在实行RVSM运行的空域，在FL290至FL410(包括这两个高度层)之间的垂直间隔标准由600 m缩小到300 m。早在19世纪80年代，在个别航空业先进的领域，已经着手对缩小垂直间隔运行进行了研究。1997年北大西洋航空领域在FL330至FL370之间实施300 m垂直间隔的试运行，一年后扩展到FL390。两年后太平洋区域也实施了RVSM运行[1]。我国在2007年11月正式实施RVSM运行，在这之前中国8 400 m以上飞行高度层实施的是600 m垂直间隔[2]。RVSM运行的层数增加使更多飞机在平流层经济飞行，改善了航路拥堵情况[3]。我国引入RVSM运行就是为了降低国内航线和国际航线转换的难度以及事故发生率[4]。

在AC-21-13的咨询通告中规定了RVSM运行的设备需求[5]，包括两个独立的高度测量系统；交叉耦合的静压源或者系统；测量静压并将其转换为气压高度同时显示给机组的设备；为自动飞行高度报告目的提供与显示的气压高度相对应的数字化编码信号的设备；为了满足性能要求，如有需要，则进行静压源误差修正(SSEC)；安装的设备应能为所选定高度的自动控制和警告提供基准信号。系统设备的误差由产品说明书提供；性能需求通过高度测量系统误差(altimetry system error，ASE)体现[6]。高度测量系统误差包括静压源误差、管路误差、传感器误差、时滞误差、环境误差等[7]。机身误差包括静压源误差和剩余静压源误差[8]，对ASE的影响较大。静压源误差主要由空气动力学的气流扰动引起，其中含有几何形态引起的扰动(如波纹度、安装、台阶等)。剩余静压源误差主要由静压源误差修正(static source error correction，SSEC)产生。咨询通告AC-21-13(7)(C)(3)条对ASE平均值μ和标准差σ的要求之一是当平均ASE在基本RVSM包线中达到最大绝对值时，这个绝对值不应该超过80 ft。飞机在巡航高度以马赫数0.785飞行时，80 ft相当于113 Pa的静压变化，静压系数差量ΔCp约为0.008，要求非常严格。

国外文献有关于飞行器静压测量和试飞方面的研究[9]。国内以大飞机为平台，进行了很多静压源布局设计以及风洞试验方面的研究。孙一峰等[10]研究了民用飞机机身表面静压孔气动布局设计，借助计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)计算研究了不同马赫数和迎角组合下机身静压场，得到机身静压恢复系数对迎角变化不敏感的条状区域；方阳等[11]主要进行了静压源安装位置的选型研究；杨慧等[12]在静压孔气动布局设计中研究了起落架、地效、机翼等对静压孔的影响。以上的工作聚焦于静压源的基本设计方法以及空速校准的需求，但是针对RVSM严酷的性能要求，没有提出静压源设计的具体指标。本文从SSEC理论分析、静压源保型板以及机身顺流向压力分布提出基于民用飞机RVSM的静压源设计方法，从而降低静压源误差引起的RVSM试飞取证难度。

1 静压源误差修正理论分析

静压孔的安装误差由静压孔的布局设计决定。通常静压孔气动设计符合3个基本原则：1)静压信号随马赫数的变化规律单调，减小马赫数的影响修正；2)静压信号对迎角不敏感；3)静压信号对侧滑角不敏感。

图1为静压系数Cp样本方差图。计算同一个马赫数下Cp对不同迎角的敏感性，图1中“Z”形暗色区对迎角不敏感，其余区域对迎角较敏感。在前机身上分别选取A、B、C和D点进行压力对比，如图2所示。

图1 Cp样本方差

图2 不同位置点的压力分布

SSEC是迎角α和马赫数M的函数，如图2所示，横坐标代表M(马赫数)，纵坐标代表P/P∞(当地压力/远场压力)。空速校准试飞中迎角和测量的马赫数因设备、系统和测量等因素存在一定的误差，为了保证RVSM的SSEC准确，要求由迎角设备误差Δα或者马赫数空速误差ΔM计算得到的ΔSSEC误差尽可能小。如图1所示，A点和D点随迎角变化不敏感，A点和D点随迎角变化的暗色带宽明显小于B点和C点，B点随迎角变化很敏感，C点的敏感性居中。飞机迎角的综合误差在0.5°左右时，在10 000 m高空，马赫数0.70，迎角3°附近，引起的4个点静压误差如下：A点静压误差不到1.0 Pa，B点静压误差54.6 Pa，C点静压误差23.4 Pa，D点静压误差不到1.0 Pa。可见对RVSM迎角进行误差分配时，A点和D点不需要误差分配。A点虽然对迎角变化不敏感，但是带宽比较狭窄，使得静压孔的安装精度要求仍然较高。

