直升机结冰危害与结冰试验方法探讨

116 第十七届 2001全国直升机年会 直升机结冰危害与结冰试验方法探讨 张 西 于 琦 中国飞行试验研究院 摘 要 本文详细论述了直升机某些关键部位结冰对飞行性能的影响以及对 飞行安全的危害 探讨了直升机结冰试验方法 并给出了某型直升机的一些 试验结果 为以后开辟这项试验起了一个抛砖引玉的作用 1 引言 直升机具有独特的飞行能力 是唯一的能够抵达任何地形区域的运输工具和火力点 它 的应用已遍及军用和民用各个领域 军用方面除了人员与装备的运输处 还用于侦察 巡逻 空降 反潜 战场救生 对地攻击等 民用方面 用于森林防护 地质勘探 救护 救灾 设 备吊装 高空检修 岸基与海上钻井平台间短途运输等 直升机独特的用途决定了它飞行自然 环境的复杂多样性 有时遇到结冰的环境 某些部件就会结冰 冰层积至一定的厚度不及时除 去 会导致直升机性能迅速变坏甚至酿成事故 这方面的教训国外 国内都曾有过 国外于 70年代末就开始关注直升机的防冰技术 俄罗斯由于地理环境的特殊 最早进行 这方面的研究 目前已有丰富的经验和领先的技术优势 美国也做了大量的工作 其试验设施 勘称世界一流 既有地面的模拟结冰塔 也有空中试验台 我国在这方面的工作还未起步 一 是对直升机结冰危害认识不足 二是存在一些实际困难 本文针对上述情况做一些探讨 希望 能引起有关人员的重视 尽快开展此项工作 2 直升机结冰危害 大气结冰条件由云层液态水含量 LWC云层水滴平均有效直径 MED和大气温度三个 因素决定 当温度范围为-200 MED在1540m LWC>0.15g/m3的情况下 直升机在 此环境中飞行时易在旋翼桨叶 安定面前缘 发动机进气道唇口 压缩机叶片及各冷却气入口 处发生结冰现象 2.1旋翼桨叶及尾桨结冰 在相同的结冰条件下 直升机旋翼桨叶更容易结冰 并且前缘结冰强度与旋翼半径 R成 比例 如图 1 旋翼桨叶的积冰强度与半径R基本呈线性关系 结冰改变了桨叶的原有气动外 形 破坏了桨叶的表面光洁度 使附面层的紊流化加剧 阻力增加大 致使桨叶气动特性恶化 效力降低 升力下降 为了保证飞行状态 需增加发动机扭矩 提高发动机功率来弥补升力的 不足 图 2为文献[1]中引用的某型直升机发动机扭矩增量 M 随温度 T 的变化曲线 由图可知在-4时引起的扭矩增量为 2%而在-10为 11%可见结冰对性能的降低的影响是 随温度呈指数函数变化 117 旋翼结冰后 由于高速转动时的离心力作用 积冰可自行脱落 因为冰层脱落通常是不 均匀和不对称的 将破坏旋翼的平衡 引起旋翼的振动和颤振 严重时引起前行桨叶气流分离 加剧 或者振动传到发动机上引起共振或机械损伤 都将危及飞行安全 图 1 旋翼积冰强度随半径的变化 图 2 最大扭矩增量随温度的变化曲线 尾桨结冰与旋翼结冰情况类似 在此不在赘述 2.2 水平安定面结冰 水平安定面的作用是保持稳定飞行中俯仰力矩的平衡 如图 3所示 旋翼升力使直升机 产生低头力矩 Y L 水平安定面产生负升力给直升机一个抬头力矩 Ys Ls 二者平衡保 持直升机的法向稳定 如果水平安定面结冰 使表面粗糙 翼型失真 导致摩擦阻力增大 压 差阻力增大 在较大速度时可使安定面下表面气流分离 如图4所示 负升力减小 另外因水 平安定面处于旋翼后下方 由于旋翼下冼流的影响 负压力小 产生的负升力更小 气流分离 更加严重 使失速提前 严重者将导致飞行事故 图3 直升机法向力矩平衡 图 4 水平安定面气流的分离 2.3 发动机结冰 发动机结冰 主要指进气道 压气机叶片及其它进气部件 见图5 某些部位结冰 冰层 达一定厚度 将引起下列后果 118 a.导致进气道内表面气动特性恶化 空气 流场不均匀和气流发生局部分离 引起压气机叶 片的振动 b.当发动机进气道结冰厚度达到一定程度 时 进入发动机的空气量减少 有的发动机装有 防砂滤网 若滤网结冰 也大大减少了进入发动 机的空气量 发动机就有可能变富油超温或熄火 停车 c.