地面結冰條件模擬系統

《地面結冰條件模擬系統》是中國商用飛機有限責任公司、中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院於2011年11月11日申請的專利，該專利的公布號為CN102582843B，授權公布日為2016年3月30日，發明人是李志茂、王大偉、李革萍、魏然、李忠義。

《地面結冰條件模擬系統》提供一種地面結冰條件模擬系統，用於在室外低溫環境中對試驗件的防/除冰能力進行驗證，所述模擬系統包括噴霧裝置，其包括帶噴嘴的噴霧桿及其附屬管路，所述附屬管路包括進氣管和進水管；供水裝置，其與所述進水管連通，將經過純化處理的水送至所述噴嘴；氣源裝置，其與所述進氣管連通，將經過純化處理的高壓空氣送至所述噴嘴；風源裝置，其模擬風洞，以將均勻穩定的空氣流送至所述噴霧裝置；以及測控裝置，其控制整個模擬系統，並實時顯示試驗參數。採用該發明的地面結冰條件模擬系統，可在室外低溫環境中模擬地面凍霧的氣象條件，產生液態水含量和水滴直徑可以調節的水霧，為驗證例如飛機短艙的防/除冰能力提供了強有力的保障。

2020年7月14日，《地面結冰條件模擬系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《地面結冰條件模擬系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：地面結冰條件模擬系統
• 申請人：中國商用飛機有限責任公司、中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院
• 申請日：2011年11月11日
• 申請號：2011103579347
• 公布號：CN102582843B
• 公布日：2016年3月30日
• 發明人：李志茂、王大偉、李革萍、魏然、李忠義
• 地址：上海市浦東新區張楊路25號
• Int. Cl.：B64F5/00(2006.01)I
• 代理機構：北京市金杜律師事務所
• 代理人：樓仙英、徐年康
• 類別：發明專利

專利背景

在大型民用飛機的適航取證過程中，FAR25部和CCAR25部的1093（b）（2）條款要求申請人必須向局方表明在地面凍霧天氣的條件下，短艙防冰系統具備足夠的防冰能力。因此申請人需要進行一次試驗，以驗證飛機在航線運營過程中遇到凍霧天並且需要等待起飛的過程中，在發動機進氣道前緣沒有結冰產生。

適航條款中所要求的結冰氣象條件在自然環境中很難尋找到。為了突破環境條件的限制，國外的民用飛機型號可以使用軍方的大型氣候試驗室進行試驗，但中國國內尚不具備相關試驗條件。

發明內容

專利目的

《地面結冰條件模擬系統》的主要目的是提供一種在地面、室外低溫環境中模擬結冰條件的模擬系統，該模擬系統產生液態水含量（LWC）和水滴直徑（MVD）可以調節的水霧，將水霧噴射到試驗件（例如飛機的發動機進氣道）附近，即可確保飛機可以在室外環境下進行條款所要求的試驗。

技術方案

《地面結冰條件模擬系統》提供的地面結冰條件模擬系統包括：噴霧裝置，其包括帶噴嘴的噴霧桿及其附屬管路，所述附屬管路包括進氣管和進水管；供水裝置，其與所述進水管連通，將經過純化處理的水送至所述噴嘴；氣源裝置，其與所述進氣管連通，將經過純化處理的高壓空氣送至所述噴嘴；風源裝置，其模擬風洞，以將均勻穩定的空氣流送至所述嘖霧裝置；以及測控裝置，其控制整個模擬系統，並實時顯示試驗參數。

優選地，所述噴霧裝置包括覆蓋試驗件的整個截面的多個噴霧桿，每個噴霧桿具有翼型包絡表面。進一步地，所述翼型包絡表面與所述附屬管路之間可設有保溫夾套，所述附屬管路可設有電加熱保溫層。

優選地，所述供水裝置包括水淨化裝置、儲水箱以及相應的供水管路、水泵和閥門。其中，所述儲水箱中可連線有電加熱器。

優選地，所述氣源裝置包括進氣過濾裝置、空壓機和穩壓罐以及相應的供氣連線管路和閥門。進一步，所述氣源裝置還可包括組合式微熱乾燥器和電加熱器。

優選地，所述風源裝置包括收集段、動力段、擴散段和穩定段，其中所述動力段的入口處安裝有防護網，所述擴散段內安裝有防分離網，所述穩定段內安裝有蜂窩器。

進一步地，所述模擬系統還包括運輸及支撐固定各裝置的車載及支撐固定裝置，其包括全掛車和支腿裝置。更進一步地，所述模擬系統還包括高度調節裝置，其承載所述噴霧裝置和所述風源裝置，並通過電動推桿升降機構將所述噴霧裝置和所述風源裝置升降到所需高度。

改善效果

採用《地面結冰條件模擬系統》的地面結冰條件模擬系統，可在室外低溫環境下產生LWC和MVD滿足要求的水霧，並且模擬系統中還採用了加熱保溫措施以確保順暢噴出熱水霧，避免了噴射過程中發生凍結，可有效模擬地面凍霧氣象條件，為驗證飛機短艙防/除冰能力提供了強有力的保障。

