结冰对爬升性能的影响研究

吴仁民 王 睿

(中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040)

0 引言

飞机在结冰气象条件下飞行时，飞机迎风部件表面结冰现象比较常见。结冰改变了飞机气动外形，从而改变了气动力，影响到了飞机的稳定性与操纵性，如果不重视飞机结冰问题，就有可能会对飞行产生严重的不利影响，甚至可能产生导致机毁人亡。

国外很早就注意到飞机结冰问题，对飞机结冰进行了大量的试验研究和数值计算分析，形成了很多成熟的数值分析软件和完备的冰风洞试验条件，国内对飞机结冰的研究起步比较晚，且多数为对机翼等部件结冰机理的研究， 很少能定量地分析结冰对飞行性能的影响，综上所述，很有必要进行结冰对飞机飞行性能的影响研究，为将来设计考虑结冰情况提供参考。

结冰并不改变飞机的运动数学模型。本文通过将飞机作为一个质点进行受力分析，建立飞机运动的动力学方程。 结冰对飞机气动数据的影响量，通过其他机型试验的结果给出，在此基础上，采用数值计算的方法分析了结冰对飞机飞行性能的影响并给出了相应结论。

1 计算公式及方法

1.1 动力学方程

飞行性能计算中，将飞机视为一个质点，飞机在垂直平面内无侧滑时受力情况如图1 所示， 按照航迹坐标系建立飞行的运动方程，将力分解到沿速度方向和垂直于速度方向，利用牛顿第二定律可得出动力学方程如下：

式中：α 机身迎角；V 飞行速度；T 发动机可用推力；D 阻力；L 升力；φT推力作用线与机身轴线夹角；θ 航迹角；G 飞机重量；t 时间；g 重力加速度。

图1 垂直平面内无侧滑飞行受力分析

1.2 最大爬升率爬升

根据爬升率定义可求的爬升率：

联立（2）式、（3）式将 θ 消去化简可得爬升率计算公式，见式（4）：

飞机以最大爬升率方式爬升时，θ 和V 变化较小， 可以近似认为dθ/dt=0，dV/dH=0。

2 算例

通常情况下，结冰导致飞机的气动特性变差，从而影响到飞机的飞行性能。冰风洞和飞行试验的结果表明，大多数情况下，结冰后飞机的失速速度约增大5%～10%，全机的升力系数约减小5%～15%，阻力系数约增大15%～50%。

在本文给出的算例中， 假定升力系数减少10%， 阻力系数增大32.5%，可用推力下降5%。 计算结果见表1。

表1 飞行重量53.5 吨，爬升率

3 计算结果分析及讨论

由于结冰导致剩余功率减少,使得飞机的爬升率、爬升角、爬升梯度都有所减小,且减小的比例与剩余功率减小的比例基本一致，由表1可见，爬升率减少量为30%～60%。

4 结论

结冰改变了飞机气动外形，使飞机爬升性能变差，最大爬升率减少量为30%～60%；

因此，在民机的设计中,应着力开展结冰对飞机气动特性的影响和防除冰装置的研制的研究设计工作，或者在飞机运营过程中，应根据气象雷达合理的避开结冰区，使飞机设计更合理、飞行更经济、更安全。

［1］金长江，范立钦，周士林.飞机飞行性能计算[M].北京:国防工业出版社，1983：58-120.

［2］张锡金，主编.飞机设计手册：第六册[M].北京:航空工业出版社，2006.

［3］顾诵芬，解思适.飞机总体设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2001：89-200.

［4］裘燮纲，韩凤华.飞机防冰系统[M].北京:航空专业教材编审组：70-130.