基于傳感器的飛機地面除冰模擬實驗研究*

王立文，趙 亮，陳 斌

（1．中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300;2．中國民航大學航空地面特種設(shè)備民航研究基地，天津 300300）

0 引言

飛機除冰問題已經(jīng)成為影響民航冬季安全運行的重要因素之一。據(jù)美國國家運輸安全委員會（NTSB）統(tǒng)計［1］，1981～1988年的7年期間，美國共發(fā)生542起飛機因結(jié)冰而引起的飛行事故，其中約有50%事故是因機體結(jié)冰造成的，同時飛機地面積冰/霜也是導(dǎo)致民航班機延誤或者取消的重要因素之一。因此，飛機起飛之前需要清除飛機表面的積冰/雪/霜等污染物。目前，國內(nèi)外普遍使用飛機除冰液進行飛機地面除冰，盡管聯(lián)邦航空局（FAA）提供了在不同氣象條件下除冰液使用標準，但除冰部門還是按照氣象條件最惡劣的標準提供除冰液溫度和配比，這樣不僅影響了除冰效率，也浪費了大量除冰液，對機場周圍的地下水資源造成一定的污染［2，3］。因此，對除冰液除冰過程進行研究具有很重要的意義。

國內(nèi)外學者對飛機除冰進行廣泛而深入的研究［4］，主要從數(shù)值模擬［5］、工程估算、實驗研究三方面進行。由于飛機除冰過程中除冰產(chǎn)生影響的因素較多，飛機機型復(fù)雜，工程估算方法誤差較大，大多采用數(shù)值模擬［6］進行，實驗研究較少。本文中結(jié)合光纖傳感器和溫度傳感器在室外結(jié)冰環(huán)境下進行除冰實驗，最大限度地貼近實際除冰環(huán)境，分析除冰影響因素，探索最佳除冰效果，為實際除冰和進一步試驗箱環(huán)境模擬實驗提供參考。

1 實驗設(shè)備

1．1 機 翼

飛機機翼的結(jié)冰［7］對飛機安全影響最大，所以，除冰的重點是飛機的機翼部分［8］，在實驗中采用厚為2．5 mm的800mm×800mm的7075航空鋁板，對實驗用的鋁板表面進過打磨處理，使其粗糙度與飛機機體表面相似。在實際實驗中鋁板與水平面成5°傾角。

1．2 光纖傳感器

光纖傳感器是一種反射與散射式光強調(diào)制型傳感器，光源發(fā)射光，由發(fā)射光纖傳輸?shù)竭_探測面。當探測端面無積冰時，發(fā)射光將射入空氣，接收光纖端面基本探測不到任何發(fā)射光。當探測面上有積冰時，光在冰層內(nèi)發(fā)生諸如反射、散射等一系列作用，其中冰層—空氣界面的反射光和在冰層內(nèi)的散射光進入接收光纖。接收光纖末端接有光電三極管及其相應(yīng)的信號檢測與處理電路，通過檢測接收光信號的強度與變化趨勢，達到測量結(jié)冰狀態(tài)的目的。

1．3 溫度傳感器

溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，－200～850℃線性度較好。在實際測試時，為了保護傳感器，給鉑電阻溫度傳感器帶上鋁制外殼。

2 除冰實驗

2．1 除冰所需要控制的參數(shù)

除冰過程中，室外環(huán)境下的溫度和風速為不可控的參數(shù)［9］，可以通過實時測量得出，為保證實驗的可重復(fù)性，挑選室外環(huán)境溫度為－5～－7℃，風速為1～2 m/s，天氣為陰天的環(huán)境下進行。主要的可控參數(shù)為除冰液的流量、除冰液溫度。在除冰前，冰層通過噴水使鋁板表面結(jié)冰，每次實驗的冰層厚度為1 mm左右。

2．2 除冰需要測量的參數(shù)

除冰液通過實心圓錐形噴嘴噴出，為達到霧化效果以減少除冰液流體的沖擊力，通過標定，單個噴嘴的流量為0．8 L/min，流量的改變是通過噴嘴數(shù)目的增減。除冰液的溫度是通過加熱器將除冰液加熱到所需溫度，在除冰液噴射前進行溫度測量，鋁板表面溫度通過溫度傳感器測量，冰層厚度通過同軸光纖傳感器測量。

2．3 除冰實驗

每次實驗前通過噴水，使鋁板表面結(jié)冰，結(jié)冰方式采取向鋁板噴霧狀的水，水溫接近0℃，每次噴少量的水，以避免鋁板表面的冰被融化。目測鋁板上結(jié)冰后，通過光纖傳感器測試冰層厚度，如果未達到1 mm冰層厚度，則繼續(xù)噴水結(jié)冰，直到形成1 mm厚的冰為止。由于水在結(jié)冰過程會產(chǎn)生潛熱，潛熱會造成冰層溫度高于環(huán)境溫度，在實際情況下，飛機機體表面的冰層溫度與環(huán)境溫度相近，所以，還必須通過溫度傳感器觀測冰層溫度，當冰層溫度與環(huán)境溫度相近時方能開始除冰。實驗分2組進行。

