任戰(zhàn)鵬，吳敬濤，吳學敏，成竹

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

降雪環(huán)境對于飛機等武器裝備是一種極端氣候環(huán)境，飛機在起飛、降落或停放期間均有可能受到降雪環(huán)境的影響，引起風擋、機翼、槳葉、雷達罩、發(fā)動機進氣道以及外掛武器元件等部位結冰，導致起落架、襟翼等活動部件卡滯，武器系統(tǒng)故障等，影響飛機系統(tǒng)的正常工作。當降雪強度較大時，可能導致APU 不能正常啟動或者性能下降[1-4]。

目前我國在飛機研制過程中，通過外場試驗對飛機系統(tǒng)降雪環(huán)境適應性進行試驗考核，但外場試驗的環(huán)境條件不可控，溫度、降雪強度、風速都會出現(xiàn)較大的變化。同時，外場降雪試驗給試驗保障設備、試驗監(jiān)測與測量設備以及試驗人員的操作帶來很多問題和挑戰(zhàn)，不但增加了試驗成本和試驗周期，而且很難保證試驗達到飛機設計的考核要求[5-6]。為避免外場試驗出現(xiàn)的各種困難，且保證降雪環(huán)境條件滿足飛機各系統(tǒng)降雪試驗的考核要求，文中從成雪的機理出發(fā)，結合室內模擬降雪的特點，通過對實驗室內模擬降雪環(huán)境關鍵技術的分析與研究，設計了一種實驗室內降雪環(huán)境模擬方法，可滿足飛機等武器裝備降雪環(huán)境適應性的考核要求，為我國飛機等武器裝備的降雪環(huán)境適應性試驗研究提供技術支持。

1 降雪環(huán)境形成機理

自然界的降雪主要是云中的過冷水滴和冰晶相互碰撞，部分冰晶迅速增大，當冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時，便從空中落下，在空氣溫濕度、氣流、降落高度等因素的影響下，最終形成了各種形狀的雪花[7-10]。最常見的雪花為六角形，如圖1 所示。實驗室是一個有限的空間，實驗室內模擬降雪受溫度、濕度、水溫、霧化水滴直徑、氣流組織形式以及實驗室空間大小等因素的影響，很難形成自然界中真實雪花形狀的降雪環(huán)境。實驗室內模擬降雪是通過過冷水霧化，在有限的空間和距離內冷凝結晶，形成“雪花”，最終在指定區(qū)域內形成降雪環(huán)境，通過這樣方式形成的雪花為不規(guī)則的橢球狀，如圖2 所示。

圖1 自然界最常見的六角形雪花Fig.1 Common hexagonal snowflake in nature

圖2 實驗室內人工造雪Fig.2 False snowflake in laboratory

實驗室內模擬降雪，溫度是保證成雪的前提。水經過霧化，在實驗室內形成降雪需要大量冷量，實驗室內溫度隨著試驗的進行會升高，所以實驗室內降雪過程中，須保證實驗室內溫度的穩(wěn)定，滿足降雪的冷負荷需求[11-12]。濕度直接影響著降雪的品質，如果實驗室內濕度太大，則模擬的降雪為“濕雪”，雪的密度和黏性較大，雪品質較差。在濕度較低環(huán)境下，模擬的造雪為“干雪”，雪的密度和黏性較小，雪的品質較好。

對飛機等武器裝備來說，雪的微觀形狀對系統(tǒng)功能或性能沒有任何影響，但“濕雪”的密度較大，雪的黏性較高，易引起設備或部件的凍結或卡滯等故障。因此相對“干雪”，“濕雪”環(huán)境對于飛機等武器裝備更為嚴酷。

2 實驗室降雪環(huán)境模擬

根據(jù)飛機等武器裝備的降雪試驗需求，在氣候環(huán)境實驗室中設計了飛機降雪試驗系統(tǒng)，可在實驗室內-25～-5 ℃溫度范圍內模擬一定強度的降雪環(huán)境，滿足飛機等武器裝備的降雪環(huán)境試驗需求。實驗室降雪試驗系統(tǒng)降雪環(huán)境指標見表1。

