防冰總壓/靜壓探針結構及控制系統設計與應用

熊建軍，倪章松，李 昱，趙 照，劉 蓓

(1.中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000;2.四川大學計算機學院四川成都 610065)

結冰風洞主要用于解決飛行器在飛行過程中的結 冰機理和防護問題，保證結冰氣象條件下飛行安全，是飛行器研制、結冰適航審定的重要地面試驗設備。與其他低速風洞一樣，為測量氣流與模型之間的相對運動速度，一般都要借助測量氣流的壓強和溫度等參數再通過計算確定。在結冰風洞中，穩定段噴霧架前、后截面安裝有總壓探針，試驗段入口截面安裝有多個靜壓測量孔，試驗段上壁面中心安裝有皮托管，分別用于測量風洞總壓、靜壓和風速。總壓探針、皮托管、靜壓測量單元安裝位置如圖1所示[1]。

圖1 總壓探針、皮托管、靜壓測量單元安裝位置

總壓/靜壓是穩風速閉環控制的反饋參數，也是高度模擬控制的反饋參數，準確測量風洞總壓/靜壓是結冰風洞測控系統的重要技術內容。結冰風洞洞內最低氣溫至-40℃、空氣濕度至100%、最高可模擬高空5 kPa環境氣壓，風洞內有噴霧系統模擬云霧參數。風洞試驗時，一定含量、粒徑的過冷液態水滴隨氣流撞擊到總/靜壓進氣口，容易結霜結冰，堵塞測量孔而無法精確測量該點總壓/靜壓，直接影響風洞試驗安全穩定運行。無防冰功能的皮托管結冰如圖2所示。

圖2 無防冰功能皮托管結冰

為滿足結冰風洞的使用要求，在狹小空間內設計帶溫度反饋的防冰總壓探針、皮托管和壁面靜壓測量單元，創新電加熱控制策略，解決了結冰堵塞總壓/靜壓進氣口問題，實現了風洞總、靜壓參數準確測量。

1 總壓/靜壓測量應用研究

動力系統是結冰風洞最重要的組成部分，是風洞的心臟，一般采用風扇電機穩轉速閉環控制或試驗段穩風速閉環控制。采用穩風速閉環控制時，控制系統實時自動采集風洞總壓、靜壓、大氣壓力、風洞總溫等試驗環境參數，在穩風速閉環控制器作用下，輸出電機轉速給定信號，與風扇電機穩轉速閉環控制系統組成串級調節。當洞內阻塞度，風洞總溫、總壓、靜壓等試驗參數變化時，控制系統自動調節風扇電機轉速，保持試驗段風速穩定在控制精度范圍，穩風速控制原理如圖3所示。

圖3 穩風速控制系統原理框圖

其中，試驗段風速V與馬赫數M、音速a、總壓P0、靜壓PS、干空氣比熱γ、總溫T0、氣體常數R的關系如下式所示:式中，干空氣的比熱值為1.399，R約等于286.763。

同時，結冰風洞配套有羅茨泵和水環泵組成的高度模擬系統，最高模擬20000m高空，環境氣壓低至5 kPa。高度模擬系統的壓力反饋來自靜壓測量。

根據1952年11月國際民用航空組織通過的大氣數據參數模型，氣壓高度H與靜壓 Ps的關系如下[2-3]:

H=45383.95-6341.62lnPs，H∈(11000，20000)

因此，結冰風洞總壓、靜壓測量精準度和可靠性直接影響風洞試驗安全穩定運行。

2 防冰總壓/靜壓探針設計要求

參照飛機防冰皮托管和風洞防冰總壓/靜壓探針應用環境，結合結冰風洞試驗需求，系統設計技術要求如下:

①在各種試驗條件下，防冰控制系統運行穩定，自動化程度高，總壓、靜壓進氣口不結冰堵塞;

②在總壓探針、皮托管、靜壓測量單元狹窄空間內，優化結構設計與布局，在每個測量單元內嵌入溫度傳感器，實現電加熱溫度閉環控制;

