麦金利气候实验室的冰冻试验

麦金利气候实验室的冰冻试验
摘要
描述了世界上最大的环境试验室即麦金利气候实验室的主室，着重对商用和军用全尺寸飞机进行大范围的雾冻云模拟试验所用的设备和技术进行了讨论。

举例说明了当前对另外的大的冻云模拟设施的需求。

评述了麦金利气候实脸室最近起步的新的冰冻能力项目, 该项目可大幅改善现有雾冻能力, 并将冰冻能力延伸
到飞行中冰冻的领域。

1.麦金利气候实验室简介
为适应全球战争的需要, 飞机必须经受各种气候的考验, 从阿拉斯加的北极严寒, 中东的沙漠酷热, 到远东的热带雨林。

1943
年, 阿色里·西·麦金利( Ahs l e y c . M ck in ley )上校建议建造一个冷冻飞机棚以产生这样一种受控的极端气候条件。

解决方案是在位于佛罗里达州的Eglin空军基地建造一个冷冻飞机棚。

项目计划在1944年获得批准。

Eglin气候机棚的建成使新组建的美国空军获得一个最大和最重要的试验设施。

由于麦金利上校在设计和建设中起了关键作用, 在1970 年麦金利上校去世后, Eglin 气候机棚被重新命名为麦金利气候实验室。

麦金利气候实验室从1947年起开始运转, 是世界上最大的环境试验室。

主室宽约250英尺, 长260英尺, 室中心高70英尺。

试验室最初的尺寸适合于同时测试两架并排放置的B-29 超级堡垒轰炸机。

在60年代中期，该室增加到现在的尺寸，以适应美军最大的飞机——洛克希德C-5A银河的需要。

麦金利气候实验室的主室实质上是一个绝缘的飞机棚，配备有加热和冷却能力，可以控制在华氏-65度到+165度之间的任意温度，通常用于对全尺寸飞机进行环境试验。

除了温度控制外，该室还有能力支持喷气发动机运转并在发动机运转时维持试验环境。

为实现这项技术，试验室配备了两套独立的空气补充系统。

这些系统被设计成在喷气发动机运转时实时供应经调节温湿度的空气，以补充室内消耗了的空气。

尽管该室最初的意图在于制造温度环境，但多年以后，它已发展成拥有可以制造地球上大部分自然环境的必要能力。

现在，该室的设施通常可=以制造高低温、高低湿、太阳辐射、雨、雪、沙尘暴、几类冰冻条件和几种其它环境。

典型的冰冻条件包括冻雨、涡流冰冻( 当喷气发动机进气口的极端低气压区形成强涡流时发生的一种现象, 类似微型的龙卷风, 从滑行道表面吸起液态水后吸人发
动机内)和地面雾冻。

虽然麦金利气候实验室有6个独立的室( 小一点的室一般为很特殊的环境, 如降尘和盐雾) , 但地面雾冻只能在主室进行。

文中描述了设施制造地面雾冻条件的能力, 也介绍了现正起步的大幅改善现有雾冻能力和延伸冰冻能力到飞行中冰冻的项目。

2、麦金利气候实验室现有的冰冻试验能力
2.1 冰冻试验的需求概述
根据联邦航空局的指导纲要，飞机的机身制造商必须按14CFR的第25部分(联邦航空局飞机冰冻认证要求)的要求提供测试数据。

