■ 趙飛 徐春雷 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

（趙飛，中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工作）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰是危及飛行安全的嚴(yán)重問(wèn)題，結(jié)冰試驗(yàn)是驗(yàn)證數(shù)值仿真得到的結(jié)冰特性以及防冰系統(tǒng)性能的主要手段，而結(jié)冰霧化參數(shù)測(cè)試則是結(jié)冰試驗(yàn)的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。

在《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33）、《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25）和《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》（GJB241A）中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)冰條件、結(jié)冰試驗(yàn)內(nèi)容及防冰系統(tǒng)的驗(yàn)證提出了明確的要求，因此需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)，通過(guò)制冷、噴霧等系統(tǒng)模擬不同結(jié)冰類型和結(jié)冰程度，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)防除冰系統(tǒng)的有效性。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣截面處的液態(tài)水含量、平均有效水滴直徑是影響結(jié)冰類型和程度的主要霧化參數(shù)，也是評(píng)價(jià)結(jié)冰條件是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的重要指標(biāo)[1]。因此，準(zhǔn)確有效地測(cè)量液態(tài)水含量、平均有效水滴直徑，研究各種測(cè)試方法以及影響其測(cè)量準(zhǔn)確度的因素，對(duì)確保結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。

液態(tài)水含量測(cè)試方法

液態(tài)水含量（LWC）是指單位體積的空氣中所含有的液態(tài)水的質(zhì)量，在結(jié)冰研究中的單位為g/m3。液態(tài)水含量越大，單位時(shí)間內(nèi)撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)表面的水量越多，則結(jié)冰越嚴(yán)重。液態(tài)水含量主要影響結(jié)冰類型和結(jié)冰形狀。LWC的測(cè)量方法主要有冰刀法、熱線法、超聲波法等[2]。其中，熱線法和超聲波法需要專門(mén)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量準(zhǔn)確、快速，但成本相對(duì)較高；冰刀法測(cè)量方法及裝置簡(jiǎn)單，但總體效率較低，主要用于測(cè)量結(jié)果間的對(duì)比驗(yàn)證。

圖1 冰刀裝置示意

冰刀法

冰刀法常用的測(cè)量裝置是冰刀，如圖1[3]所示，其原理是將冰刀置于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量段中，一段時(shí)間后，工作面就會(huì)生長(zhǎng)一定量的冰，通過(guò)分析冰刀上結(jié)冰厚度和結(jié)冰時(shí)間等參數(shù)計(jì)算LWC。冰刀法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單快捷、成本低，缺點(diǎn)是未考慮結(jié)冰過(guò)程中液態(tài)水蒸發(fā)的影響，因?yàn)楸斗y(cè)量液態(tài)水含量是假設(shè)撞擊在冰刀工作面的過(guò)冷水滴全部?jī)鼋Y(jié)，即收集系數(shù)為1，而實(shí)際的水滴收集系數(shù)總是小于1，所以這種方法測(cè)得的液態(tài)水含量會(huì)有誤差，而且溫度越高，蒸發(fā)量越多，誤差也越大。

熱線法

熱線法分為恒溫式和恒壓式。恒溫式是水滴撞在熱線上被加熱蒸發(fā)帶走熱量，系統(tǒng)需消耗額外的功率來(lái)維持線圈在恒定的溫度上，所消耗的額外功率與液態(tài)水含量成正比，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)功率的增加值即可得到LWC。恒壓式是水滴撞在熱線上使熱線溫度降低，電阻值減小，電橋平衡被打破從而產(chǎn)生的電壓差，電壓差與液態(tài)水含量成正比，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電橋輸出電壓可以計(jì)算LWC[4]。

熱線法常用的測(cè)量設(shè)備主要有：美 國(guó)DMT公 司 的LWC-300 Probe，如圖2（a）所示，測(cè)量范圍為0～3g/m3，測(cè)量精度為±10%；加拿大天空物理技術(shù)（Sky PhysTech）公司的Nevzorov4 Probe，如圖2（b）所示，液態(tài)水含量測(cè)量范圍和精度與LWC-300相同，同時(shí)它還有LWC-300不具備的總水含量測(cè)量探頭，總水含量（TWC）減去液態(tài)水含量即可實(shí)現(xiàn)冰晶含量（IWC）的測(cè)量，這對(duì)飛機(jī)防除冰技術(shù)的研究是非常重要的；美國(guó)SEA公司 的WCM-2000 Probe，如圖2（c）所示，也可以實(shí)現(xiàn)總水含量的測(cè)量，在風(fēng)速低于150m/s時(shí)，液態(tài)水含量測(cè)量范圍可達(dá)10g/m3，當(dāng)風(fēng)速小于230m/s時(shí)測(cè)量范圍為0～6 g/m3。以上幾種測(cè)量設(shè)備都是恒溫式裝置。