从图2可以看到，不同位置点的P/P∞随马赫数M增大都呈下降趋势，A点和C点的马赫数影响为1.00～0.96，B点的马赫数影响为1.00～0.93，D点只有1.00～0.98，对马赫数的敏感性最低。试飞马赫数M的综合误差在0.003左右时，在10 000 m高空，马赫数0.70，迎角3°附近，引起的4个点静压误差如下：A点静压误差5.85 Pa，B点静压误差6.50 Pa，C点静压误差4.70 Pa，D点静压误差1.82 Pa。可见马赫数变化对D点的压力影响可以忽略。

另外SSEC本身的准确性也是影响RVSM误差的一个因素。在A点和B点的马赫数0.82附近，静压曲线出现拐折，而C点和D点仍然单调。在A点和B点进行SSEC的准确性比C点和D点低，因为一方面对于非定常流场的计算精度降低，另一方面风洞试验尺度效应也会影响非线性区预测的准确性。

综上所述，RVSM的静压源布置设计应参考以下要求：迎角安装引起静压源的误差小于2 Pa，飞行马赫数误差引起静压源的误差小于5 Pa；同时满足静压源的SSEC随马赫数曲线是单调的。图2中D点是基于RVSM最理想的静压源位置。

2 静压源保型板影响分析

静压源误差中不可忽略的外形因素是波纹，如图3所示。波纹度是衡量波纹的主要参数，等于波深/波长，反映了机身蒙皮的加工水平。在飞机上RVSM关键区对波纹度的制造公差要求为小于0.3%。加工产生的波纹随机散落在RVSM关键区，有的远离静压孔，有的涵盖静压孔。当代民用飞机在静压源附近安装保型板，保型板的直径为180～200 mm，如图4所示。与蒙皮不同，保型板可以进行小区域单独数控加工，从而保证外形的高精度。因此这种静压孔-保型板结构在半径90～100 mm的区域中没有波纹。下面对波纹与保型板的相对位置进行机理性分析，阐明保型板在降低静压源误差时起到的巨大作用。

图3 波纹形状

CFD计算中选择了波纹度1%的单波模型进行分析，波纹直径为150 mm，保型板直径为180 mm。将波纹与保型板设计在一个平板上，并且波纹和保型板处在平板压力分布稳定的区域，计算网格如图5所示。计算工况包括保型板在波纹外侧以及在波纹内侧，见表1，计算马赫数为0.80。表1中序号2和3各自包含顺向来流和逆向来流的压力分布。

图4 典型机型静压源附近的保型板

图5 CFD计算网格

表1 计算工况

上游是指相对于来流方向保型板在波纹的前面，下游则反之。当保型板在波纹外侧时，保型板外圆与波纹外圆相切处是静压源最靠近波纹的地方。图6中横坐标x代表顺流向的坐标，其中x=0 m代表静压源中心；纵坐标Cp代表静压系数。在x=±0.165 m处(即静压源位置)波纹带来的ΔCp影响量在0.001 5左右，RVSM飞行误差为15 ft，静压源落在波纹以内，x=0 m处ΔCp影响量为0.06，中心点两侧ΔCp最大影响量为0.04。这种量级对于RVSM是不能接受的。x=±0.02 m处波纹对Cp没有影响。当保型板在波纹度上游1/2或者下游1/2的时候(图7)，在x=0.165 m处波纹带来的ΔCp影响量在0.001左右，高度误差大概在10 ft，这种情况下保型板与波纹交接的地方存在微小台阶，造成计算结果局部压力变化；当保型板在波纹度上游1/4或者下游3/4时(图8)，在x=0.165 m处波纹带来的ΔCp影响量在0.001 5左右，高度误差大概在15 ft。由以上分析可知:单波与静压孔保型板的相对位置以及上下游关系对压力的影响，从计算结果来看，保型板在气动方面减弱了波纹对中心静压源的影响。

图6 算例1的压力分布

3 机身压力顺流向分析

图9所示为某飞机在巡航条件下机身3个不同水平线位置的顺流向压力分布，从压力分布来看，A区压力变化急剧，B区压力逐步下降并且趋近远场压力，C区压力变化平坦，顺流向不敏感，D区为机翼影响区。从顺流向压力形态来看，C区压力分布平缓，对顺流向位置不敏感，降低了静压源安装位置精度引起的静压误差；另外C区的Cp接近0轴，静压接近远场压力，试飞过程中由总压传感器和原始静压得到的测量马赫数接近真实马赫数，SSEC更加接近CFD计算理论值，提升了SSEC的准确性。