冰冻条件，即液态水含量( LWC )、中值直径( MVD ) 、温度、高度、水平长度之间的相互关系在第25部分的附录C 中以图表形式给出。

液态水含量是一个表征云浓度的量度，附录C中的范围为每立方米空气中0到约3.0g的水。

中值直径用来度量粒径分布，它是这样定义的：一半体积的水由直径小于中值直径值的液滴组成, 另一半由直径大于中值直径值的液滴组成。

附录C中的中值直径值的围为15~50μm。

最高的液态水含量出现在中值直径最小时，液态水含量最低时中值直径最大。

极少设备能够制造出达到附录C中最高要求的人工云。

这种困难存在的原因在于要制造最高的液态水含量，要求流向喷嘴处的水流速最高，且空气雾化喷嘴需要大量的压缩空气将水滴充分破碎，使中值直径值达到15μm 。

飞机发动机制造商必须提供第3部分所要求的数据。

旋翼飞机制造商必须提供第29部分所要求的数据。

这些部分中的大多数冰冻要求通常参考第25部分附C
中的条件，只有少数例外。

2.2麦金利气候实验室现有的冰冻试验设施
麦金利气候实验室在70年代中期开始发展制造人工冻云的能力。

这种能力经常被宣传为地面雾冻能力，没有模拟飞行中的冰冻条件。

尽管制造人工飞行中冰冻条件的程序在概念上与地面雾冻和飞行中冰冻二者相同，但用于制造云参数的设备的规模却有巨大的区别。

用多列商业喷嘴喷出雾状的水，所形成的云用大管轴向风扇向飞机上面吹，来制造冻云。

每一列喷嘴由一个10英尺高、12英尺宽的铝支撑架构成。

架上水平支撑着4排与公共的直立面垂直的铜管。

每个架子上有3个这样的管状回路：一个用来喷水，一个用压缩空气使水雾化，另一个用来蒸发水汽以防治结冰。

每排上留有4个喷嘴的位置，每个架子上共有16个喷嘴。

2个这样的喷射架在垂直方向上并列悬挂在一个结构架上, 该结构架悬挂于安装在主室天花板铁轨上的移动式起重机上。

一般位于冻云中的测试对象前约30到40英尺的地方。

用长软管将加压的水和压缩空气输送到实验室内，然后通过一个名为冰冻棚的装有水表和气压计的便携式装置来发送。

供给喷射架的水的流速通过手动调节水表来控制，空气的压力通过手动调节气压计来控制。

该体系没有自动控制装置。

然后通过更加柔软的管子将水和空气从冰冻棚传送到喷射架, 水汽用软管直接送到喷射架。

风机安装的位置比喷射架到飞机的距离远50英尺，以10到20 英里每小时的风速将云吹送到飞机处。

这个风速是自然产生地面雾的典型风速，且足以将云送到飞机处。

在完全被云雾笼罩, 靠近测试对象但却不与其发生显著的空气动力学干扰的地方安置一个便携式激光干涉仪。

该仪器能够在云形成时实时显示适当的云参数。

在整个试验过程中, 通过手动调节喷射架上的水流率和压缩空气的压力来使仪
器显示的云参数保持在所需要的水平。

这种制造冻云的方法在许多实践中得到采用。

在正常的测试程序下, 飞机在一个固定的位置上经受所有的环境考验。

该设施的环境模拟装置(不仅仅是冰冻设备，还有雨架、太阳辐射面板、降雪机等)根据需要运送到主室中。

所有的模拟装置必须轻便, 能够轻易快速地安装和拆卸,操作相对简单。

3、冰冻试验能力的总体评述
为提高麦金利实验室现有的冰冻试验能力，在设计程序开始之前，为了解当前的其它冰冻设施制造人工冻云的技术，对这些设施进行了数次参观及许多次的电话会谈，主要的目的是为了利用它们已有的经验，避免其所遇到的难题，并对这些设施现有的冰冻试验能力进行了总结。