附圖說明

圖1a為根據《地面結冰條件模擬系統》一優選實施方式的地面結冰條件模擬系統中的噴霧裝置的截面示意圖；

圖1b為圖1a所示的噴霧裝置從另一角度看的截面示意圖，示出了進氣管和進水管；

圖2為根據《地面結冰條件模擬系統》優選實施方式的地面結冰條件模擬系統中的風源裝置的截面示意圖；

圖3a為根據《地面結冰條件模擬系統》優選實施方式的地面結冰條件模擬系統中的高度調節裝置的示意圖；

圖3b為圖3a所示的高度調節裝置的另一示意圖；

圖4為根據《地面結冰條件模擬系統》優選實施方式的地面結冰條件模擬系統的組成示意圖。

技術領域

《地面結冰條件模擬系統》涉及一種地面結冰條件模擬系統，尤其涉及一種用於在室外低溫環境中對試驗件的防/除冰能力進行驗證的地面結冰條件模擬系統。

權利要求

1.地面結冰條件模擬系統，用於在室外低溫環境中對試驗件的防/除冰能力進行驗證，所述模擬系統包括：

噴霧裝置，其包括帶噴嘴的噴霧桿及其附屬管路，所述附屬管路包括進氣管和進水管，其還包括覆蓋試驗件的整個截面的多個噴霧桿，每個噴霧桿具有翼型包絡表面；供水裝置，其與所述進水管連通，將經過純化處理的水送至所述噴嘴；氣源裝置，其與所述進氣管連通，將經過純化處理的高壓空氣送至所述噴嘴；風源裝置，其模擬風洞，以將均勻穩定的空氣流送至所述噴霧裝置，所述風源裝置包括收集段、動力段、擴散段和穩定段，其中所述動力段的入口處安裝有防護網，所述擴散段內安裝有防分離網，所述穩定段內安裝有蜂窩器；以及測控裝置，其控制整個模擬系統，包括結冰條件測試器，並用於實時顯示試驗參數；所述模擬系統還包括運輸及支撐固定各裝置的車載及支撐固定裝置，其包括全掛車和支腿裝置。

2.根據權利要求1所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述翼型包絡表面與所述附屬管路之間設有保溫夾套，所述附屬管路設有電加熱保溫層。

3.根據權利要求1所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述供水裝置包括水淨化裝置、儲水箱、供水管路、水泵和閥門。

4.根據權利要求3所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述儲水箱中連線有電加熱器。

5.根據權利要求1所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述氣源裝置包括進氣過濾裝置、空壓機和穩壓罐、供氣連線管路和閥門。

6.根據權利要求5所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述氣源裝置還包括組合式微熱乾燥器和電加熱器。

7.根據權利要求1所述的地面結冰條件模擬系統，其特徵在於，所述模擬系統還包括高度調節裝置，其承載所述噴霧裝置和所述風源裝置，並通過電動推桿升降機構將所述噴霧裝置和所述風源裝置升降到所需高度。

實施方式

《地面結冰條件模擬系統》的地面結冰條件模擬系統主要包括噴霧裝置100、供水裝置200、氣源裝置300、風源裝置400以及對這些裝置實現模擬控制並實時顯示試驗參數的測控裝置500。

首先參見圖1a和圖1b，其示出了根據該發明的噴霧裝置100及其附屬管路。該噴霧裝置的主要作用是形成試驗所需的人工雲，並保證粒子直徑和液態水含量達到試驗規定的指標，以滿足對試驗件例如飛機發動機的防/除冰試驗結果的準確性的要求。不同的霧化器可以產生不同的霧化效果，該發明的技術方案採用的是二流體氣流式霧化方式，其原理是利用壓縮空氣高速從噴嘴噴出並與另一通道輸送的純化水混合，藉助空氣與水兩相間壓力差異，把液態水分散成霧滴。

基於上述原理，《地面結冰條件模擬系統》的噴霧裝置100包括帶噴嘴101的多個噴霧桿102以及支撐骨架103、進氣管104和進水管104′。多個噴霧桿102的噴嘴101直接面向試驗件600（圖4）的測試截面，並且噴霧桿優選採用翼型包絡表面，從而使通過型面的氣流穩定。各個管路上可設有電加熱保溫層，所述翼型包絡表面與各管路之間還可設有保溫夾套以起到保溫作用，避免噴霧過程中出現結冰現象。當然，在噴嘴101上也可額外設有電熱夾套。在低溫試驗過程中，噴嘴101保持供氣狀態，在噴嘴內氣體通道包圍著水通道（氣包水），這也可進一步避免噴嘴發生凍結。

