高郭池, 李保良, 丁 麗, 王梓旭, 倪章松

(1. 中國民用航空沈陽航空器適航審定中心, 沈陽 110043; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)冰是影響飛行安全的重要因素之一，據(jù)統(tǒng)計[1-2]，在1978年至2010年期間，每年大約有8起因結(jié)冰導(dǎo)致的民機(jī)飛行事故或事故癥候，而軍機(jī)則平均為10萬飛行小時1次。飛機(jī)結(jié)冰會使飛機(jī)升阻特性惡化、失速迎角及穩(wěn)定性裕度減小、操縱性能降低，可能造成發(fā)動機(jī)空中熄火、飛行顯示數(shù)據(jù)失真等。風(fēng)洞試驗和飛行試驗表明[3]，機(jī)翼上表面或前緣的冰積聚，即使厚度和粗糙度不如一片粗糙的砂紙，也可產(chǎn)生大約30%的升力損失和最大到40%的阻力增加，而臨界冰積聚則可能導(dǎo)致80%的升力損失和阻力增加。因此，為了保證飛機(jī)在預(yù)期、已知和非預(yù)期結(jié)冰條件下的飛行安全，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)、歐洲航空安全局(EASA)、巴西國家民用航空局(ANAC)、加拿大民用航空局(TCCA)和中國民用航空局(CAAC)等適航當(dāng)局對結(jié)冰條件的型號合格審定都提出了最低水平安全要求。西方國家對除防冰技術(shù)的研究始于20世紀(jì)40年代，在結(jié)冰對飛機(jī)性能及安全的影響、結(jié)冰氣象預(yù)報、結(jié)冰風(fēng)洞試驗技術(shù)及測試設(shè)備、除防冰系統(tǒng)及結(jié)冰探測等方面進(jìn)行了廣泛和深入的研究，大量研究成果已得到實際應(yīng)用。目前在用的結(jié)冰風(fēng)洞有20余座，以美國IRT結(jié)冰風(fēng)洞和意大利IWT結(jié)冰風(fēng)洞為代表。美國IRT結(jié)冰風(fēng)洞承擔(dān)美國航空器的結(jié)冰風(fēng)洞試驗任務(wù)，意大利航空航天研究中心(CIRA)的IWT結(jié)冰風(fēng)洞則進(jìn)行歐盟航空器結(jié)冰風(fēng)洞試驗，從而形成歐美兩大航空器結(jié)冰風(fēng)洞試驗中心，先后完成了多類飛機(jī)型號的適航合格審定任務(wù)。

與國外相比，國內(nèi)結(jié)冰風(fēng)洞試驗技術(shù)的研究起步較晚，直到2013年才建成首座大型結(jié)冰風(fēng)洞。目前國內(nèi)尚無在結(jié)冰風(fēng)洞中完成民用飛機(jī)適航合格審定的案例。

隨著我國飛機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展和適航審定要求的提高，飛機(jī)除防冰問題越來越受到重視，至今已有ARJ21-700、Y12F和TP150等3個型號的飛機(jī)在國外進(jìn)行了結(jié)冰風(fēng)洞試驗，其中Y12F飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗于2011年在美國Cox & Company公司的LIRL結(jié)冰風(fēng)洞完成；TP150飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗于2016年在美國聯(lián)合技術(shù)公司(UTC)航空航天系統(tǒng)的Goodrich結(jié)冰風(fēng)洞完成。Y12F飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗，經(jīng)中國CAAC和美國FAA審查代表全程目擊，成功通過了適航審查。

Y12F飛機(jī)和TP150飛機(jī)均采用了氣動除冰系統(tǒng)(氣動除冰套由Goodrich公司研制)。本文著重總結(jié)Y12F飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗方法與技術(shù)，介紹試驗采用的風(fēng)洞與模擬設(shè)備，描述了試驗?zāi)Ｐ图皻鈩映籽b置概況，驗證了試驗氣動除冰套與原型除冰套充/排氣規(guī)律的匹配關(guān)系?？紤]到LIRL結(jié)冰風(fēng)洞性能的限制，采用Modified Ruff相似準(zhǔn)則對試驗條件進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，并介紹了結(jié)冰試驗驗證的流程與數(shù)據(jù)采集方法，最后給出代表性試驗結(jié)果。試驗?zāi)M了Y12F飛機(jī)左機(jī)翼外側(cè)部段氣動除冰套在結(jié)冰氣象條件下的工作狀態(tài)，驗證了系統(tǒng)的除冰效果，獲得典型狀態(tài)的循環(huán)冰特性，試驗結(jié)果通過了CAAC和FAA的同時審查，為獲得CAAC和FAA型號合格證奠定了良好基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備

