郭佳男

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

隨著軍用飛機的高機動性、高速性、隱身性能的要求，對于進氣道與發(fā)動機之間的匹配性要求也越來越高。進氣道與發(fā)動機的相容性是指在飛行包線范圍內，飛行員進行任何允許的操縱時，進氣道能夠提供滿足要求的出口流場和流量，發(fā)動機均能在要求的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。飛機的任何機動和油門操縱的組合應使進氣道和發(fā)動機各部件在其使用限制以內，特別要保證進氣道和壓氣機的穩(wěn)定裕量，以避免進氣道和發(fā)動機發(fā)生不穩(wěn)定工作或喘振[1-4]。

進氣道與發(fā)動機相容性是飛行試驗中非常重要的考核內容，重點關注進氣道提供的流場能否滿足發(fā)動機的需求。當前型號試飛中，一般采用加裝于進氣道與發(fā)動機氣動壓力、溫度等氣動參數(shù)，用于開展進氣道飛行試驗，獲取進氣道性能，進氣道出口壓力畸變、溫度畸變、旋流，發(fā)動機進口空氣流量等重要性能指標，實現(xiàn)進氣道與發(fā)動機相容性評估。飛行試驗中，測量耙作用是直接感受進氣道流場變化，其中測量耙上的探針是測量耙的關鍵部位，直接決定著測量耙功能，影響試飛數(shù)據(jù)測試結果的準確性[5-7]。

中國飛行試驗研究院在60 余年的飛行試驗歷程中，圍繞多型軍、民用飛機進氣道與發(fā)動機相容性試飛中，成功設計研制了多型進氣道流場測量耙，獲取了寶貴的進氣道流場試飛數(shù)據(jù)，但對于低速大迎角試飛中的進氣道測量處于空白，本文基于某型飛機低速大迎角試飛中進氣流場的測量需求，通過若干關鍵技術的攻關和創(chuàng)新，設計了多種類型的測量耙探針形式，在風洞中開展試驗研究，獲取了豐富的試驗數(shù)據(jù)，為進氣道流場測量提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 測量耙系統(tǒng)設計

根據(jù)某型機試飛的技術需求及進氣道的安裝形式，確定采用6 支梳狀測量耙組合而成，按周向等角度（60°）均勻布置，呈“水”字形，單支耙上布置5 組測點，共有6×5=30 組測點，每個測點用于獲取流場穩(wěn)態(tài)總壓、靜壓及動態(tài)總壓數(shù)據(jù)。如圖1 所示。為了能在同一測點同步測量穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓、動態(tài)總壓，同時提高測量耙的準確性，研制了風洞試驗專用試驗件，設計了5種不同類型的測量耙探針，單支耙如圖2 所示，由左至右依次命名為探針1#～5#。不同探針特征參數(shù)見表1。

表1 不同探針特征參數(shù)

圖1 測量耙測量截面示意圖

圖2 測量耙風洞試驗件

探針1#為單獨的皮托式探針，探針頭部正對來流方向，周圍布置一圈靜壓孔，可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓的測量。

探針2#為皮托式探針+動態(tài)壓力組合探針，在皮托式探針旁增加一個動態(tài)壓力探針，除了可獲取穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓，還可獲得動態(tài)總壓，但二者之間存在一定間距，間距10 mm，會帶來穩(wěn)態(tài)總壓和動態(tài)總壓的位置誤差。

探針3#為復合探針，在一個套管內部集成了皮托式探針和動態(tài)總壓，縮短了原有2 個探針間間矩，有助于減小位置誤差。

探針4#同為復合探針，相比探針3#增加了伸出長度，耙壁回流對測量的影響相對較低。

探針5#與探針2#形式相同，只是2 個探針間距縮小，間距6 mm，用于降低動態(tài)總壓和穩(wěn)態(tài)總壓的位置誤差，但是迎角較大的工況下可能會對氣流有阻擋，影響測量精度。

