王立文，趙 亮，陳 斌

（1．中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300;2．中國(guó)民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備民航研究基地，天津 300300）

0 引言

飛機(jī)除冰問題已經(jīng)成為影響民航冬季安全運(yùn)行的重要因素之一。據(jù)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）統(tǒng)計(jì)［1］，1981～1988年的7年期間，美國(guó)共發(fā)生542起飛機(jī)因結(jié)冰而引起的飛行事故，其中約有50%事故是因機(jī)體結(jié)冰造成的，同時(shí)飛機(jī)地面積冰/霜也是導(dǎo)致民航班機(jī)延誤或者取消的重要因素之一。因此，飛機(jī)起飛之前需要清除飛機(jī)表面的積冰/雪/霜等污染物。目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用飛機(jī)除冰液進(jìn)行飛機(jī)地面除冰，盡管聯(lián)邦航空局（FAA）提供了在不同氣象條件下除冰液使用標(biāo)準(zhǔn)，但除冰部門還是按照氣象條件最惡劣的標(biāo)準(zhǔn)提供除冰液溫度和配比，這樣不僅影響了除冰效率，也浪費(fèi)了大量除冰液，對(duì)機(jī)場(chǎng)周圍的地下水資源造成一定的污染［2，3］。因此，對(duì)除冰液除冰過程進(jìn)行研究具有很重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)飛機(jī)除冰進(jìn)行廣泛而深入的研究［4］，主要從數(shù)值模擬［5］、工程估算、實(shí)驗(yàn)研究三方面進(jìn)行。由于飛機(jī)除冰過程中除冰產(chǎn)生影響的因素較多，飛機(jī)機(jī)型復(fù)雜，工程估算方法誤差較大，大多采用數(shù)值模擬［6］進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)研究較少。本文中結(jié)合光纖傳感器和溫度傳感器在室外結(jié)冰環(huán)境下進(jìn)行除冰實(shí)驗(yàn)，最大限度地貼近實(shí)際除冰環(huán)境，分析除冰影響因素，探索最佳除冰效果，為實(shí)際除冰和進(jìn)一步試驗(yàn)箱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1．1 機(jī) 翼

飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)冰［7］對(duì)飛機(jī)安全影響最大，所以，除冰的重點(diǎn)是飛機(jī)的機(jī)翼部分［8］，在實(shí)驗(yàn)中采用厚為2．5 mm的800mm×800mm的7075航空鋁板，對(duì)實(shí)驗(yàn)用的鋁板表面進(jìn)過打磨處理，使其粗糙度與飛機(jī)機(jī)體表面相似。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中鋁板與水平面成5°傾角。

1．2 光纖傳感器

光纖傳感器是一種反射與散射式光強(qiáng)調(diào)制型傳感器，光源發(fā)射光，由發(fā)射光纖傳輸?shù)竭_(dá)探測(cè)面。當(dāng)探測(cè)端面無積冰時(shí)，發(fā)射光將射入空氣，接收光纖端面基本探測(cè)不到任何發(fā)射光。當(dāng)探測(cè)面上有積冰時(shí)，光在冰層內(nèi)發(fā)生諸如反射、散射等一系列作用，其中冰層—空氣界面的反射光和在冰層內(nèi)的散射光進(jìn)入接收光纖。接收光纖末端接有光電三極管及其相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)與處理電路，通過檢測(cè)接收光信號(hào)的強(qiáng)度與變化趨勢(shì)，達(dá)到測(cè)量結(jié)冰狀態(tài)的目的。

1．3 溫度傳感器

溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，－200～850℃線性度較好。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，為了保護(hù)傳感器，給鉑電阻溫度傳感器帶上鋁制外殼。

2 除冰實(shí)驗(yàn)

2．1 除冰所需要控制的參數(shù)

