气候环境实验室降雪环境模拟技术研究

任战鹏，吴敬涛，吴学敏，成竹

（中国飞机强度研究所，西安 710065）

降雪环境对于飞机等武器装备是一种极端气候环境，飞机在起飞、降落或停放期间均有可能受到降雪环境的影响，引起风挡、机翼、桨叶、雷达罩、发动机进气道以及外挂武器元件等部位结冰，导致起落架、襟翼等活动部件卡滞，武器系统故障等，影响飞机系统的正常工作。当降雪强度较大时，可能导致APU 不能正常启动或者性能下降[1-4]。

目前我国在飞机研制过程中，通过外场试验对飞机系统降雪环境适应性进行试验考核，但外场试验的环境条件不可控，温度、降雪强度、风速都会出现较大的变化。同时，外场降雪试验给试验保障设备、试验监测与测量设备以及试验人员的操作带来很多问题和挑战，不但增加了试验成本和试验周期，而且很难保证试验达到飞机设计的考核要求[5-6]。为避免外场试验出现的各种困难，且保证降雪环境条件满足飞机各系统降雪试验的考核要求，文中从成雪的机理出发，结合室内模拟降雪的特点，通过对实验室内模拟降雪环境关键技术的分析与研究，设计了一种实验室内降雪环境模拟方法，可满足飞机等武器装备降雪环境适应性的考核要求，为我国飞机等武器装备的降雪环境适应性试验研究提供技术支持。

1 降雪环境形成机理

自然界的降雪主要是云中的过冷水滴和冰晶相互碰撞，部分冰晶迅速增大，当冰晶能够克服空气阻力和浮力时，便从空中落下，在空气温湿度、气流、降落高度等因素的影响下，最终形成了各种形状的雪花[7-10]。最常见的雪花为六角形，如图1 所示。实验室是一个有限的空间，实验室内模拟降雪受温度、湿度、水温、雾化水滴直径、气流组织形式以及实验室空间大小等因素的影响，很难形成自然界中真实雪花形状的降雪环境。实验室内模拟降雪是通过过冷水雾化，在有限的空间和距离内冷凝结晶，形成“雪花”，最终在指定区域内形成降雪环境，通过这样方式形成的雪花为不规则的椭球状，如图2 所示。

图1 自然界最常见的六角形雪花Fig.1 Common hexagonal snowflake in nature

图2 实验室内人工造雪Fig.2 False snowflake in laboratory

实验室内模拟降雪，温度是保证成雪的前提。水经过雾化，在实验室内形成降雪需要大量冷量，实验室内温度随着试验的进行会升高，所以实验室内降雪过程中，须保证实验室内温度的稳定，满足降雪的冷负荷需求[11-12]。湿度直接影响着降雪的品质，如果实验室内湿度太大，则模拟的降雪为“湿雪”，雪的密度和黏性较大，雪品质较差。在湿度较低环境下，模拟的造雪为“干雪”，雪的密度和黏性较小，雪的品质较好。

对飞机等武器装备来说，雪的微观形状对系统功能或性能没有任何影响，但“湿雪”的密度较大，雪的黏性较高，易引起设备或部件的冻结或卡滞等故障。因此相对“干雪”，“湿雪”环境对于飞机等武器装备更为严酷。

2 实验室降雪环境模拟

根据飞机等武器装备的降雪试验需求，在气候环境实验室中设计了飞机降雪试验系统，可在实验室内-25～-5 ℃温度范围内模拟一定强度的降雪环境，满足飞机等武器装备的降雪环境试验需求。实验室降雪试验系统降雪环境指标见表1。

表1 降雪试验系统指标Tab.1 Indicators of snow test system

2.1 实验室降雪模拟冷负荷

温度是实验室内模拟降雪环境的关键，降雪过程中必须保证降雪所需的冷量需求，持续对实验室内进行相应的冷量补偿，保证实验室内温度满足降雪试验要求。实验室进行降雪试验时，需要消耗大量的冷量，其中降雪试验系统模拟降雪所需冷负荷是实验室降雪试验时最大冷负荷，主要由降雪用水成雪的过程产生。为提高降雪效率，并降低实验室温度控制的冷负荷，降雪采用2 ℃的水。降雪试验系统在实验室中的成雪过程如下：2 ℃的水（T1）到0 ℃的水（放热，显热）；0 ℃的水（T0）到0 ℃的“雪花”（放热，潜热）；0 ℃的雪花到-25 ℃的“雪花”（放热，显热）；环境温度下水雾蒸发（吸热，潜热）。

降雪过程中，一部分的雾化水在成雪过程中蒸发，使得实验室湿度增加。为得出不同水滴直径与蒸发率之间的变化关系，采用不同雾化型号喷嘴，在一定温度和湿度条件下进行了试验测试，得出雾化水滴直径和蒸发率之间的关系，如图3 所示。可以看出，在一定的温度和湿度下，随着雾化液滴直径的增大，蒸发率基本保持不变；在一定温度条件下，实验室内相对湿度越小，降雪雾化水的蒸发率越高。在-5 ℃降雪工况时，降雪雾化水的蒸发率在6%～8.5%之间变化，-25 ℃降雪试验时，水的蒸发量约为3.8%。

