高郭池, 李保良, 丁 麗, 王梓旭, 倪章松
(1. 中國(guó)民用航空沈陽航空器適航審定中心, 沈陽 110043; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)
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(jì)[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(shí)1次。飛機(jī)結(jié)冰會(huì)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(dòng)機(jī)空中熄火、飛行顯示數(shù)據(jù)失真等。風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)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(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)、歐洲航空安全局(EASA)、巴西國(guó)家民用航空局(ANAC)、加拿大民用航空局(TCCA)和中國(guó)民用航空局(CAAC)等適航當(dāng)局對(duì)結(jié)冰條件的型號(hào)合格審定都提出了最低水平安全要求。西方國(guó)家對(duì)除防冰技術(shù)的研究始于20世紀(jì)40年代,在結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能及安全的影響、結(jié)冰氣象預(yù)報(bào)、結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)及測(cè)試設(shè)備、除防冰系統(tǒng)及結(jié)冰探測(cè)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(shí)際應(yīng)用。目前在用的結(jié)冰風(fēng)洞有20余座,以美國(guó)IRT結(jié)冰風(fēng)洞和意大利IWT結(jié)冰風(fēng)洞為代表。美國(guó)IRT結(jié)冰風(fēng)洞承擔(dān)美國(guó)航空器的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)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(yàn),從而形成歐美兩大航空器結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中心,先后完成了多類飛機(jī)型號(hào)的適航合格審定任務(wù)。
與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)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(guó)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(guó)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(gè)型號(hào)的飛機(jī)在國(guó)外進(jìn)行了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn),其中Y12F飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)于2011年在美國(guó)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(yàn)于2016年在美國(guó)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(yàn),經(jīng)中國(guó)CAAC和美國(guó)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(dòng)除冰系統(tǒng)(氣動(dòng)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(yàn)方法與技術(shù),介紹試驗(yàn)采用的風(fēng)洞與模擬設(shè)備,描述了試驗(yàn)?zāi)P图皻鈩?dòng)除冰套裝置概況,驗(yàn)證了試驗(yàn)氣動(dòng)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(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換,并介紹了結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證的流程與數(shù)據(jù)采集方法,最后給出代表性試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)?zāi)M了Y12F飛機(jī)左機(jī)翼外側(cè)部段氣動(dòng)除冰套在結(jié)冰氣象條件下的工作狀態(tài),驗(yàn)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(yàn)結(jié)果通過了CAAC和FAA的同時(shí)審查,為獲得CAAC和FAA型號(hào)合格證奠定了良好基礎(chǔ)。
美國(guó)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(cè)控系統(tǒng)和2個(gè)試驗(yàn)段等部分組成,如圖1所示。Y12F結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)在第一試驗(yàn)段進(jìn)行,第一試驗(yàn)段寬28inch、高46inch、長(zhǎng)6.5feet,兩側(cè)洞壁上有可旋轉(zhuǎn)的嵌入式圓盤,試驗(yàn)?zāi)P蛢啥税惭b在圓盤上,通過圓盤旋轉(zhuǎn)改變?cè)囼?yàn)?zāi)P陀?。在無阻塞情況下,第一試驗(yàn)段的最大風(fēng)速可達(dá)195knots;已有的風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)類似尺寸的模型安裝在風(fēng)洞中時(shí),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(yàn)段中流動(dòng)分布和結(jié)冰云分布最均勻的區(qū)域位于試驗(yàn)段截面的中心區(qū)域。
圖1 結(jié)冰風(fēng)洞示意圖
試驗(yàn)段:試驗(yàn)段左右兩側(cè)洞壁上對(duì)稱安裝有轉(zhuǎn)盤,試驗(yàn)?zāi)P蛢啥送ㄟ^螺栓與轉(zhuǎn)盤相連,通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)改變?cè)囼?yàn)?zāi)P偷挠?,如圖2所示。
