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来自 航天科技 2019-09-25 21:06 的文章
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蹊跷专利,从老鹰航空ATGranCabrio

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上期我们讲述了CCAR/FAR/CS-25部规章附录C给定的自然结冰天气条件,实际上飞机在运行过程中还有可能遇到比这更为严重的自然结冰天气条件,也即过冷大水滴(SupercooledLiquid Drops,SLD)结冰天气条件。附录C结冰天气条件中过冷水滴的最大直径一般在100μm以下,而过冷水滴的最大直径超过100μm的结冰条件则被称为SLD结冰天气条件。那么,本期将从事故出发,和大家聊一聊飞机遭遇SLD结冰的问题。

图:加拿大国家研究理事会结冰风洞 来源:NRC

近日,波音公司公布了一项专利,通过3D打印人造冰,并把它应用在机翼边缘上,用在适航认证中来测试飞机的稳定性和方向舵,从而大幅减少测试成本。

1.事故经过

飞机外表面积冰会导致其性能降低并对安全飞行构成潜在风险,为减轻这种威胁,加拿大国家研究理事会航空积冰研究人员着手研究云中可能出现的极小 液滴的特点和结构,这种液滴若撞击机翼前沿或其它部分,容易凝结积冰,构成安全威胁。

这是3D打印在航空领域的另一个潜在应用,波音公司已经向美国专利局申请了一种专利方法,就用3D打印人造“冰”。该公司并不打算让这种新奇冰块为头等舱乘客服务,而是用来打印可以粘贴到机翼上的复合形状。根据波音公司的专利细节,这将有助于简化和减少飞机的适航认证成本。

1994年10月31下午,美国老鹰航空公司4148号航班在到达目的地芝加哥上空下降过程中,飞机发出告警提示下降速度太快。在收回襟翼后飞机却发出怪声,刹那间控制杆急剧向右转,飞机往右倾斜,开始翻滚,飞机失去控制,几秒钟内便冲进一处农地上坠毁。事故造成机上全部64名乘客和4名机组人员丧生。

NRC航空动力研究团队开发了一种新型积冰建模方法,据称超过了当前世界最高水平,如美国、英国、法国、意大利的国家航空航天实验室等。传统积冰模型主要考虑连续反弹液滴的撞击和积冰表面的水流,NRC的创新方法是对冰的累积进行建模,可称之为成形建模,主要考虑流体元素集合的三维特性,即撞击、沿冰面移动以及凝结。

如果你曾经在一个明朗的冬天早晨外出,你可能已经看到过布满闪闪发光冰晶的树和草。这些都是当冷水滴碰到固体表面时,突然产生的结晶。在草原上,这一个过程甚至是一个迷人的风景,但在飞机上,如果冰积聚在机翼的前缘,却有着致命的危险,这将降低飞机的空气动力学特性,并增加一个致命的失速风险。

2.事故调查结果

这种方法能够同时预测结霜和积冰,伴随密度变化显现出复杂的三维特征,如“龙虾尾”、霜羽、冰脊和溪流等形状,此前其它模型都无法预测这些产生在机翼上的积冰的重要特性,其形态会对机翼上方气流造成很大影响,从而影响飞行安全。

正因为如此,美国联邦航空局FAA和其他国家及国际航空机构都要求所有新飞机必须进行适航认证,保证飞机能在积冰条件下仍能安全飞行。这是通过将待认证飞机放置到风洞中,并在飞机上粘贴玻璃纤维和树脂,并将它们的纹理做得与冰类似,进行模拟飞行试验。

事故发生后,美国国家运输安全局立即对该事故展开了调查。调查结果显示,ATR72-212飞机完全符合现有的飞机防除冰适航性要求,包括飞机运营过程中的持续适航要求,但在这起事故中该型飞机在盘旋等待和下降过程中遭遇到了超出FAR-25部附录C之外的更严重的结冰环境,其中含有直径超过100μm的过冷大水滴,因而在机翼除冰装置之后产生了异常的结冰而无法除去,使得流过积冰机翼的气流受到扰动甚至破坏,最终导致飞机失控坠毁

目前,该团队正准备用风洞测试验证其3D代码。他们将利用NRC航空风洞,模拟环境使机翼以30度角和45度角迎风,对积冰形状进行3D扫描和图像处理,并对比两组实验结果。如果风洞测试结果证实了仿真数据,则证明3D计算机模型准确,将为飞机制造商和安全监管机构采用该模型验证飞机性能提供信心。风洞验证结果还可应用于其它工程建模,如因冻雨造成的风力涡轮机、输电线路以及桥梁缆索积冰。

