一种用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置

摘要

一种用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置。其包括实验箱和安装在实验箱内部或外部的悬挂定位装置、空气循环系统、喷淋系统、除冰液喷淋系统、光照系统、制冷系统、数据采集系统以及控制系统。本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置能够真实模拟自然环境下的积冰天气条件，观测飞机表面积冰的增长、融冰、除冰液的喷洒等过程，从而得到不同天气条件下飞机表面积冰的规律，为飞机表面积冰的研究和飞机表面防/除冰提供实验依据，由此来提高积冰天气条件下飞机运行的安全性和高效性。

说明书

技术领域

本发明属于民航技术领域，特别是涉及一种用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置。

背景技术

在低温积冰的天气条件下，停靠在停机坪上的飞机表面将会出现积冰、雪、霜等现象，这里统称之为飞机表面积冰。飞机表面积冰一方面会影响飞行的安全性和操作性，严重时会导致机毁人亡的事故，另一方面还会造成航班不能正常运行。据统计，2008年1月10日至2月4日期间，由于南方的低温雨雪冰冻天气共造成814次航班返航、备降，4600多个航班取消，13500多个航班延误，结果造成大量的旅客滞留。因此，需要对飞机表面积冰的特性以及积冰影响因素等方面进行研究，从而为飞机除冰提供实验依据，以保证航班能够安全、高效运行。

飞机表面积冰是一个涉及到温度、风速、风向、湿度等参数的复杂非线性过程。飞机表面积冰的实验研究主要包括两种，一种是自然积冰观测法，另一种是积冰环境模拟观测法。由于自然积冰观测法受季节、地域、机场观测的安全性以及积冰时间难于控制等因素的影响，因此所获得的资料有限，所以目前主要采用积冰环境模拟观测法。采用积冰环境模拟观测法时需要使用积冰环境模拟实验设备。目前国内外采用的积冰环境模拟实验设备主要是针对导线、绝缘子等电气系统积冰现象而提出的。比如中国发明专利申请第CN101126792A号中公开了一种“用于电气实验的大型多功能人工气候室系统”，该系统能模拟高海拔、覆冰、喷雾、淋雨等复杂气象环境。中国发明专利申请第CN101799515A号中公开了“一种用于电气实验的大型多功能环境模拟装置”，该装置集高海拔、覆冰、污秽、下雨等多种环境模拟实验功能于一体。但是，上述这些实验装置存在下列缺点：这些装置主要用于电气实验的环境模拟，均不具备除冰液喷洒系统、风向调节、光照系统，因此，其功能远不能满足飞机表面积冰实验的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构设计合理，功能齐全的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置。

为了达到上述目的，本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置包括实验箱和安装在实验箱内部或外部的悬挂定位装置、空气循环系统、喷淋系统、除冰液喷淋系统、光照系统、制冷系统、数据采集系统以及控制系统；所述的实验箱包括壳体、左侧隔板、右侧隔板、箱底面、门、污水收集盘和污水收集箱；其中壳体为长方体形结构，并且内表面衬有保温隔热材料；左侧隔板和右侧隔板相对垂直设置在壳体内部的左右侧，由此将壳体的内部分成左腔、中腔和右腔，并且下端部形成有开口；箱底面水平设置在中腔的底面上方，由此在箱底面和壳体的底面之间形成通风道，并且箱底面中部形成有多个排污水口；门设置在中腔一侧的壳体上；污水收集盘设置在位于排污水口下方的壳体底面上，并且通过管路与位于壳体外部的污水收集箱相连；悬挂定位装置包括水平安装在中腔上端的上部悬挂网和垂直安装在中腔左侧的左侧悬挂网；空气循环系统包括多个轴流风机、抽风机和多个导风板；其中多个轴流风机相隔距离安装在左侧隔板上；抽风机设置在右侧隔板上；多个导风板以能够转动的方式成排安装在左侧隔板和左侧悬挂网之间，且与左侧隔板相平行，并由伺服电机控制转向；喷淋系统包括水箱、多个雾化喷嘴、多个水喷嘴和两台水泵；其中水箱设置在壳体的外部；多个雾化喷嘴相隔距离安装在左侧悬挂网上，并且通过管路与水箱相连；多个水喷嘴安装在位于中腔上方的壳体顶面上，并且通过管路与水箱相接；两台水泵则分别安装在上述两条管路上；除冰液喷淋系统包括除冰液箱、除冰液加热器、除冰液泵和多个除冰液喷枪；其中除冰液箱设置在壳体的外部；多个除冰液喷枪安装在上部悬挂网上，并且通过管路与除冰液箱相连；除冰液加热器和除冰液泵则安装在上述管路上；光照系统包括安装在上部悬挂网上的多个氙灯和多个冷光源，其中氙灯用于模拟太阳光照，而冷光源则用于照明；制冷系统为安装在壳体外部的空气压缩机；数据采集系统包括积冰传感器、风速风向传感器、多个温度传感器、摄像头、湿度传感器、多个流量传感器和多个压力传感器；其中积冰传感器安装在放置于中腔内部的被测物体上；多个温度传感器分别安装在被测物体上以及每个雾化喷嘴、水喷嘴和除冰液喷枪的前侧；风速风向传感器、摄像头和湿度传感器均安装在中腔的内部；多个流量传感器和多个压力传感器则分别安装在喷淋系统和除冰液喷淋系统中的管路上；控制系统包括计算机和PLC；其中计算机用于采集和存储数据采集系统输出的数据；PLC则用于根据存储在计算机中由数据采集系统输出的数据和预先在计算机中设定的相应值对空气循环系统、喷淋系统、除冰液喷淋系统、光照系统和制冷系统的开闭进行控制或调节对应系统的参数。

