结冰气候室是一类大型地面结冰模拟试验设施，采用大尺寸低温室，配合喷雾及动力系统，模拟低温、结冰云雾及一定风速，构造动态结冰环境条件，进行飞机防除冰系统、组件、部件，以及各种模型的试验[1-2]。结冰气候室可用于热特性及除冰功率控制等方面的研究，大部件及系统可直接载入进行试验，与结冰风洞结果相互印证，互为补充[3]。结冰气候室尺寸大，与建筑本身结合紧密，在设计及试验中需解决保温及防冷桥设计，大尺寸空间内的速度场、温度场和云雾场均匀性控制，气动及云雾等多参数综合控制等技术难题。本文以立式回流结构结冰气候室为对象，进行了结冰气候室速度、温度、液态水含量及云雾粒子直径4个主要参数测试及结果分析，论述了结冰气候室的几项典型应用试验，分析了试验状态及效果，提出了能力提升及用途拓展的方向，为结冰气候室未来发展提供依据。1　结冰气候室结构及主要技术指标1.1　总体结构结冰气候室采用立式单回流低速风洞的结构形式，放置试验件的试验间作为风洞的开口试验段。由回流隔层将气候室分隔为上下两层，上层放置风机、换热器、加热器等设备，下层为喷雾间和试验间，喷雾间向试验间用小收缩比的喷管过渡。气流上下循环流动，在流道中设置过渡段、扩压段，采取拐角导流片、整流格栅等整流措施，保证结冰气候室试验区域内的流场均匀及稳定。结冰气候室整体布局如图1所示。结冰气候室由主体结构、风机、制冷、喷雾、压力平衡及测控等系统组成，多系统集成及优化，在大尺寸试验间内实现风速、温度、压力、液态水含量及云雾粒子直径等多参数的综合模拟和控制。10.12050/are20220313.F001图1结冰气候室整体布局Fig.1Overall layout of ice climate laboratory1.2　主要技术指标结冰气候室主要技术指标如下：（1）试验间有效尺寸17m×12m×7m；（2）人工云最大风速10m/s，控制精度±1.5m/s；（3）试验间温度0～-30℃，控制精度±1℃，温度均匀度±3℃；（4）降温速率10℃/h；（5）液态水含量（LWC）0.3～2g/m³，稳定度20%；（6）云雾粒子直径（MVD）10～50μm，稳定度20%。2　参数测试分析2.1　速度测试采用风速管及差压传感器进行数据采集，计算得出相应的风速值。通过可移动的测试耙测量速度场，并用手持式风速仪对比测试，如图2所示。风速管直径均为12mm，差压传感器量程0～100Pa，满量程精度0.1%。测量了试验间两个截面，距喷口的距离分别是3.5m和4.5m。10.12050/are20220313.F002图2风速测试Fig.2Wind speed test测试结果表明，通过调节变频器的频率，结冰气候室风速从1～10m/s连续可调；距喷口3.5~4.5m，中心位置宽2m、高0.6m的区域内，风速较均匀；设定风速为5m/s时，测量区域内所有测点的速度平均值为5.55m/s；设定风速为10m/s时，该区域的风速平均值为10.44m/s；持续15min的测试时间内，设定风速为10m/s时，测量点最高风速值为11.2m/s，最低风速值为9.1m/s，控制精度满足要求。2.2　温度测试温度测量采用型号为JWB/P231的温度变送器，量程为-50～80℃，满量程精度为±0.25%。测量时将温度探头安装在固定支座上，在距离喷口分别为0.5m、3.5m及4.5m三个截面的测点上测量温度，在试验间温度降到-30℃，参考点风速为9.4m/s时，用PXI数据采集系统采集温度传感器的数值，得到各测点温度。测试结果表明，试验间温度从0～-30℃可调。距喷口3.5~4.5m、中心位置宽8m、高3m的区域为温度均匀区；设定试验间温度-30℃时，该区域的温度平均值为-28.9℃，测试所有点的温度均满足均匀度±3℃的技术要求；持续15min的测试时间内，设定温度为-30℃时，均匀区内测量点最高温度-29.2℃，最低温度-30.7℃，温度控制精度满足要求；起始温度为34℃时，开启两台LG20的大功率制冷主机，6h内温度降至-29.6℃，平均降温速率10.6℃/h。2.3　液态水含量及云雾粒子直径测试选择美国DMT公司CCP云雾组合测量仪进行液态水含量和云雾粒子直径测量。CCP主要用于机载气象探测，可有效探测液态水含量、云雾粒子直径、云滴总浓度及总静压、温度等参数[4]。CCP测量仪适用的风速范围为10～200m/s，结冰气候室的最高风速为10m/s，满足测量下限值，可以适用。