直升機防除冰地面試驗結冰云霧參數(shù)測量技術研究

易 暉，湯 永 ， 李開成 ， 姚 智 ， 陳 堯

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽 621000)

直升機防除冰地面試驗結冰云霧參數(shù)測量技術研究

易 暉1，湯 永1， 李開成1， 姚 智1， 陳 堯2

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽 621000)

介紹了一種直升機防除冰地面試驗結冰云霧參數(shù)測量方法，闡述了云霧參數(shù)的指標，測試設備的選用，以及測量原理；然后對某型機防除冰地面試驗結冰云霧參數(shù)測量的試驗結果進行分析；最后指出了本次測量的不足之處，并給出后續(xù)改進的方法。

直升機；防除冰試驗；云霧參數(shù)；測量

0 引言

直升機在穿過高空結冰云層時，槳葉、風擋、發(fā)動機進氣道和空速管等部件往往容易結冰，引起飛行性能下降，穩(wěn)定性和操縱性變差，風擋玻璃模糊，發(fā)動機工作不正常和飛行儀表指示不準確等故障，從而影響飛行的安全[1,2]。

直升機防除冰地面試驗利用噴灑塔試驗設施，在冬季自然低溫條件下噴霧，模擬不同結冰氣候條件下的高空云層環(huán)境，對地面系留和懸停狀態(tài)的直升機進行結冰和防除冰試驗，是對直升機各系統(tǒng)防除冰能力的一種有效考核手段。試驗的關鍵在于結冰云霧參數(shù)的控制以及結冰云霧參數(shù)的測量，本文主要對云霧參數(shù)的測量技術和方法[3,4]進行介紹。

1 直升機防除冰地面試驗結冰云霧測量技術

1.1 結冰云霧參數(shù)指標

結冰云霧的關鍵參數(shù)有三個：水滴平均有效直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)和云霧均勻性，在保證云霧均勻性的條件下，控制MVD和LWC的不同有效組合，就可以得到不同的結冰氣候條件。參考CCAR-29-R1附錄C中以LWC和MVD為包絡線的高空結冰云霧環(huán)境(見圖1所示)，直升機防除冰地面試驗云霧參數(shù)的指標和要求如下：

噴灑云霧覆蓋范圍： 直徑20m

空氣溫度： -30℃～-5℃

試驗模擬高度：海平面

LWC：0.1～1.2g/m3

MVD：15～50μm

云霧均勻性：在60%面積范圍內(nèi)不大于±0.15g/m3

圖1 連續(xù)結冰和間斷結冰狀態(tài)中LWC和MVD包線圖

1.2 結冰云霧參數(shù)測量設備選用

結冰云霧參數(shù)的測量有不同原理的設備，其中MVD測量主要采用激光散射原理、激光相位多普勒原理和激光粒子成像原理；LWC測量主要采用冰刀(Icing Blade)/旋轉圓柱方法、熱線原理(Hot-wire)和粒子統(tǒng)計方法；云霧均勻性主要采用冰格柵(Icing Grid)方法。表1為國內(nèi)外主要結冰和噴霧試驗部門所使用的云霧參數(shù)測量設備列表[5,6]。

表1 國內(nèi)外主要云霧參數(shù)測量設備

續(xù)表1

參考國內(nèi)外結冰試驗設備使用情況，根據(jù)噴灑塔直升機防除冰地面試驗的環(huán)境條件(溫度、模擬高度、來流風速)，結冰云霧覆蓋范圍， MVD、LWC的范圍和精度，以及云霧均勻性等要求，選擇美國Artium公司的PDPA-FP作為MVD、LWC的測量設備，采用非標定制的結冰格柵作為云霧均勻性的測量設備。

1.3 結冰云霧參數(shù)測量原理

1.3.1 MVD和LWC參數(shù)測量原理

采用Artium公司的PDPA-FP設備測量MVD和LWC參數(shù)，其主要由粒度測試探頭、數(shù)據(jù)采集和信號處理器、配套計算分析軟件和線纜等組成，基于激光多普勒原理和干涉原理，如圖2所示。

圖2 激光多普勒和干涉原理圖

在噴灑塔試驗區(qū)的支架上安裝粒度測試探頭，云霧中水滴粒子通過探頭的激光照射區(qū)域后，由于激光多普勒效應產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)過透鏡后投射在光電探測器上。不同粒徑大小的水滴粒子引起的干涉條紋的頻率和相位不相同，因此通過數(shù)據(jù)采集器和信號處理單元對光電探測器上的干涉條紋進行采集和分析后，可以得出水滴粒子的粒徑大小。液態(tài)水含量的測量為間接方法，通過統(tǒng)計計算單位時間內(nèi)通過激光區(qū)域內(nèi)的粒徑滴液的體積，可以得到液態(tài)水含量的大小。

1.3.2 云霧均勻性測量原理

在試驗區(qū)域距離噴霧框不同距離的截面上放置結冰格柵，格柵的大小依據(jù)試驗對象而定。噴霧停止后，通過測量和計算格柵網(wǎng)格結冰的厚度，得到云霧均勻性云圖，原理見圖3所示。

