基于CFD方法的前支杆试飞测量装置误差分析

马玉敏，汪发亮，徐 倩，郭 洁

(1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089；2.中国民用航空适航审定中心西安航空器审定中心，陕西 西安 710065；3.中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089)

飞行器的大气数据信息包括自由气体的静压、动压、高度、速度、马赫数、温度、密度等大气参数，是飞行器飞行控制、导航、发动机等飞行系统的重要原始参数。对大气参数高可靠、高精度、高响应的测量和稳定可靠的传输是保障飞行安全、飞行品质、任务完成的重要基础。大气数据计算机系统是飞机大气数据信息的中心，可以通过感受飞机飞行中的静压、总压(或动压)、总温、迎角、侧滑角等基本参数，经过解算和修正后得出飞机的各种大气数据参数并传输给其他系统使用[1-2]。

某型民机为涡桨支线客机，采用总静压传感器、总温传感器、迎角传感器等对大气数据基本参数进行测量，由于传感器安装于飞机机头，受飞机流场干扰等因素的影响，传感器测得的总压、静压、迎角、总温等基本数据均为传感器在飞机机体安装位置处的当地数据，并不是飞机系统所需的准确的大气数据信息。未经校准的测量值与真实值存在差异，导致气压高度与指示空速等均存在误差，一般通过空速系统校准试飞获取[3]。根据咨询通报AC25-7D要求：除非提供已经校准的参考系统，否则应在覆盖整个试飞必需范围内进行空速系统的校准[4]。CCAR25部运输机适航标准[5]第1323条要求：VMO至1.23VSR1(襟翼在收上位置)及1.23VSRO至VFE(襟翼在着陆位置)的整个速度范围内，空速的安装误差(不包括空速指示仪表校准误差)不得超过3%或5 kn(1 kn=0.514 m/s)，两者中取大值；第1325条要求：每个静压系统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(不包括仪表校准误差)在1.23VSRO(襟翼展态)至1.7VSR1(襟翼收态)速度范围内对应的飞机形态下，每100 kn不超过±10 m，速度小于100 kn时，气压高度误差允许为±10 m。

为满足大气数据系统校准需求，某型民机飞行试验规划过程中，考虑了前支杆和拖锥两种试飞改装方案。拖锥法在机尾加装拖锥，试飞过程中拖锥延伸至机身后一定距离，测量精度高，ARJ21-700、空客A380等飞机就采用拖锥进行静压校准[6]。前支杆法一般将支杆安装于飞机机头前方或者机翼翼尖，可对外部流场进行直接测量，试飞技术简单，不过需权衡考虑前支杆长度和结构稳定性之间的矛盾，且安装于机头前方时还需考虑对机头空速测量系统的影响[7]。从可查到的资料来看，国外对前支杆的应用多见于教练机、战斗机等飞机，Roh等[8]研究了T-50/A-50超音速教练机的大气数据系统校准，介绍了飞行试验初期对前支杆测量装置本身的数据校准方法及后期采用前支杆法对飞机本体大气数据系统的校准结果；Cumming等[9]则利用飞行试验研究了一种安装于F-15B飞机前方的可伸缩的前支杆装置对飞机飞行特性和大气数据系统的影响，结果表明前支杆对飞机静压误差测量产生了不利影响，对迎角和侧滑角影响不大。国内方面，Y7-200A飞机的合格审定试飞中，空速系统采用拖锥系统作为基准静压进行校准，加装了前支杆空速系统以解决复杂机动飞行中的静压畸变问题[10]；田玉艳等[11]从结构方面考虑，采用有限元法对一种前支杆结构进行了优化，减小了前支杆结构质量，提高了经济效益；邢达波[12]则对前支杆空速管的迎角侧滑角测试进行了研究，消除了飞行科目中的数据漂移现象；杨欢[13]针对某采用前支杆进行失速试飞的飞机，研究了失速速度适航试飞的数据处理等问题。国内尚未发现从气动专业角度就前支杆对大气数据基本参数影响值进行具体研究的公开文献。

