砂纸冰对民机平尾气动特性的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28657

流体力学与飞行力学

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砂纸冰对民机平尾气动特性的影响

李海星(), 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良

中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210

收稿日期:2023-03-07 修回日期:2023-04-10 接受日期:2023-04-26 出版日期:2024-01-25 发布日期:2023-05-06
通讯作者: 李海星 E-mail:lihaixing@comac.cc
基金资助:
国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项(2020YFA0712000)

Effects of roughness ice on aerodynamic performance of civil aircraft horizontal tail

Haixing LI(), Feng ZHOU, Wei YAN, Feng BAI, Keliang ZHAO

Shanghai Aircraft Design and Research Institute，COMAC，Shanghai 201210，China

Received:2023-03-07 Revised:2023-04-10 Accepted:2023-04-26 Online:2024-01-25 Published:2023-05-06
Contact: Haixing LI E-mail:lihaixing@comac.cc
Supported by:
Key Special Project of the National Key R & D Program of the Ministry of Since and Technology of China on “Key Scientific Issues in Transformative Technologies”(2020YFA0712000)

摘要/Abstract

摘要：

平尾结冰严重影响飞机的纵向操纵性及稳定性。为研究结砂纸冰对平尾气动特性的影响，采用基于某民机平尾设计的大、小模型，在低速增压风洞中开展了带砂纸冰的测力试验，分析了砂纸冰粗糙度、雷诺数、角冰粗糙度对带冰平尾气动特性的影响规律，同时总结了砂纸冰的缩比方法。结果表明：砂纸冰粗糙度增加会导致平尾气动特性逐步恶化，在飞行雷诺数条件下，当冰型粗糙度相对高度为 $0.2 × 10 - 3$ ~ $0.6 × 10 - 3$ 时，相比于无冰条件，最大升力系数降低0.3~0.4；雷诺数对带砂纸冰平尾气动特性的影响超过对带角冰平尾的影响，但远小于对干净平尾的影响，当带砂纸冰平尾雷诺数由 $3.29 × 106$ 提高至 $13.1 × 106$ 后，其最大升力系数提高0.02~0.04；角冰表面粗糙度的变化对平尾气动特性的影响较小，由粗糙度带来的升力损失远小于角冰本身所带来的影响；当砂纸冰高度远超过当地边界层厚度时，风洞试验可根据模型比例对砂纸冰粗糙度进行几何缩比，而当砂纸颗粒较小时，采用几何缩比方式获得的砂纸冰对平尾气动力影响相对较小。提出了基于边界层厚度的砂纸冰粗糙度缩比方法，该方法的适用性还需要进一步验证。

关键词: 砂纸冰, 平尾, 风洞试验, 气动特性, 粗糙度, 雷诺数, 边界层

Abstract:

Icing on the horizontal tail seriously affects the longitudinal controllability and stability of aircraft. To study the effect of roughness ice on the aerodynamic performance of the horizontal tail， we conduct a force test in a low-speed pressured wind tunnel using two horizontal tail models designed based on a civil aircraft horizontal tail， analyze the effect laws of the ice roughness， the horizontal tail Reynold number and the horn ice roughness on the horizontal tail aerodynamic performance， and summarize the scaling method of the roughness ice used in the wind tunnel. The results show that increase in ice roughness will gradually reduce the horizontal tail aerodynamic performance， and the maximal lift coefficient will decrease by 0.3-0.4 with the ice roughness relative height within 0.2×10^-3 to 0.6×10^-3 under flight Reynolds number compared to the clean tail； the influence of Reynolds number on the horizontal tail aerodynamic performance with roughness exceeds that on the horizontal tail with horn ice， though is much smaller than that on the clean horizontal tail， and the maximal lift coefficient will increase by approximately 0.02-0.04 when the Reynolds number of the horizontal tail with roughness ice increases from 3.29×10⁶ to 13.1×10⁶； the change in the surface roughness of the horn ice has less influence on the aerodynamic performance of the horizontal tail， and the lift loss caused by the roughness is much smaller than that brought by the horn ice itself； when the height of roughness ice significantly exceeds the thickness of the local boundary layer， the roughness ice could be directly scaled according to the geometric scaling of the model， and when the height of roughness ice is smaller than the thickness of the local boundary layer， the influence of roughness ice obtained through geometric scaling on the horizontal tail is relatively small. The roughness ice scaling method based on the boundary layer thickness is proposed， and the applicability of this method needs further verification.

