航發科普
莫讓冰花盛開在發動機上
來源:       發布時間:2018-12-27

  “千里冰封,萬里雪飄”是北國特有的美景。然而,冰花一旦盛開在飛機的發動機上,美麗中便暗藏危險。航空發動機結冰是危及飛行安全的嚴重問題之一,與其相關的飛行事故時有發生。

  一旦發動機進氣系統結冰,會改變其空氣動力特性,增加流動阻力,使進氣流場分布不均,輕則發生氣流畸變,影響發動機的工作穩定性,重則導致熄火停車,造成致命后果。此外,如果發動機進氣系統結冰,防冰系統開啟滯后,還可能造成脫落的冰塊被發動機吸入,導致發動機損傷。
  

  不只是天氣原因

 

  航空發動機是飛機結冰部件中最敏感的部分之一。發動機高速旋轉時,進氣道空氣處于抽吸狀態,氣流加速,靜溫下降,使得航空發動機進氣系統更容易受到天氣變化的影響,更易結冰。

  即使不處于冰雪天氣,在一定的飛行條件和氣象條件下,航空發動機的進氣部件也會出現結冰現象,比如云層中含有大量溫度低于0攝氏度的液態過冷水滴,它們撞擊在發動機短艙進氣道前緣,同樣會凝結成冰,造成發動機進氣量減少,導致發動機性能下降。
  

 

  防冰是發動機設計的重要內容

 

  進氣道防冰系統是保證發動機進氣流場品質,以及飛機在結冰環境下安全運行的重要手段。中國民航局頒布的適航條款對民用航空發動機在結冰環境中的運行也提出了安全性要求。CCAR-33部主要針對發動機進氣道本體的防冰性能驗證提出了要求,CCAR-25部則針對發動機進氣道安裝之后的防冰系統性能設計及驗證提出了要求。

  進氣道短艙防冰方法主要包括熱氣防冰和電加熱防冰等。民用航空發動機短艙防冰系統設計大多采用的是熱氣防冰系統。例如,波音737NG的CFM56-7B發動機采用熱空氣加溫進行防冰。當系統工作時,進氣道防冰活門打開,從發動機引氣系統傳來的熱空氣沿著防冰管路,經防冰活門流入進氣道前緣整流罩的空腔內,對進氣道進行加溫。電加熱防冰將電能轉變為熱能從而有效加熱防冰表面,但不可避免地要消耗數量可觀的能量。
  

  冰風洞試驗等必不可少

 

  冰風洞試驗是驗證數值仿真得到的結冰特性以及防冰系統性能的主要手段之一。冰風洞能夠模擬產生云中的過冷水滴,形成適航條款要求的結冰云霧條件,并模擬飛行條件下外部流場,對不同結冰條件下防冰系統進行驗證。
  為了保證航空發動機及其系統的可靠性,各種極端環境的嚴格試驗是必不可少的,這就包括測試在上萬英尺高空或極其嚴寒的天氣,發動機在結冰情況下是否仍能正常工作,比如最近刷屏網絡的吞冰試驗等。簡單地說,就是為了讓發動機能不結冰就不結冰,真結冰了咱也不怕冰。
  美國、歐洲和俄羅斯等都非常重視發動機結冰問題研究,均發展了自己的防冰系統設計體系,并借助防冰模擬試驗器、整機防冰試驗風洞等開展了大量針對防冰系統、結冰過程等方面的研究工作,且試驗范圍、試驗段尺寸、測量設備仍在不斷完善。
  我國首套用于航空動力裝置的“地面結冰氣象條件模擬系統”于2015年3月8日投入使用,滿足了當時ARJ21-700“在凍霧天氣環境運營時不會產生不利于發動機安全運行的冰積聚”的試驗驗證。這對于我國建立氣象試驗室,提高航空器飛行安全具有重要意義。

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