随着现代科技及计算机软硬件能力的发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)在飞机研制过程中逐渐扮演着越来越重要的角色，已广泛应用于飞机研制的各个阶段。CFD计算结果包含压力、速度等流场数据，同时可非常直观地反映飞行器表面和附近区域的流动情况，可以为试飞测量装置的安装位置选择和影响分析提供支持。文献[9]中也称其研究源于对采用基于欧拉的CFD方法对前支杆影响分析结果的验证。

确定某型民机大气数据校准方案之前，需采用CFD手段来评估两种方案大气参数校准的准确性。对前支杆校准方法的研究可以作为某型民机是否选用前支杆法进行空速校准的依据，为试飞方案选择提供参考。

1 研究对象

基于CFD方法，对某型民机前支杆测量装置进行误差分析，研究了3个方面的内容：① 前支杆安装位置和长度的确定，对未加装前支杆时的飞机流场进行分析，选择前支杆装置合适的位置和长度；② 对加装前支杆测量装置后前支杆测量参数当地流场进行分析，了解测量参数与来流的关系；③ 评估前支杆测量装置对飞机现有大气数据系统测量参数的影响。

图1为前支杆组合传感器示意图，通过支杆与飞机机身连接，传感器上分布有总压口、静压口、迎角和侧滑角风标，用于对飞机来流的总压、静压、迎角和侧滑角进行校准。

图1 前支杆组合传感器示意图[14]

图2为前支杆试飞测量装置安装于某型民机机头前方的数模示意，在飞机前机身机头部分左右两边各安装有两个总静压传感器。以某型民机翼身组合体干净构型为研究对象，采用ICEM CFD软件进行多块结构网格生成，使用基于三维积分形式的雷诺平均N-S方程进行求解，分析加装前支杆测量装置前后的大气数据参数，得出本文所需的各项参数影响量。

图2 前支杆试飞测量装置的安装

一般来讲，大气数据系统的总压测量精度容易保证，研究主要侧重于考虑静压、迎角和侧滑角的位置误差。

2 前支杆试飞测量装置安装长度确定

拆除机头雷达罩，将前支杆安装于飞机机头，前支杆中心线位于飞机机身构造水平线上。前支杆法作为空速校准测量方法之一，首先要解决的问题就是支杆长度的确定，即组合传感器各参数测量位置与飞机机头距离的确定。支杆长度较短时测量准确性难以保证，长度太长时本身会产生振动，且对飞机结构、安装等都有一定的影响。

选取飞机飞行Ma为0.2、高度为0 m，对比分析了距离飞机机头前部1，2，3，3.4，3.6，4，5 m不同位置处的静压和迎角数据。

图3给出了不同位置处的静压误差数据，纵坐标为静压系数Cp，横坐标为来流迎角α。距机头越近，静压误差越大，在机头前方1 m时静压误差达到了0.21左右；随着距离的增加，静压误差逐渐减小并趋于一致，保持在近似稳定的误差值上。

图3 距离机头前方不同距离处的静压系数

图4给出了距离机头不同位置处的当地迎角与来流迎角的关系曲线，纵坐标为不同位置处的当地迎角是αL，横坐标为来流迎角α。由图4可知，两者基本上呈良好的线性关系。距离机头1 m时，斜率约为1.3，随着距离增加，斜率逐渐趋近于1.0，前支杆迎角测量值越接近于真实的飞机迎角，也就可以更准确地对飞机迎角传感器进行迎角校准。

图4 距离机头前方不同位置处的当地迎角

综合考虑气动、载荷、结构、试飞等各专业的实际需求，初步暂选取前支杆整体长度(支杆及组合传感器)为3.7 m，安装于飞机机头前方以进行后续的测量误差分析。

3 前支杆测量的位置误差

前支杆试飞测量装置测量的总压、静压、迎角和侧滑角等各项参数值均为测量装置当地的测量值，由于安装位置的原因与真实大气值之间有一定的位置误差，在采用前支杆法对飞机大气数据系统参数进行校准前也需要对前支杆测量精度进行检查校准。