熱線法原理簡(jiǎn)單，裝置小巧，安裝方便，能夠測(cè)量直徑在5μm 以上的水滴。在熱線裝置固定的情況下，電流的增加值與熱線散熱量相關(guān)， 散熱量除了跟撞擊在熱線上的水滴蒸發(fā)帶走的熱量有關(guān)外，還受環(huán)境溫度、氣流速度影響，所以為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，熱線法適用于環(huán)境溫度和風(fēng)速都相對(duì)固定的氣流中。

圖2 3種常用的恒溫式熱線儀探頭

超聲波法

超聲波法是將超聲波發(fā)射器和接收感應(yīng)器垂直于氣流安置。當(dāng)超聲波通過(guò)含有水滴的氣流時(shí)，波的強(qiáng)度會(huì)因水滴的散射和吸收而減弱，通過(guò)分析接收感應(yīng)器接收到的波振幅和頻率特性，可以計(jì)算出LWC[5]。由于超聲波法和氣流速度有關(guān)，所以也不適合風(fēng)速比較不穩(wěn)定的場(chǎng)合，而且該方法目前還處于研究階段，暫時(shí)沒(méi)有貨架商品供使用。

液態(tài)水含量測(cè)試方法存在的問(wèn)題

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰霧化參數(shù)測(cè)試中，液態(tài)水含量的測(cè)量多采用冰刀法和熱線法。冰刀法一般為非標(biāo)定制或自研，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、成本低廉，但測(cè)量效率低，且測(cè)量范圍受限，無(wú)法測(cè)量高液態(tài)水含量；熱線法是采用成熟的LWC / TWC測(cè)量系統(tǒng)，裝置簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，但成本較高且易受環(huán)境影響，下一步的研究方向應(yīng)是如何消除環(huán)境溫度和氣流速度帶來(lái)的誤差。

平均有效水滴直徑測(cè)試方法

平均有效水滴直徑（MVD）是指大于該直徑的水滴總體積等于小于該直徑的水滴總體積。MVD直接影響結(jié)冰區(qū)域：粒徑過(guò)大，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中冷卻不充分，不能形成過(guò)冷水滴，且相互碰撞的概率增大；粒徑過(guò)小，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，在高風(fēng)速時(shí)可能會(huì)繞流，不能與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生碰撞。MVD的測(cè)量方法主要有前向散射分光測(cè)量?jī)x、光學(xué)陣列測(cè)量?jī)x、相位多普勒粒子分析儀及光纖光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)[6-7]。這4種方法均為光學(xué)測(cè)量法，其中前兩種為接觸性光學(xué)測(cè)量，可直接放置于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量段氣流中；后兩種為非接觸光學(xué)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量段的觀察窗進(jìn)行測(cè)量。

前向散射分光測(cè)量?jī)x

前向散射分光測(cè)量?jī)x（FSSP）是美國(guó)粒子度量（Particle Metrics）公司研制的一種光學(xué)粒徑測(cè)量?jī)x，其原理為當(dāng)粒子通過(guò)FSSP激光束時(shí)會(huì)發(fā)生散射，通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度可以計(jì)算出粒子的直徑，測(cè)量范圍為直徑1～45μm或1～95μm。

影響FSSP測(cè)量精度的因素主要有水滴數(shù)量密度和速度，數(shù)量密度的上限取決于探頭體積和儀器的電子電路速度，極限是500個(gè)/cm3。速度的上限取決于儀器本身電子電路的極限，水滴速度超過(guò)極限也會(huì)產(chǎn)生粒徑測(cè)量誤差。其他影響因素還有校準(zhǔn)誤差、激光束激發(fā)誤差等。FSSP特點(diǎn)是響應(yīng)快、分辨率高，但測(cè)量范圍有一定局限且物理尺寸較大，測(cè)量精度易受系統(tǒng)誤差影響，如儀器狀態(tài)、結(jié)冰或霧的影響等。

光學(xué)陣列測(cè)量?jī)x

光學(xué)陣列測(cè)量?jī)x（OAP）也是由美國(guó)粒子度量公司制造，其測(cè)量范圍廣且型號(hào)多，能夠測(cè)量小到10μm大到幾毫米的水滴。該測(cè)量?jī)x的原理是當(dāng)水滴通過(guò)OAP的激光束時(shí)，光學(xué)陣列探測(cè)器中的光電二極管能探測(cè)到水滴穿過(guò)陣列的陰影。OAP有一維和二維兩種類型：一維OAP探測(cè)到的陰影長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的就是水滴的直徑，每隔一定區(qū)間記錄一次陰影數(shù)目，根據(jù)水滴尺寸分布即可計(jì)算出MVD；二維OAP還能提供水滴圖像，可用于區(qū)分水滴和冰晶。

