易 暉，湯 永 ， 李開成 ， 姚 智 ， 陳 堯

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽(yáng) 621000)

直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究

易 暉1，湯 永1， 李開成1， 姚 智1， 陳 堯2

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽(yáng) 621000)

介紹了一種直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量方法，闡述了云霧參數(shù)的指標(biāo)，測(cè)試設(shè)備的選用，以及測(cè)量原理；然后對(duì)某型機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；最后指出了本次測(cè)量的不足之處，并給出后續(xù)改進(jìn)的方法。

直升機(jī)；防除冰試驗(yàn)；云霧參數(shù)；測(cè)量

0 引言

直升機(jī)在穿過(guò)高空結(jié)冰云層時(shí)，槳葉、風(fēng)擋、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和空速管等部件往往容易結(jié)冰，引起飛行性能下降，穩(wěn)定性和操縱性變差，風(fēng)擋玻璃模糊，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常和飛行儀表指示不準(zhǔn)確等故障，從而影響飛行的安全[1,2]。

直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)利用噴灑塔試驗(yàn)設(shè)施，在冬季自然低溫條件下噴霧，模擬不同結(jié)冰氣候條件下的高空云層環(huán)境，對(duì)地面系留和懸停狀態(tài)的直升機(jī)進(jìn)行結(jié)冰和防除冰試驗(yàn)，是對(duì)直升機(jī)各系統(tǒng)防除冰能力的一種有效考核手段。試驗(yàn)的關(guān)鍵在于結(jié)冰云霧參數(shù)的控制以及結(jié)冰云霧參數(shù)的測(cè)量，本文主要對(duì)云霧參數(shù)的測(cè)量技術(shù)和方法[3,4]進(jìn)行介紹。

1 直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧測(cè)量技術(shù)

1.1 結(jié)冰云霧參數(shù)指標(biāo)

結(jié)冰云霧的關(guān)鍵參數(shù)有三個(gè)：水滴平均有效直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)和云霧均勻性，在保證云霧均勻性的條件下，控制MVD和LWC的不同有效組合，就可以得到不同的結(jié)冰氣候條件。參考CCAR-29-R1附錄C中以LWC和MVD為包絡(luò)線的高空結(jié)冰云霧環(huán)境(見圖1所示)，直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)云霧參數(shù)的指標(biāo)和要求如下：

噴灑云霧覆蓋范圍： 直徑20m

空氣溫度： -30℃～-5℃

試驗(yàn)?zāi)M高度：海平面

LWC：0.1～1.2g/m3

MVD：15～50μm

云霧均勻性：在60%面積范圍內(nèi)不大于±0.15g/m3

圖1 連續(xù)結(jié)冰和間斷結(jié)冰狀態(tài)中LWC和MVD包線圖

1.2 結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量設(shè)備選用

結(jié)冰云霧參數(shù)的測(cè)量有不同原理的設(shè)備，其中MVD測(cè)量主要采用激光散射原理、激光相位多普勒原理和激光粒子成像原理；LWC測(cè)量主要采用冰刀(Icing Blade)/旋轉(zhuǎn)圓柱方法、熱線原理(Hot-wire)和粒子統(tǒng)計(jì)方法；云霧均勻性主要采用冰格柵(Icing Grid)方法。表1為國(guó)內(nèi)外主要結(jié)冰和噴霧試驗(yàn)部門所使用的云霧參數(shù)測(cè)量設(shè)備列表[5,6]。

表1 國(guó)內(nèi)外主要云霧參數(shù)測(cè)量設(shè)備

續(xù)表1

參考國(guó)內(nèi)外結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備使用情況，根據(jù)噴灑塔直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)的環(huán)境條件(溫度、模擬高度、來(lái)流風(fēng)速)，結(jié)冰云霧覆蓋范圍， MVD、LWC的范圍和精度，以及云霧均勻性等要求，選擇美國(guó)Artium公司的PDPA-FP作為MVD、LWC的測(cè)量設(shè)備，采用非標(biāo)定制的結(jié)冰格柵作為云霧均勻性的測(cè)量設(shè)備。

1.3 結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量原理

1.3.1 MVD和LWC參數(shù)測(cè)量原理

采用Artium公司的PDPA-FP設(shè)備測(cè)量MVD和LWC參數(shù)，其主要由粒度測(cè)試探頭、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理器、配套計(jì)算分析軟件和線纜等組成，基于激光多普勒原理和干涉原理，如圖2所示。

圖2 激光多普勒和干涉原理圖

在噴灑塔試驗(yàn)區(qū)的支架上安裝粒度測(cè)試探頭，云霧中水滴粒子通過(guò)探頭的激光照射區(qū)域后，由于激光多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)過(guò)透鏡后投射在光電探測(cè)器上。不同粒徑大小的水滴粒子引起的干涉條紋的頻率和相位不相同，因此通過(guò)數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)處理單元對(duì)光電探測(cè)器上的干涉條紋進(jìn)行采集和分析后，可以得出水滴粒子的粒徑大小。液態(tài)水含量的測(cè)量為間接方法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)激光區(qū)域內(nèi)的粒徑滴液的體積，可以得到液態(tài)水含量的大小。

1.3.2 云霧均勻性測(cè)量原理

在試驗(yàn)區(qū)域距離噴霧框不同距離的截面上放置結(jié)冰格柵，格柵的大小依據(jù)試驗(yàn)對(duì)象而定。噴霧停止后，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算格柵網(wǎng)格結(jié)冰的厚度，得到云霧均勻性云圖，原理見圖3所示。

