[发明专利]旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器安全技术领域，尤其是一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置及测量方法。

背景技术

飞机穿越在含有过冷水滴的云层时，迎风表面如机翼、尾翼等升力面、进气道前缘等会发生结冰，对飞行安全造成严重威胁，因此需要采取合理的防冰、除冰措施。机械式的除冰方式是目前广泛采用的结冰保护措施之一，而设计高效的机械除冰系统之前需要首先确定冰层与部件表面的粘附特性，只有当机械系统提供的作用力大于冰层与部件表面的粘附力时才能达到除冰的目的。

对于冰层与结冰表面之间粘附力的研究和实验测量在上世纪中叶就进行了开展，早期的研究主要着重于自然结冰过程（冰箱等冷冻设备进行结冰）所得到的冰层，利用规则的冰进行力学特性的研究。自然结冰过程下所测量的冰的力学特性值同实际过程有很大的差异，并不能很好的揭示真实飞行环境下所结冰的特征。最近随着国外一些冰风洞的逐渐建立，开始在冰风洞中近似模拟飞机飞行环境，对其环境下所结的冰进行研究测量。冰风洞环境下的测试比较趋近于真实飞行环境，但是由于需要昂贵的费用和较大的人力物力，而且冰风洞的建立需要大量先进的科学基础和精密测试设备等条件，并不能作为常规的研究测试手段。因此为了能够得到近似飞机真实飞行环境条件下所结冰的力学特性，而且允许进行低成本的重复实验研究，建立一套常规的模拟飞机结冰环境的廉价可靠的冰力学测试装置和方法成为了必然要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉、可重复实现的旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的试验装置及测量方法，运用这种工具及方法的测量结果与实际误差很小，可确定冰层与部件表面的粘附特性，为除去飞行器上的冰层提供相应的数据。 

本发明所公开的一种一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，包括制冷系统、机械驱动系统、喷水系统以及数据采集系统。制冷系统包括保温箱和通过供冷管道与保温箱内部连通的供冷装置；实验件放在保温箱内部并与机械驱动系统相连接，机械驱动系统驱动实验件作直线运动和旋转运动；喷水系统包括喷嘴、空气输送管道和水输送管道，空气输送管道和水输送管道同时接入喷嘴，喷嘴安装在保温箱壁上；数据采集系统包括拉压式力传感器、温度传感器、压力传感器、智能采集模块、计算机，拉压式力传感器安装在机械驱动系统内，温度传感器设置在保温箱内部，压力传感器分别安装在空气输送管道和水输送管道上，拉压式力传感器、温度传感器、压力传感器均通过智能采集模块连接到计算机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述机械驱动系统包括实验件夹持机构、联轴器、轴、螺杆、锁紧螺母、步进电机以及电机驱动器；实验件的一端与设置在保温箱内一侧的夹持机构相连接，另一端通过联轴器连接到轴上 ，从轴向外又依次连接有拉压式力传感器、螺杆、锁紧螺母、步进电机。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述供冷装置为液氮罐。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述喷嘴为双通道可调节液态水滴直径喷嘴，喷嘴内的水、气管道采用的是同心的双圆柱体管道，且内管路为水管道，外管路为气管道。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述双通道可调节液态水滴直径喷嘴的水压范围：                                                、气压范围： 、液态水滴直径MVD可调范围：。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述喷嘴安装在保温箱顶部壁上。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述智能采集模块包括温度信号采集模块、水路、气路压力信号采集模块、拉压式力传感器的压力信号采集模块。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述拉压式力传感器供桥电压为10VDC，精度为 ，灵敏度为2mV/V。 

作为上述技术方案的更进一步改进，所述温度传感器为铂电阻温度传感器，数量为6个。

采用上述实验装置进行结冰与冰层粘附力测量的方法，包括以下步骤：

1）将实验件一端利用联轴器与轴相连接，另一端与夹持机构相连接，实验件可以在夹持机构内自由旋转和滑动；

2）调节机械驱动系统，使实验件只进行旋转运动而不进行直线运动；封闭保温箱，打开制冷系统开关和供气开关，调节供气压力为0.2MPa～0.6MPa，开始制冷； 

3) 当保温箱内部温度达到实验设定的结冰温度值时，打开供水开关，调节供水压力为0.1MPa～0.3MPa，调节制冷系统开关使保温箱保持温度恒定，使实验件上结冰，开始记录结冰时间,结冰持续时间为8～10分钟；