朱東宇，馮強(qiáng) ，韓曉濤 ，楊希明 ，崔曉春 ，袁立

1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034 2.沈陽(yáng)市飛機(jī)結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110034

3.高速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110034

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是開展飛機(jī)結(jié)冰和防除冰系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究的最基本手段，其結(jié)果將為自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供依據(jù)。SAE AIR 5320統(tǒng)計(jì)了歐美27座結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施，按照制冷方式可以分為制冷型和自然環(huán)境型兩種。

制冷型結(jié)冰風(fēng)洞通過(guò)制冷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫環(huán)境的模擬，多采用閉路回流形式，提高了制冷系統(tǒng)效率，提升了流場(chǎng)品質(zhì)，以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、意大利航空航天研究中心（CIRA）、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）等國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的結(jié)冰風(fēng)洞和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞、中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院（下文簡(jiǎn)稱氣動(dòng)院）FL-61結(jié)冰風(fēng)洞等國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的結(jié)冰風(fēng)洞為典型代表。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為回流式結(jié)冰風(fēng)洞由于試驗(yàn)段尺寸的限制，不能進(jìn)行大尺寸試驗(yàn)件和整機(jī)試驗(yàn)，且閉路回流式大型結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)備規(guī)模大、造價(jià)昂貴、技術(shù)復(fù)雜。利用自然環(huán)境的開放式結(jié)冰風(fēng)洞雖然能量損失較大，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低。

自然環(huán)境型結(jié)冰風(fēng)洞多采用開路形式，通過(guò)吸入冬季自然低溫大氣實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)冰環(huán)境的模擬。自然環(huán)境型結(jié)冰風(fēng)洞不需要制冷系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行成本大幅降低，試驗(yàn)段尺寸可以更大甚至滿足全機(jī)試驗(yàn)需求，使利用冬季環(huán)境低溫進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)成為一種有效的大尺寸結(jié)冰試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)途徑。受自然條件限制，季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的研究主要集中在加拿大、法國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，這些國(guó)家依靠其氣候條件建設(shè)了季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞，發(fā)展了全尺寸機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)整機(jī)等結(jié)冰試驗(yàn)技術(shù)。

本文總結(jié)了國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的基本情況，分析了季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的作用和主要試驗(yàn)?zāi)芰??；跉鈩?dòng)院移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞，發(fā)展了螺旋槳和飛機(jī)整機(jī)地面結(jié)冰試驗(yàn)技術(shù)。我國(guó)北方地區(qū)冬季低溫時(shí)間長(zhǎng)，非常有利于建設(shè)季節(jié)性自然結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施。本文在螺旋槳季節(jié)性結(jié)冰等試驗(yàn)方法研究的基礎(chǔ)上，提出了利用冬季氣候條件建設(shè)季節(jié)性、可移動(dòng)、模塊化組裝的結(jié)冰風(fēng)洞概念設(shè)計(jì)方案，為我國(guó)利用冬季低溫建設(shè)大型季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞提供參考。

1 國(guó)外主要結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施

SAE AIR 5320在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)了截至1999年世界上的27座結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施信息，如表1所示，包括了小尺寸結(jié)冰風(fēng)洞，例如美國(guó)Rosemount結(jié)冰風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸僅有0.25 m×0.25 m；大型結(jié)冰風(fēng)洞，例如美國(guó)NASA的結(jié)冰風(fēng)洞（Icing Research Tunnel， IRT），試驗(yàn)段尺寸1.80 m×2.70 m；大型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施，例如CEPr R6和G.E.Site 6等，試驗(yàn)段尺寸可達(dá)11 m。這些試驗(yàn)設(shè)施主要分布在美國(guó)和歐洲，涵蓋了傳感器、二維翼型、三維機(jī)翼、進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)整機(jī)、直升機(jī)等結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰?，只有利用自然環(huán)境制冷的法國(guó)S1MA風(fēng)洞具備了全尺寸飛機(jī)的結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

表1 結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施信息統(tǒng)計(jì)[2]Table 1 Summary of icing test facilities[2]

