氣候環境實驗室降雪環境模擬技術研究

任戰鵬，吳敬濤，吳學敏，成竹

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

降雪環境對于飛機等武器裝備是一種極端氣候環境，飛機在起飛、降落或停放期間均有可能受到降雪環境的影響，引起風擋、機翼、槳葉、雷達罩、發動機進氣道以及外掛武器元件等部位結冰，導致起落架、襟翼等活動部件卡滯，武器系統故障等，影響飛機系統的正常工作。當降雪強度較大時，可能導致APU 不能正常啟動或者性能下降[1-4]。

目前我國在飛機研制過程中，通過外場試驗對飛機系統降雪環境適應性進行試驗考核，但外場試驗的環境條件不可控，溫度、降雪強度、風速都會出現較大的變化。同時，外場降雪試驗給試驗保障設備、試驗監測與測量設備以及試驗人員的操作帶來很多問題和挑戰，不但增加了試驗成本和試驗周期，而且很難保證試驗達到飛機設計的考核要求[5-6]。為避免外場試驗出現的各種困難，且保證降雪環境條件滿足飛機各系統降雪試驗的考核要求，文中從成雪的機理出發，結合室內模擬降雪的特點，通過對實驗室內模擬降雪環境關鍵技術的分析與研究，設計了一種實驗室內降雪環境模擬方法，可滿足飛機等武器裝備降雪環境適應性的考核要求，為我國飛機等武器裝備的降雪環境適應性試驗研究提供技術支持。

1 降雪環境形成機理

自然界的降雪主要是云中的過冷水滴和冰晶相互碰撞，部分冰晶迅速增大，當冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時，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]。最常見的雪花為六角形，如圖1 所示。實驗室是一個有限的空間，實驗室內模擬降雪受溫度、濕度、水溫、霧化水滴直徑、氣流組織形式以及實驗室空間大小等因素的影響，很難形成自然界中真實雪花形狀的降雪環境。實驗室內模擬降雪是通過過冷水霧化，在有限的空間和距離內冷凝結晶，形成“雪花”，最終在指定區域內形成降雪環境，通過這樣方式形成的雪花為不規則的橢球狀，如圖2 所示。

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

圖2 實驗室內人工造雪Fig.2 False snowflake in laboratory

實驗室內模擬降雪，溫度是保證成雪的前提。水經過霧化，在實驗室內形成降雪需要大量冷量，實驗室內溫度隨著試驗的進行會升高，所以實驗室內降雪過程中，須保證實驗室內溫度的穩定，滿足降雪的冷負荷需求[11-12]。濕度直接影響著降雪的品質，如果實驗室內濕度太大，則模擬的降雪為“濕雪”，雪的密度和黏性較大，雪品質較差。在濕度較低環境下，模擬的造雪為“干雪”，雪的密度和黏性較小，雪的品質較好。

對飛機等武器裝備來說，雪的微觀形狀對系統功能或性能沒有任何影響，但“濕雪”的密度較大，雪的黏性較高，易引起設備或部件的凍結或卡滯等故障。因此相對“干雪”，“濕雪”環境對于飛機等武器裝備更為嚴酷。

2 實驗室降雪環境模擬

根據飛機等武器裝備的降雪試驗需求，在氣候環境實驗室中設計了飛機降雪試驗系統，可在實驗室內-25～-5 ℃溫度范圍內模擬一定強度的降雪環境，滿足飛機等武器裝備的降雪環境試驗需求。實驗室降雪試驗系統降雪環境指標見表1。

表1 降雪試驗系統指標Tab.1 Indicators of snow test system

2.1 實驗室降雪模擬冷負荷

溫度是實驗室內模擬降雪環境的關鍵，降雪過程中必須保證降雪所需的冷量需求，持續對實驗室內進行相應的冷量補償，保證實驗室內溫度滿足降雪試驗要求。實驗室進行降雪試驗時，需要消耗大量的冷量，其中降雪試驗系統模擬降雪所需冷負荷是實驗室降雪試驗時最大冷負荷，主要由降雪用水成雪的過程產生。為提高降雪效率，并降低實驗室溫度控制的冷負荷，降雪采用2 ℃的水。降雪試驗系統在實驗室中的成雪過程如下：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）；環境溫度下水霧蒸發（吸熱，潛熱）。

降雪過程中，一部分的霧化水在成雪過程中蒸發，使得實驗室濕度增加。為得出不同水滴直徑與蒸發率之間的變化關系，采用不同霧化型號噴嘴，在一定溫度和濕度條件下進行了試驗測試，得出霧化水滴直徑和蒸發率之間的關系，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，蒸發率基本保持不變；在一定溫度條件下，實驗室內相對濕度越小，降雪霧化水的蒸發率越高。在-5 ℃降雪工況時，降雪霧化水的蒸發率在6%～8.5%之間變化，-25 ℃降雪試驗時，水的蒸發量約為3.8%。

