2. 中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000
2. Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China
结冰风洞是研究飞行器飞行时迎风表面和机外传感器结冰形态及其防(除)冰技术的特种风洞，是新机研制必不可少的重要地面试验设备。结冰风洞与常规风洞的重要区别就是其能够模拟真实大气结冰云雾环境，研究飞行器的结冰特性，故结冰云雾参数的模拟是结冰风洞主要而且关键的能力。同样，对于建成后的结冰风洞，结冰云雾参数的准确测量也是直接关系到风洞能否具备试验能力和开展试验研究的重要前提[1]。
液态水含量(Liquid Water Content，简称LWC)是指单位云体中所含的液态水的重量，单位为g/m3。液态水含量越大，单位时间内撞击在机体表面上的水量越多，则结冰越严重[2-4]。液态水含量是结冰风洞重要试验参数之一，它直接影响冰的形成速度、结冰的类型以及在结冰防护区外向后流动的水是否冻结等。因此，液态水含量对遭遇结冰环境的飞机性能影响很大，结冰试验中对液态水含量的准确测量是一项十分重要的工作[5-7]。
液态水含量测量方法有多种，按其工作原理分主要有冰刀法、热线法、超声波法和液滴尺寸/计数法等。国外很早就在结冰风洞中开展了液态水含量的测量研究[8-14]，美国NASA IRT风洞、COX风洞、意大利CIRA IWT风洞均采用多种方法开展了对比研究[15-17]，结果表明，各种方法的测量结果存在一定差异，且各种方法的应用条件也不尽相同，这也是液态水含量测量技术的特点和难点所在。目前，国外风洞中，冰刀法的测量结果被广泛认可，且在风洞校测中将冰刀装置作为基本手段，写入了结冰风洞校准规范。而国内方面，中国空气动力研究与发展中心利用小型结冰风洞开展了冰刀法的原理性研究，但尚未在大型结冰风洞中实践应用。
为设计一套能适应结冰风洞低温高湿等恶劣试验环境的冰刀试验装置，解决其中的关键技术难点，进而为3m×2m结冰风洞的液态水含量测量工作提供手段和技术保障，课题组对冰刀法进行了系列研究。
1 测量原理与试验方案 1.1 测量原理冰刀法是根据冰的生长原理进行测量的。工作时，将冰刀(矩形薄片，为液态水收集装置)置于结冰风洞来流中，一定时间后，工作面就会生长一定量的冰。试验结束后通过测量冰的厚度和结冰时间等参数，采用式(1)计算出风洞对应条件下的液态水含量值。
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(1) |
式中，LWC为液态水含量值，C为单位转换常数,ρice为冰的密度，ΔS为冰的生长厚度，Eb为冰刀收集效率(液态水收集系数)，v为试验风速，t为结冰时间。
冰刀法的关键是确保撞击到冰刀工作面的过冷液态水能够全部冻结，这就要求云雾场的温度要足够低(通常在-18℃以下)，此时冰刀上所结冰为霜冰。
1.2 试验方案基于测量原理，制定如下试验方案：将冰刀安装于风洞中心线上，冰刀前面装有一防护罩，如图 1所示。防护罩准备状态处于关闭位置，将冰刀前缘保护起来。当结冰风洞流场稳定后，防护罩快速移开，被暴露在云雾场中的冰刀前缘在液态水撞击下开始生长冰，试验结束后快速关闭防护罩保护生长的冰。防护罩作快速打开、关闭运动，其打开、关闭时间间隔即为结冰时间t。
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| 图 1 冰刀装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of icing blade |
2 设计指标和技术难点
冰刀装置设计主要技术指标为：(1)液态水收集系数Eb大于0.95；(2)结冰时间控制精度要求防护罩作0°～90°角行程时间小于0.2s；(3)最大试验风速下关键部件的变形量：冰刀小于0.05mm，防护罩小于1mm；(4)冰刀装置阻塞度小于5%；(5)冰刀表面粗糙度为0.8μm[18]。
从上技术指标分析可知冰刀装置设计的技术难点主要体现在以下两个方面：
(1) 冰刀装置液态水收集系数Eb要求大于0.95且冰刀的变形量须小于0.05mm。由于云雾场气流在遭遇冰刀片时会产生绕流从而使液态水收集系数降低，为了提高收集系数就须将冰刀片厚度减小从而减少绕流的影响，但是厚度减小后冰刀刚度又不能满足要求，如何解决这一矛盾问题是冰刀装置设计的一个技术难点。
(2) 结冰时间控制精度要求防护罩作0°～90°角行程时间小于0.2s，且装置整体阻塞度要求低于5%。这对驱动控制系统提出了很高要求：首先要适应结冰风洞低温高湿恶劣试验环境，其次要提供足够的驱动力和响应速度，而且系统总体安装尺寸需尽量减小阻塞度，不应对工作面流场造成影响，驱动器需结构轻巧、易于维护、操作方便等。传统驱动控制方式很难满足上述要求，所以需创新研发一套合适的驱动控制系统，这也是整套冰刀装置设计的一个主要技术难点。
3 总体结构设计 3.1 结构设计冰刀装置在结构设计上包含冰刀和防护罩两大部分。