測(cè)控系統(tǒng):測(cè)控系統(tǒng)(控制臺(tái))可以設(shè)置和測(cè)量結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù),并通過控制整個(gè)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行改變結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)條件,實(shí)現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的等效模擬試驗(yàn)狀態(tài),如圖3所示。
圖2 試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤及觀察窗口
圖3 結(jié)冰風(fēng)洞控制臺(tái)
氣動(dòng)除冰套模擬驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)型如圖4所示。為保證試驗(yàn)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(yàn)裝置內(nèi)膨脹壓力、引射壓力與實(shí)際情況一致。由于除冰套試驗(yàn)?zāi)P烷L(zhǎng)度小于原型除冰套,其充/排氣體體積小于真實(shí)情況,為補(bǔ)償這種誤差,結(jié)冰風(fēng)洞外部連接了1個(gè)氣罐(或氣囊)。
試驗(yàn)?zāi)P鸵跃S持真實(shí)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(duì)接縫隙等細(xì)節(jié)。
試驗(yàn)?zāi)P蜕习惭b了1個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)控壓力變化,以確保每次試驗(yàn)中除冰套循環(huán)工作壓力保持恒定。除冰試驗(yàn)?zāi)P秃凸庋b置見圖5。
保證試驗(yàn)過程中氣動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)的前提,也是氣動(dòng)除冰類飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)區(qū)別于常規(guī)結(jié)冰試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)?!禮12F飛機(jī)飛行手冊(cè)》“正常操作程序”章節(jié)中規(guī)定:“…在進(jìn)入結(jié)冰環(huán)境時(shí)啟動(dòng)除冰套工作”。因此在結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中,當(dāng)模擬結(jié)冰云的水滴開始噴射時(shí),要同時(shí)啟動(dòng)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(dòng)除冰套一般采用2種工作模式。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)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(gè)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(yàn)?zāi)P?/p>
(b) 供氣裝置
圖6 新舊式除冰套對(duì)比示意圖
Y12F飛機(jī)氣動(dòng)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(dòng)除冰套按1min的時(shí)間間隔循環(huán)工作,其中除冰套充氣鼓起時(shí)間為6s,然后開始抽真空直至下一次循環(huán)。試驗(yàn)前已在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)完成了氣動(dòng)除冰套模型充氣和排氣規(guī)律驗(yàn)證。通過實(shí)時(shí)觀察除冰套內(nèi)嵌入式壓力傳感器測(cè)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(duì)比驗(yàn)證,如圖7所示。圖中綠色實(shí)線來自原型除冰套實(shí)測(cè)結(jié)果,紅色虛線取自結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù),二者基本相同;偏離的原因是結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?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。
結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的目標(biāo)試驗(yàn)狀態(tài)最大試驗(yàn)風(fēng)速為301knots,而LIRL結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段在安裝試驗(yàn)?zāi)P蜁r(shí)風(fēng)速限制為170knots,因此應(yīng)對(duì)目標(biāo)試驗(yàn)條件進(jìn)行等效變換以達(dá)到結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段能夠?qū)崿F(xiàn)的試驗(yàn)條件。由于結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P捅壤秊?∶1,因此不必對(duì)試驗(yàn)?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(dòng)循環(huán)周期這4個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行等效變換使試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(duì)熱力因子b、翼型弦長(zhǎng)c、水滴慣性修正參數(shù)K0、前緣駐點(diǎn)凍結(jié)系數(shù)n0、前緣駐點(diǎn)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(shí)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(yàn)靜態(tài)參數(shù),“R”表示目標(biāo)試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù),“s”表示等效目標(biāo)試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)。