地面雾可以在两种条件下形成，当云处于地水平面一般在山区）时，或者当近地面的环境温度达到露点且空气变得饱和时，会发生显著的浓缩形成雾。

在环境温度接近冰点的情况下，如果上述任一种条件发生，就会像在任何足够寒冷的表面上那样发生结冰。

几乎每个冬季，这种情形都会在世界许多地区包括北美）发生。

飞机尤其容易受到地面雾冻的影响，因为它们大量的时间是在地面上，并开动着喷气发动机。

当引擎吸入地面雾滴时，能够在进气口部分和第一压缩机叶片及毂上形成冰。

如果有大块的冰落入运转的发动机中，将导致重大的、代价高昂的损害。

一般来说，地面雾冻条件与飞机在飞行中的冰冻条件可以用相同的云参数来表征，然而地面雾冻的温度通常较高，且风速远低于飞机飞行中的风速。

地面雾冻和飞行中的雾冻条件可以形成雨淞、雾冻或二者的混合物。

冻雾条件用来测试各种设备，如地面支撑设备、结构桥、塔基、工业电力装置，其最普遍的应用是对飞机的测试。

因为联邦航空局要求飞机制造商对所有的新的设计都要进行冰冻环境试验，以此获得证书。

出于这个原因，该设施进行的绝大多数冻云试验都是用于飞机的。

文中主要集中在为飞机制造冻云上的讨论。

3.1自然冰冻
最广泛被接受的在高空和飞行速度下用真实的云对全尺寸飞机进行测试的方法是主动寻找自然冰冻条件，在真实的冰冻条件下对真实的飞机进行试验，这种方法被特别称为追赶天气”。

它提供了最好的冰冻试验条件，因为所用的是真实世界的云，但是这种方法存在着很大的问题。

①首先，可能也是最重要的，飞入真实冻云中的飞机存在着固有的危险。

由于机翼和尾翼上结冰，会导致升力减小而阻力显著增加，对飞机的飞行质量产生不利的影响。

严重时，能够导致失速、偏离并最终坠毁。

事实上，很多事故都是由于这个原因造成的。

②其次，为满足联邦航空局的要求，制造商需要提供许多实验条件下的数据。

事实上，找到满足每个试验点要求的准确的条件很难，没有非常仔细的计划，这种方法需要花费大量的时间，用这种方法需要几年时间才能完成报告。

3.2人工飞行中冰冻的能力
第二种满足联邦航空局要求的方法是使用飞行中的人工喷雾体系对在其后面飞行的真实的飞机进行测试。

现今，已有几个这样的体系存在。

这种体系中最大的一个是服务于空军的改造的KC-135燃料补给油轮，几个小一点的被商业公司所使用。

陆军也使用一个悬挂在直升机上的飞行中的体系。

这种飞行中的喷雾体系与飞入真实冻云中相比要安全得多，因为结冰是可以控制的，而且在条件达到不能接受的程度是可以停止的。

然而，它也有很多的缺点，最典型的是生成的云与飞机的尺寸相比较小，因此需要熟练的驾驶员以保证飞机处于云的区域内进行测试。

许多在一般的航空区域内的飞机和大部分直升机飞得不够快，不能与飞行中的喷雾体系保持同步。

另外，由于用来制造云的飞机内的设备尺寸和重量的限制，这些飞行中的体系通常局限于在能够形成云的条件下使用。

3.3地面设施
除了在飞行中对全尺寸飞机进行试验自然的或人工的方法）外，地面设施也可以作为一种测试手段。

这些设施通常不受设备尺寸和重量的限制，也不需要严格按
照飞行质量的要求设计喷雾体系。

地面设施包括冻风通道、巨大的户外喷雾体系以及像文中主要介绍的设施那样的飞机棚系统。

3.3.1 冻风通道
冻风通道能够制造大范围的冰冻条件，且与其它设备相比，可以保证气流和云参数有较好的重复性，通常也能产生范围宽广的风速。

大多数冻风通道与典型的飞机尺寸相比小得多，最大的其测试部位的截面积有5.6+2，其它大部分的冻风通道远小于这个值。

显然，这种设施对大飞机来说只能对一定比例的模型或构件进行冰冻环境试验。

一些特殊的冻风通道是为测试冰冻因素对实际的飞行速度、温度和压力高度下运转的喷气发动机未安装在飞机上）的影响而专门设计的。

这些设备极好地满足了发动机制造商的需要，但对机身和旋翼飞机来说只能提供有限的使用。

3.3.2户外地面设施
一些冰冻设施建在户外，有利用每个冬季自然产生的寒冷温度的优势，是世界上最大的几个人工冻云制造设施，这些体系能够制造出范围很宽的冰冻条件。

一个这样的设备通常可以制造出横截面大约70m$的冻云，且能够非常接近（联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中所要求的最大的冻云。

