飞机除冰参数优化配置研究

发布时间：2020-08-24 14:23

【摘要】：民航飞机总量的持续增长,使得冰雪天气下飞机除冰运行保障任务日趋繁重,如何面向机场除冰运行对飞机除冰参数进行优化设计、提高飞机除冰效率与除冰资源利用率、最大限度降低冰雪天气带来的不利影响,成为亟待解决的问题,本课题就此问题展开研究。首先,基于流体动力学与传热学理论建立了考虑射流效应、多除冰参数耦合控制的飞机除冰效率模型。实现了除冰液参数、射流参数、环境参数对单体设备除冰效率耦合控制规律的仿真分析,设计了室外除冰实验,对除冰效率模型的准确性进行验证。研究成果为飞机除冰运行过程的建模分析奠定基础。其次,针对飞机除冰排队系统参数动态变化的特征,提出了除冰飞机到达率的Markov描述以及除冰服务率的多项式描述方法,建立了随机环境下的飞机除冰排队延误模型,实现了对冰雪天气下航班离港高峰期及离港高峰各时段除冰延误状况的分析,解决了传统定常参数排队模型脱离除冰运行实际的问题。两类典型机场的算例分析表明,除冰延误参数仿真值与实际值有较高契合度,最大误差在10%以内,本文模型对于系统参数动态变化的排队问题分析具有普遍适用性。最后,在除冰效率模型及除冰排队延误模型的基础上,建立了面向机场除冰运行的飞机除冰参数多目标优化配置模型,提出了基于自适应网格多目标粒子群算法及多属性决策技术的模型求解、优化方案选取方法。除冰参数优化配置后除冰液消耗量、除冰车需求量、除冰延误架次相较于优化前分别降低了13.9%、12.8%、19.3%,验证了本文优化模型及算法的有效性。
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V244.15
【图文】：

飞行事故,除冰

高的飞行密度，使得冰雪天气下飞机遭遇结冰条件的概率大幅上升，航班过站期间的全天候除冰保障需求旺盛。如果飞机外表面存在冰层，将会改变飞机的气动外形和质量分布，引起机外测量元件数据误差，飞行过程中脱落的积冰吸入发动机甚至会导致发动机空中停车，严重威胁飞行安全。根据美国联邦航空管理局（FAA）最新数据显示，每年大约有 8 起因结冰导致的飞行事故[1]，其中，因飞机起飞前未除冰或除冰不当导致的飞行事故在国内外均有发生。2004 年 11 月 21 日，我国东方航空一架 CRJ-200 飞机，过夜期间结冰，起飞前未除冰，起飞后一分钟后坠毁，导致55人死亡。2004年11月28日，一架Bombardier Challenger飞机，因除冰不正确，导致起飞过程发动机吞入冰块，在美国 Colorado 坠毁，机上 3人死亡。2012 年 4 月 2 日，俄 UTair 航空的一架 ATR 72-212 飞机，因除冰不当在 Tyumen坠毁，导致 31 人死亡 12 人重伤，事故现场如图 1-1（a）。2018 年 2 月 11 日，俄 SaratovAirlines 航空的一架 AN-148 飞机，在大雪环境中起飞不久，因空速管结冰飞行员错误应对在 Moscow 坠毁，事故现场如图 1-1（b）。

除冰,机翼,场景,除冰液

冰雪天气下离港飞机除冰作业过程涉及多个除冰参数，除冰效率与除冰液参数、参数、环境参数、除冰装备参数等除冰参数密切相关，形成复杂耦合控制问题，本此问题开展研究。通过对飞机除冰热力学机理分析，运用流体动力学及传热学理论空气段与机翼表面除冰液的流动与传热特性进行分析，依据能量守恒定律建立考虑效应的飞机除冰效率模型，采用数值模拟仿真与除冰实验相结合方式验证除冰效率的准确性。.1 飞机除冰热力学机理分析飞机除冰指使用物理或者化学方法除去飞机机身、垂直尾翼、水平尾翼、机翼前面积冰的过程[48]。当前国内外普遍采用除冰液除冰方式，通过除冰车将加热到一定的除冰液喷洒到机体，除冰液在机体表面迅速扩展形成一层除冰液膜，利用高温除的内能将积冰融化，结冰机翼及除冰车除冰场景如图 2-1 所示。

除冰,传热模型,除冰液,积冰

图 2-2 除冰传热模型综上，对除冰液与积冰热力学系统，由能量守恒定律可得各部分能量满足式（2incrshlhQ Q Q Q(由于积冰融化的显热与潜热来源于除冰液与积冰之间通过黏性层流底层传导的 Qfc，有式（2.2）。fc sh lhQ Q Q(.2 飞机除冰效率建模除冰作业过程中，除冰液喷射到机翼表面之前的空气段为湍流自由射流，在机翼转化为冲击壁面流。积冰融化消耗的能量来源于机翼表面高温除冰液包含的能量，高温除冰液与周围环境存在对流与辐射热量损失。除冰参数的不同会对除冰液的空

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