圖3 云霧均勻性測(cè)量原理圖

云霧均勻性計(jì)算如式(1)所示。

其中τice為相對(duì)格柵中心點(diǎn)歸一化處理結(jié)冰厚度，τ(x,y)為(x,y)處格柵網(wǎng)格結(jié)冰后厚度，τgrid為格柵網(wǎng)格沒結(jié)冰前厚度，τc為整個(gè)格柵中心點(diǎn)結(jié)冰后厚度。LWC(x,y)為(x,y)處液態(tài)水含量，LWCc為格柵中心點(diǎn)處液態(tài)水含量。格柵網(wǎng)格交點(diǎn)結(jié)冰厚度按照下面公式計(jì)算。其中V2、H2、V3和H3為交點(diǎn)四周格柵網(wǎng)格邊中點(diǎn)結(jié)冰厚度。格柵網(wǎng)格交點(diǎn)結(jié)冰厚度根據(jù)其所處格柵位置確定。

根據(jù)歸一化后不同位置的結(jié)冰厚度，繪制結(jié)冰均勻性云圖。

2 某型機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧測(cè)量實(shí)例

在直升機(jī)進(jìn)入結(jié)冰云霧試驗(yàn)之前，先在常用的幾個(gè)LWC試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量云霧均勻性；然后在噴嘴不同的氣壓和水壓組合狀態(tài)下測(cè)量云霧MVD和LWC數(shù)值，得出MVD、LWC和噴嘴氣壓、水壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 結(jié)冰云霧均勻性測(cè)量實(shí)例

格柵尺寸為寬12m，高4m，均勻地分割成12行和36列，如圖4所示。

圖4 結(jié)冰格柵圖

噴霧前將格柵放置在離噴灑塔20m處，并根據(jù)直升機(jī)槳轂中心的高度調(diào)節(jié)格柵的中心高度，在風(fēng)向條件好的情況下，選取不同的LWC試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行噴霧15min，噴霧停止后立即測(cè)量結(jié)冰厚度，歸一化處理后得到云霧均勻性。圖5為距離噴霧框20m處截面，MVD為20μm，LWC為1.0 g/m3狀態(tài)的結(jié)冰云霧均勻性云圖。

圖5 結(jié)冰云霧均勻性云圖

由云圖可知，云霧均勻性呈帶狀分布，結(jié)冰厚度從格柵上部到下部，依次減小，符合結(jié)冰云霧從上向下沉降的規(guī)律。

2.2 結(jié)冰云霧MVD和LWC測(cè)量實(shí)例

噴霧前將PDPA-FP設(shè)備固定在升降平臺(tái)上，探頭正迎著噴霧氣流的方向。升降平臺(tái)距離噴霧框20m，并調(diào)節(jié)探頭的高度與直升機(jī)槳轂中心高度一致，如圖6所示。

選取噴嘴不同的氣壓和水壓，每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)在水氣壓力穩(wěn)定后，采集云霧參數(shù)3次，每次30s，對(duì)3次數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得出MVD和LWC。表2為部分水氣壓力與MVD、LWC的對(duì)應(yīng)值，圖7、圖8為部分試驗(yàn)狀態(tài)的MVD分布圖。

圖6 PDPA-FP圖

氣壓Pa/(KPa)水壓Pw/(KPa)LWC/(g·m-3)MVD/(μm)平均溫度/(℃)160600.1620.35-14.08125601.1930.83-15.7450100.2739.40-15.8150200.5851.3-15.0

圖7 MVD分布圖(19.5μm)

圖8 MVD分布圖(29.7μm)

3 結(jié)論與展望

本文介紹了直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量設(shè)備和原理，對(duì)測(cè)量的步驟程序和方法進(jìn)行了研究，并結(jié)合某型機(jī)試驗(yàn)分析了試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。由于直升機(jī)防除冰地面試驗(yàn)為國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行，在結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量，尤其是LWC參數(shù)方面，應(yīng)參考冰風(fēng)洞校測(cè)的方法，采用兩種以上不同原理的測(cè)量設(shè)備分別測(cè)試，以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1] 范潔川，于 濤．飛機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M研究[J]．氣動(dòng)研究與試驗(yàn)，2006.6，23(2)：1-7．

[2] 戰(zhàn)培國(guó)，程婭紅．大型運(yùn)輸機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)技術(shù)研究 [M]．航空科學(xué)技術(shù)，2011(1):13-15．

[3] Gerber H．一種測(cè)量液態(tài)水含量的新方法[C]．Seventh Symposium on Meteorlogical Observation and Instrumentation，89-93 ．

[4] Amendola A．Some Peculiar Aspects of an Icing Wind Tunnel Design：Large Droplets and Altitude Effects[C]．The International Icing Symposium, Montreal-Canada,September 18-21 1995．

[5] Pierre M．Icing test facilities and test techniques[R]．AGARD-AR-1227．

[6] 惲起麟．風(fēng)洞試驗(yàn)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2000．

Research on Icing Fog Parameter Measure for Helicopter Anti-icing and Deicing on Ground Test

YI Hui1, TANG Yong1, LI Kaicheng1, YAO Zhi1, CHEN Yao2

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China；2.Low Speed Research Laboratory of China Aerodynamic Force Research and Development Institute, Mianyang 621000,China)

This paper introduced a measurement method of icing fog parameter for helicopter anti-icing and deicing test on ground. Specifications of icing fog parameters, the choice of measurement equipment and measurement principles were discussed in detail. Afterwards, a case was put forward, including test procedure and test results. Finally conclusion for this measurement method and suggestion for ongoing test were given.

helicopter; anti-icing and deicing test; icing fog parameters; measurement

2016-09-20

易 暉(1978-)，男，江西贛州人，碩士，高級(jí)工程師，綜合試驗(yàn)技術(shù)和故障診斷。

1673-1220(2016)04-054-04

V216.5

A