低速大迎角进气道流场测试风洞试验研究

郭佳男

（中国飞行试验研究院，西安 710089）

随着军用飞机的高机动性、高速性、隐身性能的要求，对于进气道与发动机之间的匹配性要求也越来越高。进气道与发动机的相容性是指在飞行包线范围内，飞行员进行任何允许的操纵时，进气道能够提供满足要求的出口流场和流量，发动机均能在要求的状态下稳定运行。飞机的任何机动和油门操纵的组合应使进气道和发动机各部件在其使用限制以内，特别要保证进气道和压气机的稳定裕量，以避免进气道和发动机发生不稳定工作或喘振[1-4]。

进气道与发动机相容性是飞行试验中非常重要的考核内容，重点关注进气道提供的流场能否满足发动机的需求。当前型号试飞中，一般采用加装于进气道与发动机气动压力、温度等气动参数，用于开展进气道飞行试验，获取进气道性能，进气道出口压力畸变、温度畸变、旋流，发动机进口空气流量等重要性能指标，实现进气道与发动机相容性评估。飞行试验中，测量耙作用是直接感受进气道流场变化，其中测量耙上的探针是测量耙的关键部位，直接决定着测量耙功能，影响试飞数据测试结果的准确性[5-7]。

中国飞行试验研究院在60 余年的飞行试验历程中，围绕多型军、民用飞机进气道与发动机相容性试飞中，成功设计研制了多型进气道流场测量耙，获取了宝贵的进气道流场试飞数据，但对于低速大迎角试飞中的进气道测量处于空白，本文基于某型飞机低速大迎角试飞中进气流场的测量需求，通过若干关键技术的攻关和创新，设计了多种类型的测量耙探针形式，在风洞中开展试验研究，获取了丰富的试验数据，为进气道流场测量提供了数据支撑。

1 测量耙系统设计

根据某型机试飞的技术需求及进气道的安装形式，确定采用6 支梳状测量耙组合而成，按周向等角度（60°）均匀布置，呈“水”字形，单支耙上布置5 组测点，共有6×5=30 组测点，每个测点用于获取流场稳态总压、静压及动态总压数据。如图1 所示。为了能在同一测点同步测量稳态总压/静压、动态总压，同时提高测量耙的准确性，研制了风洞试验专用试验件，设计了5种不同类型的测量耙探针，单支耙如图2 所示，由左至右依次命名为探针1#～5#。不同探针特征参数见表1。

表1 不同探针特征参数

图1 测量耙测量截面示意图

图2 测量耙风洞试验件

探针1#为单独的皮托式探针，探针头部正对来流方向，周围布置一圈静压孔，可实现稳态总压/静压的测量。

探针2#为皮托式探针+动态压力组合探针，在皮托式探针旁增加一个动态压力探针，除了可获取稳态总压/静压，还可获得动态总压，但二者之间存在一定间距，间距10 mm，会带来稳态总压和动态总压的位置误差。

探针3#为复合探针，在一个套管内部集成了皮托式探针和动态总压，缩短了原有2 个探针间间矩，有助于减小位置误差。

探针4#同为复合探针，相比探针3#增加了伸出长度，耙壁回流对测量的影响相对较低。

探针5#与探针2#形式相同，只是2 个探针间距缩小，间距6 mm，用于降低动态总压和稳态总压的位置误差，但是迎角较大的工况下可能会对气流有阻挡，影响测量精度。

2 风洞试验方案

本次试验对象为新研制的复合探针多模式总压畸变测量耙，试验采用半弯刀尾撑，角度范围为迎角α=-30～40°，侧滑角β=0～20°，试验风速为34 m/s（马赫数M=0.10）、68 m/s（马赫数M=0.20）和85 m/s（马赫数M=0.25）。调整来流风速，测量耙安装迎角和侧滑角的定义示意图如图3、图4所示。分别在M=0.10、0.20、0.25按照图5所示的测量耙迎角和侧滑角标定网格图依次进行试验，通过风洞校准试验获得测量耙耙体各测量点稳态总压的角度特性（稳态总压、静压、动态压损失系数随来流迎角、侧滑角的变化特性）、速度特性（稳态总压、动态压力损失系数随来流马赫数的变化特性）。图6为测量耙在风洞中的示意图。

图3 测量耙迎角定义

图4 测量耙侧滑角定义

图5 测量耙迎角和侧滑角网格图

图6 测量耙在风洞中示意图

3 试验结果与分析

定义δ 为压力损失系数，表征探针的压力损失特性，即测量耙探针所测得总压与风洞所测得标准总压比值。

3.1 稳态总压角度特性试验结果分析

图7—图11 为1#～5#探针稳态总压迎角特性变化曲线示意图。由图7—图11 可以看出迎角对总压损失的影响较为明显，迎角为0°时的总压损失最小，随着迎角的绝对值增大，总压损失逐步增大，且变化趋势越来越明显，基本呈抛物线型；相同侧滑角下，正迎角（耙体上仰）下的总压损失相对负迎角（耙体下倾）会更大一些，这是由于耙体上仰导致耙体本身对气流的阻碍作用较大，气流流过的损失加剧。随着侧滑角增大，总压损失也在增大，这是由于大侧滑角下气流流经探针边缘会产生较为明显的流动分离，导致流经探针的总压损失增大。

图7 1#探针稳态总压损失随姿态角变化（M=0.2）

图8 2#探针稳态总压损失随姿态角变化（M=0.2）

图9 3#探针稳态总压损失随姿态角变化（M=0.2）

图10 4#探针稳态总压损失随姿态角变化（M=0.2）

图11 5#探针稳态总压损失随姿态角变化（M=0.2）

3.2 稳态总压速度特性试验结果分析

图12—图16 为1#～5#探针不同马赫数和迎角下的总压损失特性曲线。由图12—图16 可以看出，马赫数对总压损失影响相对较小，曲线整体趋于平缓，在大迎角下，随着马赫数增大损失逐渐增大。这是由于随着来流马赫数增大，探针处的流动分离更加剧烈，导致压力损失增大。

图12 1#探针稳态总压损失随马赫数变化（β=0°）

图13 2#探针稳态总压损失随马赫数变化（β=0°）

图14 3#探针稳态总压损失随马赫数变化（β=0°）

图15 4#探针稳态总压损失随马赫数变化（β=0°）

图16 5#探针稳态总压损失随马赫数变化（β=0°）

3.3 稳态总压不同探针特性试验结果分析

图17—图19 为1#～5#探针不同迎角和侧滑角下的总压损失特性曲线。由图17—图19 可以看出，随着迎角和侧滑角的变化，不同探针间的总压损失变化趋势基本一致，大侧滑角下不同探针间的总压损失差值愈来愈明显。整体来看，3#和4#探针角度特性曲线相比其他探针来说趋势更为平缓，这是由于套管的存在，对于气流有一定的整流作用，也就是说3#和4#探针对于气流角度的敏感程度较低，更适合在较大角度范围内进行流场测量。

图17 不同探针稳态总压迎角特性变化（β=0°）

图18 不同探针稳态总压迎角特性变化（β=10°）

图19 不同探针稳态总压迎角特性变化（β=20°）

4 结论

1）稳态总压随迎角和侧滑角的增大，总压损失逐渐增大，且变化趋势愈来愈明显，正迎角下比负迎角更为明显。

2）马赫数变化对稳态总压的压力损失影响较小，风速对不同探针的影响较为线性，趋势线较好。

3）复合探针对于气流角度的敏感程度较低，更适合在较大角度范围内进行测量。