除冰過程中，室外環(huán)境下的溫度和風(fēng)速為不可控的參數(shù)［9］，可以通過實(shí)時(shí)測(cè)量得出，為保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，挑選室外環(huán)境溫度為－5～－7℃，風(fēng)速為1～2 m/s，天氣為陰天的環(huán)境下進(jìn)行。主要的可控參數(shù)為除冰液的流量、除冰液溫度。在除冰前，冰層通過噴水使鋁板表面結(jié)冰，每次實(shí)驗(yàn)的冰層厚度為1 mm左右。

2．2 除冰需要測(cè)量的參數(shù)

除冰液通過實(shí)心圓錐形噴嘴噴出，為達(dá)到霧化效果以減少除冰液流體的沖擊力，通過標(biāo)定，單個(gè)噴嘴的流量為0．8 L/min，流量的改變是通過噴嘴數(shù)目的增減。除冰液的溫度是通過加熱器將除冰液加熱到所需溫度，在除冰液噴射前進(jìn)行溫度測(cè)量，鋁板表面溫度通過溫度傳感器測(cè)量，冰層厚度通過同軸光纖傳感器測(cè)量。

2．3 除冰實(shí)驗(yàn)

每次實(shí)驗(yàn)前通過噴水，使鋁板表面結(jié)冰，結(jié)冰方式采取向鋁板噴霧狀的水，水溫接近0℃，每次噴少量的水，以避免鋁板表面的冰被融化。目測(cè)鋁板上結(jié)冰后，通過光纖傳感器測(cè)試冰層厚度，如果未達(dá)到1 mm冰層厚度，則繼續(xù)噴水結(jié)冰，直到形成1 mm厚的冰為止。由于水在結(jié)冰過程會(huì)產(chǎn)生潛熱，潛熱會(huì)造成冰層溫度高于環(huán)境溫度，在實(shí)際情況下，飛機(jī)機(jī)體表面的冰層溫度與環(huán)境溫度相近，所以，還必須通過溫度傳感器觀測(cè)冰層溫度，當(dāng)冰層溫度與環(huán)境溫度相近時(shí)方能開始除冰。實(shí)驗(yàn)分2組進(jìn)行。

第一組實(shí)驗(yàn)采用單噴嘴噴射除冰液，除冰液流量為定值，改變除冰液溫度觀測(cè)鋁板表面的冰層厚度和鋁板表面溫度變化情況。

圖1為在單噴嘴情況下，鋁板表面溫度變化情況。由上圖的曲線變化情況可知，除冰液溫度在40～60℃區(qū)間時(shí)，隨著除冰液溫度上升，鋁板的表面溫度上升速率會(huì)變大，但是當(dāng)除冰液溫度在65℃和70℃時(shí)，鋁板的表面溫度上升速率沒有明顯差異。

圖1 單噴嘴下鋁板溫度變化Fig 1 Aluminum plate temperature changes under single nozzle

圖2為單噴嘴情況下，冰層厚度變化曲線，由于噴嘴噴出的除冰液帶有動(dòng)能，會(huì)將光纖傳感器上的冰層直接沖走，導(dǎo)致測(cè)得的冰層厚度曲線出現(xiàn)跳變（如圖2中的70℃時(shí)冰層厚度變化），所以，在實(shí)驗(yàn)中需要將除冰液噴射時(shí)調(diào)節(jié)為噴霧狀，這樣可以避免沖擊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)跳變。由圖2可知，除冰液溫度在40～60℃范圍內(nèi)時(shí)，冰層厚度變化率隨除冰液溫度的升高而增大，而60℃和65℃除冰液進(jìn)行除冰時(shí)，冰層厚度變化率差別較小，說明除冰液的除冰速率只是在一定范圍內(nèi)隨著除冰液溫度的升高而增加，當(dāng)除冰液溫度達(dá)到一定值時(shí)，提高除冰液溫度對(duì)除冰速率影響不明顯。

第二組實(shí)驗(yàn)采用雙噴嘴噴射除冰液，將第二組測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與第一組進(jìn)行對(duì)比得到如圖3、圖4。