③針對電加熱溫度控制滯后特性，總壓探針、皮托管、靜壓測量單元防冰控制系統具有快速調節特性，溫度控制精度以滿足防冰效果為依據;

④設計配套皮托管風速測量系統，實時監測試驗段風速;

⑤防冰控制系統通過本地/遠程切換，可以實現本地觸摸屏監控運行，也可遠程嵌入風洞運行管理系統監控運行;

⑥本地/遠程監控界面實時顯示各電加熱支路的當前溫度、工作電流、電加熱功率以及皮托管測量的實時風速。

3 防冰總壓/靜壓測量結構設計

目前，國內外結冰風洞防冰總壓/靜壓結構設計文獻少，僅有少量介紹飛機防冰皮托管的文獻。飛機皮托管利用金屬細管前端的小孔探測來流空氣的全壓，通過機頭兩邊的靜壓探頭探測機身周圍的靜壓，經過大氣數據計算機，解算出馬赫數、空速、飛行高度等。由于高空溫度低，皮托管又處于迎風位置，皮托管的探頭口和內部管道極易結冰。一旦結冰就會改變流體通過的口徑，甚至堵塞皮托管，直接影響飛行數據的指示，必須對皮托管進行加熱控制。飛機皮托管最小外徑為16mm，一般安裝在飛機機頭迎風部位，與蒙皮連接。防冰皮托管內安裝有正溫度系數的PTC鎧裝電阻式加熱器，其主要特點是加熱器電阻值隨溫度升高而升高，發熱功率隨溫度升高而逐漸減小至穩定功率300W[4-5]。

與飛機上皮托管工作環境不同，飛機飛行過程中，空速高、散熱性能好，加熱電源通過開關直接接入加熱電阻絲;結冰風洞試驗狀態復雜，試驗條件多變，風洞運行、停車時間不一，總壓探針、皮托管管徑較飛機上皮托管管徑小。如果不考慮風洞運行條件，持續給防冰加熱主回路通電，會導致加熱器高溫熔斷而斷路。基于以上原因，結冰風洞總壓探針、皮托管、靜壓測量單元結構可以參考飛機皮托管設計，不改變氣動外形，優化管內結構和布置，將溫度傳感器嵌入管頭，保證電加熱元件絕緣不受損，溫度分布均勻，沒有加熱死區。

3.1 總壓探針、皮托管結構設計

根據試驗需求，測量流場中某一點的總壓時，可在該點放置一根總壓管，總壓開口端正對氣流方向，總壓開口端垂直于氣流方向的平面，另一端用導管和傳感器相連。氣流流進總壓開口后，因不能再流動而被阻滯，從而感受出管口處的局部總壓。總壓探針探頭為半球形，通過不銹鋼支臂和翼型支板伸出洞壁，通過法蘭與洞壁連接。探針加熱部分材料為黃銅，總壓探頭前段通過隔板將內部腔體隔開，前部空腔為總壓室，開有排水孔排除積水，并通過導管將總壓從內部引出。電加熱器呈雙螺旋狀焊接于探針內壁上，采用帶鎧電加熱絲發熱，發熱芯線為鎳鉻合金電阻絲，電絕緣層采用礦物氧化鎂，鎧裝層采用不銹鋼護套。發熱芯線與外部導線連接處采用玻璃燒結方式固定并密封處理，避免連接處斷裂，同時防止水汽進入加熱器絕緣層使絕緣性能受到影響。溫度傳感器也預埋進管內總壓室附近。總壓探針結構設計如圖4所示。

皮托管的探頭、加熱器布置、溫度傳感器安裝與總壓探針一致，后部腔體在尾部出口密封作為靜壓室，在靜壓室表面開有靜壓孔，并從密封處引出靜壓導管。靜壓孔處的氣流會受到頭部和后支桿的影響，氣流流過半球形頭部時，流速增加，靜壓下降，使得測量到的靜壓比實靜壓低，產生負誤差。后支桿對氣流有減速作用，使靜壓增高，產生正誤差。當靜壓孔在一定位置時，就可以使頭部和后支桿這兩種影響相互抵消，較準確地感受出氣流的靜壓。皮托管外徑為10mm，靜壓孔在距離管頭80mm處，沿同一截面均勻分布6個靜壓孔。

