大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞及其試驗方法研究

朱東宇，馮強 ，韓曉濤 ，楊希明 ，崔曉春 ，袁立

1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034 2.沈陽市飛機結(jié)冰與防除冰重點實驗室，沈陽 110034

3.高速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室，沈陽 110034

0 引 言

結(jié)冰風洞試驗是開展飛機結(jié)冰和防除冰系統(tǒng)性能試驗研究的最基本手段，其結(jié)果將為自然結(jié)冰條件下的飛行試驗數(shù)據(jù)提供依據(jù)。SAE AIR 5320統(tǒng)計了歐美27座結(jié)冰試驗設施，按照制冷方式可以分為制冷型和自然環(huán)境型兩種。

制冷型結(jié)冰風洞通過制冷系統(tǒng)來實現(xiàn)對低溫環(huán)境的模擬，多采用閉路回流形式，提高了制冷系統(tǒng)效率，提升了流場品質(zhì)，以美國國家航空航天局（NASA）、意大利航空航天研究中心（CIRA）、加拿大國家研究委員會（NRC）等國外研究機構(gòu)的結(jié)冰風洞和中國空氣動力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風洞、中國航空工業(yè)空氣動力研究院（下文簡稱氣動院）FL-61結(jié)冰風洞等國內(nèi)研究機構(gòu)的結(jié)冰風洞為典型代表。文獻[5]認為回流式結(jié)冰風洞由于試驗段尺寸的限制，不能進行大尺寸試驗件和整機試驗，且閉路回流式大型結(jié)冰風洞設備規(guī)模大、造價昂貴、技術(shù)復雜。利用自然環(huán)境的開放式結(jié)冰風洞雖然能量損失較大，但是結(jié)構(gòu)簡單、造價較低。

自然環(huán)境型結(jié)冰風洞多采用開路形式，通過吸入冬季自然低溫大氣實現(xiàn)對結(jié)冰環(huán)境的模擬。自然環(huán)境型結(jié)冰風洞不需要制冷系統(tǒng)，試驗設施的建設和運行成本大幅降低，試驗段尺寸可以更大甚至滿足全機試驗需求，使利用冬季環(huán)境低溫進行結(jié)冰試驗成為一種有效的大尺寸結(jié)冰試驗實現(xiàn)途徑。受自然條件限制，季節(jié)性結(jié)冰風洞的研究主要集中在加拿大、法國、俄羅斯等國家，這些國家依靠其氣候條件建設了季節(jié)性結(jié)冰風洞，發(fā)展了全尺寸機翼、發(fā)動機、飛機整機等結(jié)冰試驗技術(shù)。

本文總結(jié)了國外季節(jié)性結(jié)冰風洞的基本情況，分析了季節(jié)性結(jié)冰風洞的作用和主要試驗能力。基于氣動院移動式結(jié)冰風洞，發(fā)展了螺旋槳和飛機整機地面結(jié)冰試驗技術(shù)。我國北方地區(qū)冬季低溫時間長，非常有利于建設季節(jié)性自然結(jié)冰試驗設施。本文在螺旋槳季節(jié)性結(jié)冰等試驗方法研究的基礎(chǔ)上，提出了利用冬季氣候條件建設季節(jié)性、可移動、模塊化組裝的結(jié)冰風洞概念設計方案，為我國利用冬季低溫建設大型季節(jié)性結(jié)冰風洞提供參考。

