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中国航空学会 2007 年学术年会机载、航电专题 90
大型开式冰风洞的模拟技术研究
邢玉明盛强常士楠
北京航空航天大学航空科学与工程学院北京 100083
摘要冰风洞是在地面模拟飞机在高空飞行环境条件下,进行飞机和发动机结冰/防(除)冰试验的大型试验设备。
文中介绍了北京航空航天大学研究的结冰模拟技术及试验设备的基本结构和组成。对风洞的气动设计、结构设计及
结冰气象参数等的模拟技术进行了分析计算。
关键词冰风洞飞机防冰发动机进气除冰实验设备
1 引言
结冰是导致飞机事故的主要原因之一,在结冰气象条件下飞行时,飞机所有部件的迎风面上都
可以结上冰层。这些位置包括飞机的机翼、尾翼、风挡玻璃、发动机进气口、螺旋桨及重要测量感
头等。另外,某些辅助进气口(如空调散热器、冷空气进气口)及全天候直升机旋翼都会发生结冰。
机翼和尾翼的结冰将会导致阻力增加、升力下降、临界攻角减小以及飞机操纵性和稳定性品质的恶
化。发动机进气道及进气部件(整流罩、进气机匣、支撑、导流叶片等)结冰轻则使发动机功率下
降,重则造成发动机损坏。飞机螺旋桨结冰使其拉力特性恶化,效率降低,还可引起发动机和飞机
振动,严重时可使轴承损坏和发动机停车。座舱盖和风挡玻璃结冰,使目测飞行十分困难,甚至无
法目测机外情况,这在起飞和着陆时是很危险的。装在飞机表面的测温、测压感头结冰甚至冰塞将
使仪表指示值失真甚至测量完全失效。机上天线装置发生结冰时,可能发生机械折断,使机上通讯
和一些电子设备工作失效。直升机主旋翼由于其既是产生升力的机构,又是操纵机构,同时又是动
力机构,即它在结构上同时起到机翼、升降舵(水平尾翼)、方向舵(垂直尾翼)及推进装置的作用。
因此直升机主旋翼的结冰是最危险的。
综上所述,飞机各部件的结冰直接威胁飞行安全,当结冰严重时可导致严重的飞行事故。对此
从 20 世纪 20 年代起欧美许多国家就十分重视,并着手进行了这一领域的观测、试验及研究工作,
并取得许多成果和进展。其中美国对大气结冰条件的研究最为详尽、系统,并最终形成了用云层温
度、液态水含量、水滴平均直径和云层范围四个气象参数来确定环境结冰条件的统计数据。依照这
些数据,美国制定了一系列民用/军用飞机的防冰系统设计规范。战后的苏联在欧亚地区范围内也对
飞行器结冰的气象条件进行了大量的观测,得到了很多有价值的数据,并据此制定了与美、英、加
等国家类似但相对偏严的防冰设计规范。我国在这一领域的研究还处于起步阶段。
对飞机结冰机理和防(除)冰技术的研究包括数学仿真和飞机结冰及防冰系统试验研究。数学
仿真是通过对系统分析,建立数学模型,编制程序进行水滴撞击特性及传热特性等模拟计算。此外
在飞机/发动机定型之前,还必须进行防冰系统的结冰试验。通常情况下,防冰系统的结冰试验由下
列方法来完成(1)冰风洞试验;(2)干空气飞行试验;(3)模拟自然结冰的飞行试验;(4)自然结
冰状态下的飞行试验。现在世界各国普遍采用方法(1),即将飞机部件放在冰风洞中进行防冰试验,
可以很快的比较不同的设计方案。可对不同的翼型、攻角和其他部件在不同的结冰气象参数(水滴
尺寸、液态水含量及负温值)及气流速度下作出水滴的收集特性——撞击率、撞击区域及分布状况。
大多数防冰系