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有关结冰风洞校准标准的分析
摘要：本文按结冰风洞制冷方式、试验对象、用途性质和试验段尺寸归纳总结了结冰风洞的类型，指出校准标准主要针对的结冰风洞类型；阐述结冰风洞空气动力流场校准可以依据的3个国内外标准；介绍SAE结冰风洞校准标准中云雾场校准的主要内容；分析研究相关标准的特点和存在的不足；提出未来我国制定结冰风洞校准标准的建议。
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1、引言
飞机飞行结冰是影响飞行安全的重要因素之一。为了研究结冰问题，早在1928年，美国兰利实验室就建设了一座试验段直径152mm的人工制冷结冰风洞，但直到上世纪40年代中叶，美国工程适用型结冰研究风洞（IRT）建成，才真正开启了结冰风洞主导飞机飞行结冰试验研究的时代。结冰风洞可视为具有制冷能力的亚声速风洞，它相比于常规亚声速风洞，不仅需要进行空气动力流场校准，还需要进行结冰云雾场校准，因而校准工作更加复杂。目前，结冰风洞空气动力流场校准可以依据的标准有：美国航空航天协会（AIAA）标准执行委员会颁布的AIAAR-093-2003《亚声速和跨声速风洞校准》、我国国军标GJB1179A-2012《低速风洞和高速风洞流场品质要求》以及美国国际自动机工程师协会（SAE）颁布的SAEARP5905《结冰风洞校准与验收》；结冰风洞结冰云雾场校准只有SAE颁布的《结冰风洞校准与验收》标准可供参考。2013年，我国国家大型结冰风洞建成投入运行，随着我国航空航天自主研发型号对结冰研究需求的增多，未来企业和科研院所的结冰风洞建设将逐渐增多，因此，研究和制定我国结冰风洞校准标准具有现实意义。
2、校准标准的适用对象
结冰风洞按制冷方式可以分为自然制冷和人工制冷两种类型。自然制冷风洞是利用风洞所处地理位置，在冬季使用自然环境寒冷的空气进行结冰试验，例如：法国航空航天研究院（ONERA）的S1MA风洞，此类风洞设计建造的初衷不是结冰试验，因此本身不具备制冷系统，结冰试验只是其副产品；人工制冷风洞是专门为结冰试验研究设计建设的，风洞具有空气制冷系统，如美国NASA结冰研究风洞（IRT）等，一年四季均可进行结冰试验。
结冰风洞按其试验对象可以分为发动机结冰试验和飞行器气动结构结冰试验两种类型。发动机结冰试验风洞试验段截面一般为圆形，如美国NASA的PSL-3结冰试验设备，通常此类设备是为发动机推进试验设计建造，其结冰试验能力是后期改造拓展的。飞行器气动结构结冰风洞试验段截面一般为矩形，主要是研究飞机飞行中气动部件结冰问题，如美国波音公司结冰风洞（BRAIT）等。
结冰风洞按用途性质可以分为机理探索研究和工程试验研究两种类型。机理探索研究型通常是工程型结冰风洞的引导性风洞，或是用于结冰机理研究的小风洞，如早期美国兰利实验室建设的试验段的结冰风洞（直径152mm）；工程试验研究型是为满足飞机结冰型号试验为主建设的，美国NASA的IRT、意大利国家航空航天研究中心（CIRA）的IWT、加拿大国家研究中心（NRC）的AIWT都属此类风洞。
结冰风洞按试验段尺寸可以分为大、中、小型。尽管国内外对此没有统一的衡量标准，但从世界结冰风洞发展现状和有关文献资料分析，可以认为：大型——2m以上量级；中型——1～2m量级；小型——1m以下量级。
综上所述，结冰风洞是一种以结冰试验为主要目的设计建设的、具有人工制冷系统的亚声速风洞。其中，大型工程试验研究型结冰风洞是飞机结冰研究的核心地面试验设备，它们的气动流场品质和结冰云雾场品质要求高，是结冰风洞校准标准的主要应用对象，其他类型的结冰风洞可以根据自身特点和试验需求，参照结冰风洞校准标准要求，选择性地开展校准工作。目前，国外主要结冰风洞有：美国NASA格林研究中心的IRT、波音公司的BRAIT、Cox公司的结冰风洞、意大利CIRA的IWT、加拿大（NRC）的AIWT等。在世界众多的结冰风洞中，美国NASA的IRT风洞是不模拟结冰云雾场高度的典型代表，意大利CIRA的IWT风洞则是具有模拟结冰云雾场高度能力的典型代表。
3、空气动力流场校准
结冰风洞在不开启制冷系统的条件下，也是一座亚声速风洞，因此，空气动力流场校准是结冰风洞校准的基础。目前，可用于亚声速风洞校准的标准有：美国AIAA《亚声速和跨声速风洞流场校准》、我国国军标《低速风洞和高速风洞流场品质要求》和美国SAE《结冰风洞校准与验收》。
