白鵬博

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 北京 100120）

摘 要：結(jié)冰風(fēng)洞是飛行器結(jié)冰和防冰研究的主要地面試驗(yàn)設(shè)備。本文結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的主要試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了分析闡述，并介紹了結(jié)冰風(fēng)洞所需的配套設(shè)備；對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞中云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)；為結(jié)冰風(fēng)洞及其配套設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞、云霧模擬；

引言

飛行器在大氣中飛行時(shí)，可能會(huì)遇到到過(guò)冷水滴、冰晶等云霧環(huán)境，飛行器在此類云霧環(huán)境中可能在表面結(jié)冰，并逐漸堆積。飛行器結(jié)冰會(huì)影響到關(guān)鍵部件如機(jī)翼、尾翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、空速管等設(shè)備的正常工作，給飛行器帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。因此中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR-25-R3）以及GJB241-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》等對(duì)飛行器及發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)冰試驗(yàn)提出了明確要求。

飛行器結(jié)冰研究試驗(yàn)手段可以分為飛行試驗(yàn)和地面試驗(yàn)。飛行試驗(yàn)包括自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)、人工模擬結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)和帶冰模的飛行試驗(yàn)。地面試驗(yàn)主要指在結(jié)冰風(fēng)洞中開展的試驗(yàn)。與其他試驗(yàn)方法相比，結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、先行、安全的突出優(yōu)點(diǎn)，除與常規(guī)風(fēng)洞類似對(duì)流場(chǎng)的要求外，結(jié)冰風(fēng)洞中還對(duì)試驗(yàn)段云霧特性提出特殊的要求。

1 典型結(jié)冰風(fēng)洞

世界范圍內(nèi)結(jié)冰風(fēng)洞大約有20多座，其中最具有代表意義的是意大利航天研究中心（CIRA）結(jié)冰風(fēng)洞。該風(fēng)洞建成于2002年，共有四個(gè)試驗(yàn)段：風(fēng)洞主試驗(yàn)段截面2.25m×2.35m（寬×高），最大Ma數(shù)0.4，最低溫度-32℃；第2試驗(yàn)段截面1.15m×2.35m（寬×高），最大Ma數(shù)0.7，最低溫度-40℃；第3試驗(yàn)段截面3.60m×2.35m（寬×高），最大M數(shù)0.25，最低溫度-32℃；開口試驗(yàn)段截面2.25m×2.35m（寬×高），最大Ma數(shù)小于0.4。風(fēng)洞模擬高度7000m，平均水滴直徑5～300μm。風(fēng)洞具有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道模擬系統(tǒng)，流量范圍1.5～55kg/s。試驗(yàn)段壁面透光率達(dá)到80%，便于結(jié)冰試驗(yàn)觀察。該風(fēng)洞的氣動(dòng)輪廓圖如下所示：

CIRA的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)速度范圍寬，雷諾數(shù)范圍大，既可以滿足結(jié)冰試驗(yàn)研究外，又可以進(jìn)行常規(guī)氣動(dòng)試驗(yàn)，使該風(fēng)洞具有很強(qiáng)的綜合試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2結(jié)冰風(fēng)洞主要參數(shù)

結(jié)冰風(fēng)洞主要用于模擬飛行器在大氣中飛行時(shí)遇到的積冰環(huán)境，因此結(jié)冰風(fēng)洞的主要參數(shù)包括以下幾項(xiàng)：

1.試驗(yàn)段尺寸：試驗(yàn)段尺寸根據(jù)被試件確定；大型結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸在3m量級(jí)，可對(duì)機(jī)翼模型、機(jī)身模型等進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)，如CIRA的結(jié)冰風(fēng)洞、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的結(jié)冰風(fēng)洞等；小型結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸一般在500mm左右量級(jí)，可對(duì)飛行器空速管等設(shè)備進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)，如BFGoodrich的結(jié)冰風(fēng)洞；

2.試驗(yàn)段最大風(fēng)速：結(jié)冰風(fēng)洞多為亞音速風(fēng)洞，最大風(fēng)速大部分在200m/s左右，如中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的3m風(fēng)洞最大風(fēng)速為210m/s、CIRA最大Ma數(shù)為0.7；BFGoodrich冰風(fēng)洞最大風(fēng)速約為100m/s；

3.試驗(yàn)段氣流溫度：根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，結(jié)冰試驗(yàn)氣流最低溫度為-30℃，一般結(jié)冰風(fēng)洞可實(shí)現(xiàn)-35℃甚至達(dá)到-40℃；

4.高度模擬：根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)及大氣環(huán)境研究，一般結(jié)冰環(huán)境存在的高度為7000m，因此結(jié)冰風(fēng)洞一般具備模擬7000m海拔高度的能力；

5.云霧參數(shù)：根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)給定，飛行器結(jié)冰試驗(yàn)的液態(tài)水含量范圍是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒徑為15～50μm。