1 國外主要結(jié)冰試驗設施

SAE AIR 5320在文獻[9]的基礎(chǔ)上統(tǒng)計了截至1999年世界上的27座結(jié)冰試驗設施信息，如表1所示，包括了小尺寸結(jié)冰風洞，例如美國Rosemount結(jié)冰風洞，試驗段尺寸僅有0.25 m×0.25 m；大型結(jié)冰風洞，例如美國NASA的結(jié)冰風洞（Icing Research Tunnel， IRT），試驗段尺寸1.80 m×2.70 m；大型發(fā)動機結(jié)冰試驗設施，例如CEPr R6和G.E.Site 6等，試驗段尺寸可達11 m。這些試驗設施主要分布在美國和歐洲，涵蓋了傳感器、二維翼型、三維機翼、進氣道、發(fā)動機、飛機整機、直升機等結(jié)冰試驗能力，只有利用自然環(huán)境制冷的法國S1MA風洞具備了全尺寸飛機的結(jié)冰試驗能力。

表1 結(jié)冰試驗設施信息統(tǒng)計[2]Table 1 Summary of icing test facilities[2]

部分風洞液態(tài)水含量和水滴平均體積直徑等參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，本文仍以SAE AIR 5320為準，未做更新。

2 國外季節(jié)性結(jié)冰風洞及其應用

2.1 國外主要季節(jié)性結(jié)冰風洞

本文在SAE AIR 5320基礎(chǔ)上進一步調(diào)研了國外季節(jié)性結(jié)冰風洞的情況，主要包括法國宇航院（ONERA）的S1MA風洞、加拿大NRC的開放式結(jié)冰風洞PIWT、美國FluiDyne的結(jié)冰風洞、俄羅斯中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）的季節(jié)性結(jié)冰風洞AHT-SD，具體參數(shù)如表2所示。

表2 國外季節(jié)性結(jié)冰試驗設施信息Table 2 Summary of natural icing test facilities

法國ONERA的S1MA風洞是一座常壓連續(xù)式風洞，位于法國莫當（Modane），于1952年建成并投入使用，如圖1所示。S1MA是一座多用途風洞，可進行大尺寸全模或半模的氣動試驗，例如飛行器動力模擬試驗、螺旋槳試驗、直升機旋翼試驗、吊艙/掛架/機翼干擾試驗、進氣道穩(wěn)態(tài)和動態(tài)試驗、捕獲軌跡系統(tǒng)和投放試驗、聲學試驗和結(jié)冰試驗等。試驗段直徑8 m，利用室外空氣對洞內(nèi)環(huán)境進行冷卻，冷空氣流量約為試驗段流量的20%。結(jié)冰試驗通常在11月中旬至次年3月中旬進行，主要進行大尺寸機翼、螺旋槳、直升機部件的結(jié)冰試驗。

圖1 S1MA風洞示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of S1MA wind tunnel[10]

自1960年開始，ONERA就在S1MA風洞進行了全尺寸飛機和直升機部件（包括“協(xié)和號”客機和直升機槳葉等）的結(jié)冰試驗。在1983年S1MA風洞開展的直升機槳葉結(jié)冰試驗中，槳葉直徑達4.2 m，轉(zhuǎn)速為960 r/min。1994年，S1MA風洞設計加工了一套特殊噴嘴，具備了水滴平均體積直徑 200 μm的結(jié)冰試驗能力。1995年，S1MA風洞進行了ATR-72飛機真實機翼外段結(jié)冰試驗，外翼展長5.2 m，帶有真實氣囊除冰系統(tǒng)。試驗風速約100 m/s，靜溫–5～–1 ℃，水滴平均體積直徑 100～200 μm，液態(tài)水含量 0.3 g/m3。實驗觀察到了除冰系統(tǒng)開啟后除冰區(qū)域之后的不連續(xù)冰脊，高度達20 mm，與ATR-72飛機事故后開展的結(jié)冰飛行試驗結(jié)果一致，如圖2所示。

圖2 ATR-72飛機真實機翼在S1MA風洞進行結(jié)冰試驗[13]Fig.2 ATR-72 full scale icing test in S1MA[13]