表1 降雪試驗系統(tǒng)指標Tab.1 Indicators of snow test system

2.1 實驗室降雪模擬冷負荷

溫度是實驗室內模擬降雪環(huán)境的關鍵，降雪過程中必須保證降雪所需的冷量需求，持續(xù)對實驗室內進行相應的冷量補償，保證實驗室內溫度滿足降雪試驗要求。實驗室進行降雪試驗時，需要消耗大量的冷量，其中降雪試驗系統(tǒng)模擬降雪所需冷負荷是實驗室降雪試驗時最大冷負荷，主要由降雪用水成雪的過程產生。為提高降雪效率，并降低實驗室溫度控制的冷負荷，降雪采用2 ℃的水。降雪試驗系統(tǒng)在實驗室中的成雪過程如下：2 ℃的水（T1）到0 ℃的水（放熱，顯熱）；0 ℃的水（T0）到0 ℃的“雪花”（放熱，潛熱）；0 ℃的雪花到-25 ℃的“雪花”（放熱，顯熱）；環(huán)境溫度下水霧蒸發(fā)（吸熱，潛熱）。

降雪過程中，一部分的霧化水在成雪過程中蒸發(fā)，使得實驗室濕度增加。為得出不同水滴直徑與蒸發(fā)率之間的變化關系，采用不同霧化型號噴嘴，在一定溫度和濕度條件下進行了試驗測試，得出霧化水滴直徑和蒸發(fā)率之間的關系，如圖3 所示?？梢钥闯觯谝欢ǖ臏囟群蜐穸认?，隨著霧化液滴直徑的增大，蒸發(fā)率基本保持不變；在一定溫度條件下，實驗室內相對濕度越小，降雪霧化水的蒸發(fā)率越高。在-5 ℃降雪工況時，降雪霧化水的蒸發(fā)率在6%～8.5%之間變化，-25 ℃降雪試驗時，水的蒸發(fā)量約為3.8%。

圖3 水滴直徑與蒸發(fā)率關系Fig.3 Relationship between water drop diameter and evaporation rate

為保證實驗室降雪試驗的持續(xù)進行，需對實驗室 進行冷量補償，保證實驗室內環(huán)境溫度控制在試驗要求溫度。其中實驗室內-25 ℃條件下，降雪強度75 mm/h、有效降雪面積700 m2是實驗室降雪試驗冷量需求最大的降雪工況。根據(jù)實驗室模擬降雪時霧化水的成雪過程，可得出實驗室降雪試驗時，降雪模擬所需的冷負荷計算為：

Q=m水·[C水·(t1-t0)+h+C冰·(t0-t2)]-m蒸h蒸+W (1)

式中：m水為降雪試驗用水量；t1為水溫；t0為冰點溫度；t2為目標降雪試驗溫度；C水為水的比熱容；C冰為冰的比熱容；h 為融化潛熱；h蒸為蒸發(fā)潛熱；m蒸為蒸發(fā)水量；W 為降雪試驗系統(tǒng)設備運行功率。

根據(jù)式（1）可得出：實驗室-25 ℃溫度條件下，降雪強度75 mm/h、有效降雪面積700 m2降雪工況的冷負荷為 3079 kW，即降雪試驗的最大冷負荷為3079 kW。

2.2 水滴直徑與成雪距離關系

實驗室內模擬降雪環(huán)境，在滿足降雪冷量需求的前提下，合理的霧化水粒直徑是影響降雪質量和成雪距離的關鍵因素。霧化水滴直徑過大，使得成雪距離較長，并且水滴在空中碰撞凝結，雪粒直徑變大，導致霧化水在空中不能完全形成冰晶，最終成雪的密度和黏性較大，雪的品質較差。霧化水滴直徑較小時，模擬霧化水成雪距離短，并且雪粒直徑較小，霧化水結晶成雪充分，降雪的密度和黏性較小，雪品質較好。