这么大的冻云能够适应全尺寸飞机的测试要求。

这种设施有以下两个主要的缺点。

①它们完全依赖于自然天气状况。

冰冻试验要求许多云参数和环境温度的特定组合。

每个冬季，这些设备必须处理如暖风、雨、雪、闪电及其它寻常但不合要求的天气元素。

即使在理想的条件下,这些户外冰冻设备也只能利用1年中的4~5 个月的寒冷温度来制造冰冻条件。

②这种设备通常装配为开放回路的通道。

裁剪云的尺寸要求风机具有极高的能量。

这种设备一般不能为试验者提供足够高的风速来满足测试飞行中性能的要求。

为弥补这一弱点，常常增大云的浓度，延长暴露时间。

笔者所知的两个这样的体系，一个已不再运转，另一个属于一个商业公司，目前不为其它公司或组织提供测试。

4、需求转变
多年来，麦金利气候实验室为世界上最先进的一些商用和军用飞机的发展和验证做了大量的地面雾冻试验°这些试验主要包括制造截面积约22㎡的人造冻云，以4.5~9.OWs的速度送到飞机处，仅仅有代表性地覆盖了《联邦航空局飞机冰冻
认证要求》的附录C中的冰冻条件的较低的部分，因此现在仍有进一步提高性能的余地。

目前的云尺寸是制造的最大的人工云之一。

然而，在过去的几年里，很多客户要求更大的云。

旋翼飞机部件要求云足够大，可以完全卷入直升飞机运转的整个旋转叶片中％商用喷气发动机制造商也对为将来开发超大发动机制造更大的云（云的尺寸必须大于发动机进气口区域影响的范围）表现出了兴趣％最近，一个顾客要求冻云能够完全吸入一个大的无人驾驶飞机整个机翼内％为满足这些不同客户所提的要求，现有的云的尺寸需要通过3个因子来增加。

现有的3个风机通常用来为地面雾冻条件制造速度为6.7~9.OWs的风。

这些风机有制造更高风速的能力％即使在最大功率时，飞机处的风速也仅能达到
18#s%为了达到现有云面积的3倍，需要另外的更大的风机。

为将性能延伸到可制造飞行中冰冻的条件，风速至少需要在全部云区域内增加到34#s。

尽管多数的大飞机飞行速度远大于此，但联邦航空局目前认可商用喷气发动机在风速甚至低于此值下的冰冻试验，只要云的液态水含量保持足够高。

由于军用飞机的发动机也是由这些商业公司生产制造的，军用发动机的试验通常可以从商用发动机同样的试验方法中获益。

在这些年里，许多潜在的客户要求风速达到68Ws。

随着对云的液态水含量和中值直径范围的关注，现有体系仅能达到/联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C所要求的1/3还要低一点的水平，在中值直径值40卩m时，液态水含量最大只能达到1.2g/mP%在液态水含量值较低时，中值直径值可以降低到不超过20p大多数客户最初要求试验的中值直径值低至
157m。

为了对静态条件：例如前进速度没有或很低）进行补偿，绝大部分的喷气发动机制造商起初要求的液态水含量值也超过了现有的能力。

现在的局限性使得许多客户的要求得不到满足％这些对更高的液态水含量和更低的中值直径的要求，推动了对能够输送更多的加压水和压缩空气体系的需求。

在前面讨论的云的尺寸和提高风速上，水流速需要在现有体系上增加到大约50倍，压缩空气的体积需增加到大约30倍。

对其它制造人造冻云设施的评述表明，它们都是航空工业极有价值的资产，有些特别适于测试模型或机身的一部分，有些专门用来测试运转着的喷气发动机，有些专门测试全尺寸飞机或直升机。

