直升机防除冰地面试验结冰云雾参数测量技术研究

易 晖，汤 永 ， 李开成 ， 姚 智 ， 陈 尧

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国空气动力研究与发展中心低速所，四川 绵阳 621000)

直升机防除冰地面试验结冰云雾参数测量技术研究

易 晖1，汤 永1， 李开成1， 姚 智1， 陈 尧2

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国空气动力研究与发展中心低速所，四川 绵阳 621000)

介绍了一种直升机防除冰地面试验结冰云雾参数测量方法，阐述了云雾参数的指标，测试设备的选用，以及测量原理；然后对某型机防除冰地面试验结冰云雾参数测量的试验结果进行分析；最后指出了本次测量的不足之处，并给出后续改进的方法。

直升机；防除冰试验；云雾参数；测量

0 引言

直升机在穿过高空结冰云层时，桨叶、风挡、发动机进气道和空速管等部件往往容易结冰，引起飞行性能下降，稳定性和操纵性变差，风挡玻璃模糊，发动机工作不正常和飞行仪表指示不准确等故障，从而影响飞行的安全[1,2]。

直升机防除冰地面试验利用喷洒塔试验设施，在冬季自然低温条件下喷雾，模拟不同结冰气候条件下的高空云层环境，对地面系留和悬停状态的直升机进行结冰和防除冰试验，是对直升机各系统防除冰能力的一种有效考核手段。试验的关键在于结冰云雾参数的控制以及结冰云雾参数的测量，本文主要对云雾参数的测量技术和方法[3,4]进行介绍。

1 直升机防除冰地面试验结冰云雾测量技术

1.1 结冰云雾参数指标

结冰云雾的关键参数有三个：水滴平均有效直径(MVD)、液态水含量(LWC)和云雾均匀性，在保证云雾均匀性的条件下，控制MVD和LWC的不同有效组合，就可以得到不同的结冰气候条件。参考CCAR-29-R1附录C中以LWC和MVD为包络线的高空结冰云雾环境(见图1所示)，直升机防除冰地面试验云雾参数的指标和要求如下：

喷洒云雾覆盖范围： 直径20m

空气温度： -30℃～-5℃

试验模拟高度：海平面

LWC：0.1～1.2g/m3

MVD：15～50μm

云雾均匀性：在60%面积范围内不大于±0.15g/m3

图1 连续结冰和间断结冰状态中LWC和MVD包线图

1.2 结冰云雾参数测量设备选用

结冰云雾参数的测量有不同原理的设备，其中MVD测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测量主要采用冰刀(Icing Blade)/旋转圆柱方法、热线原理(Hot-wire)和粒子统计方法；云雾均匀性主要采用冰格栅(Icing Grid)方法。表1为国内外主要结冰和喷雾试验部门所使用的云雾参数测量设备列表[5,6]。

表1 国内外主要云雾参数测量设备

续表1

参考国内外结冰试验设备使用情况，根据喷洒塔直升机防除冰地面试验的环境条件(温度、模拟高度、来流风速)，结冰云雾覆盖范围， MVD、LWC的范围和精度，以及云雾均匀性等要求，选择美国Artium公司的PDPA-FP作为MVD、LWC的测量设备，采用非标定制的结冰格栅作为云雾均匀性的测量设备。

1.3 结冰云雾参数测量原理

1.3.1 MVD和LWC参数测量原理

采用Artium公司的PDPA-FP设备测量MVD和LWC参数，其主要由粒度测试探头、数据采集和信号处理器、配套计算分析软件和线缆等组成，基于激光多普勒原理和干涉原理，如图2所示。

图2 激光多普勒和干涉原理图

在喷洒塔试验区的支架上安装粒度测试探头，云雾中水滴粒子通过探头的激光照射区域后，由于激光多普勒效应产生的干涉条纹经过透镜后投射在光电探测器上。不同粒径大小的水滴粒子引起的干涉条纹的频率和相位不相同，因此通过数据采集器和信号处理单元对光电探测器上的干涉条纹进行采集和分析后，可以得出水滴粒子的粒径大小。液态水含量的测量为间接方法，通过统计计算单位时间内通过激光区域内的粒径滴液的体积，可以得到液态水含量的大小。

