98直升机旋翼结冰问题研究综述-欧阳龙春.doc

第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机旋翼结冰问题研究综述欧阳龙春 余衰炎 周君贺 朱 坤（中国人民解放军61902部队装备处, 宜宾 644000）摘 要：直升机旋翼结冰问题主要研究结冰对桨叶气动特性和直升机飞行性能的影响规律，对直升机在执行任务期间遭遇云层结冰时的飞行安全预测或危险预警有重要技术指导意义。根据直升机旋翼结冰研究现状，概述旋翼结冰机理和影响因素，重点分析旋翼结冰的研究方法，讨论旋翼结冰后的直升机飞行动力学问题，供相关研究人员参考。关键词：直升机；旋翼结冰；飞行动力学；结冰实验；飞行性能0 引言直升机飞行高度多处于6000m以下，在此高度范围内，经常会遇到雨雪冰霜等恶劣天气，当大气中的液态水含量较高时，会使直升机在执行任务期间遭遇云层结冰的危险。其中，旋翼部件的结冰主要引起桨叶气动特性的变化（降低桨叶翼型升力系数，并使桨叶翼型阻力系数增大），从而降低直升机的飞行性能，使飞行品质等级下降，严重威胁飞行安全。而旋翼结冰问题的研究可为结冰条件下的直升机飞行安全提供一定的技术指导，是直升机飞行安全研究的重要内容之一。早期的旋翼结冰研究主要从翼型结冰问题出发，基于对固定翼飞机和螺旋桨飞行器结冰研究经验的理解，进一步研究旋翼结冰问题以及结冰后的直升机飞行动力学问题。本文根据直升机旋翼结冰的研究历史和现状，概述旋翼结冰机理和影响因素，分析旋翼结冰问题的研究方法，讨论结冰后的直升机飞行动力学问题。1 旋翼结冰概述1.1 旋翼结冰机理结冰是指物体表面某些部位积聚冰层的现象。对于旋翼结冰来说，通常是直升机在飞行过程中，当环境温度低于0，相对湿度大于100%时，大气中温度低于0的过冷水滴由于自身的不稳定性而在桨叶表面局部温度低于0时与桨叶表面碰撞冻结并逐渐积聚形成。按照结冰环境温度的高低与冻结过程的快慢，可以将桨叶表面积冰的冰形大致分为霜冰（Rime ice）、明冰（Glaze ice）及混合冰（Mixed ice），如图1所示。霜冰是由大量颗粒状冰晶组成的粗糙且不透明的积冰。通常直升机在环境温度为-20左右或更低的条件下飞行时，极有可能遭遇此种类型的积冰。明冰是一种光滑透明、结构致密的积冰，通常直升机在环境温度为-10左右的条件下飞行时，极有可能遭遇此种类型的积冰。明冰还可以分为楔形冰（Beak ice）和槽形冰（Double-horned ice）等。混合冰是霜冰和明冰的混合体，其表面粗糙、不透明、色泽类似白瓷且冻结较为牢固，通常在-10至-20的云层中飞行时极有可能会遭遇此种类型的积冰。混合冰兼有大、小水滴冻结的特征，有时还会夹杂冰晶一起冻结，形成粗糙、不透明的牢固积冰，因而对旋翼桨叶气动性能的破坏较为严重，且不易清除，对直升机飞行安全危害较大。实际上，由于桨叶来流速度由桨根至桨尖逐渐增大，桨叶表面局部温度逐渐增高，桨叶表面积冰的冰形沿径向也有变化。冰风洞实验研究显示，在一定的结冰环境下，沿桨叶根部至桨尖，桨叶表面积冰冰形由霜冰变化至混合冰，最后过渡至明冰。这是直升机旋翼结冰与固定翼飞行器结冰的显著区别之一。此外，由于旋翼旋转对桨叶表面积冰产生离心力作用，当离心力大于附着积冰与桨叶表面之间的粘附力时，桨叶表面部分积冰发生脱落。这一现象也使得旋翼结冰进一步区别于固定翼飞行器的结冰。图1 典型冰形示意图1.2 旋翼结冰的影响因素旋翼结冰机理和飞行实践表明，影响旋翼结冰的因素主要有：环境温度、液态水含量、水滴直径、结冰时间、飞行状态以及云层条件等。根据资料统计，直升机在0至-30的环境温度范围内，都有积冰的可能。云层中的液态水含量指单位体积的云体中所含液态水的质量，是影响积冰的重要参数之一。一般来说，液态水含量越高，则在一定时间内撞击在桨叶表面上的水量越多，积冰越严重。