圖3 水滴直徑與蒸發率關系Fig.3 Relationship between water drop diameter and evaporation rate

為保證實驗室降雪試驗的持續進行，需對實驗室 進行冷量補償，保證實驗室內環境溫度控制在試驗要求溫度。其中實驗室內-25 ℃條件下，降雪強度75 mm/h、有效降雪面積700 m2是實驗室降雪試驗冷量需求最大的降雪工況。根據實驗室模擬降雪時霧化水的成雪過程，可得出實驗室降雪試驗時，降雪模擬所需的冷負荷計算為：

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

式中：m水為降雪試驗用水量；t1為水溫；t0為冰點溫度；t2為目標降雪試驗溫度；C水為水的比熱容；C冰為冰的比熱容；h 為融化潛熱；h蒸為蒸發潛熱；m蒸為蒸發水量；W 為降雪試驗系統設備運行功率。

根據式（1）可得出：實驗室-25 ℃溫度條件下，降雪強度75 mm/h、有效降雪面積700 m2降雪工況的冷負荷為 3079 kW，即降雪試驗的最大冷負荷為3079 kW。

2.2 水滴直徑與成雪距離關系

實驗室內模擬降雪環境，在滿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量和成雪距離的關鍵因素。霧化水滴直徑過大，使得成雪距離較長，并且水滴在空中碰撞凝結，雪粒直徑變大，導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，雪的品質較差。霧化水滴直徑較小時，模擬霧化水成雪距離短，并且雪粒直徑較小，霧化水結晶成雪充分，降雪的密度和黏性較小，雪品質較好。

為選擇適用于實驗室降雪試驗要求的霧化水粒直徑，通過適當的噴嘴選型和調節供水壓力控制霧化水滴直徑。在-5 ℃和-25 ℃環境下，對不同水滴直徑霧化水的成雪距離進行了測試，測試結果如圖4 所示。可以看出，在-5 ℃和-25 ℃溫度環境下，隨著霧 化水滴直徑的增加，成雪距離也隨之增加。根據實驗室實際空間大小以及飛機等武器裝備的降雪試驗需求，并且保證模擬降雪的品質，選擇100～150 μm 的霧化水滴直徑進行降雪模擬，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系Fig.4 Relationship between water drop diameter to freeze

3 實驗室降雪品質

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

3.1 降雪均勻性

在實驗室內氣流組織形式下，采用單臺造雪設備在-25 ℃環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。可以看出，沿整個降雪方向，雪厚度分布類似正太分布狀的形式，但在10～35 m 有效降雪距離內，平均每米之間的降雪厚度相差不超過5 mm。

為保證降雪試驗具有更好的降雪均勻性，在進行飛機等武器裝備降雪試驗時，可根據試驗件的大小，采用多臺造雪設備，通過合理布置，共同進行模擬造雪，這樣可大大提高降雪的均勻性分布。采用兩臺造雪設備對某飛機機翼段的降雪試驗時，沿整個翼展方向，雪厚度相差5 mm，翼寬方向雪厚度僅相差2 mm。飛機等武器裝備的覆雪試驗，一般針對試驗件表面曲率小于60°的區域[13]，而飛機等武器裝備表面曲率小 于60°的試驗件的表面區域面積有限，并且對均勻性也沒有非常嚴格的要求，該均勻性完全可以滿足飛機降雪環境適應性試驗的要求。

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

3.2 降雪密度

在氣候環境實驗室中-25 ℃、RH 為70%的環境下，采用降雪試驗系統進行降雪環境模擬，對模擬降雪區域內的不同位置的雪密度進行取樣測量，通過雪密度計算公式（2）計算得出各測點雪密度值（見表2）。

式中：ρ 為雪密度；m 為測量總質量；m1為量桶質量；D 為量桶直徑；h 為雪厚度。

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

從表2 可以看出，測點中最大雪密度為442.4 kg/m3。由于雪密度受模擬降雪時實驗室內氣流組織的因素，各測點雪密度值呈現一定的離散性。從測量結果來看，平均雪密度為374.8 kg/m3，模擬的降雪的密度和黏性較小，雪的品質較好。

4 結論

通過對自然環境降雪和實驗室模擬降雪機理的對比分析，提出了影響實驗室內模擬降雪及降雪品質 的關鍵因素，并結合理論分析與試驗研究，得出了實驗室內降雪模擬時的冷負荷計算方法，以及霧化水粒直徑與成雪距離之間的變化關系。最終選擇 100～ 150 μm 的水粒直徑作為實驗室模擬降雪的最優水粒直徑，保證了實驗室模擬降雪的成雪距離和降雪品質。建立了氣候環境實驗室降雪環境模擬技術，可在氣候實驗室內模擬一定強度的降雪環境，滿足飛機等武器裝備降雪環境適應性試驗需求，為飛機等武器裝備的降雪環境適應性試驗研究提供技術支持。