飛機實驗室風吹雨氣候環(huán)境試驗技術(shù)研究

張亞娟，吳敬濤，孟寧

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飛機實驗室風吹雨氣候環(huán)境試驗技術(shù)研究

張亞娟，吳敬濤，孟寧

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

為了解決目前飛機整機風吹雨試驗只能在外場自然環(huán)境條件下進行，試驗周期長，費用大的難題，研究飛機實驗室風吹雨試驗技術(shù)。通過研究飛機遭遇極端氣候風吹雨引起的環(huán)境效應，基于氣候環(huán)境實驗室風吹雨試驗環(huán)境條件的建設(shè)能力，借鑒國內(nèi)外相關(guān)環(huán)境試驗標準以及國外飛機氣候環(huán)境試驗經(jīng)驗。規(guī)劃了飛機整機實驗室風吹雨試驗項目和試驗順序，設(shè)計了飛機實驗室風吹雨試驗方法，總結(jié)了試驗需要檢測及評估的范疇。為飛機實驗室風吹雨試驗的實施提供技術(shù)參考。

風吹雨試驗試驗方法；試驗項目；試驗程序

風和雨是自然界主要的環(huán)境要素，是產(chǎn)品必然要經(jīng)受考驗的氣候環(huán)境條件。自然界的暴雨、降雪及凍雨等氣候環(huán)境常常伴隨著強風，形成風雨交加的極端惡劣氣候條件，會對建筑物或停放于停機坪上的飛機等造成破壞，也會嚴重影響飛機起飛和降落過程中駕駛員的視覺，被風吹起并在空中飛行的沙子和灰塵也經(jīng)常穿透和破壞設(shè)備。因此飛機的環(huán)境適應性驗證試驗應充分考慮由于風（自然界最常見的風吹雨）引起的惡劣效應。

國外氣候環(huán)境模擬技術(shù)方面的研究已經(jīng)進行多年，建立了功能完善的氣候環(huán)境模擬試驗設(shè)施，并已進行了多架飛機的風吹雨試驗研究。目前由于我國沒有可供飛機進行整機風吹雨試驗的氣候風洞，也沒有可供飛機整機進行風吹雨試驗的氣候環(huán)境實驗室，因此飛機只能在外場自然環(huán)境環(huán)境下進行風吹雨試驗，往往受自然條件的限制，使試驗周期長，費用大。中國飛機強度研究所氣候環(huán)境實驗室及風吹雨氣候環(huán)境模擬設(shè)施的建設(shè)，可以為飛機風吹雨氣候環(huán)境適應性驗證的環(huán)境條件提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

在GJB 150.8、AECTP-300及MIL-STD-810G等環(huán)境試驗標準中[1-4]，風吹雨試驗是淋雨試驗的試驗程序之一，適用于戶外部署，且沒有采取防降雨和吹雨措施的裝備。作為部署服役區(qū)域廣闊，需要頻繁起飛降落的飛行器，風吹雨試驗的環(huán)境考核比普通的降雨和滴雨更真實。文中結(jié)合中國飛機強度研究所即將竣工的氣候環(huán)境實驗室吹風及降雨試驗系統(tǒng)的試驗能力，依據(jù)國內(nèi)外環(huán)境試驗標準中與風吹雨試驗有關(guān)的試驗方法，以及美國開展飛機實驗室風吹雨試驗的文獻資料，設(shè)計了飛機氣候環(huán)境實驗室風吹雨試驗的試驗方法，包括試驗條件、試驗程序及試驗檢測評估等內(nèi)容，可為氣候環(huán)境實驗室風吹雨試驗技術(shù)的開展提供參考。

1 環(huán)境效應

飛機服役期間大部分時間處于露天停放狀態(tài)，必然要經(jīng)受風吹雨淋，飛機上的許多窗口、口蓋和結(jié)構(gòu)縫隙沒有采取適當密封措施，成為潛在的進水“通道”，而這些進水“通道”大多是垂直或與地面具有一定角度，因此豎直方向的降雨，必須借助水平方向氣流的作用，才能實現(xiàn)考核試面的淋雨驗證[5]。研究發(fā)現(xiàn)，飛機在起飛、著陸時是安全事故的多發(fā)期，在飛機起飛、著陸時遭遇強雨雪天氣時，由于飛機具有飛行速度產(chǎn)生強氣流，簡單的豎直降雨無法模擬真實的氣候環(huán)境，必須模擬一種強氣流環(huán)境下風擋表面風吹雨的真實降雨環(huán)境。