图3 水滴直径与蒸发率关系Fig.3 Relationship between water drop diameter and evaporation rate

为保证实验室降雪试验的持续进行，需对实验室 进行冷量补偿，保证实验室内环境温度控制在试验要求温度。其中实验室内-25 ℃条件下，降雪强度75 mm/h、有效降雪面积700 m2是实验室降雪试验冷量需求最大的降雪工况。根据实验室模拟降雪时雾化水的成雪过程，可得出实验室降雪试验时，降雪模拟所需的冷负荷计算为：

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

式中：m水为降雪试验用水量；t1为水温；t0为冰点温度；t2为目标降雪试验温度；C水为水的比热容；C冰为冰的比热容；h 为融化潜热；h蒸为蒸发潜热；m蒸为蒸发水量；W 为降雪试验系统设备运行功率。

根据式（1）可得出：实验室-25 ℃温度条件下，降雪强度75 mm/h、有效降雪面积700 m2降雪工况的冷负荷为 3079 kW，即降雪试验的最大冷负荷为3079 kW。

2.2 水滴直径与成雪距离关系

实验室内模拟降雪环境，在满足降雪冷量需求的前提下，合理的雾化水粒直径是影响降雪质量和成雪距离的关键因素。雾化水滴直径过大，使得成雪距离较长，并且水滴在空中碰撞凝结，雪粒直径变大，导致雾化水在空中不能完全形成冰晶，最终成雪的密度和黏性较大，雪的品质较差。雾化水滴直径较小时，模拟雾化水成雪距离短，并且雪粒直径较小，雾化水结晶成雪充分，降雪的密度和黏性较小，雪品质较好。

为选择适用于实验室降雪试验要求的雾化水粒直径，通过适当的喷嘴选型和调节供水压力控制雾化水滴直径。在-5 ℃和-25 ℃环境下，对不同水滴直径雾化水的成雪距离进行了测试，测试结果如图4 所示。可以看出，在-5 ℃和-25 ℃温度环境下，随着雾 化水滴直径的增加，成雪距离也随之增加。根据实验室实际空间大小以及飞机等武器装备的降雪试验需求，并且保证模拟降雪的品质，选择100～150 μm 的雾化水滴直径进行降雪模拟，最短成雪距离约4 m，且雪粒直径在200 ～400 μm 之间。

图4 成雪距离随水滴直径大小的变化关系Fig.4 Relationship between water drop diameter to freeze

3 实验室降雪品质

自然界中降雪会受到很多因素影响，如风速、地形等，使得地面积雪厚度有较大的变化，而在实验室中降雪模拟主要受模拟造雪方式、实验室空间以及实验室气流组织形式的影响。

3.1 降雪均匀性

在实验室内气流组织形式下，采用单台造雪设备在-25 ℃环境温度下沿固定方向降雪20 min，沿出雪方向的降雪厚度分布如图5 所示。可以看出，沿整个降雪方向，雪厚度分布类似正太分布状的形式，但在10～35 m 有效降雪距离内，平均每米之间的降雪厚度相差不超过5 mm。

为保证降雪试验具有更好的降雪均匀性，在进行飞机等武器装备降雪试验时，可根据试验件的大小，采用多台造雪设备，通过合理布置，共同进行模拟造雪，这样可大大提高降雪的均匀性分布。采用两台造雪设备对某飞机机翼段的降雪试验时，沿整个翼展方向，雪厚度相差5 mm，翼宽方向雪厚度仅相差2 mm。飞机等武器装备的覆雪试验，一般针对试验件表面曲率小于60°的区域[13]，而飞机等武器装备表面曲率小 于60°的试验件的表面区域面积有限，并且对均匀性也没有非常严格的要求，该均匀性完全可以满足飞机降雪环境适应性试验的要求。

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

3.2 降雪密度

在气候环境实验室中-25 ℃、RH 为70%的环境下，采用降雪试验系统进行降雪环境模拟，对模拟降雪区域内的不同位置的雪密度进行取样测量，通过雪密度计算公式（2）计算得出各测点雪密度值（见表2）。

式中：ρ 为雪密度；m 为测量总质量；m1为量桶质量；D 为量桶直径；h 为雪厚度。

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

从表2 可以看出，测点中最大雪密度为442.4 kg/m³。由于雪密度受模拟降雪时实验室内气流组织的因素，各测点雪密度值呈现一定的离散性。从测量结果来看，平均雪密度为374.8 kg/m³，模拟的降雪的密度和黏性较小，雪的品质较好。

4 结论

通过对自然环境降雪和实验室模拟降雪机理的对比分析，提出了影响实验室内模拟降雪及降雪品质 的关键因素，并结合理论分析与试验研究，得出了实验室内降雪模拟时的冷负荷计算方法，以及雾化水粒直径与成雪距离之间的变化关系。最终选择 100～ 150 μm 的水粒直径作为实验室模拟降雪的最优水粒直径，保证了实验室模拟降雪的成雪距离和降雪品质。建立了气候环境实验室降雪环境模拟技术，可在气候实验室内模拟一定强度的降雪环境，满足飞机等武器装备降雪环境适应性试验需求，为飞机等武器装备的降雪环境适应性试验研究提供技术支持。