0 引言

涡桨运输机相对于涡扇运输机而言,具有经济性好、安全环保等优点,被广泛应用于支线航空运输和通航产业方面,比如法国的ATR系列、加拿大庞巴迪的冲-8、国内的新舟系列飞机等都是涡桨运输机。一般情况下,涡桨飞机与涡扇飞机的设计平台相同,制造工艺与材料选用标准相同,只是发动机的形式不同,推力产生的方式不同,因此适航标准是一致的。但是,由于涡桨飞机使用了螺旋桨作为能量输出,而滑流是螺旋桨飞机的重要特征,在此类飞机的适航验证时需考虑螺旋桨滑流的影响,这是与其他飞机适航验证的不同之处。

由于螺旋桨滑流会对飞机的气动特性产生影响,因此,在涡桨运输机的适航验证中,几乎所有与飞机飞行性能和飞行品质相关的适航条款验证时均需考虑螺旋桨滑流的影响。失速速度是飞机最小使用限制速度,也是制定飞机其它性能和飞行品质的基准参数。正是因为飞机飞行性能和飞行品质有关的多项条款中的速度和其他变量都是失速速度的函数,所以要求在开展CCAR25部中B分部的其它飞行试验前要先完成失速速度的验证,以供其它试验时使用。而从本质上而言,失速速度反映的是飞机的空气动力特性,因此,在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要。

目前,国内外针对螺旋桨滑流影响方面已经开展了较多的研究工作。国外在该方面的研究工作起步较早,研究内容也比较丰富,包括通过试验测试飞机升力面压力分部^[1]、采用基于激励盘模型的准定常方法研究滑流对升力部件的影响^[2]等,但并未开展螺旋桨滑流适航验证方面的研究工作。国内在该方面的研究工作起步较晚,研究内容也主要集中在对飞机气动特性的影响方面,包括滑流对飞机绕流的影响^[3-4],滑流的气动干扰效应^[5],数值模拟^[6]等,但也未针对螺旋桨滑流的适航验证方面开展研究工作。

本文从螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响出发,分析了考虑滑流影响的失速速度条款验证要求,提出具体的验证方法,以一型涡桨飞机风洞试验为例,进一步说明滑流对飞机失速速度的影响,为其它涡桨运输机的适航验证工作提供一定的参考。

1 滑流对飞机气动特性的影响

涡桨飞机在飞行过程中,流入螺旋桨的气流会向后加速运动,同时,又会顺着螺旋桨的旋转方向扭转流出,进而形成了截面比螺旋桨旋转面小,速度比来流大的管状气流,这就是螺旋桨滑流。

螺旋桨对的滑流强度与螺旋桨拉力之间存在一定的关系,可表示为:

式中,T表示拉力,D表示桨盘直径,q为飞机速压。很显然,随着拉力T的增大,滑流强度增大。

螺旋桨转动时产生的滑流,会一定程度对滑流范围内的飞机气动部件产生干扰,从而对飞机的气动特性产生影响。而且螺旋桨滑流强度越大,对飞机气动特性的影响也越大。滑流会引起飞机升力、阻力的变化,同时,也会改变飞机的俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。进而对飞机的失速速度、失速特性、起降性能、爬升性能、纵向静稳定性、横航向静稳定性等产生一定的影响。一般情况下,螺旋桨滑流会引起全机升力、阻力的增加,俯仰力矩特性、滚转力矩和偏航力矩特性的不稳定。

2 滑流影响的失速速度条款分析

CCAR25.103失速速度中(b)(1)条要求在失速速度试飞时:“发动机慢车,或者如果产生的推力导致失速速度明显下降,在此失速速度时不超过零推力。”^[7]此条要求开展失速速度试飞时,发动机状态为慢车状态。但如果使用慢车状态得到的失速速度相比零推力时所获得的失速速度有明显降低,则在开展失速速度试飞时发动机推力不能大于零推力。也就是说,首先必须通过一定的试验来确定慢车推力对失速速度的影响。

