熊建軍，倪章松，李 昱，趙 照，劉 蓓

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽(yáng) 621000;2.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院四川成都 610065)

結(jié)冰風(fēng)洞主要用于解決飛行器在飛行過(guò)程中的結(jié) 冰機(jī)理和防護(hù)問(wèn)題，保證結(jié)冰氣象條件下飛行安全，是飛行器研制、結(jié)冰適航審定的重要地面試驗(yàn)設(shè)備。與其他低速風(fēng)洞一樣，為測(cè)量氣流與模型之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，一般都要借助測(cè)量氣流的壓強(qiáng)和溫度等參數(shù)再通過(guò)計(jì)算確定。在結(jié)冰風(fēng)洞中，穩(wěn)定段噴霧架前、后截面安裝有總壓探針，試驗(yàn)段入口截面安裝有多個(gè)靜壓測(cè)量孔，試驗(yàn)段上壁面中心安裝有皮托管，分別用于測(cè)量風(fēng)洞總壓、靜壓和風(fēng)速。總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元安裝位置如圖1所示[1]。

圖1 總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元安裝位置

總壓/靜壓是穩(wěn)風(fēng)速閉環(huán)控制的反饋參數(shù)，也是高度模擬控制的反饋參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)洞總壓/靜壓是結(jié)冰風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)的重要技術(shù)內(nèi)容。結(jié)冰風(fēng)洞洞內(nèi)最低氣溫至-40℃、空氣濕度至100%、最高可模擬高空5 kPa環(huán)境氣壓，風(fēng)洞內(nèi)有噴霧系統(tǒng)模擬云霧參數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，一定含量、粒徑的過(guò)冷液態(tài)水滴隨氣流撞擊到總/靜壓進(jìn)氣口，容易結(jié)霜結(jié)冰，堵塞測(cè)量孔而無(wú)法精確測(cè)量該點(diǎn)總壓/靜壓，直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。無(wú)防冰功能的皮托管結(jié)冰如圖2所示。

圖2 無(wú)防冰功能皮托管結(jié)冰

為滿(mǎn)足結(jié)冰風(fēng)洞的使用要求，在狹小空間內(nèi)設(shè)計(jì)帶溫度反饋的防冰總壓探針、皮托管和壁面靜壓測(cè)量單元，創(chuàng)新電加熱控制策略，解決了結(jié)冰堵塞總壓/靜壓進(jìn)氣口問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞總、靜壓參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量。

1 總壓/靜壓測(cè)量應(yīng)用研究

動(dòng)力系統(tǒng)是結(jié)冰風(fēng)洞最重要的組成部分，是風(fēng)洞的心臟，一般采用風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制或試驗(yàn)段穩(wěn)風(fēng)速閉環(huán)控制。采用穩(wěn)風(fēng)速閉環(huán)控制時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集風(fēng)洞總壓、靜壓、大氣壓力、風(fēng)洞總溫等試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，在穩(wěn)風(fēng)速閉環(huán)控制器作用下，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，與風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)組成串級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)洞內(nèi)阻塞度，風(fēng)洞總溫、總壓、靜壓等試驗(yàn)參數(shù)變化時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持試驗(yàn)段風(fēng)速穩(wěn)定在控制精度范圍，穩(wěn)風(fēng)速控制原理如圖3所示。

圖3 穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)原理框圖

其中，試驗(yàn)段風(fēng)速V與馬赫數(shù)M、音速a、總壓P0、靜壓PS、干空氣比熱γ、總溫T0、氣體常數(shù)R的關(guān)系如下式所示:式中，干空氣的比熱值為1.399，R約等于286.763。

同時(shí)，結(jié)冰風(fēng)洞配套有羅茨泵和水環(huán)泵組成的高度模擬系統(tǒng)，最高模擬20000m高空，環(huán)境氣壓低至5 kPa。高度模擬系統(tǒng)的壓力反饋來(lái)自靜壓測(cè)量。

根據(jù)1952年11月國(guó)際民用航空組織通過(guò)的大氣數(shù)據(jù)參數(shù)模型，氣壓高度H與靜壓 Ps的關(guān)系如下[2-3]:

H=45383.95-6341.62lnPs，H∈(11000，20000)

因此，結(jié)冰風(fēng)洞總壓、靜壓測(cè)量精準(zhǔn)度和可靠性直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 防冰總壓/靜壓探針設(shè)計(jì)要求