2003年，美国AIAA地面试验技术委员会成立风洞流场校准方法工作组，该工作组由NASA、军方、工业和科研院所专家组成，加拿大NRC和欧洲ETW参与了相关工作，形成了用于指导风洞流场校准的《亚声速和跨声速风洞流场校准》标准。该标准将风洞流场校准分为两种类型：一是完整校准，它包含试验段点、面和空间3个方面的详细校测。二是检验校准，它是在统计分析和历史校准数据的基础上，对风洞的一种快速监测校准方法。具体校准内容细分为：试验段流场参数校准和流场品质校准，参数校准包括：总压/静压/动压、总温/静温、风速、轴向静压分布、流向角等；品质校准包括：流场参数的空间分布变化、湍流度、边界层数据、声学特性、雷诺数等，探讨了风洞校准周期问题，给出了“NASA格林研究中心9英尺×15英尺低速风洞流场校准”和“洛克希德.马丁低速风洞流场校准”实例，该具有很强的实践指导意义。
1991年，中国空气动力研究与发展中心编制了国军标《高速风洞和低速风洞流场品质规范》，2012年，修订为《低速风洞和高速风洞流场品质要求》。该标准给出的亚声速风洞流场校准的主要参数有：动压或风速、方向场、轴向静压梯度、气流温度、湍流度、动压稳定性和气流噪声，其中气流温度为非必测项目。针对上述校准参数，给出了“合格”和“先进”的具体指标，例如：模型区内动压场系数合格指标是≤0.5%，先进指标是≤0.2%。标准简要给出了校准参数的校准要求、校准方法和数据处理公式。标准的附录给出了高速风洞200锥/柱体压力分布无干扰数据。
1997年，美国联邦航空管理局（FAA）制定了“FAA飞机飞行结冰计划”，该计划的成果之一是形成了《结冰风洞校准与验收》报告，它给出了结冰风洞校准和验收的推荐做法，并于2003年以SAE标准发布。2009年，SAE对该标准进行了确认。标准中规定的结冰风洞空气动力流场校准包括：速度、温度、中心线静压/总压、湍流度、流向角等，给出了速度、静温、气流偏角、湍流度的品质数据要求。与上述两个标准不同的是增加了热力学校准要求，气流温度是必测项目，提出了0℃～-30℃（或试验所用的最低运行温度）范围内的空气动力流场校准要求。关于气动流场校准，SAE标准借鉴了“风洞试验质量评估”报告（AGARD-AR-304）、“风洞数据不确定度评定”标准（AIAAS-071-1995）和NASA的IRT结冰风洞校准经验。
4、结冰云雾场校准
结冰风洞在空气动力流场校准的基础上，进行结冰云雾场校准。依据标准只有美国SAE《结冰风洞校准与验收》。结冰云雾场校准的目的是确定风洞的基本结冰云特性，建立结冰风洞试验条件运行关系。
结冰云雾场的核心成分是小水滴，测量小水滴中值体积直径（MVD）、云雾场中液态水含量（LWC）和云雾场均匀性的测量仪器通常有前向散射分光测量仪、光学阵列测量仪、相位多普勒粒子分析仪和马尔文粒径测量仪、冰刀、旋转多圆柱、热线、测量格栅等。
结冰云雾场校准包括喷嘴校准、结冰云雾场大小和均匀性、MVD校准、LWC校准。
（1）喷嘴校准。它包括空气和水流量特性。SAE标准对内部混合喷嘴和外部混合喷嘴两种喷嘴的特性表征给出了定义，规定了喷雾耙上原始喷嘴组选择原则，即各喷嘴之间允许的最大偏差为3%～5%。为了保持的云雾场均匀性，如果一个喷嘴损坏，则新换喷嘴应与被替换的喷嘴性能尽可能保持一致，通常流量系数匹配应在1%左右。
（2）结冰云雾场大小和均匀性校准。SAE标准规定测量点矩阵平面应是模型支撑系统旋转中心的参考平面，矩阵中各测量点之间的间距不应大于12.5%，任一方向的跨度不得超过150mm。结冰云雾场大小和均匀性校准可采用两种技术：一是冰积聚技术，标准给出了霜冰条件下的校准条件设置、数据处理公式和云雾场等高线图样例。二是热线技术，热线或其他实时LWC测量仪可用于云雾场尺寸和均匀性校准。LWC的测量应在上述规定的校准矩阵点上进行，LWC值采用LWC稳定测量值的平均值。如果使用移动测量装置，应避免支撑臂的气动干扰和减小振动。
（3）MVD校准。风洞条件在最大风速的50%～100%之间，保持试验段静温足够低以使结冰云的再循环变化最小化，MVD校准应在风洞试验段恒定区域的中心线上进行，对采用空气雾化的喷嘴，通过校准确定MVD与空气压力和水流率之间的函数关系。根据需要可以使用一种或多种仪器测量小水滴直径，仪器应进行实时校准。为了评估MVD校准有效性，应测量MVD值的重复性。