1.1 結(jié)冰風(fēng)洞

美國Cox & Company公司的LIRL結(jié)冰風(fēng)洞主要由風(fēng)扇、通風(fēng)塔、冷卻器、噴霧系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和2個試驗段等部分組成，如圖1所示。Y12F結(jié)冰風(fēng)洞試驗在第一試驗段進(jìn)行，第一試驗段寬28inch、高46inch、長6.5feet，兩側(cè)洞壁上有可旋轉(zhuǎn)的嵌入式圓盤，試驗?zāi)Ｐ蛢啥税惭b在圓盤上，通過圓盤旋轉(zhuǎn)改變試驗?zāi)Ｐ陀?。在無阻塞情況下，第一試驗段的最大風(fēng)速可達(dá)195knots；已有的風(fēng)洞試驗經(jīng)驗表明,當(dāng)類似尺寸的模型安裝在風(fēng)洞中時，其最大風(fēng)速約為170knots。LIRL結(jié)冰風(fēng)洞按照SAE ARP5905[4]要求進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果表明結(jié)冰風(fēng)洞第一試驗段中流動分布和結(jié)冰云分布最均勻的區(qū)域位于試驗段截面的中心區(qū)域。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞示意圖

試驗段：試驗段左右兩側(cè)洞壁上對稱安裝有轉(zhuǎn)盤，試驗?zāi)Ｐ蛢啥送ㄟ^螺栓與轉(zhuǎn)盤相連，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動改變試驗?zāi)Ｐ偷挠?，如圖2所示。

測控系統(tǒng)：測控系統(tǒng)(控制臺)可以設(shè)置和測量結(jié)冰風(fēng)洞試驗參數(shù)，并通過控制整個結(jié)冰風(fēng)洞試驗設(shè)備的運行改變結(jié)冰風(fēng)洞試驗條件，實現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)洞試驗的等效模擬試驗狀態(tài)，如圖3所示。

圖2 試驗段轉(zhuǎn)盤及觀察窗口

圖3 結(jié)冰風(fēng)洞控制臺

1.2 氣動除冰套模擬驅(qū)動裝置

氣動除冰套模擬驅(qū)動裝置構(gòu)型如圖4所示。為保證試驗結(jié)果盡可能接近原型除冰套工作情況，壓力調(diào)節(jié)器、引射閥應(yīng)與原型產(chǎn)品相同，以確保試驗裝置內(nèi)膨脹壓力、引射壓力與實際情況一致。由于除冰套試驗?zāi)Ｐ烷L度小于原型除冰套，其充/排氣體體積小于真實情況，為補(bǔ)償這種誤差,結(jié)冰風(fēng)洞外部連接了1個氣罐(或氣囊)。

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

試驗?zāi)Ｐ鸵跃S持真實飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料為原則，截取了左機(jī)翼外側(cè)的某一展向段，采用全尺寸比例制作，材料為鋁合金，模擬了機(jī)翼的前緣后掠角、可拆卸前緣與主翼盒之間的表面蒙皮對接縫隙等細(xì)節(jié)。

試驗?zāi)Ｐ蜕习惭b了1個外段原型除冰套，除冰套與機(jī)翼蒙皮的間隙為0.5～1.0mm。除冰套控制線路中安裝有壓力傳感器，實時監(jiān)控壓力變化，以確保每次試驗中除冰套循環(huán)工作壓力保持恒定。除冰試驗?zāi)Ｐ秃凸庋b置見圖5。

