氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境模擬技術(shù)研究

任戰(zhàn)鵬，吳敬濤，吳學(xué)敏，成竹

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

降雪環(huán)境對(duì)于飛機(jī)等武器裝備是一種極端氣候環(huán)境，飛機(jī)在起飛、降落或停放期間均有可能受到降雪環(huán)境的影響，引起風(fēng)擋、機(jī)翼、槳葉、雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道以及外掛武器元件等部位結(jié)冰，導(dǎo)致起落架、襟翼等活動(dòng)部件卡滯，武器系統(tǒng)故障等，影響飛機(jī)系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)降雪強(qiáng)度較大時(shí)，可能導(dǎo)致APU 不能正常啟動(dòng)或者性能下降[1-4]。

目前我國(guó)在飛機(jī)研制過(guò)程中，通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)降雪環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)考核，但外場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境條件不可控，溫度、降雪強(qiáng)度、風(fēng)速都會(huì)出現(xiàn)較大的變化。同時(shí)，外場(chǎng)降雪試驗(yàn)給試驗(yàn)保障設(shè)備、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與測(cè)量設(shè)備以及試驗(yàn)人員的操作帶來(lái)很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，不但增加了試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期，而且很難保證試驗(yàn)達(dá)到飛機(jī)設(shè)計(jì)的考核要求[5-6]。為避免外場(chǎng)試驗(yàn)出現(xiàn)的各種困難，且保證降雪環(huán)境條件滿(mǎn)足飛機(jī)各系統(tǒng)降雪試驗(yàn)的考核要求，文中從成雪的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合室內(nèi)模擬降雪的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究，設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)降雪環(huán)境模擬方法，可滿(mǎn)足飛機(jī)等武器裝備降雪環(huán)境適應(yīng)性的考核要求，為我國(guó)飛機(jī)等武器裝備的降雪環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究提供技術(shù)支持。

1 降雪環(huán)境形成機(jī)理

自然界的降雪主要是云中的過(guò)冷水滴和冰晶相互碰撞，部分冰晶迅速增大，當(dāng)冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時(shí)，便從空中落下，在空氣溫濕度、氣流、降落高度等因素的影響下，最終形成了各種形狀的雪花[7-10]。最常見(jiàn)的雪花為六角形，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)有限的空間，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪受溫度、濕度、水溫、霧化水滴直徑、氣流組織形式以及實(shí)驗(yàn)室空間大小等因素的影響，很難形成自然界中真實(shí)雪花形狀的降雪環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪是通過(guò)過(guò)冷水霧化，在有限的空間和距離內(nèi)冷凝結(jié)晶，形成“雪花”，最終在指定區(qū)域內(nèi)形成降雪環(huán)境，通過(guò)這樣方式形成的雪花為不規(guī)則的橢球狀，如圖2 所示。

圖1 自然界最常見(jiàn)的六角形雪花Fig.1 Common hexagonal snowflake in nature

圖2 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工造雪Fig.2 False snowflake in laboratory

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪，溫度是保證成雪的前提。水經(jīng)過(guò)霧化，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)形成降雪需要大量冷量，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度隨著試驗(yàn)的進(jìn)行會(huì)升高，所以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)降雪過(guò)程中，須保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，滿(mǎn)足降雪的冷負(fù)荷需求[11-12]。濕度直接影響著降雪的品質(zhì)，如果實(shí)驗(yàn)室內(nèi)濕度太大，則模擬的降雪為“濕雪”，雪的密度和黏性較大，雪品質(zhì)較差。在濕度較低環(huán)境下，模擬的造雪為“干雪”，雪的密度和黏性較小，雪的品質(zhì)較好。

對(duì)飛機(jī)等武器裝備來(lái)說(shuō)，雪的微觀形狀對(duì)系統(tǒng)功能或性能沒(méi)有任何影響，但“濕雪”的密度較大，雪的黏性較高，易引起設(shè)備或部件的凍結(jié)或卡滯等故障。因此相對(duì)“干雪”，“濕雪”環(huán)境對(duì)于飛機(jī)等武器裝備更為嚴(yán)酷。

2 實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境模擬

根據(jù)飛機(jī)等武器裝備的降雪試驗(yàn)需求，在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)了飛機(jī)降雪試驗(yàn)系統(tǒng)，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)-25～-5 ℃溫度范圍內(nèi)模擬一定強(qiáng)度的降雪環(huán)境，滿(mǎn)足飛機(jī)等武器裝備的降雪環(huán)境試驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)系統(tǒng)降雪環(huán)境指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 降雪試驗(yàn)系統(tǒng)指標(biāo)Tab.1 Indicators of snow test system

