基于傳感器的飛機地面除冰模擬實驗研究*

王立文，趙 亮，陳 斌

（1．中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300;2．中國民航大學航空地面特種設備民航研究基地，天津 300300）

0 引言

飛機除冰問題已經(jīng)成為影響民航冬季安全運行的重要因素之一。據(jù)美國國家運輸安全委員會（NTSB）統(tǒng)計［1］，1981～1988年的7年期間，美國共發(fā)生542起飛機因結冰而引起的飛行事故，其中約有50%事故是因機體結冰造成的，同時飛機地面積冰/霜也是導致民航班機延誤或者取消的重要因素之一。因此，飛機起飛之前需要清除飛機表面的積冰/雪/霜等污染物。目前，國內外普遍使用飛機除冰液進行飛機地面除冰，盡管聯(lián)邦航空局（FAA）提供了在不同氣象條件下除冰液使用標準，但除冰部門還是按照氣象條件最惡劣的標準提供除冰液溫度和配比，這樣不僅影響了除冰效率，也浪費了大量除冰液，對機場周圍的地下水資源造成一定的污染［2，3］。因此，對除冰液除冰過程進行研究具有很重要的意義。

國內外學者對飛機除冰進行廣泛而深入的研究［4］，主要從數(shù)值模擬［5］、工程估算、實驗研究三方面進行。由于飛機除冰過程中除冰產(chǎn)生影響的因素較多，飛機機型復雜，工程估算方法誤差較大，大多采用數(shù)值模擬［6］進行，實驗研究較少。本文中結合光纖傳感器和溫度傳感器在室外結冰環(huán)境下進行除冰實驗，最大限度地貼近實際除冰環(huán)境，分析除冰影響因素，探索最佳除冰效果，為實際除冰和進一步試驗箱環(huán)境模擬實驗提供參考。

1 實驗設備

1．1 機 翼

飛機機翼的結冰［7］對飛機安全影響最大，所以，除冰的重點是飛機的機翼部分［8］，在實驗中采用厚為2．5 mm的800mm×800mm的7075航空鋁板，對實驗用的鋁板表面進過打磨處理，使其粗糙度與飛機機體表面相似。在實際實驗中鋁板與水平面成5°傾角。

1．2 光纖傳感器

光纖傳感器是一種反射與散射式光強調制型傳感器，光源發(fā)射光，由發(fā)射光纖傳輸?shù)竭_探測面。當探測端面無積冰時，發(fā)射光將射入空氣，接收光纖端面基本探測不到任何發(fā)射光。當探測面上有積冰時，光在冰層內發(fā)生諸如反射、散射等一系列作用，其中冰層—空氣界面的反射光和在冰層內的散射光進入接收光纖。接收光纖末端接有光電三極管及其相應的信號檢測與處理電路，通過檢測接收光信號的強度與變化趨勢，達到測量結冰狀態(tài)的目的。

1．3 溫度傳感器

溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，－200～850℃線性度較好。在實際測試時，為了保護傳感器，給鉑電阻溫度傳感器帶上鋁制外殼。

2 除冰實驗

2．1 除冰所需要控制的參數(shù)

除冰過程中，室外環(huán)境下的溫度和風速為不可控的參數(shù)［9］，可以通過實時測量得出，為保證實驗的可重復性，挑選室外環(huán)境溫度為－5～－7℃，風速為1～2 m/s，天氣為陰天的環(huán)境下進行。主要的可控參數(shù)為除冰液的流量、除冰液溫度。在除冰前，冰層通過噴水使鋁板表面結冰，每次實驗的冰層厚度為1 mm左右。

2．2 除冰需要測量的參數(shù)

除冰液通過實心圓錐形噴嘴噴出，為達到霧化效果以減少除冰液流體的沖擊力，通過標定，單個噴嘴的流量為0．8 L/min，流量的改變是通過噴嘴數(shù)目的增減。除冰液的溫度是通過加熱器將除冰液加熱到所需溫度，在除冰液噴射前進行溫度測量，鋁板表面溫度通過溫度傳感器測量，冰層厚度通過同軸光纖傳感器測量。