3結(jié)冰風(fēng)洞主要配套設(shè)備

根據(jù)第二節(jié)中介紹的結(jié)冰風(fēng)洞主要參數(shù)，可以確定結(jié)冰風(fēng)洞所需的配套設(shè)備：

1.風(fēng)洞洞體：風(fēng)洞洞體是構(gòu)成結(jié)冰風(fēng)洞的主體部分，承載了風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)，是滿足風(fēng)洞氣動(dòng)參數(shù)需求的關(guān)鍵因素?？紤]到結(jié)冰風(fēng)洞的特殊運(yùn)行工況，在風(fēng)洞洞體設(shè)計(jì)中需采用保溫和防腐措施，對(duì)洞體采取防/除冰措施；洞體殼體可采用耐低溫鋼材；在試驗(yàn)段等水霧較多的部位可采用304不銹鋼。

2.風(fēng)機(jī)系統(tǒng)：由于氣流與洞體壁面的摩擦損失、在擴(kuò)散段內(nèi)的流動(dòng)損失、經(jīng)過(guò)模型時(shí)的損失等原因，氣體壓力和能量會(huì)隨之降低，為保持試驗(yàn)段氣流的流速，就需要部段補(bǔ)充能量。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的作用是為風(fēng)洞提供運(yùn)行的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)氣流以穩(wěn)定的狀態(tài)在洞體內(nèi)持續(xù)流動(dòng)，它是風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到風(fēng)洞能否達(dá)到設(shè)計(jì)的試驗(yàn)風(fēng)速。

3.制冷系統(tǒng)：由于結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)空氣最低溫度可達(dá)-40℃，因此必須配置制冷系統(tǒng)。制冷機(jī)組可采用復(fù)疊式制冷機(jī)組，滿足不同試驗(yàn)溫度的需求；制冷系統(tǒng)可采用制冷機(jī)組結(jié)合載冷劑系統(tǒng)的方式，滿足風(fēng)洞關(guān)于溫度控制的需求。

4.抽真空系統(tǒng)：抽真空系統(tǒng)的作用主要包含兩個(gè)方面，一是為模擬高空低壓環(huán)境，使得試驗(yàn)段環(huán)境達(dá)到高海拔低壓低密度的要求，二是在風(fēng)洞準(zhǔn)備過(guò)程的“換氣”處理中將風(fēng)洞內(nèi)部的空氣抽出。真空泵是抽真空系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，可選用螺桿式真空泵或水環(huán)真空泵滿足結(jié)冰風(fēng)洞對(duì)低壓環(huán)境的需求。

5.冰云模擬系統(tǒng)：冰云模擬系統(tǒng)是冰風(fēng)洞的關(guān)鍵設(shè)備之一，該系統(tǒng)主要通過(guò)兩相流噴嘴在冰風(fēng)洞中重現(xiàn)飛行器的結(jié)冰云霧環(huán)境；冰云模擬系統(tǒng)中包括水、氣處理設(shè)備，滿足結(jié)冰風(fēng)洞中結(jié)冰試驗(yàn)對(duì)水品質(zhì)、壓縮空氣潔凈度的需求；

6測(cè)控系統(tǒng)：測(cè)量控制系統(tǒng)用于風(fēng)洞運(yùn)行控制、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量和風(fēng)洞性能測(cè)定，是風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要任務(wù)是將風(fēng)洞總壓、靜壓、總溫及風(fēng)洞沿程運(yùn)行壓力、模型數(shù)據(jù)等物理量轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號(hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐個(gè)采樣量化成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

4云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)淺述

根據(jù)中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR-25-R3）中對(duì)云霧參數(shù)的規(guī)定：飛行器結(jié)冰試驗(yàn)的液態(tài)水含量范圍是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒徑為15～50μm。調(diào)研市場(chǎng)噴霧產(chǎn)品，可選擇空氣助力霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)上述液態(tài)水含量以及液滴平直直徑的要求。

空氣助力霧化噴嘴的示意圖如下。在噴嘴內(nèi)部，從液相噴孔中噴出的液體在高速氣流的沖擊下發(fā)生破碎，形成氣液摻混的形態(tài)，該類型的噴嘴霧化效果非常好，即便是粘度比較高的液體，也可以獲得很好的霧化，可以滿足結(jié)冰風(fēng)洞中對(duì)于云霧系統(tǒng)平均水滴直徑的需求。

空氣助力霧化噴嘴是滿足結(jié)冰風(fēng)洞對(duì)于云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)平均水滴直徑的關(guān)鍵設(shè)備，與之對(duì)應(yīng)，云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)需要配置壓力、流量、溫度可調(diào)的供水、供氣系統(tǒng)。云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)的供水、供氣原理圖示如下：

供水系統(tǒng)主要由水處理設(shè)備、穩(wěn)壓罐、換熱器、水泵、壓力傳感器、流量計(jì)、溫度傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。供水系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)壓罐、水泵以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、傳感器等測(cè)量控制供水壓力及流量；通過(guò)換熱器控制供水溫度。供氣系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、壓縮空氣罐、換熱器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及壓力傳感器、溫度傳感器等組成。供氣系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)壓罐、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器等測(cè)量控制供氣壓力；通過(guò)換熱器控制供氣溫度。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的主要參數(shù)進(jìn)行了淺述，并討論了滿足各項(xiàng)指標(biāo)所需的配套設(shè)備；針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞中的云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)，探討了一種供水、供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可供結(jié)冰風(fēng)洞的設(shè)計(jì)進(jìn)行參考。

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