步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱積冰凍雨試驗(yàn)技術(shù)研究

劉振風(fēng)，焦昶，張少楠，姜震,許特

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086）

近年來(lái)，我國(guó)很多地方都發(fā)生了凍雨天氣。長(zhǎng)期暴露在室外環(huán)境（如通信基站）或者工作期間可能會(huì)經(jīng)歷凍雨環(huán)境的產(chǎn)品會(huì)受到一定程度的影響。凍雨凝結(jié)形成積冰后能壓斷電線，造成供電和通訊中斷；嚴(yán)重的凍雨甚至?xí)核课?，壓斷?shù)木，凍死農(nóng)作物和蔬菜。飛機(jī)在有過(guò)冷水滴的云層中飛行時(shí)，其機(jī)翼、螺旋槳會(huì)積水，從而影響飛機(jī)空氣動(dòng)力性能而造成失事。

因此，有必要開(kāi)展積冰凍雨試驗(yàn)設(shè)備的研制。積冰/凍雨試驗(yàn)，主要用于檢驗(yàn)產(chǎn)品耐受積冰/凍雨環(huán)境、在積冰/凍雨環(huán)境下工作、確定除冰設(shè)備和技術(shù)的有效性，包括現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定使用的設(shè)備和方法的效能，適用于模擬暴露在由于冰雨或毛毛雨產(chǎn)生的積冰條件下的裝備及由于海水濺沫或霧狀物而引起冰的積聚對(duì)其工作性能影響的裝備以便考核暴露產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)的環(huán)境適應(yīng)性，提高產(chǎn)品的安全性和可靠性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中積冰凍雨試驗(yàn)的條件

本文將針對(duì)軍用裝備、民用產(chǎn)品大部分組件或部分整機(jī)開(kāi)展的積冰凍雨試驗(yàn)方法開(kāi)展研究，并提出積冰凍雨試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案，為大部分組件或部分整機(jī)產(chǎn)品開(kāi)展積冰凍雨試驗(yàn)提供有效的參考和依據(jù)。

1 積冰凍雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)概述

積冰凍雨試驗(yàn)主要適用于凍雨環(huán)境下的裝備或是有海水濺沫或霧狀物形成的冰的聚集對(duì)裝備工作性能產(chǎn)生影響的環(huán)境，考核裝備暴露于積冰凍雨環(huán)境中的工作性能、除冰設(shè)備的技術(shù)有效性等，進(jìn)而提高裝備的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等。

積冰凍雨試驗(yàn)涉及的國(guó)內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。其中GJB 150.22A-2009、GJB 150.22-1986 主要針對(duì)軍用設(shè)備。當(dāng)前開(kāi)展積冰凍雨試驗(yàn)的軍用裝備種類繁多、規(guī)格大小不一，絕大部分產(chǎn)品選用GJB 150.22A-2009 中的試驗(yàn)方法，本文將對(duì)該試驗(yàn)方法開(kāi)展研究，并制定試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。

2 積冰凍雨試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀

積冰凍雨試驗(yàn)是許多戶外使用的裝備檢測(cè)其絕緣性能、支撐能力和產(chǎn)品本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的必要試驗(yàn)之一，尤其是航空、電力、通信等領(lǐng)域。

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，關(guān)于積冰凍雨相關(guān)的觀測(cè)最早是由德國(guó)專家進(jìn)行的，主要對(duì)云中過(guò)冷水的結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行研究。到20 世紀(jì)40年代末，美軍率先建立 “氣象實(shí)驗(yàn)室”，實(shí)驗(yàn)室可以滿足整機(jī)試驗(yàn)需求，同時(shí)也可以制造多種典型的冰凍條件。美國(guó)過(guò)半數(shù)的武器裝備都曾經(jīng)經(jīng)受過(guò)該實(shí)驗(yàn)室考驗(yàn)，積冰凍雨試驗(yàn)也成為美軍先進(jìn)作戰(zhàn)武器邁向戰(zhàn)場(chǎng)的關(guān)鍵性試驗(yàn)之一。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)最早于20 世紀(jì)80 年代末開(kāi)展對(duì)飛機(jī)的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多次數(shù)據(jù)的積累和分析，探討了結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行性能的影響。90 年代初，我國(guó)進(jìn)行了飛機(jī)帶冰模擬飛行影響的系統(tǒng)研究。20 世紀(jì)末，我國(guó)運(yùn)輸機(jī)首次按CCAR-25 的要求進(jìn)行了結(jié)冰科研試飛。