所述的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置还包括安装在中腔内部的湿度调节系统。

所述的湿度调节系统为加湿器。

所述的水箱的内部安装有水箱加热器，其用来保证冬季水箱的水温恒定在1～3度之间，以防止水在雾化喷嘴和水喷嘴附近结冰。

所述的多个导风板沿水平或垂直方向平行设置，并且分成多组，每组由一台伺服电机控制，以形成不同风向的风。

所述的门上设有观测孔。

所述的连接在除冰液喷枪和除冰液箱之间的管路为软管，这样可以方便地控制除冰液的喷洒方向和位置。

本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置能够真实模拟自然环境下的积冰天气条件，观测飞机表面积冰的增长、融冰、除冰液的喷洒等过程，从而得到不同天气条件下飞机表面积冰的规律，为飞机表面积冰的研究和飞机表面防/除冰提供实验依据，由此来提高积冰天气条件下飞机运行的安全性和高效性。

附图说明

图1为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中实验箱、悬挂定位装置和空气循环系统结构示意图。

图2为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中实验箱、喷淋系统和除冰液喷淋系统部分结构示意图。

图3为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中喷淋系统构成框图。

图4为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中除冰液系统构成框图。

图5为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中上部悬挂网及安装在其上的水喷嘴结构示意图。

图6为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置中左侧隔板及安装在其上的轴流风机和雾化喷嘴结构示意图。

图7为本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置构成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置进行详细说明。

如图1-图7所示，本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置包括实验箱和安装在实验箱内部或外部的悬挂定位装置、空气循环系统35、喷淋系统36、除冰液喷淋系统37、光照系统38、制冷系统39、数据采集系统40以及控制系统；所述的实验箱包括壳体1、左侧隔板2、右侧隔板3、箱底面4、门5、污水收集盘6和污水收集箱9；其中壳体1为长方体形结构，并且内表面衬有保温隔热材料；左侧隔板2和右侧隔板3相对垂直设置在壳体1内部的左右侧，由此将壳体1的内部分成左腔、中腔和右腔，并且下端部形成有开口10；箱底面4水平设置在中腔的底面上方，由此在箱底面4和壳体1的底面之间形成通风道8，并且箱底面4中部形成有多个排污水口7；门5设置在中腔一侧的壳体1上；污水收集盘6设置在位于排污水口7下方的壳体1底面上，并且通过管路与位于壳体1外部的污水收集箱9相连；悬挂定位装置包括水平安装在中腔上端的上部悬挂网30和垂直安装在中腔左侧的左侧悬挂网31；空气循环系统35包括多个轴流风机11、抽风机12和多个导风板13；其中多个轴流风机11相隔距离安装在左侧隔板2上；抽风机12设置在右侧隔板3上；多个导风板13以能够转动的方式成排安装在左侧隔板2和左侧悬挂网31之间，且与左侧隔板2相平行，并由伺服电机控制转向；喷淋系统36包括水箱14、多个雾化喷嘴15、多个水喷嘴16和两台水泵17；其中水箱14设置在壳体1的外部；多个雾化喷嘴15相隔距离安装在左侧悬挂网31上，并且通过管路与水箱14相连；多个水喷嘴16安装在位于中腔上方的壳体1顶面上，并且通过管路与水箱14相接；两台水泵17则分别安装在上述两条管路上；除冰液喷淋系统37包括除冰液箱18、除冰液加热器19、除冰液泵20和多个除冰液喷枪21；其中除冰液箱18设置在壳体1的外部；多个除冰液喷枪21安装在上部悬挂网30上，并且通过管路与除冰液箱18相连；除冰液加热器19和除冰液泵20则安装在上述管路上；光照系统38包括安装在上部悬挂网30上的多个氙灯22和多个冷光源23，其中氙灯22用于模拟太阳光照，而冷光源23则用于照明；制冷系统39为安装在壳体1外部的空气压缩机；数据采集系统40包括积冰传感器24、风速风向传感器25、多个温度传感器26、摄像头27、湿度传感器28、多个流量传感器29和多个压力传感器32；其中积冰传感器24安装在放置于中腔内部的被测物体42上；多个温度传感器26分别安装在被测物体42上以及每个雾化喷嘴15、水喷嘴16和除冰液喷枪21的前侧；风速风向传感器25、摄像头27和湿度传感器28均安装在中腔的内部；多个流量传感器29和多个压力传感器32则分别安装在喷淋系统和除冰液喷淋系统中的管路上；控制系统包括计算机33和PLC34；其中计算机33用于采集和存储数据采集系统40输出的数据；PLC34则用于根据存储在计算机33中由数据采集系统40输出的数据和预先在计算机33中设定的相应值对空气循环系统35、喷淋系统36、除冰液喷淋系统37、光照系统38和制冷系统39的开闭进行控制或调节对应系统的参数。

