● 摘要
飞机结冰会严重影响飞机性能和操稳特性，危害飞机飞行安全。适航规章明确要求如果申请结冰条件下的飞行验证，飞机必须能在附录C确定的连续和间断的最大结冰条件下安全运行。安装人造临界冰形的干燥空气飞行实验是重要的适航符合性验证方法，能够直接检验飞机在最不利结冰条件下的飞行性能和操纵品质，但是目前飞机结冰适航审定中主要依据飞行实验和风洞实验的数据并结合专家经验来确定最终的临界冰形，缺乏有效的分析方法和理论依据。本文分析整理了飞机/发动机结冰的适航要求，探索了临界冰形预测的分析方法，并深入研究了冰形形状参数对气动特性和水滴撞击特性参数的影响，定量分析了气动特性和水滴撞击率随冰形形状变化的关系。具体研究成果包括以下四个方面：1）总结归纳了飞机结冰适航要求、符合性验证方法和临界冰形预测方法。2）定义了新的冰形形状参数。分析目前常用的三种冰形参数定义的方法，综合三种参数定义方法的优点，提出了新的冰形特征参数，推导出各种冰形定义方法之间的转换方法，用MATLAB开发了转换工具，为将不同文献来源数据统一到一起奠定了基础。3）建立了不同情况下冰形参数与关键气动参数之间的拟合关系式。通过单冰角和双头冰角气动特性的对比分析，明确了采用上冰角参数的合理性。总结分析了文献中关于NACA 0012的实验气动数据，并采用CFD数值模拟方法补充实验数据中缺少的不同攻角气动数据。综合分析文献数据和补充计算数据得到了优化后的典型气动参数与冰形参数之间的拟合关系式。4）研究了复杂结冰外形下过冷水滴撞击特性的计算方法，改进了基于拉格朗日法的水滴收集系数计算模型，并扩展考虑了过冷大水滴（SLD）撞击的计算。总结了文献中关于水滴撞击特性实验数据，分析了水滴撞击特性与冰形参数之间的关系，发现随着冰形高度和角度的增大，平均水滴收集率有变大的趋势，进一步得到了不同MVD条件下，水滴收集率与冰形组合参数之间的拟合关系式。本文研究初步探索了飞机结冰临界冰形预测中的若干关键问题，为实现临界冰形预测打下了基础。在向局方申请适航审定时可以首先在结冰包线内进行相对较少量的实验，然后运用上述理论分析方法得到气动特性和水滴撞击率随冰形形状的变化趋势，根据分析结果筛选临界冰形。