3 氣動除冰套充/排氣規(guī)律驗證

保證試驗過程中氣動除冰套的充/排氣規(guī)律是正確模擬飛機(jī)在結(jié)冰氣象環(huán)境下飛行過程中除冰系統(tǒng)運行狀態(tài)的前提，也是氣動除冰類飛機(jī)結(jié)冰試驗區(qū)別于常規(guī)結(jié)冰試驗的關(guān)鍵技術(shù)?！禮12F飛機(jī)飛行手冊》“正常操作程序”章節(jié)中規(guī)定：“…在進(jìn)入結(jié)冰環(huán)境時啟動除冰套工作”。因此在結(jié)冰風(fēng)洞試驗中，當(dāng)模擬結(jié)冰云的水滴開始噴射時，要同時啟動除冰套開始循環(huán)工作，其工作模式只有1種周期為1min的循環(huán)工作模式。

Goodrich公司過去生產(chǎn)的舊式氣動除冰套一般采用2種工作模式。結(jié)冰風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，舊式除冰套的3min模式循環(huán)冰積聚比較嚴(yán)重，除冰效果較好；而1min模式下循環(huán)冰積聚較少，除冰效果不理想,需要幾個循環(huán)才能清除干凈，但容易產(chǎn)生冰橋。新式除冰套(見圖6)因增強(qiáng)了壓力而基本采用周期1min的統(tǒng)一模式。

(a) 除冰試驗?zāi)Ｐ?/p>

(b) 供氣裝置

圖6 新舊式除冰套對比示意圖

Y12F飛機(jī)氣動除冰系統(tǒng)的工作模式只有1種選擇，即周期1min的循環(huán)工作模式，氣動除冰套按1min的時間間隔循環(huán)工作，其中除冰套充氣鼓起時間為6s，然后開始抽真空直至下一次循環(huán)。試驗前已在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)完成了氣動除冰套模型充氣和排氣規(guī)律驗證。通過實時觀察除冰套內(nèi)嵌入式壓力傳感器測量數(shù)據(jù)，監(jiān)控除冰套的充/排規(guī)律。獲得的壓力曲線與原型除冰套壓力曲線進(jìn)行對比驗證，如圖7所示。圖中綠色實線來自原型除冰套實測結(jié)果，紅色虛線取自結(jié)冰風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，二者基本相同；偏離的原因是結(jié)冰風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀窗刮渤姿鶎?dǎo)致，但偏離主要發(fā)生在低壓和抽真空階段，不影響除冰效果。

4 試驗狀態(tài)轉(zhuǎn)換與確定

結(jié)冰風(fēng)洞試驗的目標(biāo)試驗狀態(tài)最大試驗風(fēng)速為301knots，而LIRL結(jié)冰風(fēng)洞試驗段在安裝試驗?zāi)Ｐ蜁r風(fēng)速限制為170knots，因此應(yīng)對目標(biāo)試驗條件進(jìn)行等效變換以達(dá)到結(jié)冰風(fēng)洞試驗段能夠?qū)崿F(xiàn)的試驗條件。由于結(jié)冰風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ捅壤秊?∶1，因此不必對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行縮比變換，僅通過調(diào)整液態(tài)水含量(LWC)、水滴平均直徑(MVD)、靜溫、除冰套自動循環(huán)周期這4個試驗參數(shù)進(jìn)行等效變換使試驗風(fēng)速降到170knots，并且等效變換前后的結(jié)冰情況等同[5-6]。

圖7 除冰套模型壓力曲線與除冰套原型壓力曲線對比

Fig.7Comparisonbetweenthepressurecurveofde-icingbootmodelandthepressurecurveofprototypede-icingboot

本文采用典型的Modified Ruff相似準(zhǔn)則[7]，以某一典型目標(biāo)試驗狀態(tài)為例進(jìn)行等效變換(見表1、2)，所用相似參量主要包括：水滴積聚系數(shù)A、相對熱力因子b、翼型弦長c、水滴慣性修正參數(shù)K0、前緣駐點凍結(jié)系數(shù)n0、前緣駐點捕獲系數(shù)β0、靜溫Tst、自由來流速度V、平均水滴直徑δ、結(jié)冰時間τ、氣流中水蒸氣壓力pst、水滴能量傳遞參數(shù)Φ以及空氣能量傳遞參數(shù)θ。下標(biāo)“st”表示目標(biāo)試驗靜態(tài)參數(shù)，“R”表示目標(biāo)試驗狀態(tài)參數(shù)，“s”表示等效目標(biāo)試驗狀態(tài)參數(shù)。