第一組實驗采用單噴嘴噴射除冰液，除冰液流量為定值，改變除冰液溫度觀測鋁板表面的冰層厚度和鋁板表面溫度變化情況。

圖1為在單噴嘴情況下，鋁板表面溫度變化情況。由上圖的曲線變化情況可知，除冰液溫度在40～60℃區(qū)間時，隨著除冰液溫度上升，鋁板的表面溫度上升速率會變大，但是當除冰液溫度在65℃和70℃時，鋁板的表面溫度上升速率沒有明顯差異。

圖1 單噴嘴下鋁板溫度變化Fig 1 Aluminum plate temperature changes under single nozzle

圖2為單噴嘴情況下，冰層厚度變化曲線，由于噴嘴噴出的除冰液帶有動能，會將光纖傳感器上的冰層直接沖走，導(dǎo)致測得的冰層厚度曲線出現(xiàn)跳變（如圖2中的70℃時冰層厚度變化），所以，在實驗中需要將除冰液噴射時調(diào)節(jié)為噴霧狀，這樣可以避免沖擊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)跳變。由圖2可知，除冰液溫度在40～60℃范圍內(nèi)時，冰層厚度變化率隨除冰液溫度的升高而增大，而60℃和65℃除冰液進行除冰時，冰層厚度變化率差別較小，說明除冰液的除冰速率只是在一定范圍內(nèi)隨著除冰液溫度的升高而增加，當除冰液溫度達到一定值時，提高除冰液溫度對除冰速率影響不明顯。

第二組實驗采用雙噴嘴噴射除冰液，將第二組測得的實驗數(shù)據(jù)與第一組進行對比得到如圖3、圖4。

圖2 單噴嘴下冰層厚度變化Fig 2 Ice layer thickness change under single nozzle

由圖3（a）（除冰液溫度為40℃）、圖3（b）（除冰液溫度為60℃）、圖3（c）（除冰液溫度為70℃）中溫度曲線可知。隨著除冰液溫度的上升，在一定范圍內(nèi)（40～60℃），鋁板表面溫度變化速率隨著除冰液的流量增加而變大，但當除冰液的溫度達到一定范圍時（在70℃），鋁板表面溫度變化速率受除冰液流量的影響較小。所以，在除冰過程中，從熱力學角度來看增大除冰液流量，只是在一定范圍內(nèi)能提高除冰速率。

圖3 不同除冰溫度下鋁板表面溫度變化比較Fig 3 Comparison of aluminum plate surface temperature change at different deicing temperature

由圖4中得到的5組曲線中有3組曲線顯示冰層厚度在5 s內(nèi)直接從1 mm變?yōu)?，這是由于除冰液流量增大時，冰層并不是被除冰液加熱而融化，而是被除冰液直接沖走。將剩余2組曲線與圖2中相應(yīng)的除冰溫度下的冰層厚度曲線相比較可知，除冰液流量增大可以提高除冰速率。綜合以上所述，除冰液流量在一定范圍內(nèi)時，除冰液流量增加可以提高除冰速率，當除冰液流量超出這一范圍時，除冰速率會達到最大，這是因為出現(xiàn)了射流沖擊現(xiàn)象［10］。

圖4 雙噴嘴下冰層厚度變化Fig 4 Ice thickness change under double nozzle

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明:在一定范圍內(nèi)提高除冰液溫度或者增加除冰液流量可以提高除冰速率。但當除冰液溫度超過一定值時，提高除冰液溫度并不能明顯改變除冰速率。而當除冰液流量超過一定值時，在除冰過程中起主要作用的是除冰液的動能。

2）在實際除冰過程中，為了節(jié)省資源，必須得到除冰過程中除冰液溫度和除冰液流量的最佳組合。由于室外環(huán)境的局限性，本次實驗并未得到除冰液溫度、除冰液流量和除冰速率三者間的精確關(guān)系，只是從熱力學角度設(shè)計實驗，而并未考慮射流沖擊現(xiàn)象。

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［5］ 王永珍．風窗玻璃霜霧結(jié)解過程傳熱及其解化特性研究［D］．長春:吉林大學，2011．

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［7］ 常士楠，韓鳳華．飛機發(fā)動機進氣道前緣熱氣防冰器性能分析［J］．北京航空航天大學學報，1999，25（2）:201 －203．

［8］ 常士楠，韓鳳華．飛機發(fā)動機進氣道前緣熱氣防冰器性能分析［J］．北京航空航天大學學報，1999，25（2）:201 －203．

［9］ 常士楠，劉達經(jīng)，袁修干．直升機旋翼槳葉防/除冰系統(tǒng)防護范圍研究［J］．航空動力學報，2007，22（3）:154 －159．．

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