影響OAP 測(cè)量精度的因素主要有：計(jì)數(shù)誤差、焦外小水滴造成的小水滴尺寸譜變寬、高數(shù)量密度導(dǎo)致的重合誤差、速度誤差和統(tǒng)計(jì)不確定度等。OAP常用于測(cè)量直徑大于100μm的小水滴。其特點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，響應(yīng)快、分辨率高，但物理尺寸較大，安裝復(fù)雜，且測(cè)量結(jié)果易受系統(tǒng)誤差和結(jié)冰的影響。

相位多普勒粒子分析儀

相位多普勒粒子分析儀（PDPA）是根據(jù)運(yùn)動(dòng)粒子的光散射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)粒子直徑和速度的同時(shí)測(cè)量。其原理是粒子穿過(guò)兩束激光的相交處產(chǎn)生散射光，因散射光到接收平面所經(jīng)過(guò)的光路長(zhǎng)短不同，符合相干條件，形成干涉條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理器處理后輸出的信號(hào)頻率正比于流體的速度，而不同信號(hào)間的相位差正比于粒子的直徑。結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣為兩相流介質(zhì)，根據(jù)所測(cè)得的粒子大小與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以獲得兩相速度。

PDPA安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量段外，通過(guò)觀察窗進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)速范圍廣，配合位移坐標(biāo)架可實(shí)現(xiàn)空間三維方向測(cè)量，適用于兩相流介質(zhì)，較適合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)粒徑的測(cè)量。不足之處在于對(duì)觀察窗玻璃的光學(xué)特性要求較高，且低溫狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致玻璃結(jié)霜，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，因PDPA測(cè)粒徑假設(shè)小水滴是圓形的，所以小水滴的圓度將直接影響PDPA測(cè)量精度。

光纖光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

光纖光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（FOS）是近些年的研究熱點(diǎn)，目前實(shí)際應(yīng)用到結(jié)冰試驗(yàn)的還不多，光纖測(cè)量法的特點(diǎn)是測(cè)量裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、防水性好、測(cè)量精度高，且非常適合復(fù)雜條件下的結(jié)冰試驗(yàn)。

平均有效水滴直徑測(cè)試方法存在的問(wèn)題

在平均有效水滴直徑的測(cè)試中，PDPA應(yīng)用最為廣泛，它可以精確、快速測(cè)量?jī)上嗔鹘橘|(zhì)中小尺寸球形粒子的直徑和速度，但對(duì)于大尺寸的非球形粒子存在顯著測(cè)量誤差。此外，非接觸法測(cè)粒徑的光學(xué)窗口設(shè)計(jì)的問(wèn)題也有待解決。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)通過(guò)吸氣方式實(shí)現(xiàn)水霧的吸入，從而模擬結(jié)冰的效果。吸入式的方式要求測(cè)量窗口必須安裝玻璃。由于測(cè)量段是圓筒形狀，兩面如果都是平面玻璃會(huì)導(dǎo)致測(cè)量段內(nèi)部嚴(yán)重積水甚至結(jié)冰，因此測(cè)量窗口應(yīng)至少有一面為弧形玻璃。石英光學(xué)玻璃透光率好但抗振性差且無(wú)法彎曲，有機(jī)玻璃可做到較大尺寸且在一定厚度下可以彎曲，但透光性不如石英光學(xué)玻璃。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)中測(cè)量段的開(kāi)窗方案以及窗口玻璃的選擇仍需進(jìn)一步研究。

結(jié)束語(yǔ)

在液態(tài)水含量測(cè)量方面，SEA公司的WCM-2000是基于多熱線的總水含量測(cè)量系統(tǒng)，其對(duì)高水含量云霧條件以及過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件下的液態(tài)水含量測(cè)量具有極大潛力，因此針對(duì)該設(shè)備的測(cè)量方法研究將會(huì)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)液態(tài)水含量測(cè)量研究的重點(diǎn)。在平均有效水滴直徑測(cè)試方面，基于影像技術(shù)的粒徑測(cè)試技術(shù)以及光纖粒徑測(cè)試技術(shù)將是MVD測(cè)試技術(shù)的主要發(fā)展方向。深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰霧化參數(shù)測(cè)試方法，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰特殊環(huán)境，積極研制物理尺寸小、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、對(duì)流場(chǎng)干擾小的測(cè)量裝置，特別是利用光學(xué)或聲學(xué)原理的測(cè)量方法，對(duì)結(jié)冰試驗(yàn)研究和防除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平提升具有重要意義。