飞机气囊除冰系统冰风洞试验选点原则概述

夏天骏

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东 珠海 519040

引言

飞机气囊除冰是一种机械式除冰方法，通过周期性地给内部铺设有中空腔管的除冰气囊供气，使气囊膨胀收缩破坏表面冰层，借助气流将碎裂的冰除去。热气防冰系统在开展冰风洞试验前，需进行大量的、广覆盖性的结冰仿真计算，将可能产生临界冰形的条件范围缩小，冰风洞试验主要围绕这些区域开展。而有别于热气防冰性能可以使用能量守恒进行计算，机械式除冰的使用效果受积冰硬度、冰层与结构表面的接合力等参数影响，且在碎裂形式上有着较大的随机性，目前国际上通用且较为被认可的结冰计算仿真软件，如LEWICE、FENSAPICE、ONERA等，均无法对机械式除冰的效果进行仿真分析。这意味着在开展成本高昂的冰风洞试验前，没有量化的方法预测冰风洞试验结果，可能导致冰风洞试验需求的试验条目成倍地增加以提高对于CCAR-25部附录C的覆盖性，或者是冰风洞得到的临界冰形在典型代表性上有所欠缺。

目前气囊除冰系统冰风洞试验的试验点选取基本依赖于工程经验，如何表明选取的试验点具有典型代表性，可以囊括可能产生临界冰形的条件至关重要，这对飞机结冰防护设计人员提出了更高的要求。本文基于某型公务机机翼、尾翼除冰气囊冰风洞试验点选取及试验结果，总结出气囊除冰冰风洞的选点原则，供有需要的读者参考。

1 试验点参数

气囊除冰系统冰风洞试验点需定义的参数可分为如下几类：第一，飞机状态包含空速、飞行高度、当地迎角。第二，结冰环境包含液态水含量液态水含量（LWC）、水滴平均直径（MVD）、环境温度（SAT）、结冰时间。第三，系统状态包含除冰气囊供气压力、温度、工作循环周期。第四，冰形特征包含残留冰、周期冰、后流冰、故障冰、延时启动冰。

2 参数选取原则

试验点选取的核心原则是在保证试验点具备典型代表性的前提下，通过工程经验除去一些严酷程度较低的试验条件，在试验结果对附录C的覆盖性与试验成本间做好取舍。

2.1 飞机状态选取

为保证飞机状态参数的代表性，空速、飞行高度、当地迎角参数的选择应匹配飞机飞行包线下各个典型飞行状态，包括：

2.1.1 起飞状态。一般为迎角最大的情况。此状态下翼型下表面结冰范围最大，但由于持续时间短，结冰冰厚度较小，可选取1~2个点代表即可。若有高原机场起降需求可少量增加。

2.1.2 着陆状态。与起飞状态类似，选取1~2个点代表即可。但应关注水平安定面结冰造成的纵向配平能力下降问题。

2.1.3 爬升状态。迎角较大且长时间持续的状态，结合较大MVD的选取可以考核翼型下翼面的水滴撞击极限。由于爬升时空速不高，结冰量一般，在不同结冰环境各选取1个点代表即可。

2.1.4 下降状态。迎角与爬升状态接近，在同类结冰环境下可作为爬升状态的备选对比。由于气囊除冰系统对引气资源需求极低，下降时发动机低功率运行造成的引气压力引气温度降低可忽略不计。

2.1.5 巡航状态。由于空速高，且通常处于较易发生严重结冰的环境，应重点关注。应将不同高度下（同时也一定程度关联环境温度）最大速度平飞、最小阻力平飞等不同巡航状态匹配不同的结冰环境，按需纳入选取范围。

2.1.6 等待状态。虽然空速不高，但等待阶段时间长，所处高度也为较易发生严重结冰的环境，且最低验证45分钟的要求不受结冰云层宽度、厚度的限制。与巡航状态选取原则相似，应重点关注。

2.2 结冰环境选取

结冰环境的选取影响结冰的类型、严酷程度，在CCAR-25部附录C的框架下应保持较好的覆盖性，包括：

2.2.1 环境温度。环境温度直接影响结冰的类型，首先通过环境温度的梯度排布来组合试验点是一个比较好的选择。可根据实际情况大致分为（-5~0）℃的明冰工况、（-15~-5）℃的混合冰工况、-15℃以下的霜冰工况。明冰工况虽然液态水含量多于其他两类，但容易碎裂脱落，所以整体结冰量不大；霜冰工况液态水含量低，结冰量不大，但冰硬度高且不易脱落；混合冰性质在二者之间，容易出现严酷羊角冰形，应重点关注。如图1所示。选取时应注意空速对总温的影响，同时关注匹配高度后没有超过附录C结冰包线的限制范围。