CCP测量仪在结冰气候室中的云雾测试如图3和图4所示。10.12050/are20220313.F003图3CCP云雾组合测试仪Fig.3CCP cloud combination probe10.12050/are20220313.F004图4云雾参数测试Fig.4Cloud parameters test液态水含量及云雾粒子直径参数典型测量结果见表1。10.12050/are20220313.T001表1云雾参数测试结果Table 1Test results of cloudy parameters喷雾水压/MPa喷雾气压/MPa水含量/（g/m3）粒径/μm0.020.060.2～0.322～280.040.120.4～0.4515～240.070.220.5～0.711～130.100.170.8～0.915～200.180.221.6～1.824～280.200.201.6～1.930～350.220.141.8～2.040～45测试结果表明，液态水含量及云雾粒子直径参数基本满足指标要求。由于结冰气候室风速偏低，导致液态水含量及云雾粒子直径数值有一定波动，但15min的持续喷雾时间内，数值平均值较稳定，参数稳定度保持在15%的范围内，且变化趋势与理论分析一致。实际测量值与设计值相比偏低，分析原因为喷雾水气系统管路较长，压力损失大，导致喷雾水气压偏低，影响参数调节；同时，结冰气候室空间大，湿度没有控制，喷出的液态水可能会部分蒸发，影响实际的液态水含量数值[5]。3　典型应用3.1　直升机桨叶旋转状态防除冰试验直升机主旋翼及尾桨防除冰研究，通常在结冰风洞中进行桨叶局部段的结冰试验，获取不同条件下的结冰特性；然后在喷洒塔环境进行旋转状态下的结冰测试及防冰除冰功能验证[6-7]。结冰气候室具有较大的空间，具备可调节的低温及云雾模拟条件，可以开展直升机旋翼及尾桨防除冰研究试验。在结冰气候室中完成了带加热元件的直升机尾桨模拟桨叶旋转状态下的结冰及防除冰试验，如图5所示。试验目的是在不同温度、液态水含量、云雾粒子直径及桨叶转速的条件下，观测桨叶结冰情况，验证尾桨模拟桨叶加热除冰、防冰效果。结冰试验参数见表2，结冰及除冰如图6、图7所示。试验结果表明，结冰气候室在整个试验过程中，速度及温度指标稳定，在模拟桨叶旋转的状态下，云雾场保持较稳定的状态，满足试验件防除冰验证的要求。10.12050/are20220313.F005图5模拟桨叶旋转状态试验Fig.5Rotating state test of simulated blade10.12050/are20220313.T002表2结冰试验参数Table 2Icing test conditions and results序号123温度/℃-5-10-15液态水含量/（g/m3）1.01.00.5云雾粒子直径/μm202020风速/（m/s）101010转速/（r/min）500100喷雾时间/s60060060010.12050/are20220313.F006图6结冰试验Fig.6Icing test10.12050/are20220313.F007图7除冰试验Fig.7Deicing test3.2　直升机结冰探测器验证试验直升机与固定翼机飞行状态有差异，旋翼与机身之间存在气流干扰，因此其配套结冰探测器的工作环境也更加复杂。需通过试验研究旋翼气流对探测器的影响，测试及验证探测器性能。在结冰气候室中完成了某型直升机用结冰探测器试验，如图8所示。试验时模拟桨叶以一定的转速旋转，结冰探测器模拟在直升机上的安装位置，云雾粒子以设定的方向喷向被试传感器，模拟出类似真实飞行的试验状态，考察桨叶旋转产生的气流流场、环境中的风向、风速及云雾参数对结冰探测器的影响。试验温度-15℃，液态水含量1g/m3，云雾粒子直径20μm，风速5m/s。试验中设置不同的旋翼转速、侧向风速等条件，考核各种环境条件下结探测器的结冰告警功能，如图9所示。10.12050/are20220313.F008图8桨叶旋转状态下的结冰探测器测试Fig.8Ice detector test under rotating blade10.12050/are20220313.F009图9结冰探测器结冰测试Fig.9Icing test of ice detector3.3　防除冰系统联试及功能验证试验在结冰气候室中进行了某型机翼防除冰分系统地面联试及防除冰功能验证试验。