參照飛機(jī)防冰皮托管和風(fēng)洞防冰總壓/靜壓探針應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下:

①在各種試驗(yàn)條件下，防冰控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，總壓、靜壓進(jìn)氣口不結(jié)冰堵塞;

②在總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元狹窄空間內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局，在每個(gè)測(cè)量單元內(nèi)嵌入溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)電加熱溫度閉環(huán)控制;

③針對(duì)電加熱溫度控制滯后特性，總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元防冰控制系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)特性，溫度控制精度以滿(mǎn)足防冰效果為依據(jù);

④設(shè)計(jì)配套皮托管風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段風(fēng)速;

⑤防冰控制系統(tǒng)通過(guò)本地/遠(yuǎn)程切換，可以實(shí)現(xiàn)本地觸摸屏監(jiān)控運(yùn)行，也可遠(yuǎn)程嵌入風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行;

⑥本地/遠(yuǎn)程監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示各電加熱支路的當(dāng)前溫度、工作電流、電加熱功率以及皮托管測(cè)量的實(shí)時(shí)風(fēng)速。

3 防冰總壓/靜壓測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外結(jié)冰風(fēng)洞防冰總壓/靜壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)少，僅有少量介紹飛機(jī)防冰皮托管的文獻(xiàn)。飛機(jī)皮托管利用金屬細(xì)管前端的小孔探測(cè)來(lái)流空氣的全壓，通過(guò)機(jī)頭兩邊的靜壓探頭探測(cè)機(jī)身周?chē)撵o壓，經(jīng)過(guò)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，解算出馬赫數(shù)、空速、飛行高度等。由于高空溫度低，皮托管又處于迎風(fēng)位置，皮托管的探頭口和內(nèi)部管道極易結(jié)冰。一旦結(jié)冰就會(huì)改變流體通過(guò)的口徑，甚至堵塞皮托管，直接影響飛行數(shù)據(jù)的指示，必須對(duì)皮托管進(jìn)行加熱控制。飛機(jī)皮托管最小外徑為16mm，一般安裝在飛機(jī)機(jī)頭迎風(fēng)部位，與蒙皮連接。防冰皮托管內(nèi)安裝有正溫度系數(shù)的PTC鎧裝電阻式加熱器，其主要特點(diǎn)是加熱器電阻值隨溫度升高而升高，發(fā)熱功率隨溫度升高而逐漸減小至穩(wěn)定功率300W[4-5]。

與飛機(jī)上皮托管工作環(huán)境不同，飛機(jī)飛行過(guò)程中，空速高、散熱性能好，加熱電源通過(guò)開(kāi)關(guān)直接接入加熱電阻絲;結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)復(fù)雜，試驗(yàn)條件多變，風(fēng)洞運(yùn)行、停車(chē)時(shí)間不一，總壓探針、皮托管管徑較飛機(jī)上皮托管管徑小。如果不考慮風(fēng)洞運(yùn)行條件，持續(xù)給防冰加熱主回路通電，會(huì)導(dǎo)致加熱器高溫熔斷而斷路?；谝陨显颍Y(jié)冰風(fēng)洞總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元結(jié)構(gòu)可以參考飛機(jī)皮托管設(shè)計(jì)，不改變氣動(dòng)外形，優(yōu)化管內(nèi)結(jié)構(gòu)和布置，將溫度傳感器嵌入管頭，保證電加熱元件絕緣不受損，溫度分布均勻，沒(méi)有加熱死區(qū)。