对于涡桨类运输机,确定慢车推力对失速速度的影响,可参照AC25-7D中的方法,在同一襟翼位置,分别在慢车推力状态和在推力近似为所选构型下以1.5V _SR保持平飞所需推力情况下,进行至少三次失速试飞^[8],将这些试验得到的失速速度外推至零推力状态,得到零推力状态下的失速速度,如果慢车状态和零推力状态下的失速速度之间的差值等于或小于0.5kn/s,则认为推力对失速速度的影响不明显,可采用慢车推力来确定失速速度。对于可变桨距的涡桨飞机,也可以在发动机慢车的状态下,通过调节桨距,分别得到正拉力系数、负拉力系数时的失速速度,再利用内插的方式,获得零拉力系数条件下的失速速度。

从这些要求和方法可以看出,验证失速速度的飞行试验都是在飞机带动力的条件下开展的。飞机在带动力失速试飞时,由于飞机飞行速度很低,为了维持飞机飞行姿态,反而需要一个相对较大的拉力,这时就会产生一定的滑流强度。

CCAR25.103(a)中要求:“基准失速速度VSR是申请人确定的校正空速。$V_{SR}$不得小于1-g失速速度。$V_{SR}$可表述为:$V_{SR}⩾\frac{V_{C{L}_{MAX}}}{\sqrt{n_{ZW}}}$。根据本条的要求,在确定$V_{SR}$时需先确定$V_{C{L}_{MAX}}$和$n_{ZW}$,即需确定出试验中达到最大升力系数$C_{L_{MAX}}$时所对应的速度和载荷。飞机在带动力条件下开展的失速试飞,飞机实际的升力来源于飞机本身不带动力的升力、螺旋桨的径向力和拉力在升力方向的分量以及螺旋桨滑流对升力的影响量^[9],如图1所示。根据上述分析,在滑流的影响下,飞机的最大升力系数必然会发生改变,进而飞机的失速迎角和失速速度也会发生改变,因此在验证飞机的失速速度时,必须考虑螺旋桨滑流的影响。

另外,在失速速度验证时,还需考虑在飞机进入失速及改出失速过程中飞机的动态响应特性需符合第CCAR25.201条和CCAR25.203条对失速特性的要求,飞机在达到失速迎角时,仍需具有足够的纵向和横航向操纵效率。

3 滑流影响的失速速度验证方法

在进行涡桨飞机失速速度验证时,需从以下方面开展验证工作:

3.1 理论计算分析

可通过CFD计算的方法,分析计算飞机带动力条件下的气动特性。计算飞机在不同构型、不同拉力系数状态下,螺旋桨滑流对飞机机翼、尾翼流场的干扰情况;计算螺旋桨滑流对升力系数、阻力系数随迎角变化的影响量;计算由于螺旋桨拉力轴线偏离飞机重心引起的俯仰力矩的影响量;计算由于螺旋桨拉力轴线偏离飞机轴线带来的滑流对偏航力矩的影响量;计算由滑流引起的飞机动压变化导致的机翼和尾翼部件的俯仰、滚转和偏航力矩的变化量。

3.2 风洞试验

实践经验表明,由于螺旋桨滑流的复杂特性,一般通过数值模拟虽然不能很好地模拟真实流态,但可以对滑流影响的趋势和流场特征提供参考。相对而言,风洞试验可以模拟真实流态并具有更高的精度。

开展螺旋桨滑流影响的风洞试验,需重点考虑以下几方面的工作:

(1)试验模型

一般使用缩比模型来完成实验,模型的缩比程度取决于飞机的尺寸、试验风洞的条件和所做试验的类型。模型设计应包括模型本身的设计和模型在风洞中安装部件的设计。由于试验中需采用舵机控制飞机各个操纵面偏转,因此在模型设计时还需预留舵机安装接口。试验模型的生产必须符合模型设计文件的要求,试验模型需经制造符合性检查以确认符合模型设计要求。

(2)试验数据的获取方法

考虑螺旋桨滑流影响的风洞试验必须在飞机带动力条件下开展。由于螺旋桨对气动力的影响分为直接影响(螺旋桨拉力和径向力的影响)和间接影响(滑流影响)。试验时,通过测得的全机天平数据、旋转轴天平数据和扣除旋转轴天平后的全机数据,可分别得到全机带动力的气动数据、螺旋桨直接力影响的数据和纯滑流影响的数据^[10]。