部分風(fēng)洞液態(tài)水含量和水滴平均體積直徑等參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，本文仍以SAE AIR 5320為準(zhǔn)，未做更新。

2 國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞及其應(yīng)用

2.1 國(guó)外主要季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞

本文在SAE AIR 5320基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)研了國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的情況，主要包括法國(guó)宇航院（ONERA）的S1MA風(fēng)洞、加拿大NRC的開放式結(jié)冰風(fēng)洞PIWT、美國(guó)FluiDyne的結(jié)冰風(fēng)洞、俄羅斯中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院（TsAGI）的季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞AHT-SD，具體參數(shù)如表2所示。

表2 國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施信息Table 2 Summary of natural icing test facilities

法國(guó)ONERA的S1MA風(fēng)洞是一座常壓連續(xù)式風(fēng)洞，位于法國(guó)莫當(dāng)（Modane），于1952年建成并投入使用，如圖1所示。S1MA是一座多用途風(fēng)洞，可進(jìn)行大尺寸全?；虬肽５臍鈩?dòng)試驗(yàn)，例如飛行器動(dòng)力模擬試驗(yàn)、螺旋槳試驗(yàn)、直升機(jī)旋翼試驗(yàn)、吊艙/掛架/機(jī)翼干擾試驗(yàn)、進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、捕獲軌跡系統(tǒng)和投放試驗(yàn)、聲學(xué)試驗(yàn)和結(jié)冰試驗(yàn)等。試驗(yàn)段直徑8 m，利用室外空氣對(duì)洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行冷卻，冷空氣流量約為試驗(yàn)段流量的20%。結(jié)冰試驗(yàn)通常在11月中旬至次年3月中旬進(jìn)行，主要進(jìn)行大尺寸機(jī)翼、螺旋槳、直升機(jī)部件的結(jié)冰試驗(yàn)。

圖1 S1MA風(fēng)洞示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of S1MA wind tunnel[10]

自1960年開始，ONERA就在S1MA風(fēng)洞進(jìn)行了全尺寸飛機(jī)和直升機(jī)部件（包括“協(xié)和號(hào)”客機(jī)和直升機(jī)槳葉等）的結(jié)冰試驗(yàn)。在1983年S1MA風(fēng)洞開展的直升機(jī)槳葉結(jié)冰試驗(yàn)中，槳葉直徑達(dá)4.2 m，轉(zhuǎn)速為960 r/min。1994年，S1MA風(fēng)洞設(shè)計(jì)加工了一套特殊噴嘴，具備了水滴平均體積直徑 200 μm的結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰Α?995年，S1MA風(fēng)洞進(jìn)行了ATR-72飛機(jī)真實(shí)機(jī)翼外段結(jié)冰試驗(yàn)，外翼展長(zhǎng)5.2 m，帶有真實(shí)氣囊除冰系統(tǒng)。試驗(yàn)風(fēng)速約100 m/s，靜溫–5～–1 ℃，水滴平均體積直徑 100～200 μm，液態(tài)水含量 0.3 g/m3。實(shí)驗(yàn)觀察到了除冰系統(tǒng)開啟后除冰區(qū)域之后的不連續(xù)冰脊，高度達(dá)20 mm，與ATR-72飛機(jī)事故后開展的結(jié)冰飛行試驗(yàn)結(jié)果一致，如圖2所示。

圖2 ATR-72飛機(jī)真實(shí)機(jī)翼在S1MA風(fēng)洞進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)[13]Fig.2 ATR-72 full scale icing test in S1MA[13]