綜上所述，飛機風吹雨試驗可以更真實地模擬自然降雨環(huán)境，是飛機淋雨環(huán)境試驗必不可少的試驗程序，會影響飛機的許多軍事活動和性能。主要的環(huán)境影響包括：會干擾雷達信號的傳播，損害無線電通訊，影響火炮和導彈的準確性，降低或削弱光學監(jiān)視；雨滴能侵蝕飛行的飛機和導彈的表面，雨水積存在產(chǎn)品表面，會降低材料的強度，促使金屬腐蝕，損壞飛機表面涂層[6]；雨水能滲透到飛機內(nèi)部，使電氣或電子裝置絕緣下降，工作失常甚至失效損壞，還可能在內(nèi)部結(jié)冰，使零件泡脹或破裂，造成緩慢性退化和功能失效。

2 風吹雨試驗環(huán)境條件

飛機風吹雨試驗是氣候環(huán)境實驗室淋雨系統(tǒng)與吹風試驗系統(tǒng)協(xié)同工作的疊加型氣候環(huán)境試驗項目，試驗環(huán)境條件主要包括：氣候環(huán)境實驗室、吹風試驗設(shè)備、淋雨設(shè)備及試驗控制參數(shù)等。

2.1 氣候環(huán)境實驗室

飛機風吹雨環(huán)境試驗在氣候環(huán)境實驗室進行。該氣候環(huán)境實驗室是國內(nèi)最大、模擬氣候環(huán)境因素最多的實驗室，能夠模擬高溫、低溫、太陽輻射、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、結(jié)冰和吹風等典型氣候環(huán)境的能力。氣候環(huán)境實驗室容積超十萬立方米，其可控溫度范圍為-55～+74 ℃，可控濕度范圍為10%～95%，能滿足飛機、導彈武器系統(tǒng)等裝備室內(nèi)環(huán)境試驗需求，能開展整機的風吹雨、風吹雪等試驗項目，以及在實驗室內(nèi)模擬飛機起飛、降落時風雨、風雪疊加的真實氣候環(huán)境。

2.2 吹風試驗設(shè)施

與普通吹風模擬系統(tǒng)相比，氣候環(huán)境實驗室吹風試驗系統(tǒng)，既要解決直流式風洞室內(nèi)大量取氣，對周圍設(shè)備產(chǎn)生負壓影響的問題，又要解決風洞的移動、安裝與固定等問題，是國內(nèi)唯一的可移可拆，需室內(nèi)吸氣的直流式風洞。吹風試驗系統(tǒng)主要由低速吹風系統(tǒng)和高速吹風系統(tǒng)兩部分組成。

氣候環(huán)境實驗室吹風試驗設(shè)備典型布置如圖1所示，吹風試驗系統(tǒng)的主要性能指標：

1）風速范圍。低速吹風系統(tǒng)距離出風口下游4 m處的流向風速能覆蓋5～18 m/s范圍，且風速連續(xù)自動可調(diào)；高速吹風系統(tǒng)距離出風口下游4 m處的流向風速能覆蓋5～55m/s，且風速連續(xù)自動可調(diào)。

2）風速均勻性。低速吹風系統(tǒng)距離出風口下游4 m處有效面積內(nèi)的風速不均勻度≤±7%；高速吹風系統(tǒng)距離出風口下游4 m處有效面積內(nèi)的風速不均勻度≤±4%，均能滿足環(huán)境試驗標準對風速均勻性要求。

3）高度調(diào)節(jié)范圍。低速吹風系統(tǒng)底層風機（風機豎直方向并列布置）軸心距地面高度連續(xù)可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍覆蓋2～8 m；高速吹風系統(tǒng)風洞出風口中心距離地面高度連續(xù)可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍覆蓋3.0～8.7 m。

圖1 氣候環(huán)境實驗室吹風試驗系統(tǒng)

