美國NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系綜述

摘要：美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心擁有世界最完備的飛機(jī)結(jié)冰研究試驗(yàn)設(shè)備體系。本文歸納總結(jié)了NASA結(jié)冰設(shè)備體系組成，主要包括IRT風(fēng)洞、PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙、“雙水獺”結(jié)冰研究飛機(jī)、數(shù)值計(jì)算工具和基礎(chǔ)研究風(fēng)洞等；闡述了IRT風(fēng)洞和PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)艙兩座核心設(shè)備結(jié)冰模擬能力發(fā)展情況；分析了NASA結(jié)冰研究設(shè)備能力拓展策略。研究表明，NASA已從過冷小水滴為代表的傳統(tǒng)結(jié)冰研究向過冷大水滴和以冰晶為代表的現(xiàn)代結(jié)冰研究發(fā)展；同時(shí)，NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系也進(jìn)入以IRT風(fēng)洞和PSL發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙為核心的雙核心時(shí)代。本文旨在為國內(nèi)飛行器結(jié)冰研究領(lǐng)域設(shè)備體系發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞；發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰設(shè)備；結(jié)冰設(shè)備體系；結(jié)冰

中圖分類號(hào)：V211.74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.001

飛機(jī)結(jié)冰研究可以追溯到20世紀(jì)20年代，但直到20世紀(jì)40年代中葉，才真正開啟了地面結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備主導(dǎo)飛機(jī)結(jié)冰研究的時(shí)代。在長期的飛機(jī)結(jié)冰研究發(fā)展歷程中，美國陸續(xù)經(jīng)歷了各種結(jié)冰研究設(shè)備，逐步形成了當(dāng)今世界最為完備的飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系。隨著人們對(duì)航空安全水平要求的提高，航空管理部門擴(kuò)大了飛機(jī)結(jié)冰適航氣候條件范圍，飛機(jī)結(jié)冰研究條件開始從過冷小水滴向過冷大水滴和冰晶擴(kuò)展[1]，這促使結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備模擬能力向更高水平發(fā)展。目前，我國已經(jīng)建成大型結(jié)冰風(fēng)洞，開始建立飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)研究體系。

本文通過梳理美國國家航空航天局（NASA）結(jié)冰試驗(yàn)研究設(shè)備體系構(gòu)成，簡述其核心結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備發(fā)展動(dòng)向，以便更好地促進(jìn)我國飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)研究領(lǐng)域設(shè)備建設(shè)。

1 NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系

從20世紀(jì)20年代到40年代末，美國結(jié)冰研究主要以NACA（NASA的前身）艾姆斯研究中心的空中飛行試驗(yàn)為主，結(jié)冰研究飛機(jī)主要有C-46、B-24、“雙水獺”等。50年代初，隨著劉易斯（現(xiàn)在的格倫）研究中心IRT風(fēng)洞結(jié)冰云模擬噴霧系統(tǒng)技術(shù)的突破，結(jié)冰試驗(yàn)研究從以飛行試驗(yàn)為主轉(zhuǎn)向以結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)為主，艾姆斯研究中心的結(jié)冰研究飛機(jī)等設(shè)備和技術(shù)力量集中到了劉易斯研究中心。80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，結(jié)冰數(shù)值計(jì)算軟件NASA/LEWICE得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以試驗(yàn)研究成果發(fā)展/驗(yàn)證結(jié)冰數(shù)值計(jì)算工具，成為NASA結(jié)冰研究的一種發(fā)展模式。結(jié)冰試驗(yàn)研究形成了地面風(fēng)洞試驗(yàn)、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬計(jì)算、空中飛行試驗(yàn)并存的格局。如今，NASA格倫研究中心構(gòu)建了世界上最為完善的結(jié)冰試驗(yàn)研究設(shè)備體系（見圖1）。NASA格倫研究中心結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系如下。