它与云层的形成和发展条件有关，随环境温度的变化很大。不同形式的云层，甚至同一云层中的不同位置，它们也有较大的变化。水滴直径表示云层中水滴的大小。一般采用平均有效直径作为研究依据。它是指由每种尺寸的水滴构成的各种液态水含量中，具有最大水含量所对应的那个水滴直径。由于水滴直径的大小决定了其惯性和所受气动力的大小，从而决定了水滴在流场中的运动轨迹和在桨叶表面的撞击特性，因此水滴直径主要影响水滴撞击特性和桨叶结冰区域的大小。一般来说，直升机在飞行中旋翼结冰的时间越长，桨叶表面的结冰量越多，对飞行的影响越严重。然而，由于旋翼旋转对附着冰产生的离心力作用，结冰时间过长，还可能会使桨叶附着冰层发生脱落，从而能够从某种程度上减缓飞行性能下降的趋势。但是这种减缓并不能阻止飞行性能的下降，而且脱落的冰层可能会打坏直升机的其他结构部件，严重时甚至对直升机飞行安全造成严重的影响。影响旋翼结冰的飞行状态主要包括直升机的飞行高度、飞行速度和飞行姿态。由于旋翼结冰与大气中的液态水含量有很大关系，而水蒸气主要分布在6000米以下的大气中，所以旋翼结冰大多数发生在这个高度范围内。大气中水蒸气含量在地面处最高，随高度的增加而迅速下降，在2000米高度时，已降到不足地面的一半。飞行速度和飞行姿态影响旋翼的流场，从而影响过冷水滴的运动轨迹，进而对旋翼结冰造成影响。云层条件主要包括云层范围和云层类型。云层范围指云的水平长度和垂直厚度。云层范围越大，则直升机在云中飞行的时间越长，桨叶表面积冰越多。一般可把云层分为层云类和积云类。层云离地高度常在2000米以下，云体呈灰色或灰白色，似雾，主要由直径为5至30微米的过冷水滴组成，厚度一般在400至500米之间。积云离地高度一般在600至2000米，其云底基本为水平状，顶部为圆弧状，外型类似棉花糖，主要由大尺度的过冷水滴组成，有时还可伴有冰晶的存在。可见，不同类型的云层所含的液态水含量、水滴直径以及环境温度均不同。因而，云层条件也是影响直升机旋翼结冰的重要气象条件。目前，欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency）已将云层条件已载入直升机适航标准，美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration）已开始展开结冰飞行的研究，我国民用航空总局也将云层条件载入了适航标准。2 旋翼结冰研究方法纵观旋翼结冰的研究历史与现状，对直升机旋翼桨叶结冰的研究，主要是通过三种途径进行，即实验研究、数值模拟研究和经验工程算法研究。2.1 实验研究结冰实验研究主要在冰风洞或人工结冰实验室环境下进行旋翼桨叶全尺寸模型或缩尺模型结冰研究。如美国Eglin空军基地的McKinley人工结冰实验室（MCL）（图2）和NASA Lewis研究中心的结冰研究风洞（IRT）、加拿大NRC的冰塔与美国军用直升机的冰雾喷射系统（Helicopter Icing Spray System, HISS）（图3）等都是用来研究直升机结冰的设备。直升机旋翼桨叶结冰实验主要研究环境温度、液态水含量、平均水滴直径的变化对桨叶气动特性的影响。虽然研究仅限于旋翼桨叶二维翼型的结冰研究，但由于它能够获得较为准确的结冰测试结果，并能够用来进一步研究结冰对直升机旋翼空气动力学特性以及直升机飞行动力学特性的影响，因而早期的直升机结冰的实验研究对预防直升机结冰和直升机防冰装置的设计起着至关重要的作用，同时也为日后的结冰经验工程算法的研究奠定了基础。图2 人工结冰实验室（MCL）图3 美国军用直升机的冰雾喷射系统（HISS）然而，结冰实验研究结果虽然最为接近实际飞行中的情况，但易受自然环境、结冰条件以及飞行风险的影响，且成本较大，对试验设备要求也较高，特别是环境温度与雨滴直径之间的匹配不能完全满足要求。