模擬風洞的風源裝置直接對準上述噴霧裝置，用以將均勻穩定的空氣流送至所述噴霧裝置。圖2示出了根據一種實施方式的風源裝置400，其由收集段401、動力段402、擴散段403和穩定段404四部分組成。動力段402設定有風扇，並且在入口處安裝有一層防護網405以防止吸入異物打壞風扇。擴散段403內安裝有一層防分離網406以防止氣流發生分離。穩定段404內可安裝一層蜂窩器407以降低出流湍流度。在風源裝置400的最末端，還可設定有噴霧格柵408，這樣，多個噴霧桿可置於噴霧格柵中的對應位置上，以覆蓋試驗件的整個截面。在這種模擬風洞的風源裝置400中，風扇向右端擴散段403鼓風而使空氣從左端收集段401進入風洞的穩定段404。穩定段404的蜂窩器407使氣流得到梳理與和勻，並在實驗段即噴霧格柵408中形成流動方向一致、速度均勻的穩定氣流，以取得作用在試驗件上的空氣動力實驗數據。上述噴霧桿採用翼型包絡表面，可以進一步促進氣流的穩定。

根據《地面結冰條件模擬系統》，在噴霧裝置100的進氣管104和進水管104′處分別連通有供水裝置200和氣源裝置300。此時可參見圖4，其示出了根據該發明的地面結冰條件模擬系統的主要組成部分。供水裝置200的主要作用是對自來水進行純化處理，使出水電阻率達到一定要求，通過加熱、加壓，按一定流量要求送至噴霧裝置100上的噴嘴101使用。該供水裝置200主要包括水淨化裝置201、儲水箱202以及相應的供水管路、水泵和閥門。其中，水淨化裝置201的作用在於去掉自來水中的結冰核，以使供應的純水在零度以下不會結冰。並且，在所述儲水箱202中還可連線有電加熱器，這進一步避免了結冰現象的發生。

氣源裝置300的主要作用是向噴霧裝置100上的噴嘴101提供具有一定溫度的純淨高壓空氣，用以霧化純化水。該氣源裝置300主要由進氣過濾裝置301、空壓機和穩壓罐302以及相應的供氣連線管路和各種閥門等組成。為了去除空氣中的水分以及防止噴霧過程中結冰，還可設定有組合式微熱乾燥器和電加熱器。

測控裝置500的主要作用是控制整個模擬系統，包括風洞風速、升降機構的作動、供水和供氣壓力的調節，並實時顯示所有的試驗參數。該測控裝置主要由車載計算機、可程式控制器、變頻控制櫃、變頻電機、噴霧裝置控制櫃等組成，這些組成部分應為該領域技術人員所熟知，在此不再贅述。值得一提的是，測控裝置500中可設定有結冰條件測試器501，用以隨時讀取測試環境中的結冰參數，這對順利準確地進行地面結冰條件模擬試驗來說大有裨益。

根據一種實施方式，《地面結冰條件模擬系統》的模擬系統還可包括運輸及支撐固定所述模擬系統的車載及支撐固定裝置，該裝置主要由全掛車和支腿裝置組成。全掛車的主要作用是在試驗前可方便移動嘖霧裝置、風源裝置、供水和氣源裝置、測控裝置等的位置，掛車設計有通用的機械接口，可以與飛機拖車直接連線。支腿裝置的作用則是在試驗和運輸過程中，當各試驗裝置的位置確定之後，通過支腿將裝置固定在地面或運輸車上。

根據一種實施方式，《地面結冰條件模擬系統》的模擬系統還可包括高度調節裝置，其主要作用是將噴霧裝置及其附屬管路以及風源裝置升高到合適的高度，以滿足尾吊發動機的試驗要求。該高度調節裝置優選採用電動推桿升降的結構方式。圖3a和圖3b示例性地示出了這樣一種實施方式，其中，高度調節裝置700包括升降導軌701和可沿該升降導軌701滑行的升降推桿702，並且驅動電機703連線到升降推桿702。在該實施方式中，還可設定與驅動電機電連線的減速箱704。當然，實現高度調節的方式並不限於圖中所示實施方式，例如，還可採用拖鏈滑軌的升降方式。

下面簡單概括採用《地面結冰條件模擬系統》的地面結冰條件模擬系統進行試驗操作的過程，具體可包括：

1、組裝模擬系統的各個裝置；

2、使用拖車調整模擬裝置的位置，使用支腿裝置將模擬裝置固定在地面上；

3、接通模擬裝置的總電源，初始化測控裝置，開始進行數據記錄；

4、將經過水淨化處理的淨化水注入儲水箱，接通電源加溫；

5、打開氣源裝置，並使空壓機和穩壓罐中的壓力值維持在一定水平；

6、通過測控裝置的高度調節模組調整噴霧裝置和風源裝置的升降高度，以滿足試驗要求；

7、打開風源裝置，使風速維持在一定的水平；

8、打開噴霧裝置，通過調節噴霧裝置的供氣和供水壓力，使噴出的水霧滿足要求；

9、通過結冰條件測試器隨時讀取環境中的結冰參數；

10、試驗結束後關閉噴霧裝置；

11、關閉風源裝置；

12、降低噴霧裝置和風源裝置的高度到初始位置；

13、切斷風源裝置和儲水箱的電源；

14、關閉測控裝置，關閉總電源。

榮譽表彰

2020年7月14日，《地面結冰條件模擬系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。