2 風洞試驗方案

本次試驗對象為新研制的復合探針多模式總壓畸變測量耙，試驗采用半彎刀尾撐，角度范圍為迎角α=-30～40°，側滑角β=0～20°，試驗風速為34 m/s（馬赫數(shù)M=0.10）、68 m/s（馬赫數(shù)M=0.20）和85 m/s（馬赫數(shù)M=0.25）。調整來流風速，測量耙安裝迎角和側滑角的定義示意圖如圖3、圖4所示。分別在M=0.10、0.20、0.25按照圖5所示的測量耙迎角和側滑角標定網(wǎng)格圖依次進行試驗，通過風洞校準試驗獲得測量耙耙體各測量點穩(wěn)態(tài)總壓的角度特性（穩(wěn)態(tài)總壓、靜壓、動態(tài)壓損失系數(shù)隨來流迎角、側滑角的變化特性）、速度特性（穩(wěn)態(tài)總壓、動態(tài)壓力損失系數(shù)隨來流馬赫數(shù)的變化特性）。圖6為測量耙在風洞中的示意圖。

圖3 測量耙迎角定義

圖4 測量耙側滑角定義

圖5 測量耙迎角和側滑角網(wǎng)格圖

圖6 測量耙在風洞中示意圖

3 試驗結果與分析

定義δ 為壓力損失系數(shù)，表征探針的壓力損失特性，即測量耙探針所測得總壓與風洞所測得標準總壓比值。

3.1 穩(wěn)態(tài)總壓角度特性試驗結果分析

圖7—圖11 為1#～5#探針穩(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化曲線示意圖。由圖7—圖11 可以看出迎角對總壓損失的影響較為明顯，迎角為0°時的總壓損失最小，隨著迎角的絕對值增大，總壓損失逐步增大，且變化趨勢越來越明顯，基本呈拋物線型；相同側滑角下，正迎角（耙體上仰）下的總壓損失相對負迎角（耙體下傾）會更大一些，這是由于耙體上仰導致耙體本身對氣流的阻礙作用較大，氣流流過的損失加劇。隨著側滑角增大，總壓損失也在增大，這是由于大側滑角下氣流流經(jīng)探針邊緣會產(chǎn)生較為明顯的流動分離，導致流經(jīng)探針的總壓損失增大。

圖7 1#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖8 2#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖9 3#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖10 4#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖11 5#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

3.2 穩(wěn)態(tài)總壓速度特性試驗結果分析

圖12—圖16 為1#～5#探針不同馬赫數(shù)和迎角下的總壓損失特性曲線。由圖12—圖16 可以看出，馬赫數(shù)對總壓損失影響相對較小，曲線整體趨于平緩，在大迎角下，隨著馬赫數(shù)增大損失逐漸增大。這是由于隨著來流馬赫數(shù)增大，探針處的流動分離更加劇烈，導致壓力損失增大。

圖12 1#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖13 2#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖14 3#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖15 4#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖16 5#探針穩(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

3.3 穩(wěn)態(tài)總壓不同探針特性試驗結果分析

圖17—圖19 為1#～5#探針不同迎角和側滑角下的總壓損失特性曲線。由圖17—圖19 可以看出，隨著迎角和側滑角的變化，不同探針間的總壓損失變化趨勢基本一致，大側滑角下不同探針間的總壓損失差值愈來愈明顯。整體來看，3#和4#探針角度特性曲線相比其他探針來說趨勢更為平緩，這是由于套管的存在，對于氣流有一定的整流作用，也就是說3#和4#探針對于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內進行流場測量。

圖17 不同探針穩(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=0°）

圖18 不同探針穩(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=10°）

圖19 不同探針穩(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=20°）

4 結論

1）穩(wěn)態(tài)總壓隨迎角和側滑角的增大，總壓損失逐漸增大，且變化趨勢愈來愈明顯，正迎角下比負迎角更為明顯。

2）馬赫數(shù)變化對穩(wěn)態(tài)總壓的壓力損失影響較小，風速對不同探針的影響較為線性，趨勢線較好。

3）復合探針對于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內進行測量。