2．3 除冰實驗

每次實驗前通過噴水，使鋁板表面結冰，結冰方式采取向鋁板噴霧狀的水，水溫接近0℃，每次噴少量的水，以避免鋁板表面的冰被融化。目測鋁板上結冰后，通過光纖傳感器測試冰層厚度，如果未達到1 mm冰層厚度，則繼續(xù)噴水結冰，直到形成1 mm厚的冰為止。由于水在結冰過程會產(chǎn)生潛熱，潛熱會造成冰層溫度高于環(huán)境溫度，在實際情況下，飛機機體表面的冰層溫度與環(huán)境溫度相近，所以，還必須通過溫度傳感器觀測冰層溫度，當冰層溫度與環(huán)境溫度相近時方能開始除冰。實驗分2組進行。

第一組實驗采用單噴嘴噴射除冰液，除冰液流量為定值，改變除冰液溫度觀測鋁板表面的冰層厚度和鋁板表面溫度變化情況。

圖1為在單噴嘴情況下，鋁板表面溫度變化情況。由上圖的曲線變化情況可知，除冰液溫度在40～60℃區(qū)間時，隨著除冰液溫度上升，鋁板的表面溫度上升速率會變大，但是當除冰液溫度在65℃和70℃時，鋁板的表面溫度上升速率沒有明顯差異。

圖1 單噴嘴下鋁板溫度變化Fig 1 Aluminum plate temperature changes under single nozzle

圖2為單噴嘴情況下，冰層厚度變化曲線，由于噴嘴噴出的除冰液帶有動能，會將光纖傳感器上的冰層直接沖走，導致測得的冰層厚度曲線出現(xiàn)跳變（如圖2中的70℃時冰層厚度變化），所以，在實驗中需要將除冰液噴射時調節(jié)為噴霧狀，這樣可以避免沖擊導致的數(shù)據(jù)跳變。由圖2可知，除冰液溫度在40～60℃范圍內時，冰層厚度變化率隨除冰液溫度的升高而增大，而60℃和65℃除冰液進行除冰時，冰層厚度變化率差別較小，說明除冰液的除冰速率只是在一定范圍內隨著除冰液溫度的升高而增加，當除冰液溫度達到一定值時，提高除冰液溫度對除冰速率影響不明顯。

第二組實驗采用雙噴嘴噴射除冰液，將第二組測得的實驗數(shù)據(jù)與第一組進行對比得到如圖3、圖4。

圖2 單噴嘴下冰層厚度變化Fig 2 Ice layer thickness change under single nozzle

由圖3（a）（除冰液溫度為40℃）、圖3（b）（除冰液溫度為60℃）、圖3（c）（除冰液溫度為70℃）中溫度曲線可知。隨著除冰液溫度的上升，在一定范圍內（40～60℃），鋁板表面溫度變化速率隨著除冰液的流量增加而變大，但當除冰液的溫度達到一定范圍時（在70℃），鋁板表面溫度變化速率受除冰液流量的影響較小。所以，在除冰過程中，從熱力學角度來看增大除冰液流量，只是在一定范圍內能提高除冰速率。

圖3 不同除冰溫度下鋁板表面溫度變化比較Fig 3 Comparison of aluminum plate surface temperature change at different deicing temperature

由圖4中得到的5組曲線中有3組曲線顯示冰層厚度在5 s內直接從1 mm變?yōu)?，這是由于除冰液流量增大時，冰層并不是被除冰液加熱而融化，而是被除冰液直接沖走。將剩余2組曲線與圖2中相應的除冰溫度下的冰層厚度曲線相比較可知，除冰液流量增大可以提高除冰速率。綜合以上所述，除冰液流量在一定范圍內時，除冰液流量增加可以提高除冰速率，當除冰液流量超出這一范圍時，除冰速率會達到最大，這是因為出現(xiàn)了射流沖擊現(xiàn)象［10］。

圖4 雙噴嘴下冰層厚度變化Fig 4 Ice thickness change under double nozzle

3 結論

實驗結果表明:在一定范圍內提高除冰液溫度或者增加除冰液流量可以提高除冰速率。但當除冰液溫度超過一定值時，提高除冰液溫度并不能明顯改變除冰速率。而當除冰液流量超過一定值時，在除冰過程中起主要作用的是除冰液的動能。

2）在實際除冰過程中，為了節(jié)省資源，必須得到除冰過程中除冰液溫度和除冰液流量的最佳組合。由于室外環(huán)境的局限性，本次實驗并未得到除冰液溫度、除冰液流量和除冰速率三者間的精確關系，只是從熱力學角度設計實驗，而并未考慮射流沖擊現(xiàn)象。

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