（1）結(jié)冰研究風(fēng)洞

IRT風(fēng)洞是一座大氣壓力回流式低速結(jié)冰風(fēng)洞，建成于1944年，該風(fēng)洞發(fā)展的熱交換器和結(jié)冰云模擬技術(shù)，使利用地面風(fēng)洞設(shè)備開展飛機(jī)飛行結(jié)冰研究成為可能，開創(chuàng)了結(jié)冰風(fēng)洞主導(dǎo)結(jié)冰試驗(yàn)研究的時(shí)代[2]。IRT風(fēng)洞具有悠久的歷史和結(jié)冰試驗(yàn)研究成果積淀，正是得益于該風(fēng)洞研究和發(fā)展的飛機(jī)防除冰技術(shù)，使結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行的危害得到有效抑制。IRT風(fēng)洞在結(jié)冰研究領(lǐng)域的豐碩成果奠定了NASA格倫研究中心結(jié)冰研究的世界引領(lǐng)地位。

（2）推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室

NASA格倫研究中心的推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建成于1973年，是一座直連式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備，擁有PSL-3和PSL-4兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，主要用于渦扇、渦軸、基于渦輪組合循環(huán)和無人航空器全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代以來，大量高空冰晶引起的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失事件，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究得到美國聯(lián)邦航空局（FAA）和NASA的重視。2008年，PSL-3實(shí)驗(yàn)艙開始論證發(fā)展冰晶和常規(guī)結(jié)冰研究能力，2012年完成設(shè)備結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰ι?jí)改造，成為NASA結(jié)冰試驗(yàn)研究的核心地面設(shè)備[3]。

（3）結(jié)冰機(jī)理研究風(fēng)洞

在結(jié)冰機(jī)理研究方面，NASA發(fā)展了立式結(jié)冰研究風(fēng)洞和水滴成像風(fēng)洞。立式結(jié)冰研究風(fēng)洞主要用于平面駐點(diǎn)流研究，試驗(yàn)段尺寸1.6m×0.8m。主要能力：中值體積直徑（MVD）范圍20～2000μm；液態(tài)水含量（LWC）范圍0.1～1.5g/m3；溫度范圍-15℃至大氣溫度；收縮段最大速度25m/s，設(shè)計(jì)點(diǎn)速度17m/s。水滴成像風(fēng)洞用于水滴運(yùn)動(dòng)研究，試驗(yàn)段尺寸0.15m×0.15m，空風(fēng)洞風(fēng)速78m/s，配有科氏高速相機(jī)和激光片光及放大相機(jī)[4]。

（4）飛行結(jié)冰模擬訓(xùn)練器和結(jié)冰云地面遙測(cè)設(shè)備

NASA發(fā)展了飛機(jī)結(jié)冰飛行訓(xùn)練裝置，主要用于培訓(xùn)飛行員熟悉和了解結(jié)冰帶來的駕駛影響；建立了結(jié)冰遠(yuǎn)程感知地面站，主要用于發(fā)展和評(píng)估遠(yuǎn)程結(jié)冰條件探測(cè)算法。配備有窄束多頻率微波無線電測(cè)量儀（NNMMR），用于終端區(qū)域結(jié)冰探測(cè)和預(yù)警。

（5）結(jié)冰研究飛機(jī)“雙水獺”

NASA的“雙水獺”結(jié)冰研究飛機(jī)背部有固定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠脚_(tái)，飛機(jī)自身重要部位具有良好的結(jié)冰防護(hù)措施，能夠適應(yīng)必要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)改裝，滿足結(jié)冰試驗(yàn)研究的需要。該飛機(jī)主要用于自然結(jié)冰氣象條件下飛行結(jié)冰試驗(yàn)或結(jié)冰氣象條件數(shù)據(jù)采集。飛機(jī)配備有PMS/OPA-2D Grey（量程15～960μm）和PMS/FSSP-100（量程4～45μm）粒徑測(cè)量儀、SEA/ WCM液態(tài)水含量測(cè)量儀、Edgetech Vigilanet 137露點(diǎn)測(cè)量儀和Rosemount 871FA2188冰探測(cè)儀等試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備[5]。