Key words: roughness ice, horizontal tail, wind tunnel test, aerodynamic performance, roughness, Reynolds number, boundary layer

中图分类号:

V211.74

李海星, 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良. 砂纸冰对民机平尾气动特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128657.

Haixing LI, Feng ZHOU, Wei YAN, Feng BAI, Keliang ZHAO. Effects of roughness ice on aerodynamic performance of civil aircraft horizontal tail[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(2): 128657.

图/表 29

图1

表 1

表 2

图 2

图3

图4

表3

试验车次

车次	模型比例	试验雷诺数/ $106$	砂纸冰目数	备注
1	1∶4	3.29	无
2	1∶4	3.29	40#
3	1∶4	3.29	80#
4	1∶4	3.29	120#
5	1∶4	13.10	无
6	1∶4	13.10	40#
7	1∶4	13.10	80#
8	1∶4	13.10	120#
9	1∶4	6.58	80#
10	1∶4	9.87	80#
11	1∶4	3.29	无	带角冰
12	1∶4	6.58	无	带角冰
13	1∶4	9.87	无	带角冰
14	1∶4	13.10	无	带角冰
15	1∶4	3.29	40#	带角冰
16	1∶4	3.29	80#	带角冰
17	1∶4	3.29	无	丝线
18	1∶4	3.29	无	带角冰+丝线
19	1∶11	1.20	无
20	1∶11	1.20	80#
21	1∶11	2.40	80#
22	1∶11	3.29	无
23	1∶11	3.29	80#
24	1∶11	3.29	100#
25	1∶11	3.29	240#
26	1∶11	3.29	320#

表3

表4

不同试验条件下天平测量精度

模型比例	Re/ $106$	$Δ L$ /N	$Δ M$ /（N·m）	$Δ C L$	$Δ C m$
1∶4	13.10	20.00	8.80	0.001 6	0.001 0
1∶4	9.87	20.00	8.80	0.002 1	0.001 4
1∶4	6.58	20.00	8.80	0.003 2	0.002 0
1∶4	3.29	20.00	8.80	0.006 4	0.004 1
1∶11	3.29	2.00	0.54	0.001 6	0.001 7
1∶11	2.40	2.00	0.54	0.002 4	0.002 6
1∶11	1.20	2.00	0.54	0.004 8	0.005 2

表4

图5

表5

试验重复性精度

测量项目	$σ C L$	$σ C m$
本试验重复性	0.001 1	0.000 5
国家军用标准要求^［33］	0.004 0	0.001 2

表5

图 6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

表6

图18

图 19

表7

1∶4、1∶11比例平尾无冰、带砂纸冰构型下最大升力系数、失速迎角、力矩拐点量、力矩拐点迎角差量对比

h/MAC	$Δ C L, m a x$	$α s t a l l$ /（°）	$Δ C m, m i$	$Δ α m i$ /（°）
0.614 7	-0.012 6	-0.74	0.005 5	-0.84
0.260 5	-0.022 8	-0.67	0.015 3	-2.87
0.181 5	-0.022 6	-0.74	0.016 6	-5.52
0.001 2	0.015 9	0.35	-0.002 1	0.40

表7

图20

图21

图22

参考文献 36

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

天平六分量	设计载荷	测量精度/% F.S.	模型六分量
Y/N	12 000	0.05	侧向力
X/N	10 000	0.05	阻力
Z/N	40 000	0.05	升力
M_y /（N·m）	8 000	0.11	俯仰力矩
M_x /（N·m）	40 000	0.03	滚转力矩
M_z /（N·m）	8 000	0.11	偏航力矩

天平六分量	设计载荷	测量精度/% F.S.	模型六分量
Y/N	8 000	0.04	侧向力
X/N	2 000	0.09	阻力
Z/N	5 000	0.04	升力
M_y /（N·m）	600	0.09	俯仰力矩
M_x /（N·m）	700	0.10	滚转力矩
M_z /（N·m）	1 200	0.03	偏航力矩

1∶4比例模型砂纸颗粒目数	1∶11比例模型砂纸颗粒目数	模型缩比值	颗粒缩比值
40#	100#	2.75	2.80
80#	240#	2.75	3.02
120#	320#	2.75	2.82
40#	80#	2.75	2.36

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砂纸冰对民机平尾气动特性的影响

Effects of roughness ice on aerodynamic performance of civil aircraft horizontal tail

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