加拿大NRC的開放式結(jié)冰風(fēng)洞PIWT位于加拿大渥太華市，于1981年建成。該風(fēng)洞為直流式自然結(jié)冰風(fēng)洞，由入口段、動(dòng)力段、試驗(yàn)段、排氣段等組成，如圖3所示。試驗(yàn)段截面尺寸3 m×6 m，風(fēng)速40～67 m/s，噴霧系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)段上游，包含16個(gè)噴霧耙，約500個(gè)噴嘴，可實(shí)現(xiàn)水滴平均體積直徑 15～50 μm，液態(tài)水含量 0.1～2.5 g/m3。該風(fēng)洞還配備了降雨系統(tǒng)，可模擬凍雨條件。冬季可利用外界天氣條件獲得所需試驗(yàn)溫度，每年11月至次年3月為試驗(yàn)窗口期。該風(fēng)洞具備直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及其尾槳、飛機(jī)機(jī)翼全尺寸防除冰系統(tǒng)等結(jié)冰試驗(yàn)的能力。由于節(jié)省了制冷系統(tǒng)的費(fèi)用，PIWT成為世界上少有的在尺寸、風(fēng)速、環(huán)境溫度等方面滿足大尺寸模型結(jié)冰試驗(yàn)要求且成本可控的結(jié)冰風(fēng)洞。

圖3 PIWT開放式結(jié)冰風(fēng)洞[14]Fig.3 NRC’s open-circuit propulsion and icing wind tunnel [14]

美國(guó)FluiDyne結(jié)冰風(fēng)洞IWT（圖4）為直流式，由進(jìn)氣室、穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、引射段、擴(kuò)散段等組成。進(jìn)氣室進(jìn)口處安裝了百葉窗裝置，可以避免側(cè)風(fēng)影響。進(jìn)氣室截面約為3.96 m×3.35 m，穩(wěn)定段截面約為2.24 m×2.24 m，長(zhǎng)3.20 m，收縮段收縮比為16∶1，試驗(yàn)段截面尺寸為0.56 m×0.56 m。風(fēng)洞由引射器驅(qū)動(dòng)，噴霧裝置由25個(gè)噴嘴構(gòu)成，安裝在收縮段入口前約2.44 m。該風(fēng)洞最初建設(shè)時(shí)主要是為了滿足全尺寸旋翼高速結(jié)冰試驗(yàn)需求，同時(shí)滿足螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片高速旋轉(zhuǎn)條件下的結(jié)冰試驗(yàn)需求。考慮到旋翼葉尖速度，該風(fēng)洞可實(shí)現(xiàn)Ma=0.8的最大風(fēng)速。Ma=0.8時(shí)風(fēng)洞最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間為12 min，模擬高度約為3 658 m；Ma=0.2時(shí)，風(fēng)洞最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間約為54 min，模擬高度約為610 m。該風(fēng)洞利用冬季自然低溫進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)，風(fēng)洞所在的明尼阿波利斯12月至次年2月70%的時(shí)間最高溫度低于0 ℃。風(fēng)洞試驗(yàn)段上游的氣流能夠被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流溫度的有限控制，使試驗(yàn)條件更加精確。此外，還可以通過(guò)加入蒸汽的方式提高風(fēng)洞內(nèi)濕度。

圖4 美國(guó)FluiDyne結(jié)冰風(fēng)洞IWT[16]Fig.4 FluiDyne icing wind tunnel[16]

俄羅斯TsAGI的季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞AHT-SD于2016年建成，如圖5所示。該風(fēng)洞為直流式自然結(jié)冰風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸為1 m×1 m，最大風(fēng)速150 m/s，最低溫度 –30 ℃，具備三維結(jié)冰試驗(yàn)、過(guò)冷大水滴和冰晶試驗(yàn)等試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

圖5 俄羅斯TsAGI季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞AHT-SD[17]Fig.5 AHT-SD seasonal icing wind tunnel in TsAGI[17]

除以上季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞之外，加拿大還新建了發(fā)動(dòng)機(jī)季節(jié)性結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施（圖6）以滿足大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和適航取證需求。通用電氣公司在位于溫尼伯地區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和研發(fā)中心（Engine Test and Research Development Centre，TRDC）建造了一座造價(jià)達(dá)5千萬(wàn)美元的結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)，于2012年初投入使用，開展了GEnx等型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)。加拿大的普惠和羅羅公司在全球航空航天結(jié)冰與環(huán)境研究中心（Global Aerospace Centre of Icing and Environmental Research，GLACIER）建造了直連式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施，可滿足流量約500 kg/s的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)需求。