（6）數(shù)值計(jì)算工具

20世紀(jì)80年代開始，NASA先后開發(fā)了結(jié)冰數(shù)值計(jì)算工具LEWICE（二維）和LEWICE 3D（三維）；在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰方面，開發(fā)了COMDES（一維）和TADICE（一維），分別用于預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰可能性和發(fā)動(dòng)機(jī)流道結(jié)冰條件模擬[6]。目前正在發(fā)展GlennICE，這是一個(gè)三維結(jié)冰計(jì)算工具，具有過冷大水滴和冰晶計(jì)算能力，滿足美國聯(lián)邦航空條例FAR 25附錄C、D和FAR 33附錄O結(jié)冰條件的計(jì)算要求。

2兩座核心地面結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備

2.1 IRT風(fēng)洞

NASA格倫研究中心結(jié)冰研究人員、工程師和技術(shù)人員依托IRT風(fēng)洞建立了當(dāng)今世界飛機(jī)結(jié)冰和防除冰技術(shù)體系。IRT風(fēng)洞建成以來進(jìn)行了6次大的改造。1986年更新驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率增加到3700kW；電機(jī)控制改為變步長數(shù)字系統(tǒng)；風(fēng)洞的其他控制也從模擬式升級(jí)為數(shù)字式；加工了備用的木制槳葉；1992年安裝了洞壁西半部隔熱層；配置了5分量外式天平；增加了試驗(yàn)段照明和攝像系統(tǒng)以便觀察冰的形成過程；1993—1994年，安裝了洞壁東半部隔熱層；安裝了新的木制槳葉，提高了試驗(yàn)風(fēng)速；增加了噴霧桿數(shù)量；1996—1997年，安裝了新噴霧桿子系統(tǒng)并升級(jí)控制系統(tǒng)；噴霧桿數(shù)量進(jìn)一步增加到10個(gè)，結(jié)冰云的范圍和均勻度增加了近一倍，穩(wěn)定結(jié)冰云所需時(shí)間也降低了90%；配置了三維激光掃描器記錄冰型。2000年的改造主要包括：風(fēng)扇電機(jī)改為電子控制；“W”式熱交換器更換為“平板”式熱交換器；制冷劑由R-12改為R-134A；更換部分洞體的地板、開花板、天花板鋼結(jié)構(gòu)；改進(jìn)部分洞體的隔熱，減小熱載荷對(duì)交換器的影響。

根據(jù)2009年《美國復(fù)興與再投資法案》，2011年，IRT風(fēng)洞獲得優(yōu)先改造資金。NASA格倫研究中心對(duì)IRT進(jìn)行了制冷廠和風(fēng)洞中熱交換器的升級(jí)改造，用“錯(cuò)列”式熱交換器取代了“平板”式熱交換器（見圖2）。改造后進(jìn)一步降低了風(fēng)洞湍流度，空風(fēng)洞最大速度提升到180m/s，最低氣流靜溫可達(dá)-43℃，溫度場(chǎng)均勻性達(dá)到±0.2℃。2012年，IRT進(jìn)行了改造后的初步校準(zhǔn)，研究發(fā)現(xiàn)增設(shè)噴霧耙立桿可以有效改善云霧場(chǎng)的均勻性。按照“結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)與驗(yàn)收”標(biāo)準(zhǔn)（SAE ARP 5905）要求，2014年，IRT風(fēng)洞進(jìn)行了改造后的全面校準(zhǔn)，2015年又進(jìn)行了中間校準(zhǔn)[7]。

目前，IRT風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸2.7m×1.8m×6.1m，校準(zhǔn)風(fēng)速26～167m/s，溫度范圍20℃（總溫）～ -40℃（靜溫），MVD范圍15～270μm，LWC范圍0.2～4.5g/m3。風(fēng)洞配備有STD和Mod1兩種噴嘴，配備有云小水滴探頭（CDP）、云成像探頭（CIP-GS）、OAP-230X和OAP-230Y等粒徑測(cè)量設(shè)備；配備有熱線、冰刀等液態(tài)水含量測(cè)量設(shè)備；配備有Faro公司三維冰型掃描儀[8]。

