基于传感器的飞机地面除冰模拟实验研究*

王立文，赵 亮，陈 斌

（1．中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300;2．中国民航大学航空地面特种设备民航研究基地，天津 300300）

0 引言

飞机除冰问题已经成为影响民航冬季安全运行的重要因素之一。据美国国家运输安全委员会（NTSB）统计［1］，1981～1988年的7年期间，美国共发生542起飞机因结冰而引起的飞行事故，其中约有50%事故是因机体结冰造成的，同时飞机地面积冰/霜也是导致民航班机延误或者取消的重要因素之一。因此，飞机起飞之前需要清除飞机表面的积冰/雪/霜等污染物。目前，国内外普遍使用飞机除冰液进行飞机地面除冰，尽管联邦航空局（FAA）提供了在不同气象条件下除冰液使用标准，但除冰部门还是按照气象条件最恶劣的标准提供除冰液温度和配比，这样不仅影响了除冰效率，也浪费了大量除冰液，对机场周围的地下水资源造成一定的污染［2，3］。因此，对除冰液除冰过程进行研究具有很重要的意义。

国内外学者对飞机除冰进行广泛而深入的研究［4］，主要从数值模拟［5］、工程估算、实验研究三方面进行。由于飞机除冰过程中除冰产生影响的因素较多，飞机机型复杂，工程估算方法误差较大，大多采用数值模拟［6］进行，实验研究较少。本文中结合光纤传感器和温度传感器在室外结冰环境下进行除冰实验，最大限度地贴近实际除冰环境，分析除冰影响因素，探索最佳除冰效果，为实际除冰和进一步试验箱环境模拟实验提供参考。

1 实验设备

1．1 机 翼

飞机机翼的结冰［7］对飞机安全影响最大，所以，除冰的重点是飞机的机翼部分［8］，在实验中采用厚为2．5 mm的800mm×800mm的7075航空铝板，对实验用的铝板表面进过打磨处理，使其粗糙度与飞机机体表面相似。在实际实验中铝板与水平面成5°倾角。

1．2 光纤传感器

光纤传感器是一种反射与散射式光强调制型传感器，光源发射光，由发射光纤传输到达探测面。当探测端面无积冰时，发射光将射入空气，接收光纤端面基本探测不到任何发射光。当探测面上有积冰时，光在冰层内发生诸如反射、散射等一系列作用，其中冰层—空气界面的反射光和在冰层内的散射光进入接收光纤。接收光纤末端接有光电三极管及其相应的信号检测与处理电路，通过检测接收光信号的强度与变化趋势，达到测量结冰状态的目的。

1．3 温度传感器

温度传感器采用Pt100铂电阻温度传感器，－200～850℃线性度较好。在实际测试时，为了保护传感器，给铂电阻温度传感器带上铝制外壳。

2 除冰实验

2．1 除冰所需要控制的参数

除冰过程中，室外环境下的温度和风速为不可控的参数［9］，可以通过实时测量得出，为保证实验的可重复性，挑选室外环境温度为－5～－7℃，风速为1～2 m/s，天气为阴天的环境下进行。主要的可控参数为除冰液的流量、除冰液温度。在除冰前，冰层通过喷水使铝板表面结冰，每次实验的冰层厚度为1 mm左右。

2．2 除冰需要测量的参数

除冰液通过实心圆锥形喷嘴喷出，为达到雾化效果以减少除冰液流体的冲击力，通过标定，单个喷嘴的流量为0．8 L/min，流量的改变是通过喷嘴数目的增减。除冰液的温度是通过加热器将除冰液加热到所需温度，在除冰液喷射前进行温度测量，铝板表面温度通过温度传感器测量，冰层厚度通过同轴光纤传感器测量。

2．3 除冰实验

每次实验前通过喷水，使铝板表面结冰，结冰方式采取向铝板喷雾状的水，水温接近0℃，每次喷少量的水，以避免铝板表面的冰被融化。目测铝板上结冰后，通过光纤传感器测试冰层厚度，如果未达到1 mm冰层厚度，则继续喷水结冰，直到形成1 mm厚的冰为止。由于水在结冰过程会产生潜热，潜热会造成冰层温度高于环境温度，在实际情况下，飞机机体表面的冰层温度与环境温度相近，所以，还必须通过温度传感器观测冰层温度，当冰层温度与环境温度相近时方能开始除冰。实验分2组进行。

第一组实验采用单喷嘴喷射除冰液，除冰液流量为定值，改变除冰液温度观测铝板表面的冰层厚度和铝板表面温度变化情况。

图1为在单喷嘴情况下，铝板表面温度变化情况。由上图的曲线变化情况可知，除冰液温度在40～60℃区间时，随着除冰液温度上升，铝板的表面温度上升速率会变大，但是当除冰液温度在65℃和70℃时，铝板的表面温度上升速率没有明显差异。

