步入式高低温湿热试验箱积冰冻雨试验技术研究

刘振风，焦昶，张少楠，姜震,许特

（北京东方计量测试研究所，北京 100086）

近年来，我国很多地方都发生了冻雨天气。长期暴露在室外环境（如通信基站）或者工作期间可能会经历冻雨环境的产品会受到一定程度的影响。冻雨凝结形成积冰后能压断电线，造成供电和通讯中断；严重的冻雨甚至会压塌房屋，压断树木，冻死农作物和蔬菜。飞机在有过冷水滴的云层中飞行时，其机翼、螺旋桨会积水，从而影响飞机空气动力性能而造成失事。

因此，有必要开展积冰冻雨试验设备的研制。积冰/冻雨试验，主要用于检验产品耐受积冰/冻雨环境、在积冰/冻雨环境下工作、确定除冰设备和技术的有效性，包括现场规定使用的设备和方法的效能，适用于模拟暴露在由于冰雨或毛毛雨产生的积冰条件下的装备及由于海水溅沫或雾状物而引起冰的积聚对其工作性能影响的装备以便考核暴露产品环境试验的环境适应性，提高产品的安全性和可靠性。

表1 标准中积冰冻雨试验的条件

本文将针对军用装备、民用产品大部分组件或部分整机开展的积冰冻雨试验方法开展研究，并提出积冰冻雨试验装置的设计方案，为大部分组件或部分整机产品开展积冰冻雨试验提供有效的参考和依据。

1 积冰冻雨试验标准概述

积冰冻雨试验主要适用于冻雨环境下的装备或是有海水溅沫或雾状物形成的冰的聚集对装备工作性能产生影响的环境，考核装备暴露于积冰冻雨环境中的工作性能、除冰设备的技术有效性等，进而提高装备的安全性、可靠性和环境适应性等。

积冰冻雨试验涉及的国内主要标准见表1。其中GJB 150.22A-2009、GJB 150.22-1986 主要针对军用设备。当前开展积冰冻雨试验的军用装备种类繁多、规格大小不一，绝大部分产品选用GJB 150.22A-2009 中的试验方法，本文将对该试验方法开展研究，并制定试验设备的设计方案。

2 积冰冻雨试验系统现状

积冰冻雨试验是许多户外使用的装备检测其绝缘性能、支撑能力和产品本身的相对运动能力的必要试验之一，尤其是航空、电力、通信等领域。

2.1 国外发展现状

在国外，关于积冰冻雨相关的观测最早是由德国专家进行的，主要对云中过冷水的结冰现象进行研究。到20 世纪40年代末，美军率先建立 “气象实验室”，实验室可以满足整机试验需求，同时也可以制造多种典型的冰冻条件。美国过半数的武器装备都曾经经受过该实验室考验，积冰冻雨试验也成为美军先进作战武器迈向战场的关键性试验之一。

2.2 国内发展现状

国内最早于20 世纪80 年代末开展对飞机的结冰实验，通过多次数据的积累和分析，探讨了结冰对飞机飞行性能的影响。90 年代初，我国进行了飞机带冰模拟飞行影响的系统研究。20 世纪末，我国运输机首次按CCAR-25 的要求进行了结冰科研试飞。

积冰冻雨试验在国内外均有相关设备在售，国外实验室试验能力从实验室大小、温度范围和冰霜类型都有较大优势，国内设备一般仅适用于小型部组件。

项目最终完成后，可承担大部分组件和部分整机的积冰冻雨试验，为军用和民用设备提供较好的试验条件。

3 积冰试验系统设计方案

3.1 总体技术方案

系统由60m3步入式高低温湿热试验箱和积冰冻雨试验装置组成。其中，60m3步入式高低温湿热试验箱为低温环境重要保障条件，积冰冻雨试验装置主要包括降水组件及其控制系统、冷水机、水流控制系统和水循环系统。技术流程见图1。

图1 技术流程图

3.2 系统实现方法

图2 系统总体构成图

该系统的实现包括软件控制实现和硬件设备实现，如图2 所示。

（1）软件控制实现

软件控制实现包括试件温度控制和过冷水温度控制。试件温度控制利用步入式高低温湿热试验箱的控制系统来实现，过冷水温度控制通过冷水机的自动控制系统来实现。

（2）硬件设备实现

硬件设备实现包括步入式高低温湿热试验箱、冷水机，以及降水组件、水流控制系统和水循环系统的硬件设备。

其中，降水组件包括喷头、管路等。温箱内的降水组件为模块化，可根据被试件的尺寸大小增减喷头数量及其管路等组件。通过选购喷头实现对水滴直径为（1.0 ～1.5）mm的控制。

水流控制系统包括阀、冷水机、管路等；通过调节系统的电磁阀来控制水的流速，从而可将降水量控制在（10 ～40）±2mm/h。

水循环系统包括盛水器、过滤器、水泵、储水箱等。试验箱内未结冰的雨滴落在试验箱内的盛水器中回收，回收的水经过过滤器和水泵将水重新循环到储水箱内，实现了水循环的控制。

系统的硬件设备与软件控制共同实现了过冷水温度、流速和试件温度的控制，构成了完成积冰冻雨试验的试验系统。

（3）喷淋架机械结构设计

在不影响步入式高低温湿热试验箱的正常使用情况下，设计了一套可拆卸的不锈钢喷洒结构，整体效果图见图3。在进行积冰冻雨试验时，将喷洒结构放入步入式高低温湿热试验箱内组装，与外部供水系统连接便可试验，试验箱用于提供低温环境，积冰冻雨试验系统将水降温至接近零度，随后通过喷洒结构喷洒于样品表面，从而完成试验。当不进行积冰冻雨试验时，可将试验箱内喷洒拆卸移除，不影响步入式高低温湿热试验箱的正常使用。

在喷洒结构的设计过程中，主要考虑到了以下四个要求：

①喷洒结构可拆卸，方便使用；

②喷洒结构可调节大小，便于对不同大小的样品使用；

③喷洒结构材料要求长期使用，不会锈蚀；

④在停止喷洒时，喷洒结构内的冷水不能结冰。

3.3 系统扩展性

系统具有一定的可扩展性，主要表现在试验箱内降水组件。温箱内的降水组件为模块化，可根据被试件的尺寸大小来增减喷头数量及其管路等组件。这是需调整冷水机流量来配合保证降水量的稳定。

4 结语

本文对积冰冻雨试验标准及方法进行了对比及研究，并对国内外的积冰冻雨试验系统发展情况进行了介绍。结合国内开展组件或部分整机试验的需求，从总体方案设计、技术流程、系统试验方法、软件控制实现、硬件控制实现、喷淋架机械结构设计等方面进行了详细的介绍，为大部分组件或部分整机产品开展积冰冻雨试验提供有效的参考和依据。

图3 喷洒结构整体效果图