加拿大NRC的開放式結(jié)冰風洞PIWT位于加拿大渥太華市，于1981年建成。該風洞為直流式自然結(jié)冰風洞，由入口段、動力段、試驗段、排氣段等組成，如圖3所示。試驗段截面尺寸3 m×6 m，風速40～67 m/s，噴霧系統(tǒng)安裝在試驗段上游，包含16個噴霧耙，約500個噴嘴，可實現(xiàn)水滴平均體積直徑 15～50 μm，液態(tài)水含量 0.1～2.5 g/m3。該風洞還配備了降雨系統(tǒng)，可模擬凍雨條件。冬季可利用外界天氣條件獲得所需試驗溫度，每年11月至次年3月為試驗窗口期。該風洞具備直升機發(fā)動機及其尾槳、飛機機翼全尺寸防除冰系統(tǒng)等結(jié)冰試驗的能力。由于節(jié)省了制冷系統(tǒng)的費用，PIWT成為世界上少有的在尺寸、風速、環(huán)境溫度等方面滿足大尺寸模型結(jié)冰試驗要求且成本可控的結(jié)冰風洞。

圖3 PIWT開放式結(jié)冰風洞[14]Fig.3 NRC’s open-circuit propulsion and icing wind tunnel [14]

美國FluiDyne結(jié)冰風洞IWT（圖4）為直流式，由進氣室、穩(wěn)定段、收縮段、試驗段、引射段、擴散段等組成。進氣室進口處安裝了百葉窗裝置，可以避免側(cè)風影響。進氣室截面約為3.96 m×3.35 m，穩(wěn)定段截面約為2.24 m×2.24 m，長3.20 m，收縮段收縮比為16∶1，試驗段截面尺寸為0.56 m×0.56 m。風洞由引射器驅(qū)動，噴霧裝置由25個噴嘴構(gòu)成，安裝在收縮段入口前約2.44 m。該風洞最初建設時主要是為了滿足全尺寸旋翼高速結(jié)冰試驗需求，同時滿足螺旋槳、發(fā)動機風扇葉片高速旋轉(zhuǎn)條件下的結(jié)冰試驗需求。考慮到旋翼葉尖速度，該風洞可實現(xiàn)Ma=0.8的最大風速。Ma=0.8時風洞最長運行時間為12 min，模擬高度約為3 658 m；Ma=0.2時，風洞最長運行時間約為54 min，模擬高度約為610 m。該風洞利用冬季自然低溫進行結(jié)冰試驗，風洞所在的明尼阿波利斯12月至次年2月70%的時間最高溫度低于0 ℃。風洞試驗段上游的氣流能夠被加熱，進而實現(xiàn)對氣流溫度的有限控制，使試驗條件更加精確。此外，還可以通過加入蒸汽的方式提高風洞內(nèi)濕度。

圖4 美國FluiDyne結(jié)冰風洞IWT[16]Fig.4 FluiDyne icing wind tunnel[16]

俄羅斯TsAGI的季節(jié)性結(jié)冰風洞AHT-SD于2016年建成，如圖5所示。該風洞為直流式自然結(jié)冰風洞，試驗段截面尺寸為1 m×1 m，最大風速150 m/s，最低溫度 –30 ℃，具備三維結(jié)冰試驗、過冷大水滴和冰晶試驗等試驗能力。

圖5 俄羅斯TsAGI季節(jié)性結(jié)冰風洞AHT-SD[17]Fig.5 AHT-SD seasonal icing wind tunnel in TsAGI[17]

除以上季節(jié)性結(jié)冰風洞之外，加拿大還新建了發(fā)動機季節(jié)性結(jié)冰試驗設施（圖6）以滿足大尺寸發(fā)動機試驗和適航取證需求。通用電氣公司在位于溫尼伯地區(qū)的發(fā)動機測試和研發(fā)中心（Engine Test and Research Development Centre，TRDC）建造了一座造價達5千萬美元的結(jié)冰試驗臺，于2012年初投入使用，開展了GEnx等型號的發(fā)動機結(jié)冰試驗。加拿大的普惠和羅羅公司在全球航空航天結(jié)冰與環(huán)境研究中心（Global Aerospace Centre of Icing and Environmental Research，GLACIER）建造了直連式發(fā)動機結(jié)冰試驗設施，可滿足流量約500 kg/s的發(fā)動機結(jié)冰試驗需求。