2.1 實(shí)驗(yàn)室降雪模擬冷負(fù)荷

溫度是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪環(huán)境的關(guān)鍵，降雪過(guò)程中必須保證降雪所需的冷量需求，持續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的冷量補(bǔ)償，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度滿(mǎn)足降雪試驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行降雪試驗(yàn)時(shí)，需要消耗大量的冷量，其中降雪試驗(yàn)系統(tǒng)模擬降雪所需冷負(fù)荷是實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)時(shí)最大冷負(fù)荷，主要由降雪用水成雪的過(guò)程產(chǎn)生。為提高降雪效率，并降低實(shí)驗(yàn)室溫度控制的冷負(fù)荷，降雪采用2 ℃的水。降雪試驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的成雪過(guò)程如下：2 ℃的水（T1）到0 ℃的水（放熱，顯熱）；0 ℃的水（T0）到0 ℃的“雪花”（放熱，潛熱）；0 ℃的雪花到-25 ℃的“雪花”（放熱，顯熱）；環(huán)境溫度下水霧蒸發(fā)（吸熱，潛熱）。

降雪過(guò)程中，一部分的霧化水在成雪過(guò)程中蒸發(fā)，使得實(shí)驗(yàn)室濕度增加。為得出不同水滴直徑與蒸發(fā)率之間的變化關(guān)系，采用不同霧化型號(hào)噴嘴，在一定溫度和濕度條件下進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，得出霧化水滴直徑和蒸發(fā)率之間的關(guān)系，如圖3 所示。可以看出，在一定的溫度和濕度下，隨著霧化液滴直徑的增大，蒸發(fā)率基本保持不變；在一定溫度條件下，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)濕度越小，降雪霧化水的蒸發(fā)率越高。在-5 ℃降雪工況時(shí)，降雪霧化水的蒸發(fā)率在6%～8.5%之間變化，-25 ℃降雪試驗(yàn)時(shí)，水的蒸發(fā)量約為3.8%。

圖3 水滴直徑與蒸發(fā)率關(guān)系Fig.3 Relationship between water drop diameter and evaporation rate

為保證實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，需對(duì)實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)行冷量補(bǔ)償，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度控制在試驗(yàn)要求溫度。其中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)-25 ℃條件下，降雪強(qiáng)度75 mm/h、有效降雪面積700 m2是實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)冷量需求最大的降雪工況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬降雪時(shí)霧化水的成雪過(guò)程，可得出實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)時(shí)，降雪模擬所需的冷負(fù)荷計(jì)算為：

Q=m水·[C水·(t1-t0)+h+C冰·(t0-t2)]-m蒸h蒸+W (1)

式中：m水為降雪試驗(yàn)用水量；t1為水溫；t0為冰點(diǎn)溫度；t2為目標(biāo)降雪試驗(yàn)溫度；C水為水的比熱容；C冰為冰的比熱容；h 為融化潛熱；h蒸為蒸發(fā)潛熱；m蒸為蒸發(fā)水量；W 為降雪試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行功率。

根據(jù)式（1）可得出：實(shí)驗(yàn)室-25 ℃溫度條件下，降雪強(qiáng)度75 mm/h、有效降雪面積700 m2降雪工況的冷負(fù)荷為 3079 kW，即降雪試驗(yàn)的最大冷負(fù)荷為3079 kW。

2.2 水滴直徑與成雪距離關(guān)系

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪環(huán)境，在滿(mǎn)足降雪冷量需求的前提下，合理的霧化水粒直徑是影響降雪質(zhì)量和成雪距離的關(guān)鍵因素。霧化水滴直徑過(guò)大，使得成雪距離較長(zhǎng)，并且水滴在空中碰撞凝結(jié)，雪粒直徑變大，導(dǎo)致霧化水在空中不能完全形成冰晶，最終成雪的密度和黏性較大，雪的品質(zhì)較差。霧化水滴直徑較小時(shí)，模擬霧化水成雪距離短，并且雪粒直徑較小，霧化水結(jié)晶成雪充分，降雪的密度和黏性較小，雪品質(zhì)較好。