2.3 淋雨設(shè)施

淋雨設(shè)施技術(shù)指標：降雨強度位0.636～38.2 cm/h；雨滴直徑為0.5～4.5mm；在50～382 cm/h降雨強度范圍內(nèi)，噴淋面內(nèi)降雨強度不均勻度≤20%；淋雨有效面積為1300 m2。淋雨設(shè)施能夠滿足GJB 150.8A—2009、GJB 2417—1995等試驗標準要求。飛機試驗狀態(tài)與淋雨設(shè)備的相對關(guān)系如圖2所示。

圖2 飛機淋雨試驗設(shè)備

2.4 試驗控制參數(shù)

試驗需確定條件包括以下幾點。

1）環(huán)境室。能實現(xiàn)試驗所需溫度、濕度、試驗循環(huán)次數(shù)及試驗持續(xù)時間等試驗參數(shù)可控的室內(nèi)環(huán)境。

2）試驗對象。分析有關(guān)技術(shù)文件的要求確定試驗方法，飛機需要暴露的試驗區(qū)域，飛機在風吹雨環(huán)境中或經(jīng)風吹雨環(huán)境試驗后應完成的功能。

3）淋雨設(shè)備。降雨強度、雨滴尺寸、噴嘴噴霧散布面積和噴水壓力。

4）吹風設(shè)備。風速及吹風區(qū)域，采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統(tǒng)來測定氣流速度，并通過風機陣控制系統(tǒng)軟件把風速直觀的顯示在電腦上。

3 試驗項目及順序

充分考慮飛機結(jié)構(gòu)及服役特性，依據(jù)國內(nèi)外幾個主要環(huán)境試驗標準及美國等發(fā)達國家飛機氣候環(huán)境試驗資料，結(jié)合飛機氣候環(huán)境實驗室的試驗能力，推薦飛機風吹雨試驗項目主要包括：低速風吹雨試驗、高速風吹雨試驗和風吹凍雨試驗。低速風吹雨試驗主要模擬飛機地面停放時遭遇暴風雨襲擊的極端惡劣天氣；高速風吹雨試驗主要是模擬飛機起飛和降落時，風擋區(qū)玻璃和雨刷遭遇雨水沖刷的自然環(huán)境；風吹凍雨是模擬風雨交加的凍雨天氣，風吹凍雨造成飛機積冰，破壞結(jié)構(gòu)，影響飛行安全。

試驗順序應依據(jù)前一項試驗不影響后一項試驗的試驗效果，及試驗操作實施的合理化原則。推薦試驗順序依次為：低速風吹雨試驗、高速風吹雨試驗、風吹凍雨試驗。

4 試驗方法

4.1 低速風吹雨試驗

4.1.1 試驗條件

適用于飛機機身、機頭等考核部位非水平表面的淋雨試驗，主要是考核飛機機頭及機身上窗口、艙門、重要的電子電氣設(shè)備窗口、儀表板、密封墊圈等結(jié)構(gòu)的密封性；考核除水、排水及除冰裝置的有效性；飛機暴露于風雨環(huán)境中以及暴露之后滿足性能要求的能力。實驗室溫度室溫，風吹雨試驗的風速為18 m/s，18 m/s風速一般是自然界暴風雨期間的風速，因為大氣中風的水平分量比它的垂直分量大得多，因此試驗中要求水平風速需滿足不小于18 m/s。試驗時水平風速可使雨水傾斜45°對試件的垂直面撲打，降雨強度位10.2 cm/h，雨滴直徑為0.5～4.5 mm。推薦選用降雨強度、風速及試驗持續(xù)時間的疊加環(huán)境譜如圖3所示。

圖3 低速風吹雨試驗環(huán)境譜

4.1.2 試驗程序

在雨水分配器降雨之前的室溫環(huán)境下，完成吹風試驗設(shè)備的安裝，根據(jù)飛機需考核部位的位置調(diào)整吹雨試驗系統(tǒng)升降機構(gòu)的高度，確保滿足要求的風速能覆蓋整個試驗區(qū)域，再根據(jù)試驗要求進行吹風試驗系統(tǒng)的風速調(diào)試，確保水平風速不小于18 m/s[2]。根據(jù)淋雨試驗程序控制圖適時啟動吹風試驗系統(tǒng)，使垂直降落的雨水在風力作用下均勻地撲打到被試裝置表面。吹風持續(xù)時間約10 h，也可根據(jù)技術(shù)文件要求進行調(diào)整。淋雨試驗結(jié)束后進行水滲透、排水有效性及電氣電子設(shè)備使用性能和安全性等檢測。