圖6 加拿大發(fā)動機季節(jié)性結(jié)冰試驗設施[18-19]Fig.6 Outdoor engine icing test facilities[18-19]

2.2 季節(jié)性結(jié)冰風洞的主要試驗能力

季節(jié)性結(jié)冰風洞的主要特征是試驗段尺寸較大、運行成本較低，主要為機翼、直升機槳葉、發(fā)動機等大尺寸部件提供試驗，例如S1MA風洞和PIWT風洞等。除此之外，螺旋槳、機上地面結(jié)冰試驗等也需要利用季節(jié)性結(jié)冰風洞完成。

2.2.1 螺旋槳結(jié)冰試驗

1944年美國在IRT結(jié)冰風洞中進行了首次螺旋槳結(jié)冰試驗。螺旋槳直徑為15英尺（4.57 m），安裝在修形后的機身上。IRT風洞試驗段尺寸為1.8 m×2.7 m，如圖7、8所示。為開展試驗，只能將螺旋槳安裝在風洞擴散段，螺旋槳直徑也縮小至11英尺（3.35 m）。試驗風速約為54 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為800和1 000 r/min，環(huán)境溫度約為–18～–7 ℃，液態(tài)水含量為0.3～0.9 g/m。在上述條件下，完成了槳葉在無加熱、連續(xù)加熱、間斷加熱等條件下的結(jié)冰與防除冰試驗，單槳加熱功率為750～1 250 W。試驗研究者認為螺旋槳內(nèi)部周期性加熱除冰是螺旋槳防除冰的有效工程方法，目前飛機螺旋槳也多采用這種除冰方法。

圖7 螺旋槳在結(jié)冰風洞擴散段中進行試驗[20]Fig.7 Propeller test in icing wind tunnel[20]

圖8 螺旋槳結(jié)冰試驗[21]Fig.8 Ice formation on propellers[21]

將螺旋槳安裝在風洞擴散段進行試驗，暫時解決了尺寸問題，但犧牲了一定的流場品質(zhì)和試驗效果。2006年美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）又組織多家機構(gòu)在麥金利（McKinley）氣候室開展了全尺寸螺旋槳結(jié)冰試驗（圖9）。在McKinley氣候室主環(huán)境室中部臨時建造了一個開口風洞，風洞動力系統(tǒng)由7個直徑為2.1 m的風扇組成，動力段直徑約為8 m，每臺風扇由224 kW的變頻電機驅(qū)動。噴霧架包括12個均布的噴霧耙，安裝在風洞出口。噴霧耙下游為直徑約2.7 m的等直段，用于防止云霧擴散。螺旋槳安裝在噴霧耙下游約9.8 m處，此處最大風速約為51.4 m/s。流場校測顯示，流場均勻區(qū)直徑約為1.8 m，如圖10所示。文獻[22]認為，流場均勻區(qū)雖然不能覆蓋整個螺旋槳，但是由于巨大的離心力和較低的凍結(jié)系數(shù)，槳尖并不容易結(jié)冰，試驗重點關(guān)注螺旋槳75%半徑以內(nèi)的結(jié)冰情況。

圖9 移動式結(jié)冰風洞螺旋槳結(jié)冰試驗[22]Fig.9 Propeller icing test in McKinley[22]

圖10 McKinley開口風洞流場速度型[22]Fig.10 Velocity profile[22]

試驗獲取了大量的螺旋槳結(jié)冰數(shù)據(jù)，包括前緣冰形、展向結(jié)冰、脫冰頻率、溢流冰、過冷大水滴結(jié)冰等。結(jié)果顯示：螺旋槳在過冷大水滴結(jié)冰條件下的平均拉力損失為13.4%，最高可達21.2%；常規(guī)小水滴（CCAR 25部附錄C）結(jié)冰條件會導致5.9%的拉力損失，最高可達13.4%。

