迎角传感器安装定位数值计算研究

陈永和 1

摘要：采用CFD数值计算方法，对尖锥形机头飞机的风标式迎角传感器安装定位进行数值计算，获得机头不同位置的局部迎角，并进行侧滑角敏感性分析，为迎角传感器安装定位提供参考依据。

关键词：CFD；局部迎角；侧滑角；迎角传感器；安装位置

0 引言

迎角传感器是飞机大气数据系统中重要的传感器之一，为飞控、航电等系统提供迎角数据。若迎角传感器不能提供准确、可靠的数据，不仅影响飞行品质，甚至影响飞行安全。而它的测量精准度与安装位置息息相关，因此开展迎角传感器安装定位的研究是十分必要的。

文献[1]通过简化的理论方法对旋成体模型表面的速度场进行分析研究，文献[2]和[3]通过CFD方法开展了民用飞机迎角传感器的安装定位研究。迎角传感器一般有探针式、压差式和风标式三种。本文主要以风标式为研究对象。通过风标获得当地迎角信息，并通过当地迎角与来流迎角的校准关系曲线，解算来流迎角。在《攻角和侧滑角系统的安装》（HB6763-1993）中，对迎角传感器的安装位置有明确要求：应安装在飞机迎角、侧滑角和M数工作范围内均不受飞机局部紊流影响的位置上。即应安装在受侧滑角影响最小的位置上。在任何情况下，每5°侧滑角引起的指示迎角的偏差（统计值）不超过该构型下失速迎角的3.3%。

本文采用CFD计算方法，对尖锥形机头的飞机进行数值计算，分析侧滑角对机头局部迎角的影响，获得受侧滑角影响较小的区域，为风标式迎角传感器安装位置的选取提供参考依据。

1 计算说明

1.1计算模型

计算模型为机头为尖锥形的全机模型。采用非结构网格，体网格由T-grid软件生成。为了提高对机头附近流场的计算精度，在机头附近的空间网格进行了网格加密处理，全机体网格数约为1500万。

图1 计算网格

1.2计算软件

计算采用CFX软件，湍流模型选择SST模型。计算工况：马赫数M=0.2，高度H=0km，迎角α=0°、8°，侧滑角β=0°、4°、8°、12°。

1.3表征数据

为了表征机头不同位置的当地迎角，取距离物面向外偏移30mm的曲面上的数据作为表征迎角传感器局部特征数据。

2 计算结果与分析

2.1 侧滑角敏感性分析

截取距离头部X=1.6m处横截面，以机头最高点与最低点连线的中点为圆心，10°一间隔将机头横截面左半部分成19个点，定义机头最高点的为φ=0°，最低点为φ=180°，如图2所示。

图4给出了不同影响下，侧滑角对机头各点的当地迎角的影响量Δα_loc（Δα_loc,β1=α_loc,β1-α_loc,β=0），可以看出：机头的最高、最低点以及φ=90°三个位置的当地迎角随侧滑角的影响较小，对于风标式迎角传感器来说φ=90°处是较为合适的安装位置。

图2 周向各点的角度示意图

图3 侧滑角对周向各点的当地迎角的影响曲线

2.2 迎角校准分析

根据上节得出了侧滑角不敏感区域分布的结论，在机头左侧滑角不敏感区域内进行迎角校准分析。

取沿机头轴向距离机头分别为0.4m、0.8m、1.2m、1.6m处截面，定义为截面1~截面4，每个截面与机头左侧侧滑角影响为零的线（Δα_loc=0°）的交点分别定义为M1~M4，各点再向上、向下偏移该处机头当量直径的5%，得到上、下各4各点，分别定义U1~U4、L1~L4，各点位置如图4所示。

图4 不同截面上迎角校准点示意图

图5给出了4组12个点的迎角校准曲线，为了便于比较，截面2、3、4上的各点的校准曲线分别向上平移10°、20°和30°。

从图中可以看出：

不同截面上的中间点（M1~M4）迎角校准曲线的斜率基本相当。对于同一截面，上点与中间点的斜率差异比下点与中间点的差异要略小，各截面均有类似差异说明这与机头局部外形差异有关；

截面1上各点校准曲线的截距存在一定差异，随着截面后移，截距的差异逐渐减小。对比截面3和截面4相应各点的校准曲线，其斜率和截距基本相当，说明从截面3之后的流场变化比较缓和，同时考虑到侧滑角不敏感区较宽，因此较为适合迎角传感器的安装。

图5 迎角校准曲线

3 结论

通过CFD数值计算方法，对尖锥形机头飞机的风标式迎角传感器安装定位进行数值计算分析，得出以下结论：

（1）对机头进行侧滑角敏感性分析，得到机头不敏感区域。

（2）对侧滑角不敏感区域特征点进行迎角校准分析，随着距机头距离增加，特征点的迎角校准曲线的斜率和截距变化缓和，有利于迎角传感器安装。

参 考 文 献

[1] 汤黄华. 攻角传感器的安装与校准[J]. 洪都科技，1994，（02）：1-7.

[2] 赵克良,周峰,等. 民用飞机攻角传感器安装定位研究[J] 空气动力学学报,2015,33(3):420-426.

[3] 杨士普,孙一峰,方阳,杨慧. 民用飞机迎角传感器布局气动分析[J] 空气动力学学报,2019,37(2):242-245.