全静压探头冰风洞试验要求分析

大气数据系统是现代飞机的重要机载设备,其性能直接关系到飞行操纵和安全等整机性能。

全静压探头(俗称空速管)是大气数据系统重要的传感器,通过感知和测量大气总压和静压,结合总温信号,经过计算机补偿和计算得到高度、指示空速、真空速、马赫数等关键飞行参数,并将参数发送给相关系统。

这些参数直接关系到飞机操纵、飞机性能、环控系统、航电系统正常工作。

飞机的高度、空速、温度信号是飞行最重要的参数,也决定了全静压探头设备等级为A级。

衡量其是否合格有多项指标,包括数据精度、泄漏、防冰、环境试验等。

本文主要针对适航条款中的防冰要求,总结和分析全静压探头冰风洞试验要求。

1 试验要求
全静压探头安装于机身外表面,因此当飞机在结冰条件下飞行时,传感器结冰的可能性很大。

一旦结冰,会降低压力测量
精度,进而影响飞行安全。

全静压探头是T S O A设备,T S O-C16a
规定探头需要通过冰风洞加热防冰测试。

全静压探头冰风洞试验通常包含以下几
项。

(1)结冰试验。

构造模拟气象条件进行
一段时间的喷雾结冰,观察结冰外形和结
冰类型。

(2)除冰试验。

模拟条件下,当传感器上
结冰厚度达到规定数值时,开启加热进行
除冰,通过记录除冰时间和加热电流验证
其符合性。

(3)防冰试验。

试验初始即开启加热,构
造模拟结冰气象条件并进行喷雾,观察传
感器结冰情况。

2 标准分析
2.1 CCAR 25适航要求[1]
CC AR-25-R4《运输类飞机适航标准》
于2011年发布,定义了运输类飞机的适航
标准。

25.1325(b)规定:当飞机遇到本部附
录C所规定的连续或间断最大结冰状态时,
静压系统内的空气压力和真实的外界大气
静压之间的相互关系不变。

附录C规定了自
然结冰试飞中要求的结冰气象条件,如图1
所示。

连续最大结冰条件:在一定时间内,飞
机处于一个低等和中等程度的液态水含量
的层云中。

该条件表征层云中的结冰现象,
适用于机翼、尾翼。

间断最大结冰条件:在短时间内,飞机
处于一个高含水量的环境中。

该条件表征
积云中的结冰现象,适用于发动机进气道
和导向叶片等部件。

2.2TSO-C16规范[2]
TSO-C16是FAA于1948年发布的空速
管标准,规定了设备最低性能要求和环境
试验要求,性能参考AS 393。

冰风洞试验要
求如下:
试验条件:温度-10℃和-20℃;空速
200 kts。

试验要求:探头头部结冰1/4min,额定
电源通电加热,除冰时间小于2min,除冰
后不再出现结冰现象。

2.3TSO-C16a规范[3]
T S O-C16a是F A A于2006年发布的全
静压探头标准,规定了设备最低性能要求
和环境试验要求,性能参考AS 8006。

冰风
洞试验要求如下:
试验条件:空速250±25kts;压力29.00
±1.00inHg;迎角0°～20°;结冰条件(1)采用
25部附录C间断最大结冰环境条件(水滴直
径20um,采用以下三种条件:LWC=2.2g/
m^3,T=-10℃或更低;L WC=1.7g/m^3,
T=-20℃或更低;L W C=1.0g/m^3,T=-
30℃或更低)(2)采用BS 2G 135中8.7.2
(1)、8.7.2(2)环境条件[4](空速90m/s,水滴
直径20um,T=-10℃,LWC=1.2g/m^3持
续10min,LWC=1.2～4.4g/m^3持续10.5min,
LWC=1.2g/m^3持续9.5min;空速150m/s,
水滴直径20um,T=-30℃,LWC=0.25g/
m^3持续10min,LWC=0.25～1.25g/m^3
持续10.5m i n,L W C=0.25g/m^3持续
9.5min)。

试验要求:探头头部结冰0.50min时,
以低于额定电压10%的电压加热,除冰时间
应小于90s,开始加热到压力指示正确不超
过1min,除冰后需持续测试20min,监控没
有结冰现象。