圖4 總壓探針結構設計

3.2 防冰靜壓測量單元結構設計

在低速風洞中，風洞壁面靜壓通常在風洞內洞壁表面沿法線方向開一小孔來感受該位置的靜壓，測壓孔直徑一般在0.5～2mm范圍內，孔深與孔徑比值大于2以上，測壓孔的軸線與壁面垂直，孔內壁光滑，孔口無毛刺或倒角，孔口附近的物面光滑無凹坑或凸出物，測壓孔與風洞內壁面平整無階差，即可準確測量該點局部靜壓[6]。

結冰風洞靜壓測量單元安裝在試驗段入口截面，在左、右壁面各開兩個圓孔用于安裝靜壓測量單元，各靜壓測量單元輸出的靜壓導管經均壓后分別接入測量、控制用靜壓傳感器。靜壓測量單元由加熱體、安裝法蘭、靜壓管等組成。加熱體采用柱狀結構，外部尺寸與洞壁開孔尺寸一致。加熱體軸向開多個孔，分別用于安裝電熱管、測壓管、溫度傳感器等。其中測壓孔為通孔，靜壓管插入其中。靜壓管一端和洞壁內側加熱體端面整體切割，保證端面平整，測壓管內壁光滑，孔口無毛刺或倒角;靜壓管靠洞壁外側一端焊接錐度接頭，外部靜壓導管與錐度接頭連接。加熱絲芯線與外部加熱電源導線連接;溫度傳感器接入溫控儀;加熱體孔隙填充絕緣層，外部用耐高溫膠封堵。加熱體外套環狀法蘭，法蘭內徑與加熱體外徑一致，法蘭徑向設計一定數量的安裝螺絲孔，用于調節加熱體在法蘭內軸向移動，調整加熱體端面與內洞壁面平整度，并將法蘭與加熱體緊固成一體;軸向設計一定數量的安裝通孔，孔徑與洞壁安裝螺釘絲孔一致，用于將法蘭和加熱體固定在洞壁內。防冰靜壓測量單元結構設計如圖5所示。

圖5 靜壓測量單元結構設計

4 防冰總壓/靜壓測量控制系統設計

根據結冰風洞試驗、飛機皮托管飛行試驗、仿真計算，皮托管、探針等處于迎風面的總壓進氣口和支臂處最容易結冰。防冰總壓/靜壓測量控制系統必須重點解決皮托管、總壓探針等迎風面的總壓進氣口和支臂處結冰問題;針對電加熱溫度控制滯后特性，優化控制策略，提高控制系統快速性，達到溫度控制精度。

4.1 防冰控制系統主回路

根據防冰總壓/靜壓測量總體設計要求，考慮同類探針、皮托管、靜壓測量單元電阻基本一致，為簡化控制系統結構，同類電加熱對象采用并聯方式工作，2個總壓測量截面的4支總壓探針加熱單元分別并聯，4支靜壓測量單元加熱單元并聯，試驗段2支皮托管加熱單元并聯，控制系統共4個電加熱主回路。

防冰控制系統主回路由進線電源、加熱電源、斷路器、固態繼電器、溫控儀、控制電源等組成。進線電源根據加熱功率、耐壓等級可以選擇單相或三相交流電源，也可使用直流電源，本系統選用交流進線電源。加熱電源用于調節加熱電壓幅值，輸出幅值可調節的加熱電壓，可以根據系統要求選用程控電源、開關電源等，本系統選用手動調壓器。電加熱主回路的固態繼電器是否導通，受溫控儀或運行管理系統輸出的PLC控制。溫控器根據溫度反饋，或運行管理系統綜合風洞總溫、試驗段風速等連鎖參數，接通或斷開固態繼電器的控制電源，控制固態繼電器導通與關斷，從而控制電加熱主回路是否加熱。防冰電加熱控制系統主回路如圖6所示。