圖6 加拿大發(fā)動(dòng)機(jī)季節(jié)性結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施[18-19]Fig.6 Outdoor engine icing test facilities[18-19]

2.2 季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的主要試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的主要特征是試驗(yàn)段尺寸較大、運(yùn)行成本較低，主要為機(jī)翼、直升機(jī)槳葉、發(fā)動(dòng)機(jī)等大尺寸部件提供試驗(yàn)，例如S1MA風(fēng)洞和PIWT風(fēng)洞等。除此之外，螺旋槳、機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)等也需要利用季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞完成。

2.2.1 螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)

1944年美國(guó)在IRT結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行了首次螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)。螺旋槳直徑為15英尺（4.57 m），安裝在修形后的機(jī)身上。IRT風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為1.8 m×2.7 m，如圖7、8所示。為開展試驗(yàn)，只能將螺旋槳安裝在風(fēng)洞擴(kuò)散段，螺旋槳直徑也縮小至11英尺（3.35 m）。試驗(yàn)風(fēng)速約為54 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為800和1 000 r/min，環(huán)境溫度約為–18～–7 ℃，液態(tài)水含量為0.3～0.9 g/m。在上述條件下，完成了槳葉在無(wú)加熱、連續(xù)加熱、間斷加熱等條件下的結(jié)冰與防除冰試驗(yàn)，單槳加熱功率為750～1 250 W。試驗(yàn)研究者認(rèn)為螺旋槳內(nèi)部周期性加熱除冰是螺旋槳防除冰的有效工程方法，目前飛機(jī)螺旋槳也多采用這種除冰方法。

圖7 螺旋槳在結(jié)冰風(fēng)洞擴(kuò)散段中進(jìn)行試驗(yàn)[20]Fig.7 Propeller test in icing wind tunnel[20]

圖8 螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)[21]Fig.8 Ice formation on propellers[21]

將螺旋槳安裝在風(fēng)洞擴(kuò)散段進(jìn)行試驗(yàn)，暫時(shí)解決了尺寸問(wèn)題，但犧牲了一定的流場(chǎng)品質(zhì)和試驗(yàn)效果。2006年美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）又組織多家機(jī)構(gòu)在麥金利（McKinley）氣候室開展了全尺寸螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)（圖9）。在McKinley氣候室主環(huán)境室中部臨時(shí)建造了一個(gè)開口風(fēng)洞，風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)由7個(gè)直徑為2.1 m的風(fēng)扇組成，動(dòng)力段直徑約為8 m，每臺(tái)風(fēng)扇由224 kW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。噴霧架包括12個(gè)均布的噴霧耙，安裝在風(fēng)洞出口。噴霧耙下游為直徑約2.7 m的等直段，用于防止云霧擴(kuò)散。螺旋槳安裝在噴霧耙下游約9.8 m處，此處最大風(fēng)速約為51.4 m/s。流場(chǎng)校測(cè)顯示，流場(chǎng)均勻區(qū)直徑約為1.8 m，如圖10所示。文獻(xiàn)[22]認(rèn)為，流場(chǎng)均勻區(qū)雖然不能覆蓋整個(gè)螺旋槳，但是由于巨大的離心力和較低的凍結(jié)系數(shù)，槳尖并不容易結(jié)冰，試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注螺旋槳75%半徑以內(nèi)的結(jié)冰情況。

圖9 移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)[22]Fig.9 Propeller icing test in McKinley[22]

圖10 McKinley開口風(fēng)洞流場(chǎng)速度型[22]Fig.10 Velocity profile[22]

試驗(yàn)獲取了大量的螺旋槳結(jié)冰數(shù)據(jù)，包括前緣冰形、展向結(jié)冰、脫冰頻率、溢流冰、過(guò)冷大水滴結(jié)冰等。結(jié)果顯示：螺旋槳在過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件下的平均拉力損失為13.4%，最高可達(dá)21.2%；常規(guī)小水滴（CCAR 25部附錄C）結(jié)冰條件會(huì)導(dǎo)致5.9%的拉力損失，最高可達(dá)13.4%。