4.2 高速風吹雨試驗

4.2.1 試驗條件

用于模擬飛機起飛和降落時，風擋區(qū)除雨系統(tǒng)遭遇降雨的氣候環(huán)境。實驗室溫度室溫，要求風擋雨刷系統(tǒng)工作的最大雨情為大雨（25 cm/h，見GJB 1172.5中的1 h降水量全國記錄極值[7]），雨滴直徑為 0.5～4.5 mm，風速不小于55 m/s。試驗要驗證雨刷在大雨等降雨環(huán)境下的除雨效果，需分析可能遭遇的降雨環(huán)境。降雨持續(xù)時間不小于30 min，可視檢測項目進行剪裁。

4.2.2 試驗程序

在室溫環(huán)境下，淋雨試驗之前，根據(jù)被試飛機的狀態(tài)，安裝并調(diào)試吹風試驗系統(tǒng)，確保吹風有效區(qū)域能覆蓋飛機主風擋區(qū)域，風速不小于55 m/s。如水和實驗室的溫差小于10 ℃，可通過降低水溫實現(xiàn)該要求。每個暴露試驗周期開始時，使環(huán)境室溫度穩(wěn)定在高于水溫（10±2）℃的溫度上。試驗開始前，將風擋區(qū)雨刷恢復到正常工作狀態(tài)。按技術(shù)文件的規(guī)定調(diào)節(jié)降雨強度，推薦降雨強度25 cm/h，以55 m/s的風速進行風吹雨試驗，試驗持續(xù)至少30 min。在試驗期間按技術(shù)要求進行雨刷工作性能檢測，如果檢測不能再30 min內(nèi)完成，應保持風吹雨試驗條件，直到完成檢測工作。記錄檢測結(jié)果，評估雨刷工作的可靠性。

4.3 風吹凍雨試驗

4.3.1 氣象條件

風吹凍雨適用于模擬飛機飛過冷氣候環(huán)境及飛機地面停放時遭遇極端特殊的凍雨天氣，導致風吹雨水流過飛機機身等考核部位后，雨水凍結(jié)，從而導致排水孔被堵及密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部有冰形成。大連機場某次凍雨與典型凍雨氣象條件對照見表1[8]。

表1 大連某次凍雨與典型凍雨氣象條件對照表

4.3.2 試驗程序

依據(jù)凍雨的氣象特點，建議試驗程序為：風吹凍雨試驗一般在高速風吹雨試驗之后進行，這樣可減少試驗設(shè)備的安裝時間。先在降雨的同時降低溫度，把實驗室的溫度降低并穩(wěn)定在2 ℃，降雨速度控制在約2.5 cm/h[9]，進行輕微降雨2 h。在這個時間段，啟動風機以7 m/s的風速對試驗區(qū)域進行風吹雨試驗；然后將環(huán)境室溫度降低至-4 ℃，持續(xù)風吹雨試驗2 h，使試驗區(qū)域表面形成約1.3 cm厚的冰層。停止吹風降雨，保持環(huán)境室溫度穩(wěn)定在-4 ℃，進行試驗區(qū)域的性能檢測。檢測完畢，實驗室加熱回溫結(jié)束試驗。

5 試驗檢測

低速風吹雨試驗需檢測項目包括：儀表板、進氣口、廢氣排放管和門等的密封性和排水能力的檢測，這樣可確定雨水泄露區(qū)域及積水的影響；密封設(shè)備、密封圈的密封性檢測和排水通道的積水檢測；空速管靜壓系統(tǒng)是否被堵住；儀表板的密封圈或遮罩是否打開；攻角探測器是否受到影響。

高速風吹雨試驗需要檢測的項目包括：檢測雨刷刃載荷；檢測雨刷在LOW和HIGH模式下的擺動速度；檢測雨刷刃在玻璃表面的接觸情況；檢測雨刷刃停止時的位置；檢測雨刷的刮刷效果。

風吹凍雨需要檢測的項目包括：空速管靜壓系統(tǒng)是否被堵??；儀表板的密封圈或遮罩是否打開；攻角探測器是否受到影響；在發(fā)動機進氣道和通風口是否有潛在的外來物體（冰塊）損傷；在遮罩構(gòu)架附近是否有結(jié)冰；排水孔是否堵住或有積冰；在移動面（如控制面）附近是否有積冰；在打開儀表板或站在光滑表面時的人為因素問題。