表1 試驗(yàn)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(yàn)的目標(biāo)試驗(yàn)狀態(tài)(目標(biāo)試驗(yàn)條件矩陣),通過Modified Ruff方法進(jìn)行試驗(yàn)條件的等效變換,得到結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的等效模擬試驗(yàn)狀態(tài)(擴(kuò)展試驗(yàn)條件矩陣),見表3。
表2 試驗(yàn)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(yàn)的等效模擬試驗(yàn)狀態(tài)Table 3 Scaled test conditions of icing wind tunnel test
試驗(yàn)主要采用3種方式采集試驗(yàn)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(yàn)過程中,攝像機(jī)安裝在試驗(yàn)段的適當(dāng)位置(如左側(cè)和頂部)以獲得觀察氣動(dòng)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(zhǎng)和脫落特性、氣動(dòng)除冰套工作情況的連貫性以及各試驗(yàn)狀態(tài)之間的統(tǒng)一性。每項(xiàng)試驗(yàn)均用高清數(shù)字相機(jī)記錄試驗(yàn)狀態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果,包括靜溫、風(fēng)速、液態(tài)水含量、水滴直徑,以及試驗(yàn)?zāi)P偷挠恰⒀h(huán)時(shí)間和次數(shù)等。
數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括:攝像機(jī)(2臺(tái))、高清數(shù)字相機(jī)(1臺(tái))、熱刀(4個(gè))、卡鉗尺(3個(gè))、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(yàn)狀態(tài)序號(hào))、鐵鏟(用于鏟除試驗(yàn)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(jiǎn)易實(shí)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(duì)氣動(dòng)除冰套表面造成損傷而影響結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)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(yàn)?zāi)P痛郎y(cè)剖面的前緣外形吻合。在試驗(yàn)?zāi)P颓熬壯卣瓜蜃笾杏?個(gè)位置分別制作描圖板,以便在描繪冰形圖時(shí)紙板卡與試驗(yàn)?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(yàn)?zāi)P偷谋螠y(cè)量位置示意圖。
(1) 調(diào)整試驗(yàn)?zāi)P陀?,在適當(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(yàn)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(dòng)除冰套開始計(jì)時(shí),記錄試驗(yàn)段液態(tài)水含量、平均水滴直徑、氣動(dòng)除冰套膨脹壓力數(shù)據(jù);
圖9 冰形測(cè)量位置
(4) 觀測(cè)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(tái)所指示的試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)?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(cè)量冰形厚度尺寸并記錄于冰形描圖的相對(duì)位置,用卷尺測(cè)量冰積聚范圍及冰形相對(duì)位置并記錄在冰形描圖上;
(10) 冰形粗糙度,將各種型號(hào)的砂紙與冰形表面進(jìn)行目測(cè)對(duì)比,找到與冰形表面粗糙度相似的砂紙,將二者對(duì)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(duì)比照片
Fig.10Comparisonoftheroughnessbetweentheiceshapesurface(right)andthesandpaper(left)
(11) 對(duì)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(cè)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(yàn)件表面殘冰、液態(tài)水跡等,以保證除冰套在每次試驗(yàn)開始前都保持相同的表面狀態(tài)。不得使用任何清洗劑,因?yàn)榍逑磩┑臍埩魧?duì)冰積聚產(chǎn)生一定影響。
試驗(yàn)狀態(tài):機(jī)翼試驗(yàn)?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(chǎng)/著陸狀態(tài)(模型迎角1.6°)、試驗(yàn)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(yàn)證循環(huán)冰。
試驗(yàn)描述:在除冰套循環(huán)工作6個(gè)周期后達(dá)到預(yù)定結(jié)冰狀態(tài),結(jié)束試驗(yàn)。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(cè)量結(jié)果:(1) 在模型前緣整個(gè)展長(zhǎng)覆蓋有一個(gè)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
(1) 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明:在試驗(yàn)?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(zhǎng)出;在試驗(yàn)?zāi)P臀γ嫔系谋刮挥谙蚁蚋亢蟮奈恢茫⑶覕U(kuò)展到試驗(yàn)?zāi)P偷恼麄€(gè)展長(zhǎng)上;試驗(yàn)?zāi)P颓熬夞v點(diǎn)線區(qū)域有較厚的冰帽。