可是，任何一种设施都不可能在任何时候满足所有不同种类的设备和飞机所需的冰冻条件。

评述的另一个重点是现在对另外的地面试验能力的需求，能够制造出覆盖：联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中所有冰冻条件的极大的云，以相对较高的风速送到全尺寸运转的飞机或直升机处％显然航空工业需要一个全年运行的冰冻模拟设施，能够为运转着的全尺寸飞机和直升机制造范围宽广的冰冻条件。

在真实的冰冻条件下进行试验很危险，而且极费时间。

飞行中的冰冻体系制造的云相对较小，对一般的飞机或直升机来说飞行速度太快，且通常只能制造有限范围的冰冻条件。

冻风通道对全尺寸飞机试验来说太小了。

少数能够满足运转着的喷气发动机要求的冻风通道，对于测试静止的飞机来说也不够大。

大型户外冰冻设施受不利天气的影响，只能在冬
月里进行冰冻试验，且通常达不到飞行中的风速。

所有这些设施和能力对冰冻试验来说都是非常宝贵的资产，但是仍然需要能够弥补一些缺点的其它设施。

为实现这个目标，需要建立具有以下特点的冰冻能力：必须能够对全尺寸飞机和发动机运转着的直升飞机提供测试；云尺寸足够大，能够全部吸入运转着的直升机叶片中；在这个范围内风速至少达到34Ws,或者在能够满足典型喷气发动机影响范围的足够大的面积内风速至少达到68m$s；全部覆讖联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中所覆盖的冰冻条件。

2001年，麦金利气候实验室开始了一个为期4年的项目，按照如下目标全部重新设计和重建其冰冻能力。

①通过制作6个重新装配的冰冻架，将人工云的尺寸增加到先前系统的3倍；
②制造完全覆盖；联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中的液态水含量和中值直径的组合条件；
③实现客户和联邦航空局可以接受的云的稳定性、均匀性和保持时间；
④在最大的云尺寸上风速增加到34#s,在此区域的1/6内达到68Ws；
⑤整合对喷射水的解电离能力；
⑥整合对喷射水和雾化空气的加热控制。