3.1 總壓探針、皮托管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)需求，測(cè)量流場(chǎng)中某一點(diǎn)的總壓時(shí)，可在該點(diǎn)放置一根總壓管，總壓開(kāi)口端正對(duì)氣流方向，總壓開(kāi)口端垂直于氣流方向的平面，另一端用導(dǎo)管和傳感器相連。氣流流進(jìn)總壓開(kāi)口后，因不能再流動(dòng)而被阻滯，從而感受出管口處的局部總壓?？倝禾结樚筋^為半球形，通過(guò)不銹鋼支臂和翼型支板伸出洞壁，通過(guò)法蘭與洞壁連接。探針加熱部分材料為黃銅，總壓探頭前段通過(guò)隔板將內(nèi)部腔體隔開(kāi)，前部空腔為總壓室，開(kāi)有排水孔排除積水，并通過(guò)導(dǎo)管將總壓從內(nèi)部引出。電加熱器呈雙螺旋狀焊接于探針內(nèi)壁上，采用帶鎧電加熱絲發(fā)熱，發(fā)熱芯線(xiàn)為鎳鉻合金電阻絲，電絕緣層采用礦物氧化鎂，鎧裝層采用不銹鋼護(hù)套。發(fā)熱芯線(xiàn)與外部導(dǎo)線(xiàn)連接處采用玻璃燒結(jié)方式固定并密封處理，避免連接處斷裂，同時(shí)防止水汽進(jìn)入加熱器絕緣層使絕緣性能受到影響。溫度傳感器也預(yù)埋進(jìn)管內(nèi)總壓室附近。總壓探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

皮托管的探頭、加熱器布置、溫度傳感器安裝與總壓探針一致，后部腔體在尾部出口密封作為靜壓室，在靜壓室表面開(kāi)有靜壓孔，并從密封處引出靜壓導(dǎo)管。靜壓孔處的氣流會(huì)受到頭部和后支桿的影響，氣流流過(guò)半球形頭部時(shí)，流速增加，靜壓下降，使得測(cè)量到的靜壓比實(shí)靜壓低，產(chǎn)生負(fù)誤差。后支桿對(duì)氣流有減速作用，使靜壓增高，產(chǎn)生正誤差。當(dāng)靜壓孔在一定位置時(shí)，就可以使頭部和后支桿這兩種影響相互抵消，較準(zhǔn)確地感受出氣流的靜壓。皮托管外徑為10mm，靜壓孔在距離管頭80mm處，沿同一截面均勻分布6個(gè)靜壓孔。

圖4 總壓探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 防冰靜壓測(cè)量單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在低速風(fēng)洞中，風(fēng)洞壁面靜壓通常在風(fēng)洞內(nèi)洞壁表面沿法線(xiàn)方向開(kāi)一小孔來(lái)感受該位置的靜壓，測(cè)壓孔直徑一般在0.5～2mm范圍內(nèi)，孔深與孔徑比值大于2以上，測(cè)壓孔的軸線(xiàn)與壁面垂直，孔內(nèi)壁光滑，孔口無(wú)毛刺或倒角，孔口附近的物面光滑無(wú)凹坑或凸出物，測(cè)壓孔與風(fēng)洞內(nèi)壁面平整無(wú)階差，即可準(zhǔn)確測(cè)量該點(diǎn)局部靜壓[6]。

結(jié)冰風(fēng)洞靜壓測(cè)量單元安裝在試驗(yàn)段入口截面，在左、右壁面各開(kāi)兩個(gè)圓孔用于安裝靜壓測(cè)量單元，各靜壓測(cè)量單元輸出的靜壓導(dǎo)管經(jīng)均壓后分別接入測(cè)量、控制用靜壓傳感器。靜壓測(cè)量單元由加熱體、安裝法蘭、靜壓管等組成。加熱體采用柱狀結(jié)構(gòu)，外部尺寸與洞壁開(kāi)孔尺寸一致。加熱體軸向開(kāi)多個(gè)孔，分別用于安裝電熱管、測(cè)壓管、溫度傳感器等。其中測(cè)壓孔為通孔，靜壓管插入其中。靜壓管一端和洞壁內(nèi)側(cè)加熱體端面整體切割，保證端面平整，測(cè)壓管內(nèi)壁光滑，孔口無(wú)毛刺或倒角;靜壓管靠洞壁外側(cè)一端焊接錐度接頭，外部靜壓導(dǎo)管與錐度接頭連接。加熱絲芯線(xiàn)與外部加熱電源導(dǎo)線(xiàn)連接;溫度傳感器接入溫控儀;加熱體孔隙填充絕緣層，外部用耐高溫膠封堵。加熱體外套環(huán)狀法蘭，法蘭內(nèi)徑與加熱體外徑一致，法蘭徑向設(shè)計(jì)一定數(shù)量的安裝螺絲孔，用于調(diào)節(jié)加熱體在法蘭內(nèi)軸向移動(dòng)，調(diào)整加熱體端面與內(nèi)洞壁面平整度，并將法蘭與加熱體緊固成一體;軸向設(shè)計(jì)一定數(shù)量的安裝通孔，孔徑與洞壁安裝螺釘絲孔一致，用于將法蘭和加熱體固定在洞壁內(nèi)。防冰靜壓測(cè)量單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 靜壓測(cè)量單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 防冰總壓/靜壓測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)、飛機(jī)皮托管飛行試驗(yàn)、仿真計(jì)算，皮托管、探針等處于迎風(fēng)面的總壓進(jìn)氣口和支臂處最容易結(jié)冰。防冰總壓/靜壓測(cè)量控制系統(tǒng)必須重點(diǎn)解決皮托管、總壓探針等迎風(fēng)面的總壓進(jìn)氣口和支臂處結(jié)冰問(wèn)題;針對(duì)電加熱溫度控制滯后特性，優(yōu)化控制策略，提高控制系統(tǒng)快速性，達(dá)到溫度控制精度。