2.4GJB 836-90规范[5]
GJB 836-90规范规定了补偿式直杆型
全静压探头冰风洞试验要求分析
袁文铎
(上海飞机设计研究院 上海 201210)
摘 要:防冰性能要求是全静压探头的一项性能指标,TSO标准、适航规章对此均有要求。

本文分析和总结了全静压探头冰风洞试验要求。

关键词:全静压探头 冰风洞
中图分类号:V241.6文献标识码:A文章编号:1672-3791(2014)08(b)-0104-02
图1C C A R25附录C大气结冰条件(下转106页) . All Rights Reserved.
全世界已有100多座城市开通了300多条地铁线路,总长度超过10000公里。

许多车站建筑雄伟壮丽,已成为城市中的重要旅游景点。

目前,我国有13个城市已经运行或正在修建地铁。

地铁是一种在狭小空间内快速载运高度密集人群的复杂系统,正是由于其空间狭小,给管理工作带来了一定的难度和复杂性。

影响地铁运营安全的因素有很多,突发性火灾是其危害性最大,也是最为常见的事故之一。

因此,研究地铁突发性火灾的成因,预防和处置火灾,对于减少火灾损失,降低影响,具有十分重要的意义[1]。

1 地铁火灾的特点
地铁深埋在地下,建筑结构复杂,出入口少,疏散路线长,通风照明条件差,电器设备类多,人员高度集中,因此一旦发生火灾,扑救任务将非常艰巨,往往会造成重大的人员伤亡和财产损失。

因此掌握地铁火灾的特性对于有效地预防和扑灭火灾有积极的指导作用。

地铁火灾一般有以下几个方面的特性[1]。

(1)氧含量急剧下降,发烟量大。

(2)排烟排热差。

(3)火情探测和扑救困难。

(4)人员疏散困难。

(5)隧道狭小,拥挤踏伤情况严重。

(6)障碍物多,疏散速度慢。

2 地铁重要电气设备间的保护(如表1)
3 细水雾灭火系统与现有气体系统的比
较(如表2)
4 不同雾粒直径水雾系统参数比较(如表
3)
5 细水雾经济性比较
相比而言,细水雾灭火系统由于以水
为灭火剂,所以取材方便、低廉,一般情况
下,一次灭火用水量大约0.6～1.5m3,而其
它气体灭火剂需要专业厂家的生产、采购,
因此采购费用较高;一般情况下,气体灭火
系统综合造价高出细水雾灭火系统20%。

另
外,由于细水雾以冷却为主要灭火机理,灭
火后不会复燃,在水源保证情况下,在尽可
能短的时间内,可恢复补水,能够达到再次
使用的目的;而其它气体灭火系统由于灭
火剂都是由钢瓶储存的,所以只能要求一
次扑灭火灾。

以标准地下岛式车站为例,对IG541气
体灭火系统与高压细水雾灭火系统进行费
用比较[2]。

(1)在设备用房面积方面,气体灭
火系统一般需要20m2左右,细水雾灭火系
统仅需3～5m2,且可以与车站消防泵房合
建,因此在土建投资上,细水雾灭火系统仅
为气体灭火系统的1/4～1/7。

(2)进口气体
灭火系统造价与进口细水雾系统基本相
当。

(3)一般细水雾灭火系统的维护费用为
气体灭火系统的1/3～1/5。

6 系统选项与设计
由于地铁车站的被保护对象都是电气
设备,细水雾应具有良好的灭火性能和电气
绝缘性能,在低、中、高压系统中,应选用高
压细水雾系统。

细水雾灭火系统应具有较强
的可持续灭火能力,灭火后能尽快恢复使
用,应选用泵组式。

考虑地铁运营及电气设
备的安全性,在系统选型时应考虑保护区内
输水管道平时处于无水状态,以免漏水对设
备造成损坏。

采用泵组式高压细水雾自动灭
火系统,系统形式可采用预作用闭式系统或
有防止误喷措施的开式系统。

地铁车站系统的设计:区域控制阀控
制的开式系统,全淹没设计;细水雾泵组和
车站消防泵房合并;加装水过滤装置;喷头
布置在电气设备上方;灭火分区的划分:系
统保护区域为通信设备室、信号设备室、车
站控制室、设备电源室、开关柜室、变压器
室、安全门设备室等。