2.2.2 機上地面結(jié)冰試驗

民用飛機型號合格審定過程中，為了獲得所需的證據(jù)資料以表明對適用適航條款的符合性，型號合格證申請人通常需要采用不同的驗證方法，這些方法統(tǒng)稱為“符合性驗證方法”。符合性驗證方法分為10種，即MC 0～MC 9，其中的MC 5為機上地面驗證試驗，CCAR 25部§25.1093（b）（2）條款中進氣系統(tǒng)防冰試驗即可通過機上地面試驗完成。

為了滿足機上地面結(jié)冰試驗需求， McKinley氣候室在2001年啟動了一項為期4年的改造項目，將能夠模擬240平方英尺（22.3 m）地面凍霧的已有噴霧系統(tǒng)擴展到原來的3倍面積，能夠滿足大型噴氣發(fā)動機、直升機的試驗需求。除增大云霧覆蓋范圍之外，McKinley氣候室噴霧系統(tǒng)風速也提升至60英里每小時（26.8 m/s）。機上地面結(jié)冰試驗如圖11所示，有研究者認為，即使絕大多數(shù)飛機的真實飛行速度都遠高于60英里每小時，但是FAA根據(jù)多年的結(jié)冰試驗經(jīng)驗和良好的安全記錄，能夠接受噴氣發(fā)動機在此風速下進行試驗，前提是液態(tài)水含量足夠高。

圖11 機上地面結(jié)冰試驗[24]Fig.11 Aircraft ground icing test in McKinley[24]

2014—2015年，McKinley氣候室進行了F-35飛機機上地面結(jié)冰試驗（圖12），驗證結(jié)冰條件下常規(guī)狀態(tài)和垂直起降狀態(tài)的飛機性能。文獻[25]認為機上地面結(jié)冰試驗能力與結(jié)冰數(shù)值模擬能力結(jié)合有助于減少甚至取消F-35的結(jié)冰飛行試驗。在氣候室內(nèi)進行結(jié)冰試驗不受季節(jié)因素的限制，但會受到實驗室空間的限制，云霧覆蓋范圍和風速都達不到PIWT等季節(jié)性結(jié)冰風洞的規(guī)模。

圖12 F-35機上地面結(jié)冰試驗[25]Fig.12 F-35 icing test in McKinley[25]

3 季節(jié)性結(jié)冰風洞試驗方法研究

3.1 季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞試驗方法研究

氣動院利用哈爾濱冬季低溫環(huán)境，研制了我國首個移動式結(jié)冰風洞。該風洞由承載車、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風洞洞體、噴霧架及其附屬管路供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、純水設備等組成，如圖13所示。結(jié)冰風洞可整體移動，模擬水滴平均體積直徑范圍為20～50 μm，液態(tài)水含量范圍為0.2～3 g/m，噴霧出口尺寸為2.5 m×2.5 m，試驗區(qū)風速為4～15 m/s。

圖13 氣動院移動式結(jié)冰風洞Fig.13 Natural moveable icing wind tunnel in AVIC ARI

2021年3月，氣動院在哈爾濱開展了螺旋槳結(jié)冰與除冰試驗研究，試驗條件如表3所示。車次1研究了螺旋槳結(jié)冰情況，如圖14所示。槳葉全展向均有結(jié)冰，結(jié)冰主要集中在前緣，最大結(jié)冰厚度約為8 mm，槳葉背面有明顯的大面積霜狀冰，但厚度較小。