4.2 防冰控制系統網絡結構

皮托管、總壓探針、靜壓測量單元嵌入的溫度傳感器采用Pt100鉑電阻，鉑電阻變化值與連接導線電阻值共同構成傳感器的輸出值。為提高測量精度，傳感器采用三線制，消除引線電阻的影響。為準確測量每個支路的工作電流，在每個加熱支路安裝電流隔離變送器，變送器將各支路電流轉換為4～20mA后送達分布式采集模塊，用于實時采集各支路加熱電流。溫控儀、分布式采集模塊均支持ModbusRTU通信，與控制柜面的一體化觸摸屏通信，觸摸屏控制程序實時監控各加熱支路電流、加熱溫度，控制系統網絡結構如圖7所示。觸摸屏控制程序采用MCGS組態軟件開發，與風洞測控網采用以太網通信，實時傳輸各加熱支路的工作電流、溫度反饋、設定溫度等數據[7-8]。

圖6 防冰電加熱控制系統主回路

圖7 防冰控制系統網絡結構

4.3 皮托管風速測量系統

皮托管輸出的總壓、靜壓，經過導管接入差壓傳感器。差壓傳感器量程為-250～62.3kPa，輸出電流為4～20mA，工作環境溫度為-40～+80℃，精度為0.04%。該傳感器安裝在主試驗段上壁面順氣流中心線，共2支，分別測量試驗段來流和尾流動壓。動壓、氣壓、風洞總溫等參數一并輸入到動力控制系統PLC的模擬量輸入模塊，按照沿流線、定常、無粘、不可壓條件下伯努利方程，通過計算間接測量試驗段實時風速反饋。

4.4 電加熱防冰控制設計

為提高控制系統適用性，電加熱防冰控制系統大致有3種控制方法，分別為溫度閉環調節電壓連續控制方法、溫度閉環主回路通斷控制方法和溫度開環風洞運行參數連鎖控制方法。3種控制方法都要求設計前準確計算防冰電加熱功率，再以此完成加熱電源配套和電加熱主回路設計，保證加熱功率有一定裕度又不至于浪費。溫度閉環調節電壓連續控制適合便于安裝溫度傳感器的加熱對象，溫度控制精度高，電加熱快速性好，防冰效果好，但要求配套數字可調電源，電源電壓連續無極調節，控制系統設計、調試難度較大。溫度閉環主回路通斷控制調節電加熱主回路通斷時間調節電加熱功率，加熱電源采用手動調壓器或可調電源，電加熱溫度有一定波動，控制精度一般。對不便嵌入溫度傳感器的防冰控制系統，可以采用溫度開環風洞運行參數連鎖控制。由于沒有采用數字可調電源，本系統采用了溫度閉環主回路通斷控制、溫度開環風洞運行參數連鎖控制相結合方案，兩種控制方式可以任意切換。

為提高溫度控制系統的快速性和控制精度，針對溫度控制滯后特性，防冰控制系統采用了變結構溫度控制策略:根據設定溫度與反饋溫度差或實時測量的溫度變化率，自動調節電加熱回路的電加熱時間。當防冰控制系統剛投入運行時，溫度給定階躍變化，溫度反饋遠低于溫度設定，電加熱回路以最大電壓幅值連續工作，保證溫度加熱的快速性;當溫度反饋與溫度設定值相差10%以內，電加熱防冰控制系統閉環運行，通過控制主回路的固態繼電器通斷時間，保證電加熱溫度不超調。為保證防冰控制系統通用性，監控界面預留了溫度差、溫度變化率設置窗口，可以根據不同加熱對象調整變結構控制參數[6-7]。