6 試驗評估

低速風吹雨試驗需評估內(nèi)容：飛機機體抗水浸蝕情況；允許水浸蝕的部位排水通暢情況；滲水對電子設(shè)備使用性能及安全性的影響。

高速風吹雨試驗需評估內(nèi)容：風擋玻璃區(qū)雨剎的清洗、除冰和雨水功能；風擋玻璃表面變暗、刮傷、鼓泡、分層或開裂情況。

風吹凍雨需評估的內(nèi)容：確定飛機機體表面或內(nèi)部的冰堆積范圍，這些冰堆積可能造成機身內(nèi)設(shè)備故障、損壞可動結(jié)構(gòu)、進氣道積冰對發(fā)動機動力的影響；評估除冰設(shè)備的除冰功能；起落架和艙門積冰后，起落架機構(gòu)和艙門運行情況；冰累積的潛在危險除去之后，各系統(tǒng)運行情況；評估飛機機體表面防護涂層破損等級；評估機組地面輔助系統(tǒng)的電動機械和承重的功能。

7 結(jié)語

文中所涉及的風吹雨試驗項目都是模擬自然界極端惡劣氣候環(huán)境，也是影響飛機等軍用設(shè)備氣候環(huán)境適應性，造成飛機事故頻發(fā)的主要氣象環(huán)境。國外雖有較多關(guān)于飛機風吹雨及風吹凍雨試驗研究的報道，但是現(xiàn)有的國內(nèi)外環(huán)境試驗標準中，沒有相應的試驗方法。由于我國以前不具備飛機實驗室氣候環(huán)境試驗的條件，也沒有對飛機實驗室風吹雨氣候環(huán)境試驗技術(shù)進行過研究，因此，該研究可為飛機實驗室風吹雨試驗的實施提供技術(shù)參考。

[1] MIL STD 810G, Environmental Engineering Considerations and Labboratory Tests[S].

[2] GJB 150 8A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法,第8部分:淋雨試驗[S].

[3] MIL-STD-810G, Environmental Handbook for Defence Materiel Part3 Environmental Test Methods[S].

[4] AECTP-300, Climatic Environmental Tests[S].

[5] 王轉(zhuǎn)向, 劉斌慧.飛機風擋雨刷系統(tǒng)地面試驗方法研究[J]. 民用飛機設(shè)計與研究, 2011(4): 28-30.

[6] 馬志宏, 李金國, 張景飛. 軍用設(shè)備淋雨環(huán)境試驗技術(shù)[J]. 環(huán)境技術(shù), 2007(5): 14-16.

[7] GJB 1172.5—91, 軍用設(shè)備氣候極值地面降水強度[S].

[8] 王鑫, 劉妍芳. 一次凍雨天氣過程與典型凍雨形勢差異分析[J]. 空中交通管理, 2011(12): 21-23.

[9] GJB 150 22A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法,第22部分:積冰/凍雨試驗[S].

[10] GJB 4239—2001, 環(huán)境工程通用要求[S].

Wind and Rain Test of Aircraft in Climatic Environment Laboratory

ZHANG Ya-juan, WU Jing-tao, MENG Ning

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, China)

To solve the problems that the aircraft wind and rain test can only be carried out in the natural environment of the outfield, the test cycle is long and the cost is large, the wind and rain test technology of aircraft laboratory was studied. The environmental effects caused by wind and rain in extreme climate were studied. Based on the construction capacity of environmental conditions of wind and rain test in climate environment laboratory by referring to relevant domestic and international environmental test standards and foreign aircraft climate environment test experience, wind and rain test project and test sequence of the aircraft laboratory were planned. The wind and rain test method of the aircraft laboratory was designed, and the category of the test needs detection and evaluation was summarized. It provides technical reference for implementation of wind and rain test in aircraft laboratory.

wind and rain test; test methods; test items; test procedures

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.012

TJ01

A

1672-9242(2017)11-0059-05

2017-07-06；

2017-09-01

張亞娟（1972—）女，陜西人，碩士，高級工程師，主要研究方向為飛機氣候環(huán)境適應性試驗技術(shù)。