表3 螺旋槳結(jié)冰試驗狀態(tài)表Table 3 Propeller icing test conditions

圖14 螺旋槳結(jié)冰情況Fig.14 Icing on propeller

車次2～5研究了螺旋槳轉(zhuǎn)速對結(jié)冰的影響，車次4和5在試驗最后1 min轉(zhuǎn)速由1 100 r/min分別增大至1 500和1 900 r/min。當螺旋槳轉(zhuǎn)速為500 r/min時，螺旋槳前緣結(jié)冰未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，整個前緣結(jié)冰較為均勻。當螺旋槳轉(zhuǎn)速增大時，由于槳尖部有較大的離心力，可看到明顯的冰脫落現(xiàn)象。螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時，冰脫落發(fā)生在距槳根部約50 cm處，槳尖部結(jié)冰厚度明顯減小；當轉(zhuǎn)速增大至1 500 r/min時，冰脫落進一步向槳根部發(fā)展，發(fā)生在距槳根部約45 cm處；當轉(zhuǎn)速增大至1 900 r/min時，整個槳葉前緣均發(fā)生冰脫落，無明顯結(jié)冰現(xiàn)象，如圖15所示。文獻指出，螺旋槳除冰裝置的防護范圍僅為槳葉30%半徑的區(qū)域，由于氣動加熱和螺旋槳外部的離心力，因此在超過槳葉30%半徑的區(qū)域，冰的形成可以忽略不計。實際上，在結(jié)冰初期，整個槳葉前緣都會有結(jié)冰，隨著轉(zhuǎn)速增大，冰脫落的臨界厚度不斷減小，因此，還需要進一步研究冰脫落臨界厚度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及臨界結(jié)冰厚度對螺旋槳氣動性能的影響，為螺旋槳除冰區(qū)域布置提供數(shù)據(jù)。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳結(jié)冰情況，從上至下螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為500、1 100、1 500、1 900 r/minFig.15 Propeller icing at different rotation speed, from top to bottom:500, 1 100, 1 500, 1 900 r/min

本文進一步利用移動式結(jié)冰風洞開展了某無人機和Y12E型飛機機上地面結(jié)冰試驗研究（圖16），驗證了無人機翼面及螺旋槳結(jié)冰與防除冰情況，發(fā)展了具有外場自然環(huán)境、可移動、真實飛機等特征的機上地面結(jié)冰試驗方法，為整機級結(jié)冰試驗研究和民機結(jié)冰適航取證提供了參考。

圖16 無人機和Y12E飛機結(jié)冰試驗Fig.16 Icing test on a UAV and Y12E aircraft

3.2 大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞概念設計

從表1中的27座結(jié)冰試驗設施和表2中的4座國外季節(jié)性結(jié)冰風洞的試驗能力來看，制冷型結(jié)冰風洞與季節(jié)性結(jié)冰風洞相結(jié)合，可形成涵蓋傳感器、二維翼型、三維機翼、進氣道、螺旋槳、發(fā)動機、飛機整機、直升機整機等的結(jié)冰試驗能力，建立較為系統(tǒng)的飛機和發(fā)動機地面結(jié)冰以及適航符合性驗證試驗條件。季節(jié)性結(jié)冰風洞主要采用直流式，在大尺寸機翼部件、螺旋槳、發(fā)動機、飛機整機等方面的試驗能力突出。

季節(jié)性結(jié)冰風洞最重要的技術(shù)指標就是云霧覆蓋范圍和風速。以4 m量級螺旋槳結(jié)冰試驗需求為例，結(jié)冰云霧至少需要覆蓋螺旋槳75%的半徑，試驗段出口尺寸需在3 m×3 m以上；根據(jù)NASA IRT和McKinley氣候室的研究，螺旋槳試驗風速也要同時達到50 m/s以上。如果進一步考慮全尺寸機翼結(jié)冰試驗需求，參考S1MA和PIWT等風洞的技術(shù)指標，試驗段風速需達到67 m/s甚至100 m/s。