2.2.2 機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)

民用飛機(jī)型號(hào)合格審定過(guò)程中，為了獲得所需的證據(jù)資料以表明對(duì)適用適航條款的符合性，型號(hào)合格證申請(qǐng)人通常需要采用不同的驗(yàn)證方法，這些方法統(tǒng)稱為“符合性驗(yàn)證方法”。符合性驗(yàn)證方法分為10種，即MC 0～MC 9，其中的MC 5為機(jī)上地面驗(yàn)證試驗(yàn)，CCAR 25部§25.1093（b）（2）條款中進(jìn)氣系統(tǒng)防冰試驗(yàn)即可通過(guò)機(jī)上地面試驗(yàn)完成。

為了滿足機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)需求， McKinley氣候室在2001年啟動(dòng)了一項(xiàng)為期4年的改造項(xiàng)目，將能夠模擬240平方英尺（22.3 m）地面凍霧的已有噴霧系統(tǒng)擴(kuò)展到原來(lái)的3倍面積，能夠滿足大型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)的試驗(yàn)需求。除增大云霧覆蓋范圍之外，McKinley氣候室噴霧系統(tǒng)風(fēng)速也提升至60英里每小時(shí)（26.8 m/s）。機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)如圖11所示，有研究者認(rèn)為，即使絕大多數(shù)飛機(jī)的真實(shí)飛行速度都遠(yuǎn)高于60英里每小時(shí)，但是FAA根據(jù)多年的結(jié)冰試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和良好的安全記錄，能夠接受噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在此風(fēng)速下進(jìn)行試驗(yàn)，前提是液態(tài)水含量足夠高。

圖11 機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)[24]Fig.11 Aircraft ground icing test in McKinley[24]

2014—2015年，McKinley氣候室進(jìn)行了F-35飛機(jī)機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)（圖12），驗(yàn)證結(jié)冰條件下常規(guī)狀態(tài)和垂直起降狀態(tài)的飛機(jī)性能。文獻(xiàn)[25]認(rèn)為機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰εc結(jié)冰數(shù)值模擬能力結(jié)合有助于減少甚至取消F-35的結(jié)冰飛行試驗(yàn)。在氣候室內(nèi)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)不受季節(jié)因素的限制，但會(huì)受到實(shí)驗(yàn)室空間的限制，云霧覆蓋范圍和風(fēng)速都達(dá)不到PIWT等季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的規(guī)模。

圖12 F-35機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)[25]Fig.12 F-35 icing test in McKinley[25]

3 季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究

3.1 季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究

氣動(dòng)院利用哈爾濱冬季低溫環(huán)境，研制了我國(guó)首個(gè)移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞。該風(fēng)洞由承載車、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風(fēng)洞洞體、噴霧架及其附屬管路供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、純水設(shè)備等組成，如圖13所示。結(jié)冰風(fēng)洞可整體移動(dòng)，模擬水滴平均體積直徑范圍為20～50 μm，液態(tài)水含量范圍為0.2～3 g/m，噴霧出口尺寸為2.5 m×2.5 m，試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速為4～15 m/s。

圖13 氣動(dòng)院移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞Fig.13 Natural moveable icing wind tunnel in AVIC ARI

2021年3月，氣動(dòng)院在哈爾濱開展了螺旋槳結(jié)冰與除冰試驗(yàn)研究，試驗(yàn)條件如表3所示。車次1研究了螺旋槳結(jié)冰情況，如圖14所示。槳葉全展向均有結(jié)冰，結(jié)冰主要集中在前緣，最大結(jié)冰厚度約為8 mm，槳葉背面有明顯的大面積霜狀冰，但厚度較小。

表3 螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)狀態(tài)表Table 3 Propeller icing test conditions