麦金利气候实验室当前的新冰冻能力项目试图通过完全重新设计以前的地面雾冻体系来满足这种需求。

将在67m2的区域内制造6个重新装配的冰冻架。

许多注意力集中在保证云的均匀性和最大限度的满足联邦航空局要求的冰冻条件上。

该体系包括水）离子化设备、工业用热水器、泵、空气压缩机、工业用空气加热器、喷射棒加压控制阀、极大的风机及其它许多设备。

该项目预定为期4年，将在财政年度2005年年底完全运转。

麦金利气候实验室当前的新冰冻能力项目试图通过完全重新设计以前的地面雾冻体系，保证云的均匀性和最大限度地满足联邦航空局要求的冰冻条件。

该体系包括水去离子化设备、工业用热水器、泵、空气压缩机、工业用空气加热器’喷射棒加压控制阀’巨大的风机及其它许多设备。

5、喷嘴的选择
麦金利气候实验室多年来一直使用喷雾系统公司的喷嘴，且倾向于在新项目中继续使用。

在冰冻试验中用的喷雾系统公司的喷嘴通常是1/4 J 喷嘴，“1/4”是
指在标准的喷嘴上水和空气入口端的螺纹尺寸，“J”是喷雾系统公司的空气雾化喷嘴的命名术语。

最普通地使用喷雾系统公司喷嘴的情况下，要求数千个喷嘴来实现适当的条件!这种方法不是很现实。

之所以出现这种情况!是由于这种喷嘴非常小，即使在极高的压力下也不能通过足量的水，从而在巨大的云中实现了高的液态水含量条件。

另一种较大的可变帽可以很容易地通过足量的水，但不能通过充分雾化的空气，没有能力保证液滴尺寸足够小。

幸运的是，目前从事制造最大的人造冻云的一个商业公司已经解决了这个问题。

解决方案是为了获得更高的空气雾化率，使用配有大空气帽（远大于通常所见用于冰冻试验的气帽）且同时配有较小变孔的喷雾系统公司的喷嘴。

为了达到恰当的配合!必须使用较大尺寸的1/2J的可变帽，在帽中，变孔不是钻成典型的1/2J，而是只比1/4J的喷嘴稍大一点。

标准的1/2J气帽就适用于这种定制的变孔。

这种组合与标准的1/4J的喷嘴相比!空气与水的质量流比率（质量流比率与液滴尺寸成正比）高得多。

尽管所有的冰冻设施都希望找到一种能够达到《联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中所有要求的单一喷嘴，实际上却是很难实现的。

对于本方案，将选用4种喷嘴。

3种1/4J尺寸的喷嘴将覆盖《联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中不到一半的条件，一半以上的条件（高液态水含量低中值直径）通过使用如前所述的那种喷嘴来实现。

6、空气和水的流量
用迭代法研究了喷嘴的选择、喷嘴的数量及所需水和雾化空气的速度的折衷处理方法。

这项研究结束后，确定在以34m/s的速度移动的67m2的云中，每分钟需要500L的水来达到最大的液态水含量值。

7、喷射棒结构
各种冰冻设施向喷嘴供水和空气的典型方式是采用环形管道。

从环形管道体系上流过的风产生的拉力与速度的平方成正比，增大了管道体系内部的应力。

它引起了严重的气流紊乱!破坏了云的均匀性。

一些冰冻设施创造性地进行了尝试，使管道的形状更符合空气动力学。

有一种方法是通过使用挤出成型的机翼形状来传输水和空气，从而取代环形管道!这种外形极似机翼并利用内部空间传送介质的挤出物将喷水棒的尺寸降到最小，显著减小了拉力，同时改善了下游的气体紊乱。

由于这种挤出物看起来解决了多种有代表性的问题，新项目决定利用这个创新的方法来做喷射棒结构。

在NASA0024机翼的基础上，将挤出物设计成空气动力学形状，但在最大厚度处增加长度以适应内部结构的要求。

挤出物用6063- T5 铝制造，在3.7 m 的长度内，宽35.6 cm，最大厚度5.7 cm。

看起来非常直，没有明显的翘曲、成环或弯曲。

喷嘴安装在挤出物的机翼后缘。

从喷水孔洞中抽出水!通过电磁螺线管阀，穿过与空气孔交叉的管子（密封在适当的位置），然后传送到喷嘴的后面。

最远的尾部孔中的压缩空气直接通到喷嘴的后面，如图1所示。

喷射体系的设计方案中有6 列喷嘴，称为喷射架，每架有12 排喷嘴，称为喷射棒。

用挤出成型制造的每个喷射棒上有10 个喷嘴的位置（每架120个喷嘴，共720个喷嘴），每个喷嘴之间均匀地间隔33 cm! 中心水平分布。

每个喷射棒均匀地间隔29 cm，中心垂直分布。

这种排列将使喷嘴位于等边三角形的制高点。

在与邻近的喷射架（架子可以并排放置或垂直堆叠）交叉的区域必须小心，以确保喷嘴的位置没有改变。

喷射棒大约宽3.4 m，高3.4 m。

每个架子用两个互相垂直的支撑架固定在一起。

每架上的12个喷射棒中的每一个棒的两端都开口，与机翼边缘配合安装。

因此架子可以并排用螺栓连在一起，使得临近架上的喷射棒作为加长的喷射棒。

当所有6 个架子连在一起时，就只有12 个喷射棒了，每个长20 m" 见图2。