所述的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置还包括安装在中腔内部的湿度调节系统41。

所述的湿度调节系统41为加湿器。

所述的水箱14的内部安装有水箱加热器，其用来保证冬季水箱14的水温恒定在1～3度之间，以防止水在雾化喷嘴15和水喷嘴16附近结冰。

所述的多个导风板13沿水平或垂直方向平行设置，并且分成多组，每组由一台伺服电机控制，以形成不同风向的风。当将多个导风板13沿水平方向平行设置时，可将其分为上、中、下三部分，这样可以形成上下对流风；当将多个导风板13沿垂直方向平行设置时，可将其分为左、中、右三部分，这样可以形成不同风向的水平风。

所述的门5上设有观测孔。

所述的连接在除冰液喷枪21和除冰液箱18之间的管路为软管，这样可以方便地控制除冰液的喷洒方向和位置。

当需要利用本发明提供的用于地面上飞机表面积冰的环境模拟装置对诸如机翼或其它地面物体等被测物体42进行表面积冰测试时，首先在被测物体42上安装好积冰传感器24和温度传感器26，并通过门5放置在位于中腔内部的实验架43上。实验架43为一可调高度的装置，这样易于改变被测物体42的高度及放置方向。然后在实验架43旁安装好湿度传感器28和风速风向传感器25。开始实验时，如果需要模拟低温积冰的天气，开启制冷系统39和数据采集系统40，利用上述温度传感器26来采集壳体1内部的温度并传递给计算机33，待壳体1的内部达到所需温度后，在PLC34的控制下关闭制冷系统39以停止制冷。如果壳体1内部的湿度没有达到实验要求，开启加湿器或喷淋系统36以从雾化喷嘴15中喷出水雾，直至湿度达到要求后在PLC34的控制下关闭加湿器或喷淋系统36。如果需要模拟无风情况下的积霜情况，直接开启喷淋系统36中的雾化喷嘴15。如果需要模拟无风情况下的冻雨、降雪情况，直接开启喷淋系统36中的水喷嘴16。如果需要模拟有风情况下的冻雨、降雪情况，首先开启抽风机12，然后开启轴流风机11并调节到所需的风向和风速，这时抽风机12出口的风将依次通过右侧隔板3下端的开口10、通风道8及左侧隔板2下端的开口10而进入到轴流风机11的进口，由此可以在狭小的空间内真实再现大空间下的风场环境，然后开启喷淋系统36中的水喷嘴16。如需模拟太阳光的辐射，开启氙灯22；如需模拟夜晚情况，开启冷光源23。在上述实验过程中，可通过摄像头27实时采集图像数据，并通过积冰传感器24和温度传感器26检测被测物体42上的积冰厚度及温度。同时，数据采集系统则将积冰传感器24、温度传感器26、湿度传感器28、风速风向传感器25和摄像头27检测的数据传送给计算机33，计算机33再将这些数据进行存储。(研究人员根据上述什么数据而得到什么结果，请补充)

当表面积冰实验结束后，开启除冰液喷淋系统，利用从除冰液喷枪21喷出的除冰液对被测物体42的表面进行除冰，同时通过流量传感器29监测除冰液用量，并观察被测物体42表面的除冰情况，除冰后的除冰液将通过箱底面4上的排污水口7收集在污水收集盘6中，然后通过管路流入污水收集箱9中，以便除冰液的回收利用。最后开启门5和水箱加热器，对已冻结的雾化喷嘴15和水喷嘴16进行融冰。之后开启氙灯22，对壳体1的内部加热除冰，由此完成整个实验过程。

本环境模拟装置可以模拟一个大气压、-40-20的温度和0-25m/s风速情况下的飞机表面积冰情况。另外，可通过设定各个系统的运行先后顺序来进行单一和复杂天气条件下飞机表面的积冰现象、除冰过程的模拟。