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飞机飞行时,结冰了怎么办?使用结冰风洞来模拟结冰情况

来源:易盛泰和 浏览:191次 时间:2023-08-11

风洞是利用人工制造出来的气流来模拟飞行器或者其他物体周围的气流分布、运动情况。 大型风洞是为航空航天服务的,当然还有部分是为汽车工业服务的,风洞分很多种类,低速风洞,跨音速风洞,超音速风洞,超高音速风洞,结冰风洞……

什么是结冰风洞?

结冰风洞是一种性能复杂的大型特种风洞,是研究飞机在结冰气象条件下飞行时,不同部件迎风表面和探测仪器的机外传感部分的结冰形态、结冰容限及其防(除)冰技术的地面试验设备。其原理就是在风洞中构建一个低温、低压以及高湿度的云雾环境,然后通过气流运动模拟飞机部件在穿越云层过程中的结冰过程。结冰风洞要求温度能到零下四十度甚至更低。

因为大气环境复杂多变,飞机在飞行途中,难以预料到会发生哪些突发的天气情况。而飞机结冰对于飞机飞行来说,是非常危险的一个情况,如果飞机不能顺利通过这样的试验考核,那在后续的飞行中,就会遇到很大的困难。但是在飞机的实际结冰试验中,同样困难很多,一来飞机结冰属于自然情况,并不是想结冰就结冰的,可以说这是可遇不可求的现象,二来就是结冰试验本身风险很好,一旦遇到结冰,就很有可能给飞机带来坠毁的危险,严重威胁到飞机上人员的安全。

那应该怎么解决这两个问题呢?使用结冰风洞来模拟结冰情况!这是现在国际上比较通用的做法,也是行之有效的做法。不过,结冰风洞的建设可是一个很大的技术活,尤其是对于大型结冰风洞来说,建造起来一点儿也不简单!

结冰风洞的建设成本

风洞试验本身的成本非常巨大。首先是风洞的建设成本,一个完整的风洞试验体系的建设成本肯定是以百亿美元为单位的,而且周期都是以几十年计。其次是风洞的运行成本,大型风洞运行起来就是耗电大户,有些风洞甚至要专门配备发电站和水库供水,烧钱的玩意,一般人根本就玩不起。比如欧洲几个中等国家英法德意,他们只能联合起来建设完整的风洞试验体系。

收费根据不同实验类型差别很大。模型的设计加工,测试就需要模型,一个模型不单单需要精确地加工,更为重要的是模型里面的传感器,如果传感器出错很有可能收集不到数据。 风洞启动费,一个项目启动,前期要花费很大的人力财力,当然不可能你说吹一下就给一下的钱,然后拍屁股走人… 电费,在正常的实验中这个占很大一部分,风洞的功率相当大,以至于很多时候避开用电高峰,选择电费差价中最低的时间段,员工劳务费,在一个项目中设计的人员相当多,气动人员、测控人员、机械人员、工人等模型或风洞的损耗或出问题等等。

结冰风洞和普通风洞的区别

结冰风洞和普通风洞的试验原理相同,区别仅在于结冰风洞中为极度湿冷的环境。实践表明,飞机结冰是飞机安全飞行的致命弱点之一,在世界军、民用飞机失事案例中占60%以上。因此世界发达国家都不惜花巨资建设结冰风洞来解决这一难题。目前世界上已建成结冰风洞20余座,主要分布在美国、意大利、中国、法国等。

以美国IRT和意大利IWT大型结冰风洞为代表,世界上形成了欧美两大飞行器结冰试验研究中心。IRT结冰风洞建成时间较早,试验技术发展十分完善,是目前公认最先进的结冰风洞之一。IWT结冰风洞是欧洲最主要的飞行器结冰试验基地,该风洞的试验技术也相对完善,国内多个型号在该风洞开展过结冰试验。

为改变我国大型飞机防除冰设计依赖国外结冰风洞的现状,中国空气动力研究与发展中心于2013年建成了国内首座3 m×2 m大型多功能结冰风洞。该风洞由气动中心独立设计完成,拥有自主知识产权。

结冰风洞包含制冷、云雾场、高度模拟等多个复杂的子系统。开展结冰与防除冰试验所涉及到的试验测试技术种类较多,例如风洞气流场、云雾场校测技术,常规结冰云雾环境与复杂结冰气象环境(SLD,冰晶等)模拟技术,防除冰试验技术,旋翼、发动机等复杂构件的结冰试验技术等。结冰风洞试验技术是以多学科交叉理论为基础、以工程应用为目标的特种试验技术。拥有先进可靠的试验技术是结冰风洞能力水平的重要体现,也是飞机气动性能评估和防除冰优化设计的必要保障。

在飞机设计阶段,通过结冰风洞试验,可取得防(除)冰设计所必需的数据,即通过确定飞机各部件结冰形态的试验,确定结冰的冰形及其结冰区、结冰量和结冰速率,从而确定结冰容限及必须防冰的表面,为飞机防(除)冰提供安全设计的依据。

在结冰风洞中,不但要搭建低温、低压和高湿的云雾空气条件,还要严格控制流动气流和飞机每一部分表面的相对运动情况,全面的真实的反映出来真实的飞机结冰过程,还要多各种参数进行真实而有效的记录。而更为关键的一点则是在结冰情况下,还要对除冰情况进行模拟,而这才是飞机处理结冰问题的关键。不能说,我们模拟出来了结冰试验,不能有效除冰,那没有了试验意义。

现在我们国家的3米×2米大型结冰试验风洞不但成功的实现了结冰环境的精准模拟,而且对于防结冰、除冰等试验也有了全面的突破,直接打破了西方国家大型工程结冰问题试验设备的垄断,更值得我们骄傲的则是,我们的这个大型结冰风洞已经完成了多种项目机型的结冰风洞试验,这其中包括大型运输机、无人机、支线客机、通用飞机、直升机以及航空发动机等等,几乎囊括了我们国家所有的重点飞行器项目。

结冰风洞与常规风洞的主要区别在于结冰风洞可以模拟结冰环境,以便进行试验模型的结冰及防(除)冰试验。为此,结冰风洞中需要配置大型热交换器和喷雾装置。运行时,热交换器首先把风洞内的气流冷却到冰点温度以下,然后位于试验段上游的喷雾装置喷射雾化水滴形成符合结冰要求的云雾条件。

总而言之,结冰风洞是为保证飞机在、结冰气象条件下飞行安全、扩大现代军用飞机在恶劣气象条件下执行任务的能力,同时保障民用或通用飞机完成结冰适航合格审定、为适航取证提供依据性文件的基本试验装置,是新机研制、特别是大型运输机等研制必不可少的重要地面试验设备,所以这方面研究已愈来愈得到各国的广泛重视。

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