风洞结冰模拟装置的研发

风洞结冰模拟装置的研发
杨越明;刘学伟;王铎;李元凯;王文龙
【摘要】飞机在飞行中,遭遇过冷水滴等适合结冰条件的外界环境时,机体相关部位将会结冰,使得飞机的空气动力性能变坏,严重时危及飞行安全.另外,冬半年飞机停放在露天,也会出现结冰现象,需要在起飞前进行清理.因此,应该掌握飞机结冰的机理、环境因素及机体容易结冰的部位.本文介绍了一种利用风洞进行结冰模拟的装置,通过风洞的结冰模拟可以再现飞机结冰的真实情况,对于指导实践收到了较好的效果.【期刊名称】《工程与试验》
【年(卷),期】2012(052)001
【总页数】3页(P55-57)
【关键词】过冷水滴;飞机结冰;结冰种类;结冰部位;模拟结冰
【作者】杨越明;刘学伟;王铎;李元凯;王文龙
【作者单位】空军航空大学,吉林长春130022;空军航空大学,吉林长春130022;空军航空大学,吉林长春130022;空军航空大学,吉林长春130022;95092部队,河南开封475003
【正文语种】中文
【中图分类】V211.74
1 问题的提出
飞机在飞行中，穿过含有过冷水滴的云层时，飞机机体表面将会结冰，形成了飞机
机身表面某些部位聚集冰层的现象。

这是云中过冷水滴或降水中的过冷水滴碰到机体后冻结而形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。

冬季，停放在露天的飞机有时也能形成结冰。

飞机结冰使飞机的空气动力性能变坏，升力减小、阻力增大，影响飞机的稳定性和操纵性。

因此，预防和消除飞机结冰成为当前航空界的一大重要课题。

飞机结冰的地面模拟是掌握飞机地面结冰、空中结冰的有效手段，风洞试验模拟结冰是有效的方式，目的在于研究结冰气象条件下飞机模型结冰的种类、形状（冰型）、强度等，了解飞机易结冰的部位和状况，了解结冰对飞机气动特性的影响，以便进一步做好防冰、除冰工作，保证飞行安全。

2 飞机结冰的条件
通常，飞行中的结冰是具有一定条件的，大气中的过冷水滴是外界的主要客观因素，飞机飞行速度是主要的主观因素。

当飞机以适合的速度在含有过冷水滴的云中飞行时，如机体表面温度低于0℃，过冷水滴就会在机体表面某些部位冻结并积聚成冰层，形成飞机结冰。

温度越低，结冰就越快；过冷水滴越多，冰层就越厚。

飞机结冰的种类主要有明冰、雾凇、毛冰和霜4种，其中，明冰和毛冰对飞行的
危害较大，可使飞机的空气动力发生较大变化。

如果积冰较厚，还可能使飞机的重心改变，产生俯仰力矩，飞机的稳定性变差，严重时，影响飞行安全。

另外，冰层破碎后的冰块还会打坏飞机的部件。

飞机结冰的部位主要有：机翼、尾翼、空速管、天线、粗糙的表面、铆钉、各结合部等。

根据飞行实践经验和资料统计：（1）飞机结冰的季节主要出现在冬半年；（2）
冬半年容易结冰的高度层在5000m以下的云中，飞行高度3000m左右最多；（3）云中温度在－4℃～10℃范围内出现积冰的概率最大，如果湿度条件适宜，
可有中度以上的结冰发生；（4）在锋区附近或穿越锋区时的结冰概率较大；（5）
在冻雨或湿雪的天气条件下，结冰的概率较大。

3 结冰对飞机飞行的影响
飞行中，一旦发生结冰，飞机的空气动力特性发生变化，使升力减小、阻力增加，还会使飞机发动机的推力减小，影响飞机的稳定性和操纵性。

3.1 机翼和尾翼结冰对飞行的影响
飞行中，机翼和尾翼前缘结冰最多，结冰使翼型变化，空气不能沿翼面平顺流动，升力减小，阻力增大。

试验表明：机翼前端结有1.3cm厚的冰时，飞机的升力减小50%，阻力增加50%，失速速度激增；上升率、升限和最大平飞速度降低，失速空速增大，燃料消耗率增加；平飞性能、上升性能、下滑性能、机动性能和着陆性能等都变差，严重时危及飞行安全。

此外，结冰较厚，可以改变飞机的重心位置，影响稳定性。

比如，重心前移，产生下俯力矩；水平尾翼结冰，着陆时产生的下俯力矩会导致机头下俯。

国外飞行试验表明，水平稳定面上结冰会使水平尾翼的力矩减小，导致飞机下俯或翻转。

机翼上较厚的结冰如果部分脱落、部分残留时，形成冰瘤，造成机翼振动，操纵困难。

活塞式飞机飞行时，被螺旋桨吹向后方的气流经常与机身形成一定的角度，使气流碰到垂直尾翼两侧的水滴不均，造成结冰强度不同，受力也不同，使飞机向一侧偏转，为了保持航向，飞行员需长时间蹬舵。