圖14 螺旋槳結(jié)冰情況Fig.14 Icing on propeller

車次2～5研究了螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)冰的影響，車次4和5在試驗(yàn)最后1 min轉(zhuǎn)速由1 100 r/min分別增大至1 500和1 900 r/min。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，螺旋槳前緣結(jié)冰未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，整個(gè)前緣結(jié)冰較為均勻。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速增大時(shí)，由于槳尖部有較大的離心力，可看到明顯的冰脫落現(xiàn)象。螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，冰脫落發(fā)生在距槳根部約50 cm處，槳尖部結(jié)冰厚度明顯減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至1 500 r/min時(shí)，冰脫落進(jìn)一步向槳根部發(fā)展，發(fā)生在距槳根部約45 cm處；當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至1 900 r/min時(shí)，整個(gè)槳葉前緣均發(fā)生冰脫落，無(wú)明顯結(jié)冰現(xiàn)象，如圖15所示。文獻(xiàn)指出，螺旋槳除冰裝置的防護(hù)范圍僅為槳葉30%半徑的區(qū)域，由于氣動(dòng)加熱和螺旋槳外部的離心力，因此在超過(guò)槳葉30%半徑的區(qū)域，冰的形成可以忽略不計(jì)。實(shí)際上，在結(jié)冰初期，整個(gè)槳葉前緣都會(huì)有結(jié)冰，隨著轉(zhuǎn)速增大，冰脫落的臨界厚度不斷減小，因此，還需要進(jìn)一步研究冰脫落臨界厚度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及臨界結(jié)冰厚度對(duì)螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能的影響，為螺旋槳除冰區(qū)域布置提供數(shù)據(jù)。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳結(jié)冰情況，從上至下螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為500、1 100、1 500、1 900 r/minFig.15 Propeller icing at different rotation speed, from top to bottom:500, 1 100, 1 500, 1 900 r/min

本文進(jìn)一步利用移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞開展了某無(wú)人機(jī)和Y12E型飛機(jī)機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)研究（圖16），驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)翼面及螺旋槳結(jié)冰與防除冰情況，發(fā)展了具有外場(chǎng)自然環(huán)境、可移動(dòng)、真實(shí)飛機(jī)等特征的機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)方法，為整機(jī)級(jí)結(jié)冰試驗(yàn)研究和民機(jī)結(jié)冰適航取證提供了參考。

圖16 無(wú)人機(jī)和Y12E飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)Fig.16 Icing test on a UAV and Y12E aircraft

3.2 大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞概念設(shè)計(jì)

從表1中的27座結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)施和表2中的4座國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰?lái)看，制冷型結(jié)冰風(fēng)洞與季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞相結(jié)合，可形成涵蓋傳感器、二維翼型、三維機(jī)翼、進(jìn)氣道、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)整機(jī)、直升機(jī)整機(jī)等的結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰?，建立較為系統(tǒng)的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)地面結(jié)冰以及適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)條件。季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞主要采用直流式，在大尺寸機(jī)翼部件、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)整機(jī)等方面的試驗(yàn)?zāi)芰ν怀觥?/p>

季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞最重要的技術(shù)指標(biāo)就是云霧覆蓋范圍和風(fēng)速。以4 m量級(jí)螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)需求為例，結(jié)冰云霧至少需要覆蓋螺旋槳75%的半徑，試驗(yàn)段出口尺寸需在3 m×3 m以上；根據(jù)NASA IRT和McKinley氣候室的研究，螺旋槳試驗(yàn)風(fēng)速也要同時(shí)達(dá)到50 m/s以上。如果進(jìn)一步考慮全尺寸機(jī)翼結(jié)冰試驗(yàn)需求，參考S1MA和PIWT等風(fēng)洞的技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)段風(fēng)速需達(dá)到67 m/s甚至100 m/s。