4.1 防冰控制系統(tǒng)主回路

根據(jù)防冰總壓/靜壓測(cè)量總體設(shè)計(jì)要求，考慮同類(lèi)探針、皮托管、靜壓測(cè)量單元電阻基本一致，為簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同類(lèi)電加熱對(duì)象采用并聯(lián)方式工作，2個(gè)總壓測(cè)量截面的4支總壓探針加熱單元分別并聯(lián)，4支靜壓測(cè)量單元加熱單元并聯(lián)，試驗(yàn)段2支皮托管加熱單元并聯(lián)，控制系統(tǒng)共4個(gè)電加熱主回路。

防冰控制系統(tǒng)主回路由進(jìn)線(xiàn)電源、加熱電源、斷路器、固態(tài)繼電器、溫控儀、控制電源等組成。進(jìn)線(xiàn)電源根據(jù)加熱功率、耐壓等級(jí)可以選擇單相或三相交流電源，也可使用直流電源，本系統(tǒng)選用交流進(jìn)線(xiàn)電源。加熱電源用于調(diào)節(jié)加熱電壓幅值，輸出幅值可調(diào)節(jié)的加熱電壓，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選用程控電源、開(kāi)關(guān)電源等，本系統(tǒng)選用手動(dòng)調(diào)壓器。電加熱主回路的固態(tài)繼電器是否導(dǎo)通，受溫控儀或運(yùn)行管理系統(tǒng)輸出的PLC控制。溫控器根據(jù)溫度反饋，或運(yùn)行管理系統(tǒng)綜合風(fēng)洞總溫、試驗(yàn)段風(fēng)速等連鎖參數(shù)，接通或斷開(kāi)固態(tài)繼電器的控制電源，控制固態(tài)繼電器導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電加熱主回路是否加熱。防冰電加熱控制系統(tǒng)主回路如圖6所示。

4.2 防冰控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

皮托管、總壓探針、靜壓測(cè)量單元嵌入的溫度傳感器采用Pt100鉑電阻，鉑電阻變化值與連接導(dǎo)線(xiàn)電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值。為提高測(cè)量精度，傳感器采用三線(xiàn)制，消除引線(xiàn)電阻的影響。為準(zhǔn)確測(cè)量每個(gè)支路的工作電流，在每個(gè)加熱支路安裝電流隔離變送器，變送器將各支路電流轉(zhuǎn)換為4～20mA后送達(dá)分布式采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集各支路加熱電流。溫控儀、分布式采集模塊均支持ModbusRTU通信，與控制柜面的一體化觸摸屏通信，觸摸屏控制程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控各加熱支路電流、加熱溫度，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。觸摸屏控制程序采用MCGS組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，與風(fēng)洞測(cè)控網(wǎng)采用以太網(wǎng)通信，實(shí)時(shí)傳輸各加熱支路的工作電流、溫度反饋、設(shè)定溫度等數(shù)據(jù)[7-8]。

圖6 防冰電加熱控制系統(tǒng)主回路

圖7 防冰控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.3 皮托管風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)

皮托管輸出的總壓、靜壓，經(jīng)過(guò)導(dǎo)管接入差壓傳感器。差壓傳感器量程為-250～62.3kPa，輸出電流為4～20mA，工作環(huán)境溫度為-40～+80℃，精度為0.04%。該傳感器安裝在主試驗(yàn)段上壁面順氣流中心線(xiàn)，共2支，分別測(cè)量試驗(yàn)段來(lái)流和尾流動(dòng)壓。動(dòng)壓、氣壓、風(fēng)洞總溫等參數(shù)一并輸入到動(dòng)力控制系統(tǒng)PLC的模擬量輸入模塊，按照沿流線(xiàn)、定常、無(wú)粘、不可壓條件下伯努利方程，通過(guò)計(jì)算間接測(cè)量試驗(yàn)段實(shí)時(shí)風(fēng)速反饋。