積冰凍雨試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)設(shè)備在售，國(guó)外實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰膶?shí)驗(yàn)室大小、溫度范圍和冰霜類型都有較大優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)設(shè)備一般僅適用于小型部組件。

項(xiàng)目最終完成后，可承擔(dān)大部分組件和部分整機(jī)的積冰凍雨試驗(yàn)，為軍用和民用設(shè)備提供較好的試驗(yàn)條件。

3 積冰試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 總體技術(shù)方案

系統(tǒng)由60m3步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱和積冰凍雨試驗(yàn)裝置組成。其中，60m3步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱為低溫環(huán)境重要保障條件，積冰凍雨試驗(yàn)裝置主要包括降水組件及其控制系統(tǒng)、冷水機(jī)、水流控制系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)。技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括軟件控制實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示。

（1）軟件控制實(shí)現(xiàn)

軟件控制實(shí)現(xiàn)包括試件溫度控制和過(guò)冷水溫度控制。試件溫度控制利用步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，過(guò)冷水溫度控制通過(guò)冷水機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)包括步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱、冷水機(jī)，以及降水組件、水流控制系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)備。

其中，降水組件包括噴頭、管路等。溫箱內(nèi)的降水組件為模塊化，可根據(jù)被試件的尺寸大小增減噴頭數(shù)量及其管路等組件。通過(guò)選購(gòu)噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴直徑為（1.0 ～1.5）mm的控制。

水流控制系統(tǒng)包括閥、冷水機(jī)、管路等；通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電磁閥來(lái)控制水的流速，從而可將降水量控制在（10 ～40）±2mm/h。

水循環(huán)系統(tǒng)包括盛水器、過(guò)濾器、水泵、儲(chǔ)水箱等。試驗(yàn)箱內(nèi)未結(jié)冰的雨滴落在試驗(yàn)箱內(nèi)的盛水器中回收，回收的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和水泵將水重新循環(huán)到儲(chǔ)水箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)的控制。

系統(tǒng)的硬件設(shè)備與軟件控制共同實(shí)現(xiàn)了過(guò)冷水溫度、流速和試件溫度的控制，構(gòu)成了完成積冰凍雨試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)。

（3）噴淋架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在不影響步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱的正常使用情況下，設(shè)計(jì)了一套可拆卸的不銹鋼噴灑結(jié)構(gòu)，整體效果圖見(jiàn)圖3。在進(jìn)行積冰凍雨試驗(yàn)時(shí)，將噴灑結(jié)構(gòu)放入步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)組裝，與外部供水系統(tǒng)連接便可試驗(yàn)，試驗(yàn)箱用于提供低溫環(huán)境，積冰凍雨試驗(yàn)系統(tǒng)將水降溫至接近零度，隨后通過(guò)噴灑結(jié)構(gòu)噴灑于樣品表面，從而完成試驗(yàn)。當(dāng)不進(jìn)行積冰凍雨試驗(yàn)時(shí)，可將試驗(yàn)箱內(nèi)噴灑拆卸移除，不影響步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱的正常使用。

在噴灑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮到了以下四個(gè)要求：

①噴灑結(jié)構(gòu)可拆卸，方便使用；

②噴灑結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)大小，便于對(duì)不同大小的樣品使用；

③噴灑結(jié)構(gòu)材料要求長(zhǎng)期使用，不會(huì)銹蝕；

④在停止噴灑時(shí)，噴灑結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷水不能結(jié)冰。

3.3 系統(tǒng)擴(kuò)展性

系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性，主要表現(xiàn)在試驗(yàn)箱內(nèi)降水組件。溫箱內(nèi)的降水組件為模塊化，可根據(jù)被試件的尺寸大小來(lái)增減噴頭數(shù)量及其管路等組件。這是需調(diào)整冷水機(jī)流量來(lái)配合保證降水量的穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)積冰凍雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法進(jìn)行了對(duì)比及研究，并對(duì)國(guó)內(nèi)外的積冰凍雨試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展情況進(jìn)行了介紹。結(jié)合國(guó)內(nèi)開(kāi)展組件或部分整機(jī)試驗(yàn)的需求，從總體方案設(shè)計(jì)、技術(shù)流程、系統(tǒng)試驗(yàn)方法、軟件控制實(shí)現(xiàn)、硬件控制實(shí)現(xiàn)、噴淋架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為大部分組件或部分整機(jī)產(chǎn)品開(kāi)展積冰凍雨試驗(yàn)提供有效的參考和依據(jù)。

圖3 噴灑結(jié)構(gòu)整體效果圖