参数:系统设计参数:
最低工作压力为10MPa;雾滴体积中间直
径Dv0.9<100μm;喷雾强度大于0.2L/
min·m2;系统设计流量为75L/min;系统工
作压力为11M P a;系统响应时间不大于
45s;持续喷雾时间为10min。

参考文献
[1]徐海滨.地铁消防应用细水雾灭火的问
题探讨[J].中外建筑,2010,4(1):21-27.
[2]陈晓东.广州地铁2号线建设和运营的
环境保护[J].都市快轨交通，2005（5):
14-17.
表3
和L型全静压受感器的设计、生产和试验的通用要求。

(1)L型冰风洞试验要求如下:
试验条件:空速180±13m/s;温度-35±5℃;LW C:1.25±0.25g/m^3;迎角: 0°～20°。

试验要求:受感器结冰直到总压口被堵住或者在受感器端部形成13m m长的冰帽。

额定电源通电加热,获得正确压力读数的总时间不得超过1.5min,除去冰帽后继续试验,无结冰现象。

(2)直杆型冰风洞试验要求如下:
试验条件:空速205±13m/s;温度-35±5℃;LWC:1.25±0.25g/m^3。

试验要求:(1)迎角为0°,受感器结冰直到总压口被堵住或者在受感器端部形成13mm长的冰帽。

额定电源通电加热,获得正确压力读数的总时间不得超过60s,并且除去所有聚积的冰的时间不应超过1.5min。

受感器在额定电压下连续工作1h以后,将迎角增加到4°,继续工作20min。

无结冰现象。

(2)迎角为15°,受感器结冰直到总压口被堵住或者在受感器端部形成13mm长的冰帽。

额定电源通电加热,获得正确压力读数的总时间不得超过60s,并且除去所有聚
积的冰的时间不应超过1.5min。

受感器在
额定电压下连续工作1h以后,无结冰现
象。

3 标准分析
民用飞机大气数据系统全静压探头需
要满足对应TS O标准,并需通过自然结冰
试飞,验证其对CC AR25的适航符合性。

FAA于2006年10月6日颁布全静压探头
新版TSO标准即TSO-C16a。

后续设计和生
产的探头都需要满足新的标准要求。

对已
获取原标准TS O-C16的探头,还可继续按
照原标准要求进行生产制造。

由上节可知,对于全静压探头的防冰功
能,TSO-C16a与CCA R-25-R4部中的飞行
速度、结冰云雾条件、加热电压、攻角等参
数均可通用,区别主要在于遭遇结冰云的
时间和防冰系统开启的时间点:TSO-C16a
标准中探头在结冰环境的时间至少需要
20min,而25部附录C中不超过40s(间断最
大结冰云层长度为2.6nm,按照250knots的
飞行速度,飞机穿云时间仅为37.44s);TSO
中探头需结冰厚度超过0.5min才开启,而
飞机实际使用过程中,空速管加热功能是
全程工作的,不存在延迟打开的现象。

由此
可知,T S O-C16a中的冰风洞试验条件比
CCAR25部要求严酷许多,取得TS O标准的
全静压探头可以满足CC AR25部自然结冰
适航要求,但是需要通过试飞进行验证。

4 结论
本文总结了全静压探头防冰加热性能
各标准对冰风洞试验的要求。

并对民机探
头T S O-C16a标准和C C A R25结冰要求进
行了对比分析。

参考文献
[1]C C A R-25运输类飞机适航标准[S].
C A A C,2011.
[2]TSO-C16 Airspeed Tubes (Electrically
Heated)[S].FAA,1948.
[3]TSO-C16a Electrically Heated Pitot
Static Probe[S].FAA,2006.
[4]BS 2G 135 Electrically-Heated pitot
and pitot static pressure heads[S].BSI,
1967.
[5]GJB836-90补偿式全静压受感器通用
规范[S].国防科工委,1990.
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