选取的计算状态如表1所示。

表1 计算状态点

3.1 静压测量误差

图5给出了不同Ma时前支杆测量装置的静压位置误差与迎角的关系，纵坐标为静压系数Cp，横坐标为来流迎角α。

图5 前支杆静压位置误差

小迎角小速度时前支杆静压测量的误差较大。各Ma下的静压误差基本上在0.04左右，假设计算高度附近密度保持不变，近似推算该静压误差量对高度的影响量，进而估算对速度的影响，结果如表2所示。参考运输机适航标准中要求，当前前支杆长度下，静压误差0.04所带来的高度影响误差偏大。

表2 Cp=0.04时对高度和速度影响估算

3.2 迎角测量误差

图6给出了不同Ma时前支杆测量装置的当地迎角与来流迎角的关系，纵坐标为前支杆测量的当地迎角αL，横坐标为来流迎角α。

由图6可见，不同Ma下前支杆测量的当地迎角与来流迎角之间呈现良好的线性关系，各曲线线性拟合后斜率接近于1，截距接近于0，表明前支杆迎角测量值可以很好地修正至来流真实迎角。

图6 前支杆测量装置当地迎角与来流迎角关系

3.3 侧滑角测量误差

对涉及侧滑角测量误差的计算状态点进行了调整。图7给出了Ma=0.2时前支杆测量的当地侧滑角与来流侧滑角的关系，纵坐标为前支杆测量的当地侧滑角βL，横坐标为来流侧滑角β。

由图7可见，各迎角下前支杆测量的当地侧滑角与来流侧滑角均呈现良好的线性关系，各曲线线性拟合后斜率接近于1，截距接近于0，表明前支杆侧滑角测量值可以很好地修正至来流真实侧滑角。

图7 前支杆当地侧滑角与来流侧滑角关系(Ma=0.2)

4 对现有大气数据系统测量影响

进行试飞校准时，前支杆测量装置安装于飞机机头前部，流经前支杆的气流会对飞机机头流场产生扰动，进而对现有大气数据系统的测量值产生影响。某民机未安装侧滑角传感器，侧滑角校准信息主要用于对迎角的侧滑修正，本节主要考虑无侧滑时前支杆测量装置对静压和迎角的测量影响。

4.1 静压测量影响

图8给出了前支杆试飞测量装置对飞机大气数据系统静压测量的影响，图8中纵坐标ΔCp1和ΔCp2分别为某型民机的备用空速管和主空速管处的静压影响量，横坐标为来流迎角α。

由图8可见，各Ma下前支杆对现有大气数据系统静压的影响量在-0.01～+0.01之间，近似推算该静压误差量对高度和速度的影响量，结果如表3所示。

图8 静压影响量

表3 Cp=0.01时对高度和速度影响估算

4.2 迎角测量影响

图9给出了不同Ma下前支杆试飞测量装置对飞机大气数据系统迎角传感器测量的影响，纵坐标为加装前支杆测量装置前后迎角传感器当地迎角差值，横坐标为来流迎角。

图9 迎角传感器处当地迎角影响量

在计算迎角范围内，迎角传感器当地迎角测量的影响量基本在-0.3°～0.1°之间，考虑飞机大气数据系统迎角传感器本身的修正关系，反推出对来流迎角测量的影响量在-0.17°～0.06°之间。

综合研究结果表明，选定前支杆长度情况下，前支杆测量的静压测量误差引起的高度误差偏大，对现有大气数据系统静压亦有一定影响，对迎角影响较小。某型民机空速校准方案中，初步决定采用前支杆法进行总压、迎角和侧滑角的校准，采用拖锥法进行静压校准。

5 结束语

前支杆试飞测量装置的长度会影响自身测量参数的精度，进而影响到飞机的空速校准。实际使用中，应衡量前支杆测量装置长度带来的误差是否满足需求，在试飞前对前支杆测量精度进行校准，并考虑前支杆对现有大气数据系统的影响。

采用CFD方法分析前支杆试飞测量装置的误差信息，可以初步对飞机大气数据信息有所了解和掌握，降低试飞风险。本文的研究内容对某民机大气数据系统试飞校准有着较大的实践意义，且可为其他飞机在前支杆试飞测量装置使用方面提供参考。