2.2 PSL發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備

PSL是NASA直連式全尺寸航空發(fā)動(dòng)機(jī)（中/小型）工作性能測(cè)試設(shè)備，能夠模擬高空飛機(jī)飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件。20世紀(jì)90年代以來，高空冰晶導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失事件經(jīng)常發(fā)生，據(jù)美國FAA統(tǒng)計(jì)，1990—2008年，全球發(fā)生飛機(jī)結(jié)冰事故388起，其中，高空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失事件約占1/4。2008年，NASA考慮為PSL-3試驗(yàn)艙增加冰晶和常規(guī)結(jié)冰模擬能力[9]，該計(jì)劃得到了FAA發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校工作組（EHWG）的支持。歷經(jīng)三年，2012年，PSL-3完成發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶和常規(guī)結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰ι?jí)改造，成為世界上第一個(gè)具備冰晶模擬能力的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備（見圖3）。

冰晶的產(chǎn)生有刨冰法和冷凍法，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)際需要和結(jié)冰技術(shù)的成熟度，PSL-3試驗(yàn)艙冰晶制造采用冷凍法，噴霧耙技術(shù)與IRT風(fēng)洞類似。PSL-3試驗(yàn)艙配備的結(jié)冰試驗(yàn)系統(tǒng)是可拆裝的，因此，不影響常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。PSL-3試驗(yàn)艙結(jié)冰模擬能力見表1。

PSL-3試驗(yàn)艙直徑7.3m，長11.9m，結(jié)冰試驗(yàn)直連發(fā)動(dòng)機(jī)的管道直徑約0.9m。試驗(yàn)介質(zhì)可以是大氣空氣、加熱空氣或冷空氣，高度模擬27000m。設(shè)備配備有六分量推力系統(tǒng)（22700kgf≈227kN）、1600通道的數(shù)據(jù)采集/顯示系統(tǒng)、高響應(yīng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

PSL-3試驗(yàn)艙結(jié)冰試驗(yàn)噴霧系統(tǒng)由10個(gè)噴霧耙，共計(jì)222個(gè)噴嘴組成，其中，標(biāo)準(zhǔn)（Std）噴嘴110個(gè)，1型（Mod1）噴嘴112個(gè)[10]。云粒子測(cè)量設(shè)備有云成像探頭（CIP）和云小水滴探頭（CDP）；云水含量測(cè)量設(shè)備有魯棒和多線探頭；結(jié)冰云特征測(cè)量有均勻度格柵、斷層掃描診斷儀和激光片光。

3面向未來結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰ν卣共呗?/p>

在美國聯(lián)邦航空局有關(guān)飛機(jī)的各種適航規(guī)章中，有100多處提到了“結(jié)冰”。傳統(tǒng)結(jié)冰研究的環(huán)境條件是依據(jù)FAR 25附錄C界定的結(jié)冰環(huán)境認(rèn)證包線，飛機(jī)結(jié)冰研究主要針對(duì)兩大部分，一是飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)結(jié)冰研究，如機(jī)翼、尾翼等；二是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究，如螺旋槳轂蓋、螺旋槳、風(fēng)扇和短艙等[11]。傳統(tǒng)結(jié)冰研究主要針對(duì)過冷小水滴結(jié)冰云環(huán)境條件，IRT風(fēng)洞基本可以應(yīng)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和部分發(fā)動(dòng)機(jī)模型結(jié)冰研究的需要（見圖4）。

2014年，F(xiàn)AA正式頒布了SLD、冰晶和混合相結(jié)冰適航要求，擴(kuò)大了飛機(jī)結(jié)冰適航環(huán)境條件。面對(duì)新的結(jié)冰適航環(huán)境條件要求和進(jìn)一步提高結(jié)冰研究模擬準(zhǔn)確性的要求，僅靠IRT風(fēng)洞的低速結(jié)冰模擬能力，不能滿足高空、高速發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)需求。NASA面向未來結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰ν卣共呗员憩F(xiàn)在以下兩個(gè)方面[12]。