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NTSB还指出,该起灾难性事故的发生主要归因于飞机遭遇了冻雾/冻雨的结冰条件,这超出了目前所有经合格审定飞机所允许的结冰条件;而且在此次事故之前,适航当局和航空工业界并没有充分认识到冻雾/冻雨结冰条件的特性,及其对飞机飞行安全的潜在危害。

伴随这些测试经验积累,该团队将扩展建模范围,以应对过冷大水滴和欧洲航空安全局最近均将SLD纳入各自安全规范。这些直径从0.1毫米到1毫米的水滴可以冻结在超出现有积冰保护系统的飞机表面,因此,飞机制造商需要通过系统仿真来评估SLD对持续安全飞行的影响,仿真必须通过SLD环境下飞行或风洞试验验证。为满足这些新需求,NRC将对原有风洞进行升级改造,以确保原设备制造商能够有效验证零部件。

波音公司表示,这个过程有许多缺点,它是缓慢,昂贵而不精确,并且可能会损坏价格昂贵的飞机。而该公司给出的解决方案就是,推出3D打印来创造人造冰的形状并进行飞行测试,这样逼真的适航认证试验能更加准确的测量飞机在积冰情况下的飞行状态。

同时,NTSB还在事故调查报告中对FAA提出了多达22条建议,包括修订FAR-23和FAR-25部中结冰和防除冰相关的标准和要求,扩展附录C的合格审定结冰包线范围,以涵盖包括冻雾/雨和冰晶&过冷水滴混合的结冰条件;修订或新增结冰合格审定相关咨询通告及指导性材料,包括结冰合格审定程序等。

近期测试产生的最终验证数据将把该团队的建模成果推向这一领域研究前沿,他们还得到一家加拿大公司的许可,将其研发成果商业化。

根据该专利申请,所生产的人造冰一开始就与飞机的计算机模型相连。形状被精确地设计,并装配到所述翼型件表面上,在那里它们被稳定的附连到机翼的前缘,并利用冰的粘性,使用双面胶来代替螺栓舵。这不仅创造了一个稳固的附着,也容易在测试完成后,通过破坏胶粘剂来让冰从飞机上分离开来。

3.事故带来的影响

各类冰形状可以在计算机中进行设计,包括它的密度和质地,然后生成一系列的CAD文件,来塑造一个复杂的内部结构,来模仿实际的结冰条件。而这些CAD文件在计算机中可以轻松复制,从而也使得整个过程更加可控。而冰的形状可以做成所希望的厚度和刚度,并用来评估飞机需要应对的各种条件。

ATR72-212坠毁事故之后,FAA意识到原FAR-25部附录C未包含的SLD结冰天气条件对安全飞行的重大危害,并立即启动了航空器空中结冰安全性的审查,并于1996年5月召开航空器空中结冰国际研讨会,基于研讨会的成果,FAA制定了一项包含SLD结冰在内的结冰问题长期研究规划,并委托航空规章制修订咨询委员会开展SLD结冰问题的研究。

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2010年6月FAA基于ARAC提交的研究报告,颁布了文号为FAA-2010-0636的规章制修订建议通告《SLD、混合相、冰晶结冰条件下航空器和发动机的合格审定要求》,提议新增FAR-25部附录O“SLD结冰条件”、25.1420“SLD结冰条件”和25.1324“攻角系统”等要求,并修订若干结冰相关条款。

波音公司表示,这些形状甚至可以打印识别编码和标记,以确保它们放在正确的位置和并进行正确的排队。整个过程通过高级流程图可以进行各型材料,包括金属和复合材料进行三维印刷。

从1994年ATR72-212坠机事故我们可以知道,SLD结冰条件是一种比目前大家所知的FAR-25部附录C严重得多的自然结冰天气条件,按附录C设计和合格审定的飞机一旦遭遇到SLD结冰条件,其原有的防除冰系统将无法起到有效的/预想的防除冰效果。例如由于过冷水滴撞击量的大幅增加,原设计的防除冰系统的能量输入无法满足防除冰需求;再如由于按小水滴撞击极限计算和/或试验确定的机翼、尾翼结冰防护范围,在大水滴结冰环境下,水滴的撞击极限会超过原来的结冰防护范围,从而在结冰防护表面的后方形成结冰,对飞机的气动性能造成严重影响。那么,与现有的附录C相比,SLD结冰条件又是一种怎样的严重结冰天气条件呢?敬请关注下期。

【注:本文由工信部民航局适航性技术研究与管理中心适航与安全微信团队授权民航资源网刊登,作者:胡涛】

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