針對結冰風洞中不便安裝溫度傳感器的電加熱對象，可以采用溫度開環風洞運行參數連鎖控制，同樣可以達到較好的防冰效果。采用風洞運行參數連鎖控制時，一旦風洞運行參數達到加熱條件，動力系統PLC 的I/O模塊輸出開關量信號，接通+5V電源信號，觸發主回路固態繼電器導通，電加熱主回路通電持續加熱。當風洞運行參數沒達到加熱條件，動力系統PLC 的I/O模塊輸出開關量信號狀態不變，固態繼電器關閉，該電加熱主回路停止加熱。通過調試發現，風洞總溫、試驗風速等是防冰控制的主要影響參數，在防冰溫度控制系統中，將以上參數設置一定的限值，達到加熱條件，防冰加熱電源接通連續加熱;一旦不具備加熱條件，防冰加熱電源斷開。依據風洞調試運行經驗，風速、總溫值分別設置為10m/s和0℃，僅當試驗風速高于設定值且風洞總溫低于設定值時，電加熱防冰系統連續工作;任一條件不滿足，電加熱防冰系統停止工作。

5 控制系統調試與運行

在總壓探針、皮托管、靜壓測量孔加工完成后，依次驗證了電加熱效果，檢查溫度分布情況。根據皮托管、總壓探針紅外熱成像檢測的熱成像看，電加熱溫度分布均勻，尤其在容易結冰區域，沒有加熱死區。

控制系統安裝完成后，先后檢查各加熱支路線路接線，線路絕緣，測量每個通道的加熱電阻，在確認無誤后，依次調試防冰控制功能是否達到使用要求。

在結冰風洞現場，由于皮托管安裝在試驗段上頂面中軸線，試驗期間風速高，風速變化較大，散熱快，必須保證電加熱快速性和較高的溫度控制精度，皮托管防冰控制采用溫度閉環主回路通斷控制策略。對總壓探針、靜壓測量單元，由于安裝位置風速較低，結冰風險較小，同時部分總壓探針內不便安裝溫度傳感器，總壓探針、靜壓測量單元采用了溫度閉環主回路通斷控制、溫度開環風洞運行參數連鎖控制相結合的控制策略。皮托管和靜壓測量單元電加熱測試效果分別如圖8、圖9所示。

圖8 皮托管電加熱測試

圖9 靜壓測量單元電加熱測試

從圖8皮托管電加熱測試分析，采用溫度閉環主回路通斷控制策略時，在試驗段風速、加熱電壓一致的情況下，控制主回路通斷時間，初期反饋溫度與設定溫度基本一致;隨著風洞總溫逐漸降低，為增加加熱量，主回路導通時間延長，最后主回路連續導通;隨著散熱量增加，在加熱量不變的情況下，反饋溫度逐漸降低，最后穩定在2℃左右。從應用效果看，只要進氣口溫度高于0℃就可以達到防冰效果。從圖9靜壓測量單元電加熱測試分析，靜壓測量單元采用了溫度開環風洞運行參數連鎖控制策略，當風洞總溫、試驗風速等達到防冰控制條件時，防冰控制系統主回路連續工作，初期反饋溫度與設定溫度基本一致;隨著風洞總溫逐漸降低，散熱量增加，在加熱量不變情況下，反饋溫度有所降低，防冰效果較好。

6 結束語

防冰控制系統針對過冷液態水滴容易在結冰風洞內總壓、靜壓測量裝置的進氣口結冰問題，在狹小空間內設計了帶溫度反饋的防冰總壓探針、皮托管和壁面靜壓測量單元，研制了電加熱防冰控制系統，實現了電加熱溫度閉環控制;設計配套了皮托管風速測量系統，實時監測試驗段風速;防冰控制系統通過本地觸摸屏監控/遠程嵌入風洞運行管理系統監控運行，實時監控各電加熱支路的當前溫度、工作電流、電加熱功率以及皮托管測量的實時風速。防冰控制系統采用溫度閉環主回路通斷控制和溫度開環風洞運行參數連鎖控制相結合控制策略，實現了電加熱防冰控制系統快速調節和控制精度要求，解決了總壓、靜壓進氣口結冰問題，提高了總壓/靜壓測量的精準度和可靠性，保障了風洞試驗安全穩定運行。系統投入運行以來，自動化程度高、工作穩定、防冰效果好，已經應用于結冰風洞各項試驗中。