(3)试验的动力模拟装置

试验动力模拟装置需根据试验所需发动机的工作状态和模型的缩比程度来选择。发动机的整个拉力系数和试验测量用的旋转轴天平需考虑与试验飞机模型的发动机部分相匹配。

(4)试验状态

试验状态需覆盖发动机的工作状态范围,需包含飞机的各种使用构型,考虑不同的飞行速度,以及飞机的整个迎角和侧滑角范围。

考虑滑流对飞机失速速度的影响时,需关注风洞试验时低风速、不同高度、发动机慢车状态对应的试验点的数据。

(5)其它的试验关注点

为了能更好、更高效地完成试验,可结合计算分析的情况对试验数据进行分析确认,确保试验数据准确有效。

3.3 飞行试验

不管是分析计算、还是风洞试验,都不能完全反映飞机的真实状态,尤其是飞机带动力时的真实状态,还需通过飞行试验对风洞试验获得的气动数据进行修正。一般通过极曲线试飞的形式获得飞机带动力时的极曲线,用于对飞机带动力的风洞试验数据进行修正。一般情况下,涡桨飞机极曲线试飞数据都是采用稳定爬升、稳定平飞以及稳定下滑的方式获取,这时候飞机的迎角都较小。通过开展失速速度的飞行试验,除了验证飞机的失速速度外,还可为飞机在大迎角状态下的气动数据修正提供数据。

由于螺旋桨滑流强度随着螺旋桨拉力的变化而变化,而同一发动机状态下,螺旋桨产生的拉力随着飞机飞行速度和高度会发生改变,滑流强度也会随着发生改变。因此,在试飞时需考虑高度和速度的影响。由于在失速速度的飞行试验时已考虑了高度和速度因素,因此,并不需针对螺旋桨滑流规划单独的试验,按常规的失速速度试飞的试验规划即可获取相关数据。

4 风洞试验举例

以某型涡桨运输机为例,考虑滑流对气动特性的影响,该机开展了带动力的风洞试验。

试验采用缩比模型飞机,由机身、翼身整流、机翼(包括可偏转副翼、可偏转扰流板、可偏转襟翼)、垂尾(包括可偏转方向舵)、平尾(包括可偏转升降舵)、短舱(包括螺旋桨和桨叶调整结构)以及起落架(包括前起落架和后起落架)组成。

通过带动力的试验得出了该型飞机在不同构型下对应不同拉力系数时的风洞试验结果。针对失速速度试飞时发动机慢车状态,根据其对应的拉力系数范围,本文以巡航构型为例,给出了考虑滑流影响的纵向气动特性试验结果,并将试验结果与不考虑滑流影响的纵向气动特性结果进行了比较(见图2~图6)。在图2~图6中:C _L为升力系数,C _D为阻力系数,α为飞机迎角,c _m俯仰力矩系数,C _l滚转力矩系数,C _n偏航力矩系数。

由图2~图6可以看出,滑流对飞机的纵向气动特性会产生一定的影响。飞机在巡航构型、发动机慢车状态下,螺旋桨滑流增大了飞机的升力线斜率和最大升力系数,进而增大了飞机的失速迎角。因此,考虑螺旋桨滑流的影响可以进一步提升飞机的低速性能。

但是,滑流的影响使飞机俯仰力矩系数减小,纵向静稳定性下降,增大了飞机的阻力系数,同时也使飞机在纵向上产生了一定的横航向分量,存在一定的滚转力矩和偏航力矩,使飞机的航向稳定性和横向稳定性有所降低,对飞机的纵向和横航向操纵也产生了影响。这些结果为失速试飞提供了很好的参考,提高了试飞的安全性。

由此可见,即使是在失速速度试飞对应的发动机慢车状态,滑流对飞机气动特性的影响也是显而易见的,在发动机更大功率状态时滑流对飞机气动特性的影响将更加显著。

5 结论

本文根据适航条款的要求,考虑了涡桨飞机螺旋桨会产生滑流的特点,从适航验证的角度分析说明了涡桨运输类飞机开展失速速度验证的思路方法,并重点以风洞试验为例,说明了开展失速速度验证时的典型发动机工作状态条件下,螺旋桨滑流对飞机失速速度的影响,进而表明在开展失速速度验证时考虑螺旋桨滑流的必要性。本文的方法可为涡桨运输类飞机的失速速度以及飞行性能和飞行品质相关的其它适航条款的验证提供一定的参考。

参考文献