4.4 電加熱防冰控制設(shè)計(jì)

為提高控制系統(tǒng)適用性，電加熱防冰控制系統(tǒng)大致有3種控制方法，分別為溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓連續(xù)控制方法、溫度閉環(huán)主回路通斷控制方法和溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制方法。3種控制方法都要求設(shè)計(jì)前準(zhǔn)確計(jì)算防冰電加熱功率，再以此完成加熱電源配套和電加熱主回路設(shè)計(jì)，保證加熱功率有一定裕度又不至于浪費(fèi)。溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓連續(xù)控制適合便于安裝溫度傳感器的加熱對(duì)象，溫度控制精度高，電加熱快速性好，防冰效果好，但要求配套數(shù)字可調(diào)電源，電源電壓連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試難度較大。溫度閉環(huán)主回路通斷控制調(diào)節(jié)電加熱主回路通斷時(shí)間調(diào)節(jié)電加熱功率，加熱電源采用手動(dòng)調(diào)壓器或可調(diào)電源，電加熱溫度有一定波動(dòng)，控制精度一般。對(duì)不便嵌入溫度傳感器的防冰控制系統(tǒng)，可以采用溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制。由于沒(méi)有采用數(shù)字可調(diào)電源，本系統(tǒng)采用了溫度閉環(huán)主回路通斷控制、溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制相結(jié)合方案，兩種控制方式可以任意切換。

為提高溫度控制系統(tǒng)的快速性和控制精度，針對(duì)溫度控制滯后特性，防冰控制系統(tǒng)采用了變結(jié)構(gòu)溫度控制策略:根據(jù)設(shè)定溫度與反饋溫度差或?qū)崟r(shí)測(cè)量的溫度變化率，自動(dòng)調(diào)節(jié)電加熱回路的電加熱時(shí)間。當(dāng)防冰控制系統(tǒng)剛投入運(yùn)行時(shí)，溫度給定階躍變化，溫度反饋遠(yuǎn)低于溫度設(shè)定，電加熱回路以最大電壓幅值連續(xù)工作，保證溫度加熱的快速性;當(dāng)溫度反饋與溫度設(shè)定值相差10%以?xún)?nèi)，電加熱防冰控制系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，通過(guò)控制主回路的固態(tài)繼電器通斷時(shí)間，保證電加熱溫度不超調(diào)。為保證防冰控制系統(tǒng)通用性，監(jiān)控界面預(yù)留了溫度差、溫度變化率設(shè)置窗口，可以根據(jù)不同加熱對(duì)象調(diào)整變結(jié)構(gòu)控制參數(shù)[6-7]。

針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞中不便安裝溫度傳感器的電加熱對(duì)象，可以采用溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制，同樣可以達(dá)到較好的防冰效果。采用風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制時(shí)，一旦風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)達(dá)到加熱條件，動(dòng)力系統(tǒng)PLC 的I/O模塊輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，接通+5V電源信號(hào)，觸發(fā)主回路固態(tài)繼電器導(dǎo)通，電加熱主回路通電持續(xù)加熱。當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)沒(méi)達(dá)到加熱條件，動(dòng)力系統(tǒng)PLC 的I/O模塊輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài)不變，固態(tài)繼電器關(guān)閉，該電加熱主回路停止加熱。通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，風(fēng)洞總溫、試驗(yàn)風(fēng)速等是防冰控制的主要影響參數(shù)，在防冰溫度控制系統(tǒng)中，將以上參數(shù)設(shè)置一定的限值，達(dá)到加熱條件，防冰加熱電源接通連續(xù)加熱;一旦不具備加熱條件，防冰加熱電源斷開(kāi)。依據(jù)風(fēng)洞調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)速、總溫值分別設(shè)置為10m/s和0℃，僅當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速高于設(shè)定值且風(fēng)洞總溫低于設(shè)定值時(shí)，電加熱防冰系統(tǒng)連續(xù)工作;任一條件不滿(mǎn)足，電加熱防冰系統(tǒng)停止工作。