如进气道的冰层脱落进入发动机 或旋 翼上的冰块甩入发动机中 都有可能打坏高速 转动的压气机叶片 甚至整台发动机 图5 发动机结冰情况 3 结冰试验 试验时除了正常飞行试验应加装的测试仪器外 还须补充加改装气象测量设备 摄像 录像设备 结冰探测器和结冰厚度标尺等仪器 气象设备实时给出液态水含量 水滴平均直径 与大气温度等结果 机载摄像 录像提供结冰率 结冰厚度与冰型照片等 并能在机上从监视 器里观察到冰的生成情况 结冰厚度标尺用来确定结冰形状与厚度 估算结冰增长率 3.1 试验目的 为了扩大直升机的使用范围 使其适应复杂的气候环境 某些直升机必须装有防冰系统 在新机定型前应进行结冰试验 目的是验证防冰系统的性能 确定结冰状态对直升机性能及飞 行品质的影响 为改进直升机性能 防冰系统性能 为后续机种的防冰 除冰系统的设计提供 第一手资料 3.2 试验实施 直升机结冰试验主要研究旋翼 水平安定面 尾桨等关键部位的结冰特性 重点放在旋 翼结冰特性上 试验遵循从易到难 从地面到空中 由轻度积冰到严重积冰逐次逼近的方法完 成 (1)地面试验 将直升机在结冰塔下地面开车或悬停 结冰塔是一种地面模拟结冰条件的 设备 在不同结冰条件下 实时测量旋翼桨叶累积结冰情况 沿展向与弦向的变化 确定积 冰程度对发动机扭矩的影响 对直升机旋翼效率的影响 其优点是较容易控制结冰三个因素的 其中两个 测出另外一个因素对结冰的影响 对直升机某些部件的影响 缺点是不能测量前飞 时的结冰数据 不能评估整机的结冰效果 (2)空中试验 一是利用空中试验台 如美国的HISSHelicopter Icing Spray System 是一种模拟结冰的试验机 试验时可爬到合适的高度找到合适的温度然后喷洒水滴 进行结冰 试验 能评估整机的结冰效果 缺点是当云层液态水含量 LWC>0.5g/m3后不可调 二是直升机 直接进行自然结冰飞行试验 找到合适的结冰区域 直升机进入做短暂飞行 获取相关数据 然后退出 使直升机恢复到无冰状态 再次进入结冰层 逐步增加结冰状态下的飞行时间 并 做规定的机动动作 获取更多的数据 为了保证飞行安全 试验时必须小心谨慎 尤其是积冰 厚度趋近设计计算的严重积冰厚度时 更应严密观察直升机的状态 及时处置 确保积冰不会 对直升机造成危害 特别注意的是 直升机不能进入过冷大水滴 MED>40m 的云层 云层 119 中不含有雪等固体颗粒 自然飞行试验结冰 能迅速获得防冰系统的数据 发动机功率损失的 数据 飞行性能的和飞行品质的数据 缺点是飞行受天气的限制 找到合适的结冰区域和结冰 云层比困难 试验周期长 经费高 3.3 试验结果 (1)给出防冰系统的性能 (2)给出积冰飞行对性能指标的影响 (3)给出积冰飞行对操纵品质等级的影响 (4)为防冰系统的设计以及有利于直升机防冰的某些部件的设计提供第一手资料 如图 6为文献[1]中引用的某型直升机液态水含量 LWC与最大扭矩增加时间的关系曲 线 当 LWC>0.4g/m3后随着量的增加 直升机性能迅速降低 图 7为文献[1]中典型桨叶结冰 速率图 虽然这只是某型直升机的试验结果 但它同样适应于其它直升机 图 6 结冰条件与最大扭矩增加时间的关系 图 7 典型桨叶结冰速率图 4 直升机防冰 装有防冰系统的直升机 一般在发动机进气道或驾驶舱外侧装有结冰探测器 打开探测 器开关 如果警告灯亮 说明探测器结冰厚度达 0.4mm直升机已进入结冰区 驾驶员应冷静 观察判断 及时处置 直升机防冰系统至少有电加温防冰系统和发动机引气防冰系统两套 前 者用于旋翼桨叶 尾桨桨叶 风挡玻璃和空速管加温 以防结冰 后者利用发动机 P2和 P4引 气 给进气道 压气机处加温 达到防冰的目的 也可以利用发动机 P2和 P4引气给驾驶舱 客舱和货舱加温 5 结束语 直升机结冰对其飞行基本性能 操稳特性和飞行安全危害极大 我国在此方面仅进行了 少量的理论分析 实际工程性研究与试验基本上还是空白 为提高我国直升机利用率 扩大直 升机应用范围 迫切需要在此项目上进行研究与开发 参 考 文 献 1.傅见平. 直升机防冰技术研究. 飞行力学 1999. 2.文裕武 温清澄 .现代直升机应用及发展 . 航空工业出版社 3.SA321/Ja 超黄蜂直升机飞行员驾驶手册