為選擇適用于實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)要求的霧化水粒直徑，通過(guò)適當(dāng)?shù)膰娮爝x型和調(diào)節(jié)供水壓力控制霧化水滴直徑。在-5 ℃和-25 ℃環(huán)境下，對(duì)不同水滴直徑霧化水的成雪距離進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯觯?5 ℃和-25 ℃溫度環(huán)境下，隨著霧 化水滴直徑的增加，成雪距離也隨之增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際空間大小以及飛機(jī)等武器裝備的降雪試驗(yàn)需求，并且保證模擬降雪的品質(zhì)，選擇100～150 μm 的霧化水滴直徑進(jìn)行降雪模擬，最短成雪距離約4 m，且雪粒直徑在200 ～400 μm 之間。

圖4 成雪距離隨水滴直徑大小的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between water drop diameter to freeze

3 實(shí)驗(yàn)室降雪品質(zhì)

自然界中降雪會(huì)受到很多因素影響，如風(fēng)速、地形等，使得地面積雪厚度有較大的變化，而在實(shí)驗(yàn)室中降雪模擬主要受模擬造雪方式、實(shí)驗(yàn)室空間以及實(shí)驗(yàn)室氣流組織形式的影響。

3.1 降雪均勻性

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流組織形式下，采用單臺(tái)造雪設(shè)備在-25 ℃環(huán)境溫度下沿固定方向降雪20 min，沿出雪方向的降雪厚度分布如圖5 所示?？梢钥闯?，沿整個(gè)降雪方向，雪厚度分布類(lèi)似正太分布狀的形式，但在10～35 m 有效降雪距離內(nèi)，平均每米之間的降雪厚度相差不超過(guò)5 mm。

為保證降雪試驗(yàn)具有更好的降雪均勻性，在進(jìn)行飛機(jī)等武器裝備降雪試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)試驗(yàn)件的大小，采用多臺(tái)造雪設(shè)備，通過(guò)合理布置，共同進(jìn)行模擬造雪，這樣可大大提高降雪的均勻性分布。采用兩臺(tái)造雪設(shè)備對(duì)某飛機(jī)機(jī)翼段的降雪試驗(yàn)時(shí)，沿整個(gè)翼展方向，雪厚度相差5 mm，翼寬方向雪厚度僅相差2 mm。飛機(jī)等武器裝備的覆雪試驗(yàn)，一般針對(duì)試驗(yàn)件表面曲率小于60°的區(qū)域[13]，而飛機(jī)等武器裝備表面曲率小 于60°的試驗(yàn)件的表面區(qū)域面積有限，并且對(duì)均勻性也沒(méi)有非常嚴(yán)格的要求，該均勻性完全可以滿(mǎn)足飛機(jī)降雪環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的要求。

圖5 雪厚度沿射程分布Fig.5 Snow thickness and range distribution

3.2 降雪密度

在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中-25 ℃、RH 為70%的環(huán)境下，采用降雪試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行降雪環(huán)境模擬，對(duì)模擬降雪區(qū)域內(nèi)的不同位置的雪密度進(jìn)行取樣測(cè)量，通過(guò)雪密度計(jì)算公式（2）計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)雪密度值（見(jiàn)表2）。

式中：ρ 為雪密度；m 為測(cè)量總質(zhì)量；m1為量桶質(zhì)量；D 為量桶直徑；h 為雪厚度。

表2 -25 ℃造雪密度檢測(cè)Tab.2 The density of simulating snow at -25 ℃

從表2 可以看出，測(cè)點(diǎn)中最大雪密度為442.4 kg/m3。由于雪密度受模擬降雪時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流組織的因素，各測(cè)點(diǎn)雪密度值呈現(xiàn)一定的離散性。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，平均雪密度為374.8 kg/m3，模擬的降雪的密度和黏性較小，雪的品質(zhì)較好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)自然環(huán)境降雪和實(shí)驗(yàn)室模擬降雪機(jī)理的對(duì)比分析，提出了影響實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雪及降雪品質(zhì) 的關(guān)鍵因素，并結(jié)合理論分析與試驗(yàn)研究，得出了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)降雪模擬時(shí)的冷負(fù)荷計(jì)算方法，以及霧化水粒直徑與成雪距離之間的變化關(guān)系。最終選擇 100～ 150 μm 的水粒直徑作為實(shí)驗(yàn)室模擬降雪的最優(yōu)水粒直徑，保證了實(shí)驗(yàn)室模擬降雪的成雪距離和降雪品質(zhì)。建立了氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境模擬技術(shù)，可在氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)模擬一定強(qiáng)度的降雪環(huán)境，滿(mǎn)足飛機(jī)等武器裝備降雪環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)需求，為飛機(jī)等武器裝備的降雪環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究提供技術(shù)支持。