冰刀是收集液态水的工作件，是云雾结冰受体，其结构及形态直接关系到冰的生长结果。从强度和刚度要求出发，将冰刀设计成3mm×6mm×300mm的矩形结构，要求表面粗糙度Ra值为0.8μm，材料为不锈钢材1Cr18Ni9Ti，并设计相应的支撑架使冰刀处于风洞中心。
防护罩设计包含防护罩以及配套的转轴机构和支撑座等。防护罩作摆动运动，且速度要求高，从而对驱动控制系统提出了很高的要求。为了在强度满足要求的前提下减小驱动力，采用碳纤维材料制作，罩前缘形状按NACA0012翼型前缘结构设计。
在设计过程中，利用三维设计软件对各部件进行了建模，并进行了不同状态的运动仿真装配，确保试验装置各部件之间不发生干涉。冰刀和防护罩部件结构如图 2所示[19]。
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| 图 2 部件结构图 Fig. 2 Schematic diagram of structures |
3.2 受力分析
结构设计后，需要对关键部件进行受力分析以确保装置在试验时的安全。对冰刀和防护罩在风洞最大试验风速环境下进行了强度和刚度校核。如图 3所示，结果显示冰刀和防护罩的最小安全系数均大于3，冰刀最大变形量为0.02mm，防护罩最大变形量为0.77mm，满足设计指标要求。
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| 图 3 冰刀和防护罩受力分析图 Fig. 3 Stress analysis diagram of icing blade and protection cover |
4 关键技术 4.1 冰刀液态水收集系数计算
冰刀为一矩形薄片，置于风洞中心，冰刀厚度(垂直来流)在保证强度刚度满足要求的前提下，还须使液态水收集系数Eb大于0.95。
4.1.1 液态水收集系数定义结冰风洞云雾场中液态水为过冷水滴，随着气流运动，与物体表面发生碰撞前的运动轨迹如图 4所示。
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| 图 4 水滴运动轨迹示意图 Fig. 4 Schematic diagram of water droplets trajectories |
两条相切轨迹所包围的机翼表面称为撞击区，两条相切轨迹之内撞击在翼面上的水滴质量称为撞击量。其中y、Δ y为总撞水高度和局部撞水高度，H、Δ s为机翼投影高度和局部撞击高度。水滴对表面的撞击区、撞击量以及水滴在撞击区内的分布，统称为水滴对表面的撞击特性。局部收集系数与总收集系数定义如下：
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(2) |
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(3) |
计算冰刀的总收集系数，需要捕获过冷水滴的运动轨迹，因此可通过ANSYS-FLUENT计算流场后，然后采用离散相模型(DPM)计算模型计算过冷水滴的运动轨迹[20]。即,在得到流场计算结果后，在冰刀来流投放一定数量的粒子(水滴)，利用流场结果计算过冷水滴的运动轨迹(如图 5所示)，最终得到可以撞击到冰刀表面的过冷水滴范围及总投入粒子数量，通过式(3)计算可得到总收集系数。
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| 图 5 速度矢量和水滴运动轨迹图 Fig. 5 Velocity vector and water droplets trajectories diagram |
对2mm～7mm范围内不同厚度冰刀的收集系数做了计算，如图 6所示，得出以下结论：在同一风速下，收集系数随着冰刀厚度增大而降低；在同一冰刀厚度下，收集系数随着风速的增加而升高。所取冰刀厚度为3mm，在常用试验风速(通常在25m/s以上)下收集系数大于0.95，满足技术指标要求。
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| 图 6 收集系数与冰刀厚度关系图 Fig. 6 Diagram between the collect coefficient and the thickness |
4.2 驱动控制系统设计 4.2.1 技术方案
为实现防护罩的开闭防护功能，需配套驱动控制系统。系统对驱动控制的要求比较高，首先要适应结冰风洞低温、低压、高湿恶劣试验环境。其次为了实现结冰时间的精确控制，要求防护罩开闭周期小于0.2s，从而要求驱动器能提供较高驱动力，且驱动器自身结构较小不能增加阻塞度。这些需求在国内是首例，没有成品驱动器购买，也没有经验借鉴。针对这一情况，创新采用气压驱动方式，其优点是在结构上不增加驱动器尺寸，而是通过增加驱动气压满足高驱动力要求。制定技术方案如下：设计一个高速气缸作为驱动器，利用风洞现有气源压力驱动高速气缸带动防护罩运动；设计一只气控阀，控制气路的换向，实现防护罩开闭摆动。
4.2.2 驱动器设计由于防护罩作摆动运动，将驱动器设计成齿轮齿条双活塞对称气缸结构，工作原理为——通过改变进气腔体从而驱动活塞齿条带动齿轮轴转动，如图 7所示。驱动器包含气缸、齿轮轴、齿条活塞、弹簧等部分，总体结构如图 8所示。气缸是运动的发生空间，齿轮轴传递运动给防护罩，齿条活塞在气压的推动下带动齿轮转动，弹簧起缓冲和蓄能作用，可以提高活塞的快速响应和动作平稳性。