表1 試驗狀態(tài)等效變換方法Table 1 The scaled method on test conditions

通過分析CCAR25部附錄C結(jié)冰大氣條件[8]、以及CCAR-23-R3部、AC23.1419-2D和AC20-73A等規(guī)章與指南[9-15]，結(jié)合Y12F飛機(jī)的飛行包線，制定結(jié)冰風(fēng)洞試驗的目標(biāo)試驗狀態(tài)(目標(biāo)試驗條件矩陣)，通過Modified Ruff方法進(jìn)行試驗條件的等效變換，得到結(jié)冰風(fēng)洞試驗的等效模擬試驗狀態(tài)(擴(kuò)展試驗條件矩陣)，見表3。

表2 試驗狀態(tài)等效變換結(jié)果Table 2 The scaled results on test conditions

表3 結(jié)冰風(fēng)洞試驗的等效模擬試驗狀態(tài)Table 3 Scaled test conditions of icing wind tunnel test

5 數(shù)據(jù)采集設(shè)備與方法

試驗主要采用3種方式采集試驗數(shù)據(jù)：錄像設(shè)備、高清數(shù)字相機(jī)和冰形描圖。在結(jié)冰風(fēng)洞試驗過程中，攝像機(jī)安裝在試驗段的適當(dāng)位置(如左側(cè)和頂部)以獲得觀察氣動除冰套的最佳視角，保持焦距、縮放比例、視屏分辨率等設(shè)置不變，以保證視頻記錄的冰積聚生長和脫落特性、氣動除冰套工作情況的連貫性以及各試驗狀態(tài)之間的統(tǒng)一性。每項試驗均用高清數(shù)字相機(jī)記錄試驗狀態(tài)和試驗結(jié)果，包括靜溫、風(fēng)速、液態(tài)水含量、水滴直徑，以及試驗?zāi)Ｐ偷挠?、循環(huán)時間和次數(shù)等。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括：攝像機(jī)(2臺)、高清數(shù)字相機(jī)(1臺)、熱刀(4個)、卡鉗尺(3個)、直尺(量程15cm)、卷尺(量程100cm)、方格紙(用于描繪冰形)、描圖筆、砂紙(用于確定冰形表面粗糙度)、標(biāo)牌(標(biāo)記試驗狀態(tài)序號)、鐵鏟(用于鏟除試驗段玻璃窗冰霜)。

(1) 描圖筆。為了便于描繪冰形圖，可將鉛筆削好的一端約3cm處掰折90°，再稍加固定，即可制成簡易實用的“L”形描圖筆，如圖8所示。

圖8 “L”形描圖筆

(2) 熱刀。熱刀為可加熱的金屬板，切冰前可將熱刀放進(jìn)加溫箱內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度應(yīng)避免對氣動除冰套表面造成損傷而影響結(jié)冰風(fēng)洞試驗效果，溫度一般為80～100℃。

(3) 描圖板(卡鉗尺+方格紙)。描圖板由卡鉗尺和方格紙組成，兩者的內(nèi)輪廓與試驗?zāi)Ｐ痛郎y剖面的前緣外形吻合。在試驗?zāi)Ｐ颓熬壯卣瓜蜃笾杏?個位置分別制作描圖板，以便在描繪冰形圖時紙板卡與試驗?zāi)Ｐ捅砻嬷g卡貼合適，獲取準(zhǔn)確的冰形描圖。圖9給出試驗?zāi)Ｐ偷谋螠y量位置示意圖。

6 試驗流程

(1) 調(diào)整試驗?zāi)Ｐ陀牵谶m當(dāng)位置擺放好標(biāo)牌，打開攝像機(jī)；

(2) 開啟結(jié)冰風(fēng)洞、冷卻器，待試驗段風(fēng)速、靜溫達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定后，記錄風(fēng)速、靜溫的指示數(shù)據(jù)；

(3) 打開噴霧系統(tǒng)并激活氣動除冰套開始計時，記錄試驗段液態(tài)水含量、平均水滴直徑、氣動除冰套膨脹壓力數(shù)據(jù)；

圖9 冰形測量位置

(4) 觀測結(jié)冰和除冰過程，根據(jù)需要進(jìn)行拍照，記錄標(biāo)牌或控制臺所指示的試驗狀態(tài)；

(5) 待達(dá)到預(yù)期的結(jié)冰狀態(tài)后，立即關(guān)停風(fēng)洞、冷卻器、噴霧系統(tǒng)和氣動除冰系統(tǒng)；

