步入式高低溫濕熱試驗箱積冰凍雨試驗技術研究

劉振風，焦昶，張少楠，姜震,許特

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

近年來，我國很多地方都發生了凍雨天氣。長期暴露在室外環境（如通信基站）或者工作期間可能會經歷凍雨環境的產品會受到一定程度的影響。凍雨凝結形成積冰后能壓斷電線，造成供電和通訊中斷；嚴重的凍雨甚至會壓塌房屋，壓斷樹木，凍死農作物和蔬菜。飛機在有過冷水滴的云層中飛行時，其機翼、螺旋槳會積水，從而影響飛機空氣動力性能而造成失事。

因此，有必要開展積冰凍雨試驗設備的研制。積冰/凍雨試驗，主要用于檢驗產品耐受積冰/凍雨環境、在積冰/凍雨環境下工作、確定除冰設備和技術的有效性，包括現場規定使用的設備和方法的效能，適用于模擬暴露在由于冰雨或毛毛雨產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其工作性能影響的裝備以便考核暴露產品環境試驗的環境適應性，提高產品的安全性和可靠性。

表1 標準中積冰凍雨試驗的條件

本文將針對軍用裝備、民用產品大部分組件或部分整機開展的積冰凍雨試驗方法開展研究，并提出積冰凍雨試驗裝置的設計方案，為大部分組件或部分整機產品開展積冰凍雨試驗提供有效的參考和依據。

1 積冰凍雨試驗標準概述

積冰凍雨試驗主要適用于凍雨環境下的裝備或是有海水濺沫或霧狀物形成的冰的聚集對裝備工作性能產生影響的環境，考核裝備暴露于積冰凍雨環境中的工作性能、除冰設備的技術有效性等，進而提高裝備的安全性、可靠性和環境適應性等。

積冰凍雨試驗涉及的國內主要標準見表1。其中GJB 150.22A-2009、GJB 150.22-1986 主要針對軍用設備。當前開展積冰凍雨試驗的軍用裝備種類繁多、規格大小不一，絕大部分產品選用GJB 150.22A-2009 中的試驗方法，本文將對該試驗方法開展研究，并制定試驗設備的設計方案。

2 積冰凍雨試驗系統現狀

積冰凍雨試驗是許多戶外使用的裝備檢測其絕緣性能、支撐能力和產品本身的相對運動能力的必要試驗之一，尤其是航空、電力、通信等領域。

2.1 國外發展現狀

在國外，關于積冰凍雨相關的觀測最早是由德國專家進行的，主要對云中過冷水的結冰現象進行研究。到20 世紀40年代末，美軍率先建立 “氣象實驗室”，實驗室可以滿足整機試驗需求，同時也可以制造多種典型的冰凍條件。美國過半數的武器裝備都曾經經受過該實驗室考驗，積冰凍雨試驗也成為美軍先進作戰武器邁向戰場的關鍵性試驗之一。

2.2 國內發展現狀

國內最早于20 世紀80 年代末開展對飛機的結冰實驗，通過多次數據的積累和分析，探討了結冰對飛機飛行性能的影響。90 年代初，我國進行了飛機帶冰模擬飛行影響的系統研究。20 世紀末，我國運輸機首次按CCAR-25 的要求進行了結冰科研試飛。

積冰凍雨試驗在國內外均有相關設備在售，國外實驗室試驗能力從實驗室大小、溫度范圍和冰霜類型都有較大優勢，國內設備一般僅適用于小型部組件。

項目最終完成后，可承擔大部分組件和部分整機的積冰凍雨試驗，為軍用和民用設備提供較好的試驗條件。

3 積冰試驗系統設計方案

3.1 總體技術方案

系統由60m3步入式高低溫濕熱試驗箱和積冰凍雨試驗裝置組成。其中，60m3步入式高低溫濕熱試驗箱為低溫環境重要保障條件，積冰凍雨試驗裝置主要包括降水組件及其控制系統、冷水機、水流控制系統和水循環系統。技術流程見圖1。

圖1 技術流程圖

3.2 系統實現方法

圖2 系統總體構成圖

該系統的實現包括軟件控制實現和硬件設備實現，如圖2 所示。

（1）軟件控制實現

軟件控制實現包括試件溫度控制和過冷水溫度控制。試件溫度控制利用步入式高低溫濕熱試驗箱的控制系統來實現，過冷水溫度控制通過冷水機的自動控制系統來實現。

（2）硬件設備實現

硬件設備實現包括步入式高低溫濕熱試驗箱、冷水機，以及降水組件、水流控制系統和水循環系統的硬件設備。

其中，降水組件包括噴頭、管路等。溫箱內的降水組件為模塊化，可根據被試件的尺寸大小增減噴頭數量及其管路等組件。通過選購噴頭實現對水滴直徑為（1.0 ～1.5）mm的控制。

水流控制系統包括閥、冷水機、管路等；通過調節系統的電磁閥來控制水的流速，從而可將降水量控制在（10 ～40）±2mm/h。

水循環系統包括盛水器、過濾器、水泵、儲水箱等。試驗箱內未結冰的雨滴落在試驗箱內的盛水器中回收，回收的水經過過濾器和水泵將水重新循環到儲水箱內，實現了水循環的控制。

系統的硬件設備與軟件控制共同實現了過冷水溫度、流速和試件溫度的控制，構成了完成積冰凍雨試驗的試驗系統。

（3）噴淋架機械結構設計

在不影響步入式高低溫濕熱試驗箱的正常使用情況下，設計了一套可拆卸的不銹鋼噴灑結構，整體效果圖見圖3。在進行積冰凍雨試驗時，將噴灑結構放入步入式高低溫濕熱試驗箱內組裝，與外部供水系統連接便可試驗，試驗箱用于提供低溫環境，積冰凍雨試驗系統將水降溫至接近零度，隨后通過噴灑結構噴灑于樣品表面，從而完成試驗。當不進行積冰凍雨試驗時，可將試驗箱內噴灑拆卸移除，不影響步入式高低溫濕熱試驗箱的正常使用。

在噴灑結構的設計過程中，主要考慮到了以下四個要求：

①噴灑結構可拆卸，方便使用；

②噴灑結構可調節大小，便于對不同大小的樣品使用；

③噴灑結構材料要求長期使用，不會銹蝕；

④在停止噴灑時，噴灑結構內的冷水不能結冰。

3.3 系統擴展性

系統具有一定的可擴展性，主要表現在試驗箱內降水組件。溫箱內的降水組件為模塊化，可根據被試件的尺寸大小來增減噴頭數量及其管路等組件。這是需調整冷水機流量來配合保證降水量的穩定。

4 結語

本文對積冰凍雨試驗標準及方法進行了對比及研究，并對國內外的積冰凍雨試驗系統發展情況進行了介紹。結合國內開展組件或部分整機試驗的需求，從總體方案設計、技術流程、系統試驗方法、軟件控制實現、硬件控制實現、噴淋架機械結構設計等方面進行了詳細的介紹，為大部分組件或部分整機產品開展積冰凍雨試驗提供有效的參考和依據。

圖3 噴灑結構整體效果圖