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| 图 7 驱动器工作原理图 Fig. 7 Working principle of the driver |
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| 图 8 驱动器结构示意图 Fig. 8 Schematic diagram of the structure of the driver |
4.2.3 气控阀设计
进气口的切换通过一只气控阀来控制。针对驱动气缸的结构，将气控阀设计成两位四通阀，如图 9所示。气控阀包含缸体、活塞、压缩弹簧、左右端盖等部件。气控阀是通过改变活塞的位置来达到控制换向的目的。
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| 图 9 气控阀示意图 Fig. 9 Schematic diagram of the pneumatic control valve |
气控阀外罩设计成与驱动器相同外形，并对称布置于冰刀支架两侧(见图 2)，从而减小不对称气流扰动引起的冰刀振动。
4.2.4 气控阀与驱动器管路连接为实现防护罩正确动作，通气管路的正确连接很重要。而连接重点在气控阀处，需使用多个气管分支接头将各管路连接在一起。系统通气管路连接如图 10所示，连线的交汇处均需使用气管分支接头。阀与气管连接后，整体置于阀箱体内，与驱动器连接的三根管路从小支架底部开槽通过连接至气缸，而驱动气源与控制气源两根管路从支架腿部所开的槽中通过连接至洞外气源。
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| 图 10 管路连接示意图 Fig. 10 Schematic diagram of the connection of the pipeline |
4.2.5 防护罩开闭时间核算
驱动控制系统设计完后需对系统指标进行验算，主要是核算防护罩开闭时间。首先对驱动气缸进行受力分析，如图 11所示。从图 11可以看出，气缸阀运动过程中受力比较复杂，而且过程中各作用力大小随着阀的行程变化而改变。
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| 图 11 气缸受力运动示意图 Fig. 11 Schematic diagram of the force and motion of driver |
由于采用的是气压驱动方式，取充气过程质量流进行时间计算。气缸充气过程符合喷管流理论：
当喷管出口背压p1≤0.528p0时，喷管流量计算满足式(4)：
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(4) |
当压比处于范围0.528p0＜p1≤p0时，喷管流量按式(5)计算：
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(5) |
解上述二元二次微分方程可以得出当驱动气压为0.3MPa时，防护罩开闭时间为0.17s＜0.2s，满足设计指标要求。这是理论计算上的时间，实际运动时间还会随着各部件加工精度发生波动。
5 验证试验验证试验在3m×2m结冰风洞中进行，如图 12所示。
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| 图 12 验证试验示意图 Fig. 12 Schematic diagram of the test application |
试验条件为：风速105m/s，温度-20℃，冰刀防护罩在驱动气压增加至0.45MPa时开闭迅速，打开时间为0.19s，关闭时间为0.1s。试验时冰刀前缘结冰时间t=90s，试验后取冰刀前缘上中下三点测量生长的 积冰厚度，平均值ΔS=5mm，此风速下积冰的密度取880kg/m3，收集系数取0.95，采用式(1)计算得出液态水含量LWC =0.49g/m3。 由于积冰厚度采取求平均值的方法，重复性试验中液态水含量的测量值在0.488g/m3～0.492g/m3之间波动，精度较高。
6 结 论研制的冰刀试验装置克服了结冰风洞低温、低压、高湿恶劣试验环境，并成功应用于液态水含量值的测量标定。并得到以下主要结论：
(1) 冰刀液态水收集系数随着冰刀厚度的增加而降低。冰刀厚度取为3mm，不仅能满足冰刀具有良好的强度刚度，又能使液态水收集系数大于0.95，保证了冰刀装置整体对风洞液态水的一个良好收集效果。
(2) 采用气压驱动方式，并设计一只高速气缸和一只气控阀，采用合适驱动气压成功实现防护罩开闭时间＜0.2s，达到了结冰时间的精确控制要求。
(3) 下一步仍需继续在测量精准度等方面进行研究。
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