圖3 云霧均勻性測量原理圖

云霧均勻性計算如式(1)所示。

其中τice為相對格柵中心點歸一化處理結冰厚度，τ(x,y)為(x,y)處格柵網(wǎng)格結冰后厚度，τgrid為格柵網(wǎng)格沒結冰前厚度，τc為整個格柵中心點結冰后厚度。LWC(x,y)為(x,y)處液態(tài)水含量，LWCc為格柵中心點處液態(tài)水含量。格柵網(wǎng)格交點結冰厚度按照下面公式計算。其中V2、H2、V3和H3為交點四周格柵網(wǎng)格邊中點結冰厚度。格柵網(wǎng)格交點結冰厚度根據(jù)其所處格柵位置確定。

根據(jù)歸一化后不同位置的結冰厚度，繪制結冰均勻性云圖。

2 某型機防除冰地面試驗結冰云霧測量實例

在直升機進入結冰云霧試驗之前，先在常用的幾個LWC試驗點測量云霧均勻性；然后在噴嘴不同的氣壓和水壓組合狀態(tài)下測量云霧MVD和LWC數(shù)值，得出MVD、LWC和噴嘴氣壓、水壓的對應關系。

2.1 結冰云霧均勻性測量實例

格柵尺寸為寬12m，高4m，均勻地分割成12行和36列，如圖4所示。

圖4 結冰格柵圖

噴霧前將格柵放置在離噴灑塔20m處，并根據(jù)直升機槳轂中心的高度調(diào)節(jié)格柵的中心高度，在風向條件好的情況下，選取不同的LWC試驗點進行噴霧15min，噴霧停止后立即測量結冰厚度，歸一化處理后得到云霧均勻性。圖5為距離噴霧框20m處截面，MVD為20μm，LWC為1.0 g/m3狀態(tài)的結冰云霧均勻性云圖。

圖5 結冰云霧均勻性云圖

由云圖可知，云霧均勻性呈帶狀分布，結冰厚度從格柵上部到下部，依次減小，符合結冰云霧從上向下沉降的規(guī)律。

2.2 結冰云霧MVD和LWC測量實例

噴霧前將PDPA-FP設備固定在升降平臺上，探頭正迎著噴霧氣流的方向。升降平臺距離噴霧框20m，并調(diào)節(jié)探頭的高度與直升機槳轂中心高度一致，如圖6所示。

選取噴嘴不同的氣壓和水壓，每個試驗狀態(tài)在水氣壓力穩(wěn)定后，采集云霧參數(shù)3次，每次30s，對3次數(shù)據(jù)進行平均得出MVD和LWC。表2為部分水氣壓力與MVD、LWC的對應值，圖7、圖8為部分試驗狀態(tài)的MVD分布圖。

圖6 PDPA-FP圖

氣壓Pa/(KPa)水壓Pw/(KPa)LWC/(g·m-3)MVD/(μm)平均溫度/(℃)160600.1620.35-14.08125601.1930.83-15.7450100.2739.40-15.8150200.5851.3-15.0

圖7 MVD分布圖(19.5μm)

圖8 MVD分布圖(29.7μm)

3 結論與展望

本文介紹了直升機防除冰地面試驗結冰云霧參數(shù)測量設備和原理，對測量的步驟程序和方法進行了研究，并結合某型機試驗分析了試驗的數(shù)據(jù)結果。由于直升機防除冰地面試驗為國內(nèi)首次進行，在結冰云霧參數(shù)測量，尤其是LWC參數(shù)方面，應參考冰風洞校測的方法，采用兩種以上不同原理的測量設備分別測試，以驗證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

[1] 范潔川，于 濤．飛機結冰風洞試驗模擬研究[J]．氣動研究與試驗，2006.6，23(2)：1-7．

[2] 戰(zhàn)培國，程婭紅．大型運輸機結冰試驗技術研究 [M]．航空科學技術，2011(1):13-15．

[3] Gerber H．一種測量液態(tài)水含量的新方法[C]．Seventh Symposium on Meteorlogical Observation and Instrumentation，89-93 ．

[4] Amendola A．Some Peculiar Aspects of an Icing Wind Tunnel Design：Large Droplets and Altitude Effects[C]．The International Icing Symposium, Montreal-Canada,September 18-21 1995．

[5] Pierre M．Icing test facilities and test techniques[R]．AGARD-AR-1227．

[6] 惲起麟．風洞試驗[M]．北京：國防工業(yè)出版社， 2000．

Research on Icing Fog Parameter Measure for Helicopter Anti-icing and Deicing on Ground Test

YI Hui1, TANG Yong1, LI Kaicheng1, YAO Zhi1, CHEN Yao2

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China；2.Low Speed Research Laboratory of China Aerodynamic Force Research and Development Institute, Mianyang 621000,China)

This paper introduced a measurement method of icing fog parameter for helicopter anti-icing and deicing test on ground. Specifications of icing fog parameters, the choice of measurement equipment and measurement principles were discussed in detail. Afterwards, a case was put forward, including test procedure and test results. Finally conclusion for this measurement method and suggestion for ongoing test were given.

helicopter; anti-icing and deicing test; icing fog parameters; measurement

2016-09-20

易 暉(1978-)，男，江西贛州人，碩士，高級工程師，綜合試驗技術和故障診斷。

1673-1220(2016)04-054-04

V216.5

A