喷气式飞机大速度飞行，机翼和尾翼不易结冰，但当驻点温度在0℃以下时，机翼前缘也会形成槽状冰，影响飞行性能。

3.2 螺旋桨结冰对飞行的影响
活塞式飞机和涡轮螺旋桨飞机由于浆叶各点线速度不同，结冰往往是不对称的。

桨尖的气动增温多，所以桨根结冰多于桨尖结冰；同时桨尖的惯性离心力大，也容易将结冰甩掉。

螺旋桨结冰使流过桨叶的气流紊乱，拉力减小，甚至造成失速；同时，桨叶积冰不均匀，使螺旋桨质量和空气动力平衡遭到破坏，引起发动机抖动，还可能使发动机固定架发生变形。

桨叶上脱落的冰块可能损坏飞机蒙皮、座舱玻璃及其他部件。

3.3 其他部位的结冰对飞行影响
空速管结冰使空速表、气压高度表以及升降速度表等仪器的示度失真，甚至失效。

天线结冰可扭曲天线的形状，增加飞行后拖力，引起颤动，使通信失效，中断联络，还可使无线电罗盘失效。

风档结冰，严重影响飞行员视线，特别是影响着陆阶段的目视。

发动机进气道驻点部位，其迎风面上具有更低的温度，在气流改变风向的凸面上容易结冰。

使进入发动机的气流速度不均匀，影响发动机的正常工作。

另外，进气口边缘的积冰脱落，冰块随气流进入发动机，易打坏叶片等机件，损坏发动机甚至使发动机失效。

4 飞机的地面结冰
飞机在地面停放或滑行时的结冰称为地面结冰。

地面结冰主要有3类：
第一类是霜和晶状冰。

这类结冰是在飞机表面温度0℃以下，由水汽凝华而成。

这类积冰的密度不大，附着力不强，比较容易除掉。

第二类是冷雨或毛毛雨在机体表面冻结而成的雨凇，或者有过冷雾在机体表面形成的雾凇。

这类积冰附着机体牢靠，不易清除。

第三类是机体表面的露、湿雪等因气温突然下降冻结而成的冰层，这类积冰对飞行安全影响最大，必须加以重视。

飞机地面结冰首先出现在迎风面上，然后再扩展到其他部位，故积冰厚度是不均的。

风洞试验表明，飞机有2mm－3mm的地面积冰和积有厚的光滑冰层比较，最大
升力系数和临界迎角的减小程度几乎相同，所以，起飞前必须清除飞机上的积冰。

5 结冰风洞试验和结冰模拟装置的研发
结冰风洞试验研究是结冰条件下飞行试验的基础，其结果将为在自然大气结冰条件的飞行试验提供依据。

结冰风洞的主要功能有：（1）模拟在适航性条件CCAR25部附录C规定的连续最大结冰和间断最大结冰两种状态确定的云层LWC、MVD 和周围空气温度T、压力P等参数，取得飞机部件或模型在结冰条件下的冰型；（2）研究各种参数（几何外形、姿态（迎角α，侧滑角β）、速度 U、T、P、LWC、MVD、结冰时间t等结冰性态（冰型、厚度等））的影响；（3）研究结冰对飞机全机和部件气动特性的影响；（4）飞机防（除）冰装置的可靠性研究。

飞机的风洞结冰试验方法分为两类：一类是在结冰风洞中获取飞机在飞行条件下全尺寸飞机或部件及其模型结冰的冰型；另一类是在获取冰型的基础上在常规风洞中研究不同冰型对飞机或部件气动特性的影响。

结冰的影响是测量带有冰型的翼面（冰型模型用木材、塑料等制作）与无冰翼面气动力之差。

第一类试验可以做全尺寸外形、飞行速度、飞行高度的环境温度和压力、LWC和MVD的直接模拟，在结冰风洞中得到的冰型形状和尺寸即为真实飞行状态的冰型形状和尺寸。

如果采用缩尺模型获取冰型，则必须遵守：气动力相似、水滴运动轨迹相似、翼面积冰分布相似、热动力平衡相似准则。

风洞结冰试验方法主要有两种：一是在结冰研究风洞或装有结冰模拟装置的常规风洞中，测量飞机飞行条件下翼面模型结冰的冰型（结冰的范围与尺寸）；二是在上述试验得到的翼面结冰冰型的条件下，在常规风洞中研究不同冰型对翼面气动特性的影响，实际上就是常规测力和测压的试验，测量无冰翼面与带冰翼面的空气动力之差。

本文采用第一种方法，以定性为主，适当测量冰型，了解结冰的机理和发展。

结冰风洞是空气动力学试验的特殊风洞，其结冰模拟难度高，测量精确程度低，对于外界要求比较高。

国内外在风洞模拟结冰方面做了大量的研究和试验，取得一定
效果，但是，结冰风洞主要用于研究，其造价非常高。

为此，经过多年的研究和探索，研制了一种模拟结冰装置（见图1），通过蒸发器产生过冷水滴，流向飞机模型，产生结冰，模拟飞机空中飞行的结冰状态。

图1 模拟结冰装置
6 结束语
在风洞试验段形成与飞行实际相类似的环境，在农五飞机模型上做了大量的试验，取得了很好的效果，结冰冰型逼真、部位准确，强度相近，效果良好，对飞机表面结冰的过程有了深刻的印象，为防冰、除冰工作提供了理论和实践模型。

经过多次试验，与实际飞行非常相似，收到了极好效果。

参考文献
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