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时入初冬 与你聊聊飞机结冰那些事儿

2018-11-15 14:49:00 中国航空报 吴渊 朱东宇 宋佳音

 

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移动式冰风洞喷雾

提起“冰”,大家最先想到的是什么?学霸青年:水在0℃或0℃以下凝结成的固体。文艺青年:洛阳亲友如相问,一片冰心在玉壶。而面对这样的问题,我们航空人多数会想到“飞机结冰”。看到这可能有人会问,飞机是在天上飞,又不是在水里,怎么就结冰了呢?

飞机为什么会结冰

在特定的气象条件下,云层中会含有一种水滴,这种水滴虽然温度低于零度,但并没有结冰,仍然以液态水的形式存在,这种水滴叫过冷水滴。当飞机在中低空以亚音速穿越含有过冷水滴的云层时,水滴撞击到飞机的表面,就会发生结冰现象。

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基于激光扫描的三维冰形获取技术

飞机结冰都有哪些危害

航空业内早就有一个共识,飞机结冰危害很大,应当给予足够的重视。飞机机体结冰主要在飞机的突出部位,飞机结冰后飞机的飞行性能将会受到巨大影响进而威胁到飞行安全。如:机翼、尾翼前缘结冰使翼型改变,降低升力,破坏操纵性能。进气道前缘结冰则会导致进气不畅,影响发动机推力,如果冰层碎裂,冰块吸入发动机还可能打坏发动机。空速管结冰影响飞机速度表的正确指示。风挡结冰,妨碍飞行员实行目视飞行。天线结冰,影响正常陆空通讯或造成通讯导航信息的中断。由于飞机结冰导致的一次次不幸事故,时刻警醒着航空科研人员飞机结冰问题研究的重要性。

气动院的结冰情结

自2009年起,航空工业气动院逐渐在飞机结冰技术领域开展研究工作,一切从零开始。国内的结冰研究领域那一年才刚刚起步,没有结冰风洞,没有结冰数值模拟软件,缺少结冰方向技术人才。气动院克服诸多困难,自筹经费建设结冰风洞,购买国外先进商用结冰数值模拟软件,有计划有目的地招收结冰方向专业人才,统筹内部技术骨干转战结冰技术,正式成立了飞机结冰技术团队。

气动院飞机结冰技术团队以民机适航为切入点,通过数值模拟与试验技术方向的研究与能力建设,逐步成为国内和国际上飞机结冰研究的重要力量,致力于为客户在结冰数值模拟技术,结冰试验技术,结冰后气动性能评估技术,防除冰系统设计技术,结冰适航符合性验证技术,结冰试验设施研发技术等方面提供高水平的技术服务;并与国内高校、型号单位以及国外CIRA、NRC等机构开展了技术合作。

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结冰后流动显示与分析

提升技术能力 打造一流团队

发展结冰风洞试验技术,在地面模拟空中飞机结冰。飞机结冰技术团队一直以来致力于冰风洞试验技术研究,从气动院FL-61风洞建成调试开始到相关试验能力建设,为飞机结冰相关研究提供高水平的研究平台,紧贴适航符合性验证技术,获得了多项国家发明专利。

发展结冰数值模拟技术,对飞机结冰过程进行仿真分析。飞机结冰技术团队一方面自主开发飞机结冰计算代码,深入钻研飞机结冰内在机理,已获多项软件著作权。一方面利用国外先进商业软件,为我国民机争取国际飞行许可提供技术支持。

飞机结冰技术团队承担了多项国家科研计划项目,如国家安全重大基础研究项目、民用飞机专项科研项目专题、装备预先研究项目、国防基础科研项目、中国航空工业集团公司技术创新基金项目和航空科学基金项目等。他们的研究成果突出且应用广泛。

 

云雾模拟技术

采用喷嘴均匀地喷出水雾,并且控制水滴大小,含水量多少,就能够在地面上模拟出像高空云层中相似的结冰气象环境。飞机结冰技术团队利用这项技术进行了大量的实践,给飞机结冰试验提供了条件。

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多步法模拟结冰生成过程

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结冰试验

结冰与防除冰试验技术

FL-61风洞主要用于飞机结冰技术团队的结冰与防除冰试验技术的研究。将飞机部件放在结冰风洞的喷雾制冷环境中就会出现结冰现象,获得冰形可以用来进行飞机结冰防护设计和安全事故分析。如果对部件通电加热或者把发动机里面的热气引过来加热,就能够让飞机部件不再结冰。飞机结冰技术团队与高校合作,利用一些新技术,可以把飞机防冰的能耗降到最低,保证安全的同时经济省油电。

结冰影响分析技术

飞机遭遇结冰可能是无规律无预兆的。飞机结冰技术团队有成熟的结冰后飞机性能影响分析方法,弄清了飞机什么部位结什么样的冰,什么样的冰有什么影响,什么部位结什么冰影响最大,可以再现飞机结冰后飞行轨迹,将这些控制率预先接入到飞机操控系统中,就可以告诉飞行员结冰后应该如何操纵飞机,给他们解决很多判断的麻烦。

冰形三维扫描与3D打印技术

获取冰形是结冰试验的主要目的之一,目前国内外结冰试验主要通过手绘方法获取冰形,该方法需要破坏冰形,并且效率较低、精度不高,更重要的是手绘方法只能得到二维冰形,无法获取重要的三维信息。飞机结冰技术团队发展了“基于激光扫描的三维冰形获取技术”,实现了冰形的三维扫描,冰形不再是二维的啦。

结冰动态仿真技术

我国北方在步入冬季之际,一夜之间屋檐下便结满了冰柱,可大家知道飞机结冰的速度有多快吗?30分钟机翼上就可能生长3厘米厚的冰角,结冰试验的照片就是飞机结冰技术团队采用结冰动态仿真技术模拟30分钟内的结冰生长过程,别看尺寸虽小,但对飞机的性能影响不容小觑。

 

发挥技术优势 促进共同发展

从2009年开始,结冰团队陆续承担了ARJ21-700、C919、“新舟”700以及航空工业沈阳所、成都所、洪都等单位多个型号结冰计算分析任务,为型号结冰安全分析、防除冰系统设计、适航取证等工作提供了支持。

2012年与中国商飞上海飞机设计研究院联合研制了“移动式冰风洞”,该设备填补了国内空白,为ARJ21-700飞机适航取证提供了必要条件,该设备的成功研制充分体现了团队的快速响应能力和技术攻关能力。

2018年5月,飞机结冰技术团队完成了运12飞机某部件防除冰适航试验目击,推进了其适航取证进程,也标志着FL-61风洞设备技术资质和试验过程控制标准得到了国内、国外适航审定专家的认可。

随着联合研究和业务合作的不断开展,在为行业伙伴提供优质服务的同时,气动院飞机结冰技术团队的科研和技术能力日新月异,正在逐渐成为更优秀的团队。在未来,这支稳步攀升的科研技术团队势必为祖国的航空事业做出更大的贡献。

责任编辑:臧航