图1 典型明冰、混合冰、霜冰（从左至右）

2.2.2 液态水含量与水滴平均直径的组合。LWC与MVD是在附录C结冰包线下的组合参数，可参考AC20-73A表6[1]提供的典型组合进行选取。考核水滴撞击范围时应优先选择较大的MVD参数。LWC低于0.2的试验点由于结冰量较低，可适当删减。

2.2.3 结冰时间。连续最大结冰条件下的爬升、下降、巡航、等待工况不设结冰时间上限，以试验中结冰现象稳定为准。起飞、着陆，以及间断最大结冰条件下的各工况，应按飞机实际飞行包线综合考虑阶段耗时、穿云时间。

2.3 系统状态选取

系统状态应与飞机机上实际状态一致，包括：

2.3.1 引气压力。与机上气囊除冰系统入口压力保持一致。可适当在下降、等待阶段根据系统低压告警门限值设置1~2个低压考核工况。

2.3.2 引气温度。试验室气源具备加热功能时可依据机上气囊入口处实际温度设置。若无加热设备，可简化设置为室温。

2.4 冰形特征选取

气囊除冰在冰风洞的结冰不属于稳态，但呈现有规律的循环，冰形特征参数即为挑选循环中有典型代表性的状态。在前文所述的原则组合出的试验点下，交替安排不同的冰形特征选取：

2.4.1 周期冰。气囊膨胀破裂积冰前一刻的冰形。可以认为是结冰质量最大的冰形，是重点关注状态。一般认为前端的冰脱落前一刻的形状最为严酷，也存在少数偶然情况，如试验过程中出现了下翼面冰脱落但上翼面未脱落的情况，较最大的周期冰对气动特性有着更大的破坏性。需要试验观测及冰形选取者对翼型气动有比较全面的认识。

2.4.2 残留冰。气囊膨胀收缩除冰后一刻残留在表面的冰形。由于积冰刚碎裂，此时最容易出现较为不规则的冰形，是重点关注状态。周期冰与残留冰在试验过程中每个工况的冰积聚与脱落将呈现一定周期性规律。

2.4.3 后流冰。结合总温接近0℃，在防护区域后段甚至防护区域外产生后流的冰形。选取1个典型试验点代表即可。

2.4.4 故障冰。气囊故障不膨胀工作时的结冰。结冰时间应匹配爬升、下滑、巡航下的穿云时间，以及等待时的22.5分钟要求。

2.4.5 延时启动冰。气囊不工作，结冰时间为2分钟的冰形。一般冰层较薄，可在连续最大巡航、等待、间断最大工况适当安排。

对于周期冰、残留冰这类不稳定冰形，在试验过程中每个工况的冰积聚与脱落将呈现一定周期性规律。在没有经验的情况下，观察每次膨胀前后的冰形大小，并记录从建立到脱落的耗时。再次等待相近的时间，期望获得大小一致的冰形。一些低速、大迎角、低LWC，同时温度较高的工况，冰柱积聚到一定大小后呈颗粒状脱落，此类工况下冰的形状将在一定时间后达到基本稳定状态，与除冰套膨胀相关度不大。

3 试验点相似性转换

目前世界上大大小小的冰风洞约20座，其试验段尺寸、结冰环境模拟能力各有不同。根据公开的冰风洞能力数据横向对比，不同冰风洞对于温度、LWC、MVD的模拟能力基本相同，主要性能差距体现在试验段大小、风速及是否可模拟高空气压环境上。由于结冰风洞试验段模拟风速、液态水含量、过冷水滴直径等结冰气象条件的能力是有限的，不能满足所有适航审定所要求的结冰气象条件。因此，考虑到冰风洞的局限性，在进行试验时对结冰参数进行相似性处理是很有必要的[2]。

目前，国外，已经总结出多个相似性转换前后需要考虑的参数。Gary Ruff最早系统地对这些参数各种相似性组合所达到的成果进行评估，提出了4种相似性方法。其中第4种将惯性参数、积聚参数、水滴能量传递参数、空气能量传递参数、驻点冻结分数纳入相似性原则，由于其参数选择灵活性及缩比前后试验结果的一致性而广泛被采用，又被称为“AEDC缩比方式”[3]。它允许温度、压力、空速、液态水含量、平均水滴直径其中1个参数可自由设置。

4 结束语

冰风洞试验成本高昂，科学规划与成本控制及其重要，本文基于某型公务机机翼、尾翼除冰气囊冰风洞试验点选取及试验结果，总结出气囊除冰冰风洞的选点原则，供有需要的读者参考。