5 控制系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

在總壓探針、皮托管、靜壓測(cè)量孔加工完成后，依次驗(yàn)證了電加熱效果，檢查溫度分布情況。根據(jù)皮托管、總壓探針紅外熱成像檢測(cè)的熱成像看，電加熱溫度分布均勻，尤其在容易結(jié)冰區(qū)域，沒(méi)有加熱死區(qū)。

控制系統(tǒng)安裝完成后，先后檢查各加熱支路線(xiàn)路接線(xiàn)，線(xiàn)路絕緣，測(cè)量每個(gè)通道的加熱電阻，在確認(rèn)無(wú)誤后，依次調(diào)試防冰控制功能是否達(dá)到使用要求。

在結(jié)冰風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)，由于皮托管安裝在試驗(yàn)段上頂面中軸線(xiàn)，試驗(yàn)期間風(fēng)速高，風(fēng)速變化較大，散熱快，必須保證電加熱快速性和較高的溫度控制精度，皮托管防冰控制采用溫度閉環(huán)主回路通斷控制策略。對(duì)總壓探針、靜壓測(cè)量單元，由于安裝位置風(fēng)速較低，結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)較小，同時(shí)部分總壓探針內(nèi)不便安裝溫度傳感器，總壓探針、靜壓測(cè)量單元采用了溫度閉環(huán)主回路通斷控制、溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制相結(jié)合的控制策略。皮托管和靜壓測(cè)量單元電加熱測(cè)試效果分別如圖8、圖9所示。

圖8 皮托管電加熱測(cè)試

圖9 靜壓測(cè)量單元電加熱測(cè)試

從圖8皮托管電加熱測(cè)試分析，采用溫度閉環(huán)主回路通斷控制策略時(shí)，在試驗(yàn)段風(fēng)速、加熱電壓一致的情況下，控制主回路通斷時(shí)間，初期反饋溫度與設(shè)定溫度基本一致;隨著風(fēng)洞總溫逐漸降低，為增加加熱量，主回路導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，最后主回路連續(xù)導(dǎo)通;隨著散熱量增加，在加熱量不變的情況下，反饋溫度逐漸降低，最后穩(wěn)定在2℃左右。從應(yīng)用效果看，只要進(jìn)氣口溫度高于0℃就可以達(dá)到防冰效果。從圖9靜壓測(cè)量單元電加熱測(cè)試分析，靜壓測(cè)量單元采用了溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制策略，當(dāng)風(fēng)洞總溫、試驗(yàn)風(fēng)速等達(dá)到防冰控制條件時(shí)，防冰控制系統(tǒng)主回路連續(xù)工作，初期反饋溫度與設(shè)定溫度基本一致;隨著風(fēng)洞總溫逐漸降低，散熱量增加，在加熱量不變情況下，反饋溫度有所降低，防冰效果較好。

6 結(jié)束語(yǔ)

防冰控制系統(tǒng)針對(duì)過(guò)冷液態(tài)水滴容易在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)總壓、靜壓測(cè)量裝置的進(jìn)氣口結(jié)冰問(wèn)題，在狹小空間內(nèi)設(shè)計(jì)了帶溫度反饋的防冰總壓探針、皮托管和壁面靜壓測(cè)量單元，研制了電加熱防冰控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電加熱溫度閉環(huán)控制;設(shè)計(jì)配套了皮托管風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段風(fēng)速;防冰控制系統(tǒng)通過(guò)本地觸摸屏監(jiān)控/遠(yuǎn)程嵌入風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控各電加熱支路的當(dāng)前溫度、工作電流、電加熱功率以及皮托管測(cè)量的實(shí)時(shí)風(fēng)速。防冰控制系統(tǒng)采用溫度閉環(huán)主回路通斷控制和溫度開(kāi)環(huán)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)連鎖控制相結(jié)合控制策略，實(shí)現(xiàn)了電加熱防冰控制系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)和控制精度要求，解決了總壓、靜壓進(jìn)氣口結(jié)冰問(wèn)題，提高了總壓/靜壓測(cè)量的精準(zhǔn)度和可靠性，保障了風(fēng)洞試驗(yàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定、防冰效果好，已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)冰風(fēng)洞各項(xiàng)試驗(yàn)中。