(6) 打開帶有加熱裝置的窗門進(jìn)入風(fēng)洞，開始采集冰形數(shù)據(jù)；

(7) 在試驗?zāi)Ｐ颓熬夁x定為臨界冰形的位置，沿順氣流方向插入熱刀，融化結(jié)冰得到冰截面；

(8) 在熱刀融冰的縫隙位置插入紙板卡，用描圖筆沿冰截面描繪冰形，即可得到冰形描圖；

(9) 在熱刀融冰的縫隙位置，用直尺測量冰形厚度尺寸并記錄于冰形描圖的相對位置，用卷尺測量冰積聚范圍及冰形相對位置并記錄在冰形描圖上；

(10) 冰形粗糙度，將各種型號的砂紙與冰形表面進(jìn)行目測對比，找到與冰形表面粗糙度相似的砂紙，將二者對比結(jié)果拍攝照片(如圖10所示)，并將粗糙度記錄在冰形描圖上；

圖10 冰形表面粗糙度(右)與砂紙(左)對比照片

Fig.10Comparisonoftheroughnessbetweentheiceshapesurface(right)andthesandpaper(left)

(11) 對于冰積聚較少的冰，冰形厚度較小，難以描制冰形描圖，其形狀可用相同粗糙度的砂紙標(biāo)示，但應(yīng)測量冰積聚范圍并記錄在冰形描圖上；

(12) 重復(fù)(7)～(11)步驟采集其他典型位置的冰形數(shù)據(jù)；

(13) 冰形數(shù)據(jù)采集完畢后，使用高壓熱氣除冰槍清理試驗件表面殘冰、液態(tài)水跡等，以保證除冰套在每次試驗開始前都保持相同的表面狀態(tài)。不得使用任何清洗劑，因為清洗劑的殘留將對冰積聚產(chǎn)生一定影響。

7 代表試驗結(jié)果

試驗狀態(tài)：機(jī)翼試驗?zāi)Ｐ?、液態(tài)水含量0.53g/m3、平均水滴直徑17μm、靜溫14℉/-10℃、進(jìn)場/著陸狀態(tài)(模型迎角1.6°)、試驗風(fēng)速88knots、除冰套充氣壓力18psig、除冰套循環(huán)周期60s、連續(xù)最大結(jié)冰條件、模擬驗證循環(huán)冰。

試驗描述：在除冰套循環(huán)工作6個周期后達(dá)到預(yù)定結(jié)冰狀態(tài)，結(jié)束試驗。除冰套的每次充氣膨脹都能將表面結(jié)冰有效地去除。

冰形測量結(jié)果：(1) 在模型前緣整個展長覆蓋有一個厚度為5～6mm的冰帽，并且冰帽光順地貼附在模型前緣的除冰套表面(如圖11所示)。

圖11 機(jī)翼模型前緣

(2) 在模型前緣冰帽之后，除冰套上表面弦向中部位置上，有1道高度為3～4mm的冰脊；在冰脊之后的除冰套上表面上沒有粗糙冰(如圖12所示)。

圖12 機(jī)翼模型上表面

(3) 在除冰套下表面有3道明顯的冰脊，沿弦向由前至后3道冰脊的高度分別為4、3和2mm；在冰脊之后的除冰套下表面上沒有粗糙冰(如圖13所示)。

冰形描繪結(jié)果見圖14。

圖13 機(jī)翼模型下表面

圖14 機(jī)翼模型冰形描繪圖

8 結(jié) 論

(1) 結(jié)冰風(fēng)洞試驗表明，在典型最大結(jié)冰條件下，除冰套工作正常，除冰套上的結(jié)冰能夠在除冰套循環(huán)工作期間正常除去。

(2) 代表試驗結(jié)果表明：在試驗?zāi)Ｐ臀γ嫔纤a(chǎn)生的冰脊具有較高的高度，并且冰脊形狀是迎著來流斜向前長出；在試驗?zāi)Ｐ臀γ嫔系谋刮挥谙蚁蚋亢蟮奈恢?，并且擴(kuò)展到試驗?zāi)Ｐ偷恼麄€展長上；試驗?zāi)Ｐ颓熬夞v點線區(qū)域有較厚的冰帽。