本文根據(jù)季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的特點(diǎn)和螺旋槳等大尺寸部件的試驗(yàn)需求，提出了一種大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞概念方案。大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞采用直流風(fēng)洞形式，針對(duì)機(jī)上地面試驗(yàn)需求，采取可移動(dòng)、可組合的方案，能夠根據(jù)試驗(yàn)需求和環(huán)境條件移動(dòng)至所需地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)洞設(shè)計(jì)為由4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊組合而成，如圖17所示，每一個(gè)模塊風(fēng)洞參數(shù)相同，試驗(yàn)段出口尺寸為2.5 m×2.5 m。模塊間可按一定形式進(jìn)行組合，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象不同，各模塊可組合為5.0 m×5.0 m、2.5 m×10.0 m等不同形式，如表4所示。

表4 大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰able 4 Large natural moveable icing wind tunnel test capability

圖17 大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞概念方案Fig.17 Concept of a large natural moveable icing wind tunnel

由于季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞無(wú)法控制溫度，試驗(yàn)窗口期的選取非常重要。圖18為哈爾濱2月典型的某日溫度變化曲線，2:00—7:00及14:00—16:00的溫度較為穩(wěn)定，溫度變化不超過(guò)1 ℃，有2個(gè)適合開展結(jié)冰試驗(yàn)的窗口期。圖19為哈爾濱與加拿大Winnipeg全年平均溫度的對(duì)比。兩地每年11月到次年3月的平均最高溫度都低于0 ℃，冬季平均最低溫度接近–30 ℃，每年入冬后和次年開春前有2個(gè)溫度較為接近的試驗(yàn)窗口期。

圖18 哈爾濱2月某日溫度曲線Fig.18 The temperature curve of Harbin on a certain day in February

圖19 哈爾濱與Winnipeg氣溫對(duì)比Fig.19 Temperature comparison between Harbin and Winnipeg

與回流式制冷型結(jié)冰風(fēng)洞相比，大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，但在風(fēng)洞設(shè)計(jì)、調(diào)試和試驗(yàn)等方面還存在難點(diǎn)。例如，風(fēng)洞設(shè)計(jì)階段需要解決模塊化組合與適配的問(wèn)題；調(diào)試階段需要解決自然環(huán)境條件對(duì)云霧參數(shù)的影響問(wèn)題，尤其是環(huán)境濕度對(duì)液態(tài)水含量和水滴平均體積直徑的影響問(wèn)題；試驗(yàn)研究中需要建立試驗(yàn)窗口期選取、溫度和側(cè)風(fēng)等環(huán)境影響因素應(yīng)對(duì)、外場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)施維護(hù)等方法，這些關(guān)鍵問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究和詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了國(guó)外季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的基本情況，分析了季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰妥饔?，重點(diǎn)分析了螺旋槳結(jié)冰和機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)技術(shù)，基于氣動(dòng)院有移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞開展了螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)研究和機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)研究，提出了基于冬季低溫條件建設(shè)大型季節(jié)性可移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞的概念方案，得到如下結(jié)論：

1）季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究的重要試驗(yàn)設(shè)施，由于其利用冬季自然環(huán)境的低溫，無(wú)需制冷系統(tǒng)，具有建設(shè)和使用成本低的優(yōu)勢(shì)。季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞通常試驗(yàn)段尺寸較大，主要用于飛機(jī)全尺寸機(jī)翼、螺旋槳等部件以及發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)上地面結(jié)冰試驗(yàn)。

2）基于移動(dòng)式結(jié)冰風(fēng)洞開展了螺旋槳結(jié)冰試驗(yàn)研究，螺旋槳結(jié)冰主要集中在槳葉前緣。轉(zhuǎn)速對(duì)槳葉冰脫落影響顯著，螺旋槳轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)未發(fā)生冰脫落，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時(shí)，冰脫落導(dǎo)致槳葉前緣無(wú)明顯結(jié)冰現(xiàn)象。

3）利用冬季低溫自然環(huán)境建設(shè)大尺寸、可移動(dòng)、模塊化組裝的直流式季節(jié)性結(jié)冰風(fēng)洞，能夠利用國(guó)內(nèi)氣候條件，試驗(yàn)窗口期與國(guó)外同類設(shè)施相當(dāng)，可滿足大尺寸模型和飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)需求。