（4）LWC校准。风洞试验段中的LWC主要取决于喷雾耙的水流率、风速和云雾场横截面积。在一定程度上，它还取决于MVD、喷嘴空气压力、相对湿度、试验段温度或其他因素。通过校准实验，用一种或多种LWC仪器来测量确定LWC、水流率和试验段风速之间的函数关系。SAE标准附录给出了LWC测量方法和风洞中LWC校准的样例。
5、分析和建议
（1）标准起草者的广泛代表性是标准权威性和作用发挥的重要基础。AIAA的《亚声速和跨声速风洞流场校准》标准起草单位包括：NASA格林研究中心（组长）、洛克希德公司（副组长）、斯维尔德鲁普技术公司、NASA兰利研究中心和艾母斯研究中心、空军研究实验室、波音公司、阿诺德工程发展中心、加拿大国家研究委员会等17个单位，标准编制完成后又征询了NASA、AEDC、波音、欧洲ETW等近20个风洞试验相关单位专家的评阅意见，因此，该标准具有较大影响力，易于发挥规范风洞校准工作行为准则的作用。SAE的《结冰风洞校准与验收》标准，则是在美国FAA结冰研究计划下完成的，航空适航相关单位也有广泛的参与度。相比国外这些标准，我国国军标风洞标准的起草参与单位不够广泛，在这个方面，国外做法值得我们风洞试验标准制定学习。
（2）在空气动力流场校准方面，美国AIAAR-093-2003《亚声速和跨声速风洞校准》与我国GJB1179A-2012《低速风洞和高速风洞流场品质要求》具有很好的补充性。AIAA风洞校准标准阐述了风洞校准的基本概念、推荐做法和理念，针对风洞校准的共性基础问题加以规范，例如，区分流场参数校准和流场品质校准，将流场校准分为完整校准和检验校准，强调校准方法的科学和统一等，但该标准没有给出校准参数具体的指标要求。我国国军标GJB1179A-2012标准从名称上可以看出，其重点在于给出流场校准参数的量化指标，以便用户评价和衡量一个风洞的流场品质高低。显然这两个标准制定的指导思想和侧重点是不同的，二者具有很好的互补性。未来我国在相关标准修订和结冰风洞标准制定时，应借鉴国外标准经验，吸纳其优点，更好的与国际一流水平接轨。
（3）结冰风洞校准标准应考虑与亚声速风洞校准相关要求的协调一致性。SAE的《结冰风洞校准与验收》标准是在FAA结冰计划主导下完成的；《亚声速和跨声速风洞流场校准》标准是由AIAA地面试验技术委员会组成的风洞校准小组完成的，两个标准均于2009年9月颁布。《结冰风洞校准与验收》标准中空气动力流场校准部分阐述比较简单，也未提及AIAA亚声速风洞校准标准对空气动力流场校准的方法要求，这对规范和保证后续结冰云流场品质校准是不利的。另外，对于多功能结冰风洞而言，如意大利的IWT和我国的国家结冰风洞，也要承担非结冰空气动力试验研究任务，因此，我国在制定结冰风洞校准标准时，需要考虑已有的国内外相关标准，保持各标准中空气动力流场校准的一致性。
（4）空气动力流场和结冰云雾场校准需要补充高度模拟要求。一般常规亚声速风洞和美国的IRT结冰风洞均是大气环境风洞，它们不具备高空模拟能力。因此，上述国内外风洞校准标准都未涉及高度模拟要求。鉴于我国国家结冰风洞是一座具有高空模拟能力的多功能结冰风洞，需要针对气动力试验要求和结冰常用模拟试验高度要求，制定覆盖高度模拟校准要求的结冰风洞校准标准。如一般结冰试验高度约7,000m、冰晶结冰高度约12,000m、高空低雷诺数试验17,000或20,000m，进行空气动力流场和/或结冰云雾场校准。
（5）给出结冰风洞标模典型状态条件试验结果将有利于用户综合检验风洞校准结果。风洞校准一般是空风洞状态流场校准，空风洞校准完成后用标模检验风洞的综合品质也是常见做法。国军标《低速风洞和高速风洞流场品质要求》附录给出了20度锥柱体高速风洞的标准值，方便用户检验使用。SAE则另有结冰风洞试验结果比较的标准。从快捷和方便校准标准使用的角度，我国结冰风洞校准标准制定时，可以考虑以附录的形式给出圆柱体标模某种典型状态的试验或计算结果，方便用户做为综合校准检验的参考。
参考文献：
[1]GJB1179A-2012.低速风洞和高速风洞流场品质要求[S].中国人民解放军总装备部,2012.
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
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2020-05-25
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