圖2 單噴嘴下冰層厚度變化Fig 2 Ice layer thickness change under single nozzle

由圖3（a）（除冰液溫度為40℃）、圖3（b）（除冰液溫度為60℃）、圖3（c）（除冰液溫度為70℃）中溫度曲線可知。隨著除冰液溫度的上升，在一定范圍內(nèi)（40～60℃），鋁板表面溫度變化速率隨著除冰液的流量增加而變大，但當(dāng)除冰液的溫度達(dá)到一定范圍時(shí)（在70℃），鋁板表面溫度變化速率受除冰液流量的影響較小。所以，在除冰過程中，從熱力學(xué)角度來看增大除冰液流量，只是在一定范圍內(nèi)能提高除冰速率。

圖3 不同除冰溫度下鋁板表面溫度變化比較Fig 3 Comparison of aluminum plate surface temperature change at different deicing temperature

由圖4中得到的5組曲線中有3組曲線顯示冰層厚度在5 s內(nèi)直接從1 mm變?yōu)?，這是由于除冰液流量增大時(shí)，冰層并不是被除冰液加熱而融化，而是被除冰液直接沖走。將剩余2組曲線與圖2中相應(yīng)的除冰溫度下的冰層厚度曲線相比較可知，除冰液流量增大可以提高除冰速率。綜合以上所述，除冰液流量在一定范圍內(nèi)時(shí)，除冰液流量增加可以提高除冰速率，當(dāng)除冰液流量超出這一范圍時(shí)，除冰速率會(huì)達(dá)到最大，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了射流沖擊現(xiàn)象［10］。

圖4 雙噴嘴下冰層厚度變化Fig 4 Ice thickness change under double nozzle

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在一定范圍內(nèi)提高除冰液溫度或者增加除冰液流量可以提高除冰速率。但當(dāng)除冰液溫度超過一定值時(shí)，提高除冰液溫度并不能明顯改變除冰速率。而當(dāng)除冰液流量超過一定值時(shí)，在除冰過程中起主要作用的是除冰液的動(dòng)能。

2）在實(shí)際除冰過程中，為了節(jié)省資源，必須得到除冰過程中除冰液溫度和除冰液流量的最佳組合。由于室外環(huán)境的局限性，本次實(shí)驗(yàn)并未得到除冰液溫度、除冰液流量和除冰速率三者間的精確關(guān)系，只是從熱力學(xué)角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，而并未考慮射流沖擊現(xiàn)象。

［1］ Eugene G Hill．Overview of Federal Aviation Administration aviation safety research for aircraft icing［R］．Reno，Nevada:AIAA，2006．

［2］ 李 斌．飛機(jī)除冰/防冰液及除冰技術(shù)［J］．清洗世界，2012，28（1）:26－31．

［3］ 趙鴻鐸，姚祖康，張長(zhǎng)安，等．飛機(jī)除冰液對(duì)停機(jī)坪水泥混凝土的影響［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4（2）:1－5．

［4］ 張富榮，王 偉，趙耀華，等．動(dòng)態(tài)結(jié)霜過程霜層參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］．建筑科學(xué)，2008，24（6）:103 －109．

［5］ 王永珍．風(fēng)窗玻璃霜霧結(jié)解過程傳熱及其解化特性研究［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011．

［6］ 馬 寧．汽車風(fēng)擋除霜性能控制分析［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007．

［7］ 常士楠，韓鳳華．飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣熱氣防冰器性能分析［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（2）:201 －203．

［8］ 常士楠，韓鳳華．飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣熱氣防冰器性能分析［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（2）:201 －203．

［9］ 常士楠，劉達(dá)經(jīng)，袁修干．直升機(jī)旋翼槳葉防/除冰系統(tǒng)防護(hù)范圍研究［J］．航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22（3）:154 －159．．

［10］吳建國(guó)，翟 云，王 勇．噴流換熱中多個(gè)圓噴嘴射流流動(dòng)特征的數(shù)值計(jì)算［J］．冶金能源，1999，18（1）:31 －35．