2.2 数值模拟相对于结冰实验研究，结冰数值模拟研究方法具有投资少、模拟范围广等优点。目前已有许多发展成熟的结冰数值模拟工具，如美国NASA Lewis Research Center开发的LEWICE软件、法国ONERA开发的ONERA 2-D/3-D软件、意大利开发的IMPIN3D软件等。相关研究人员更是在结冰数值模拟上取得了一定成果。Kwon通过求解N-S方程对前缘带有模拟明冰的旋翼气动载荷特性进行了研究，并对由于前缘结冰所引起的需用扭矩损失进行了数值分析。Baruzzi阐述了积冰模拟软件FENSAP-ICE及其在直升机结冰数值模拟研究中的应用。Gent建立旋翼结冰的数学模型，但仅限于明冰冰形的预测。Britton对悬停状态下的旋翼结冰进行了CFD的数值模拟。Nischint发展了一种前飞状态下结冰后的旋翼气动分析模型，用于研究UH-60A直升机前飞状态下的旋翼结冰情况。可见，旋翼结冰的数值模拟主要基于CFD技术展开。较为常见的处理方法是，将旋翼桨盘分别沿周向和径向划分计算区域，对每个区域内桨叶微段的来流迎角与马赫数均化处理，研究旋翼桨叶在每个计算区域内的结冰情况，综合考虑所有计算区域，得到整个旋翼的结冰情况，建立旋翼结冰的CFD模型，能用来进一步研究直升机旋翼结冰后的飞行动力学问题。模型中主要采用发展较为成熟的二维翼型结冰数值模拟方法，由结冰前的飞行动力学模型计算划分区域所需翼型迎角与马赫数，通过求解每个区域的桨叶二维翼型空气流场和水滴流场，引入结冰热力学模型，计算结冰后升、阻力系数增量，然后结合结冰后飞行动力学模型，研究直升机结冰后的飞行动力学问题。图4为直升机旋翼结冰CFD数值模拟流程图。图4 直升机旋翼结冰CFD数值模拟流程图由于旋翼桨叶不同径向和周向位置的翼型来流迎角与马赫数的不同，对旋翼结冰数值模拟的复杂和繁琐程度远大于对固定翼飞机的结冰模拟。但是这也不失为研究直升机旋翼结冰后的飞行动力学问题提供了一种技术手段。2.3 经验工程算法结冰经验工程算法研究主要基于早期的翼型冰风洞试验数据展开，从某种程度上能得到适合于工程应用的一些研究结果，既能避免冰风洞试验的高风险和高成本，又能省去结冰数值模拟的复杂性和繁琐性。Bragg、Korkan和Flemming等在直升机旋翼结冰的工程经验算法上都有一定研究，对结冰后的直升机性能有一定分析，但仅限于旋翼结冰对旋翼拉力和功率的影响。在我国，相关研究人员发展了旋翼结冰的工程经验算法，基于数值模拟的思路建立了旋翼结冰的工程模型。图5即为所建立的工程模型对旋翼桨叶SC1095翼型和VR-7翼型进行的结冰后的升阻力系数计算与美国NRC冰风洞试验数据对比。基于结冰经验工程算法，以旋翼结冰工程模型为平台，能进一步展开结冰后的直升机飞行动力学建模研究，为旋翼结冰条件下直升机飞行性能预测开辟了一条新路。(a)(b)图5 工程模型计算结果与冰风洞试验数据的对比3 旋翼结冰后的直升机飞行动力学问题国外相关研究机构对结冰后飞机的飞行动力学问题有研究；对旋翼结冰后的桨叶气动特性以及旋翼扭矩和拉力特性有研究，建立结冰后的飞行模拟器，但在结冰对直升机具体性能指标的影响研究上做的工作相对较少。从国内的研究形势和状况来看，结冰对直升机飞行性能的影响研究刚刚开始，但在翼型结冰研究上有所建树，在翼型结冰数值模拟方面有一定突破，为直升机旋翼结冰研究奠定了基础，有利于研究结冰后的直升机飞行动力学问题。目前，相关人员基于数值模拟或经验工程算法展开结冰后翼型升阻力系数增量的计算，基于动量理论与涡流理论建立结冰后的旋翼气动模型时，以系数增量形式计入旋翼结冰对旋翼力、力矩以及旋翼挥舞模型的影响，进一步建立结冰后的飞行动力学模型，用于研究UH-60A直升机旋翼结冰后的飞行动力学特性；并研究CH-47B直升机旋翼结冰后的飞行品质，主要研究不同结冰环境对直升机姿态敏捷性、轴间耦合特性以及垂直轴操纵功效的影响；研究旋翼结冰因素对直升机飞行品质的影响规律。