图1 单喷嘴下铝板温度变化Fig 1 Aluminum plate temperature changes under single nozzle

图2为单喷嘴情况下，冰层厚度变化曲线，由于喷嘴喷出的除冰液带有动能，会将光纤传感器上的冰层直接冲走，导致测得的冰层厚度曲线出现跳变（如图2中的70℃时冰层厚度变化），所以，在实验中需要将除冰液喷射时调节为喷雾状，这样可以避免冲击导致的数据跳变。由图2可知，除冰液温度在40～60℃范围内时，冰层厚度变化率随除冰液温度的升高而增大，而60℃和65℃除冰液进行除冰时，冰层厚度变化率差别较小，说明除冰液的除冰速率只是在一定范围内随着除冰液温度的升高而增加，当除冰液温度达到一定值时，提高除冰液温度对除冰速率影响不明显。

第二组实验采用双喷嘴喷射除冰液，将第二组测得的实验数据与第一组进行对比得到如图3、图4。

图2 单喷嘴下冰层厚度变化Fig 2 Ice layer thickness change under single nozzle

由图3（a）（除冰液温度为40℃）、图3（b）（除冰液温度为60℃）、图3（c）（除冰液温度为70℃）中温度曲线可知。随着除冰液温度的上升，在一定范围内（40～60℃），铝板表面温度变化速率随着除冰液的流量增加而变大，但当除冰液的温度达到一定范围时（在70℃），铝板表面温度变化速率受除冰液流量的影响较小。所以，在除冰过程中，从热力学角度来看增大除冰液流量，只是在一定范围内能提高除冰速率。

图3 不同除冰温度下铝板表面温度变化比较Fig 3 Comparison of aluminum plate surface temperature change at different deicing temperature

由图4中得到的5组曲线中有3组曲线显示冰层厚度在5 s内直接从1 mm变为0，这是由于除冰液流量增大时，冰层并不是被除冰液加热而融化，而是被除冰液直接冲走。将剩余2组曲线与图2中相应的除冰温度下的冰层厚度曲线相比较可知，除冰液流量增大可以提高除冰速率。综合以上所述，除冰液流量在一定范围内时，除冰液流量增加可以提高除冰速率，当除冰液流量超出这一范围时，除冰速率会达到最大，这是因为出现了射流冲击现象［10］。

图4 双喷嘴下冰层厚度变化Fig 4 Ice thickness change under double nozzle

3 结论

实验结果表明:在一定范围内提高除冰液温度或者增加除冰液流量可以提高除冰速率。但当除冰液温度超过一定值时，提高除冰液温度并不能明显改变除冰速率。而当除冰液流量超过一定值时，在除冰过程中起主要作用的是除冰液的动能。

2）在实际除冰过程中，为了节省资源，必须得到除冰过程中除冰液温度和除冰液流量的最佳组合。由于室外环境的局限性，本次实验并未得到除冰液温度、除冰液流量和除冰速率三者间的精确关系，只是从热力学角度设计实验，而并未考虑射流冲击现象。

［1］ Eugene G Hill．Overview of Federal Aviation Administration aviation safety research for aircraft icing［R］．Reno，Nevada:AIAA，2006．

［2］ 李 斌．飞机除冰/防冰液及除冰技术［J］．清洗世界，2012，28（1）:26－31．

［3］ 赵鸿铎，姚祖康，张长安，等．飞机除冰液对停机坪水泥混凝土的影响［J］．交通运输工程学报，2004，4（2）:1－5．

［4］ 张富荣，王 伟，赵耀华，等．动态结霜过程霜层参数测试技术研究与应用进展［J］．建筑科学，2008，24（6）:103 －109．

［5］ 王永珍．风窗玻璃霜雾结解过程传热及其解化特性研究［D］．长春:吉林大学，2011．

［6］ 马 宁．汽车风挡除霜性能控制分析［D］．长春:吉林大学，2007．

［7］ 常士楠，韩凤华．飞机发动机进气道前缘热气防冰器性能分析［J］．北京航空航天大学学报，1999，25（2）:201 －203．

［8］ 常士楠，韩凤华．飞机发动机进气道前缘热气防冰器性能分析［J］．北京航空航天大学学报，1999，25（2）:201 －203．

［9］ 常士楠，刘达经，袁修干．直升机旋翼桨叶防/除冰系统防护范围研究［J］．航空动力学报，2007，22（3）:154 －159．．

［10］吴建国，翟 云，王 勇．喷流换热中多个圆喷嘴射流流动特征的数值计算［J］．冶金能源，1999，18（1）:31 －35．