本文根據(jù)季節(jié)性結(jié)冰風洞的特點和螺旋槳等大尺寸部件的試驗需求，提出了一種大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞概念方案。大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞采用直流風洞形式，針對機上地面試驗需求，采取可移動、可組合的方案，能夠根據(jù)試驗需求和環(huán)境條件移動至所需地點進行試驗。風洞設計為由4個標準模塊組合而成，如圖17所示，每一個模塊風洞參數(shù)相同，試驗段出口尺寸為2.5 m×2.5 m。模塊間可按一定形式進行組合，根據(jù)試驗對象不同，各模塊可組合為5.0 m×5.0 m、2.5 m×10.0 m等不同形式，如表4所示。

表4 大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞試驗能力Table 4 Large natural moveable icing wind tunnel test capability

圖17 大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞概念方案Fig.17 Concept of a large natural moveable icing wind tunnel

由于季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞無法控制溫度，試驗窗口期的選取非常重要。圖18為哈爾濱2月典型的某日溫度變化曲線，2:00—7:00及14:00—16:00的溫度較為穩(wěn)定，溫度變化不超過1 ℃，有2個適合開展結(jié)冰試驗的窗口期。圖19為哈爾濱與加拿大Winnipeg全年平均溫度的對比。兩地每年11月到次年3月的平均最高溫度都低于0 ℃，冬季平均最低溫度接近–30 ℃，每年入冬后和次年開春前有2個溫度較為接近的試驗窗口期。

圖18 哈爾濱2月某日溫度曲線Fig.18 The temperature curve of Harbin on a certain day in February

圖19 哈爾濱與Winnipeg氣溫對比Fig.19 Temperature comparison between Harbin and Winnipeg

與回流式制冷型結(jié)冰風洞相比，大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞雖然結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，但在風洞設計、調(diào)試和試驗等方面還存在難點。例如，風洞設計階段需要解決模塊化組合與適配的問題；調(diào)試階段需要解決自然環(huán)境條件對云霧參數(shù)的影響問題，尤其是環(huán)境濕度對液態(tài)水含量和水滴平均體積直徑的影響問題；試驗研究中需要建立試驗窗口期選取、溫度和側(cè)風等環(huán)境影響因素應對、外場試驗設施維護等方法，這些關(guān)鍵問題還需要進一步研究和詳細設計。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了國外季節(jié)性結(jié)冰風洞的基本情況，分析了季節(jié)性結(jié)冰風洞的試驗能力和作用，重點分析了螺旋槳結(jié)冰和機上地面結(jié)冰試驗技術(shù)，基于氣動院有移動式結(jié)冰風洞開展了螺旋槳結(jié)冰試驗研究和機上地面結(jié)冰試驗研究，提出了基于冬季低溫條件建設大型季節(jié)性可移動式結(jié)冰風洞的概念方案，得到如下結(jié)論：

1）季節(jié)性結(jié)冰風洞是飛機和發(fā)動機結(jié)冰研究的重要試驗設施，由于其利用冬季自然環(huán)境的低溫，無需制冷系統(tǒng)，具有建設和使用成本低的優(yōu)勢。季節(jié)性結(jié)冰風洞通常試驗段尺寸較大，主要用于飛機全尺寸機翼、螺旋槳等部件以及發(fā)動機和機上地面結(jié)冰試驗。

2）基于移動式結(jié)冰風洞開展了螺旋槳結(jié)冰試驗研究，螺旋槳結(jié)冰主要集中在槳葉前緣。轉(zhuǎn)速對槳葉冰脫落影響顯著，螺旋槳轉(zhuǎn)速為500 r/min時未發(fā)生冰脫落，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時，冰脫落導致槳葉前緣無明顯結(jié)冰現(xiàn)象。

3）利用冬季低溫自然環(huán)境建設大尺寸、可移動、模塊化組裝的直流式季節(jié)性結(jié)冰風洞，能夠利用國內(nèi)氣候條件，試驗窗口期與國外同類設施相當，可滿足大尺寸模型和飛機結(jié)冰試驗需求。