為選擇適用于實驗室降雪試驗要求的霧化水粒直徑，通過適當?shù)膰娮爝x型和調節(jié)供水壓力控制霧化水滴直徑。在-5 ℃和-25 ℃環(huán)境下，對不同水滴直徑霧化水的成雪距離進行了測試，測試結果如圖4 所示?？梢钥闯觯?5 ℃和-25 ℃溫度環(huán)境下，隨著霧 化水滴直徑的增加，成雪距離也隨之增加。根據(jù)實驗室實際空間大小以及飛機等武器裝備的降雪試驗需求，并且保證模擬降雪的品質，選擇100～150 μm 的霧化水滴直徑進行降雪模擬，最短成雪距離約4 m，且雪粒直徑在200 ～400 μm 之間。

圖4 成雪距離隨水滴直徑大小的變化關系Fig.4 Relationship between water drop diameter to freeze

3 實驗室降雪品質

自然界中降雪會受到很多因素影響，如風速、地形等，使得地面積雪厚度有較大的變化，而在實驗室中降雪模擬主要受模擬造雪方式、實驗室空間以及實驗室氣流組織形式的影響。

3.1 降雪均勻性

在實驗室內氣流組織形式下，采用單臺造雪設備在-25 ℃環(huán)境溫度下沿固定方向降雪20 min，沿出雪方向的降雪厚度分布如圖5 所示?？梢钥闯?，沿整個降雪方向，雪厚度分布類似正太分布狀的形式，但在10～35 m 有效降雪距離內，平均每米之間的降雪厚度相差不超過5 mm。

為保證降雪試驗具有更好的降雪均勻性，在進行飛機等武器裝備降雪試驗時，可根據(jù)試驗件的大小，采用多臺造雪設備，通過合理布置，共同進行模擬造雪，這樣可大大提高降雪的均勻性分布。采用兩臺造雪設備對某飛機機翼段的降雪試驗時，沿整個翼展方向，雪厚度相差5 mm，翼寬方向雪厚度僅相差2 mm。飛機等武器裝備的覆雪試驗，一般針對試驗件表面曲率小于60°的區(qū)域[13]，而飛機等武器裝備表面曲率小 于60°的試驗件的表面區(qū)域面積有限，并且對均勻性也沒有非常嚴格的要求，該均勻性完全可以滿足飛機降雪環(huán)境適應性試驗的要求。

圖5 雪厚度沿射程分布Fig.5 Snow thickness and range distribution

3.2 降雪密度

在氣候環(huán)境實驗室中-25 ℃、RH 為70%的環(huán)境下，采用降雪試驗系統(tǒng)進行降雪環(huán)境模擬，對模擬降雪區(qū)域內的不同位置的雪密度進行取樣測量，通過雪密度計算公式（2）計算得出各測點雪密度值（見表2）。

式中：ρ 為雪密度；m 為測量總質量；m1為量桶質量；D 為量桶直徑；h 為雪厚度。

表2 -25 ℃造雪密度檢測Tab.2 The density of simulating snow at -25 ℃

從表2 可以看出，測點中最大雪密度為442.4 kg/m3。由于雪密度受模擬降雪時實驗室內氣流組織的因素，各測點雪密度值呈現(xiàn)一定的離散性。從測量結果來看，平均雪密度為374.8 kg/m3，模擬的降雪的密度和黏性較小，雪的品質較好。

4 結論

通過對自然環(huán)境降雪和實驗室模擬降雪機理的對比分析，提出了影響實驗室內模擬降雪及降雪品質 的關鍵因素，并結合理論分析與試驗研究，得出了實驗室內降雪模擬時的冷負荷計算方法，以及霧化水粒直徑與成雪距離之間的變化關系。最終選擇 100～ 150 μm 的水粒直徑作為實驗室模擬降雪的最優(yōu)水粒直徑，保證了實驗室模擬降雪的成雪距離和降雪品質。建立了氣候環(huán)境實驗室降雪環(huán)境模擬技術，可在氣候實驗室內模擬一定強度的降雪環(huán)境，滿足飛機等武器裝備降雪環(huán)境適應性試驗需求，為飛機等武器裝備的降雪環(huán)境適應性試驗研究提供技術支持。