防除冰分系统电加温组件长度为3m，放置于结冰气候室试验区中心位置，如图10所示。系统控制逻辑验证及工作可靠性验证试验环境条件为-25～-15℃，通电加热温度输出曲线如图11所示。电加温组件结冰及防除冰验证试验条件为：温度-20℃，水含量1.0g/m3，云雾粒子直径25μm，风速3～10m/s。试验检测了电加热防冰除冰效果，测试了温度、风速以及液态水含量等参数对除冰性能的影响，对电加温组件的功率分配及除冰控制率进行了有效验证。10.12050/are20220313.F010图10系统功能验证试验Fig.10System function verification test10.12050/are20220313.F011图11温度输出曲线Fig.11Temperature output curve3.4　大尺寸部件低温试验在结冰气候室中进行了飞机软油箱低温试验，试验目的为测定该油箱的传热时间常数。试验共进行了两次，第一次为某型飞机油箱试验件，总长度为8m；第二次为安装了油箱的中央翼翼盒，总长度为13m。测试一定环境温度下，各种不同充油状态时油箱内的温度达到设定值的时间，通过计算得出相应的传热时间常数。该试验的试验件尺寸很大，对试验设备要求高，在结冰气候室建成以前，一直没有实际开展过。试验过程中，温度设定值为-20.5℃，结冰气候室显示温度与试验件上的温度传感器测量温度值保持一致。在最长8.5h的持续试验时间中，结冰气候室的温度范围为：-21.89～-19.38 ℃，满足试验温度控制要求。试验结果表明，结冰气候室工作性能稳定，在降温速率、温度稳定性、均匀性及持续工作时间等方面满足试验要求，结冰气候室具备大型试验件低温试验的能力。该试验为民机适航验证试验，试验结果得到了适航代表的认可。3.5　积冰冻雨试验利用结冰气候室的低温及云雾环境，完成了某产品的积冰冻雨试验，如图12所示。通过喷嘴参数的调节，得出了粒径为1000 ~ 1500μm的冻雨试验条件。试验过程中用5℃的水，以25mm/h的降雨速度喷洒1h，在-10℃的环境下，保持上述的降雨速度，直至产品上的冰层积聚到积冰厚度6mm，测试产品的性能；再将产品上的冰层增加到积冰厚度13mm，测试产品的性能。10.12050/are20220313.F012图12积冰冻雨试验Fig.12Icing and freezing rain test4　技术提升及用途拓展4.1　风速指标提升结冰气候室试验间尺寸大，因此模拟高风速较困难。目前，BQS-01结冰气候室的风速为10m/s，虽然可以保证结冰云雾吹向试验件的动态结冰效果，但由于风速过低，模拟的结冰状态与实际飞行结冰差距较大，造成了一定的试验局限性。可以通过增加一级动力风扇，或者在气候室试验区前部喷口处增加一级收缩，提高有效试验区域内的风速，将风速提升到18～30m/s的范围，提升试验效果。4.2　用途拓展（1）飞机发动机防除冰试验可进行发动机短舱热防冰试验研究及验证[8]；进行旋转风扇叶片结冰及脱冰试验[9]，研究叶片表面的水滴撞击及溢流特性，旋转脱冰分离特性等。（2）飞机起落架结冰试验可进行飞机起落架在不同条件下的结冰试验，模拟结冰状态，分析起落架不同部位结冰特性及结冰对起落架功能性能的影响。（3）冰晶研究试验通过冰粒切削或AgI燃爆的方式实现冰晶模拟[10-11]，利用气候室现有低温、吹风及云雾环境，开展冰晶及混合相结冰试验及相关研究。（4）复杂多因素气候环境模拟试验增加造雪、太阳辐射等功能设备，在现有低温、淋雨及一定风速的基础上，建立复杂多因素气候环境模拟试验环境条件，开展相关的环境试验。（5）小型无人机试验增加防护装置，进行小型无人机低温及抗风试验，验证低温环境起降能力等。（6）其他试验还可进行高压输电线缆、大跨度桥梁拉索、建筑模型及汽车等的低温冰冻、吹风试验等。5　结束语结冰气候室作为一类大型地面结冰模拟试验设施，尺寸大，试验范围广。通过参数测试表明，结冰气候室主要技术参数符合设计要求；已开展多项结冰、防除冰及低温试验，能够满足防除冰系统研究需求。未来可进一步对标国外同类先进试验设施，扩大风速、温度及结冰气象条件的覆盖范围，提升云雾参数等的控制精度，建立并完善更为有效的试验规范，增加多参数模拟功能，拓展应用范围。