在研究旋翼结冰后的直升机飞行动力学问题上，目前较为有效的方法是，首先根据直升机动量理论建立旋翼诱导速度均布模型，结合旋翼气动模型，完成直升机动量理论下的初次平衡计算；然后结合直升机涡流理论，建立旋翼诱导速度非均布模型，在此基础上完成直升机最终的平衡计算，从而得到涡流理论下的旋翼非均匀诱导速度分布，并基于直升机叶素理论进一步计算旋翼桨盘各个划分区域的翼型来流迎角与马赫数。引入旋翼结冰模型，计算旋翼各个划分区域的桨叶翼型升阻力系数增量，进一步计算结冰后旋翼拉力、侧力、后向力和扭矩系数增量，得到结冰后的旋翼力和力矩系数。考虑结冰对旋翼挥舞模型的影响后，引入结冰前的动力学模型，从而建立结冰后的直升机飞行动力学模型。图6为结冰后的直升机飞行动力学模型平衡计算基本流程图。基于结冰后飞行动力学模型，完成结冰后直升机的平衡特性计算，采用线性小扰动理论计算结冰后的稳定性、操纵性导数，引入直升机小扰动线化的全耦合状态空间模型，可得到基本的结冰后直升机飞行动力学特性分析模型。图6 直升机结冰后平衡计算流程图4 结束语本文针对直升机旋翼结冰机理、影响因素、研究方法及结冰后的直升机飞行动力学问题进行了综述，应当注意：(1) 旋翼结冰问题是直升机飞行安全研究的重要内容之一。(2) 目前通过数值模拟方法研究旋翼结冰问题较为复杂和繁琐，而发展较为成熟的旋翼结冰工程模型基于翼型经验的工程算法，能够很快的得到应用。(3) 在结冰后的直升机飞行动力学问题上还需做进一步的研究，将旋翼结冰问题考虑至直升机飞行模拟器中，通过实时仿真计算研究结冰对直升机飞行性能的实时影响，为直升机防冰、除冰设计以及飞行安全作进一步的技术指导。参 考 文 献1 John, H.E., Aircraft Icing, NASA Conference Publication 2086, FAA-RD-78-109, 1978.2 Bragg, M.B., and Gregorek, G.M., An Analytical Approach to Airfoil Icing, AIAA-81-0403, 1981.3 Korkan, K.D., Dadone, L., and Shaw, R.J., Performance Degradation of Propeller Systems Due to Rime Ice Accretion, Journal of Aircraft, Vol. 21, No. 2, 1984, pp. 44-49.4 Flemming, R.J., Randall, K.B., and Thomas, H.B., Role of Wind Tunnels and Computer Codes in the Certification and Qualification of Rotorcraft for Flight in Forecast Icing, NASA-TM-106747, 1994.5 Britton, R.K., An Overview of a Model Rotor Icing Test in the NASA Lewis Icing Research Tunnel, NASA-TM-106471, 1994.6 李国知, 胡利, 张瑞民, 等. 直升机旋翼桨叶翼型积冰的数值模拟. 直升机技术, 2008, 3: 78-81.7 庄开莲, 田蓉, 程娅红. 国外直升机旋翼结冰研究概况. 第二十五届全国直升机年会论文集, 2009: 24-29.8 Cao, Y.H., Chen, K., and Sheridan, J., Flow 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