（1）IRT風(fēng)洞重點(diǎn)針對(duì)FAR 25附錄O提升SLD模擬試驗(yàn)?zāi)芰?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/09/09/qkimageshkxjhkxj202105hkxj20210501-4-l.jpg"/>

FAR 25附錄O規(guī)定的SLD結(jié)冰云環(huán)境條件參數(shù)模擬包括：凍細(xì)雨（FZDZ）和凍雨（FZRA），MVD分為大于40μm和小于40μm兩種情況。模擬要求包括兩個(gè)方面：一是水滴尺寸分布要求，二是MVD和LWC模擬范圍。IRT風(fēng)洞采用標(biāo)準(zhǔn)（Std）噴嘴、1型（Mod 1）噴嘴或者二者組合的方式，通過調(diào)節(jié)噴嘴霧化空氣壓力和水壓力，控制所產(chǎn)生水滴的直徑[13]。研究表明，降低噴嘴霧化空氣壓力（p<70kPa），可以減小噴嘴水滴破碎程度，從而獲得較大水滴。圖5給出了FZDZ和FZRA典型校測(cè)結(jié)果與FAR 25附錄O條件的比較，IRT風(fēng)洞部分可以滿足附錄O要求。

（2）PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙針對(duì)FAR 33附錄D/P拓展冰晶模擬試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣、帽罩、風(fēng)扇、分離環(huán)、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子葉片、導(dǎo)流隔板等關(guān)鍵部件發(fā)生的結(jié)冰現(xiàn)象[14]。過冷液態(tài)水導(dǎo)致的結(jié)冰主要威脅渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道前緣、風(fēng)扇和低壓壓縮機(jī)前三級(jí)。冰晶結(jié)冰研究則主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)的前4級(jí)（見圖6）。未來NASA將依托PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙，完成高空、高速渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)過冷液態(tài)水和冰晶結(jié)冰研究，滿足FAR 33附錄D/P需求（見圖7）[15]。

4結(jié)束語

美國NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系是在長期實(shí)踐中不斷發(fā)展完善的。在以過冷小水滴研究為代表的傳統(tǒng)結(jié)冰研究主導(dǎo)時(shí)期，NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系是以IRT風(fēng)洞為核心的單核心體系。為了滿足以SLD、冰晶和混合相研究為代表的現(xiàn)代結(jié)冰研究發(fā)展需要，NASA結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備體系已經(jīng)發(fā)展為以IRT風(fēng)洞和PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙為核心的雙核心體系。PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙將彌補(bǔ)IRT風(fēng)洞在高空、高速結(jié)冰模擬能力上的不足。未來IRT風(fēng)洞和PSL-3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)艙聯(lián)合，將能更好地滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)/發(fā)動(dòng)機(jī)在SLD和冰晶條件下結(jié)冰研究的需要。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡介

戰(zhàn)培國（1963-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：空氣動(dòng)力試驗(yàn)。

Tel：0816-2461240E-mail：zpg63@163.com

Review on the System of Icing Facilities in NASA

Zhan Peiguo*

Low-speed Aerodynamics Research Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Abstract： NASA Glenn Research Center has the perfect icing facilities system in the world field of airplane icing research. This paper summarizes the composition of the system， including Icing Research Tunnel（IRT）， Propulsion System Lab（ PSL-3）， "Twin Otter" airplane， icing simulation tools and fundamental research tunnels， explains the development of the core facilities of IRT and PSL-3 and analyzes NASA expanding strategy of icing facilities for Supercooled Large Drop（SLD） and Ice Crystal（IC） research. Researches indicate that the system of NASA icing facilities has been turned into " two cores" era， namely， IRT and PSL. The purpose is to provide references for our national icing facility system development.

Key Words： icing wind tunnel； engine icing facility； icing facility system； icing