1.3.2 云雾均匀性测量原理

在试验区域距离喷雾框不同距离的截面上放置结冰格栅，格栅的大小依据试验对象而定。喷雾停止后，通过测量和计算格栅网格结冰的厚度，得到云雾均匀性云图，原理见图3所示。

图3 云雾均匀性测量原理图

云雾均匀性计算如式(1)所示。

其中τice为相对格栅中心点归一化处理结冰厚度，τ(x,y)为(x,y)处格栅网格结冰后厚度，τgrid为格栅网格没结冰前厚度，τc为整个格栅中心点结冰后厚度。LWC(x,y)为(x,y)处液态水含量，LWCc为格栅中心点处液态水含量。格栅网格交点结冰厚度按照下面公式计算。其中V2、H2、V3和H3为交点四周格栅网格边中点结冰厚度。格栅网格交点结冰厚度根据其所处格栅位置确定。

根据归一化后不同位置的结冰厚度，绘制结冰均匀性云图。

2 某型机防除冰地面试验结冰云雾测量实例

在直升机进入结冰云雾试验之前，先在常用的几个LWC试验点测量云雾均匀性；然后在喷嘴不同的气压和水压组合状态下测量云雾MVD和LWC数值，得出MVD、LWC和喷嘴气压、水压的对应关系。

2.1 结冰云雾均匀性测量实例

格栅尺寸为宽12m，高4m，均匀地分割成12行和36列，如图4所示。

图4 结冰格栅图

喷雾前将格栅放置在离喷洒塔20m处，并根据直升机桨毂中心的高度调节格栅的中心高度，在风向条件好的情况下，选取不同的LWC试验点进行喷雾15min，喷雾停止后立即测量结冰厚度，归一化处理后得到云雾均匀性。图5为距离喷雾框20m处截面，MVD为20μm，LWC为1.0 g/m3状态的结冰云雾均匀性云图。

图5 结冰云雾均匀性云图

由云图可知，云雾均匀性呈带状分布，结冰厚度从格栅上部到下部，依次减小，符合结冰云雾从上向下沉降的规律。

2.2 结冰云雾MVD和LWC测量实例

喷雾前将PDPA-FP设备固定在升降平台上，探头正迎着喷雾气流的方向。升降平台距离喷雾框20m，并调节探头的高度与直升机桨毂中心高度一致，如图6所示。

选取喷嘴不同的气压和水压，每个试验状态在水气压力稳定后，采集云雾参数3次，每次30s，对3次数据进行平均得出MVD和LWC。表2为部分水气压力与MVD、LWC的对应值，图7、图8为部分试验状态的MVD分布图。

图6 PDPA-FP图

气压Pa/(KPa)水压Pw/(KPa)LWC/(g·m-3)MVD/(μm)平均温度/(℃)160600.1620.35-14.08125601.1930.83-15.7450100.2739.40-15.8150200.5851.3-15.0

图7 MVD分布图(19.5μm)

图8 MVD分布图(29.7μm)

3 结论与展望

本文介绍了直升机防除冰地面试验结冰云雾参数测量设备和原理，对测量的步骤程序和方法进行了研究，并结合某型机试验分析了试验的数据结果。由于直升机防除冰地面试验为国内首次进行，在结冰云雾参数测量，尤其是LWC参数方面，应参考冰风洞校测的方法，采用两种以上不同原理的测量设备分别测试，以验证试验数据的准确性。

[1] 范洁川，于 涛．飞机结冰风洞试验模拟研究[J]．气动研究与试验，2006.6，23(2)：1-7．

[2] 战培国，程娅红．大型运输机结冰试验技术研究 [M]．航空科学技术，2011(1):13-15．

[3] Gerber H．一种测量液态水含量的新方法[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] 恽起麟．风洞试验[M]．北京：国防工业出版社， 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 晖(1978-)，男，江西赣州人，硕士，高级工程师，综合试验技术和故障诊断。

1673-1220(2016)04-054-04

V216.5

A