宋建宇，張 森，涂 杰，查筱晨，吳晶峰

(中國民用航空適航審定中心，北京 100102)

1 引言

2006 年，一架卡塔爾航空A330 客機(jī)在上海上空遭遇雷雨，導(dǎo)致雙發(fā)在近6 400 m 的高空同時(shí)停車。所幸飛機(jī)墜落過程中成功重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，最終飛機(jī)安全降落[1]。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這起險(xiǎn)些造成機(jī)毀人亡的事件是一起典型的冰晶結(jié)冰事件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰事件在全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，直接威脅民用航空飛行安全。

目前，國外針對(duì)冰晶結(jié)冰的研究主要集中在理論計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)零部件試驗(yàn)方面，且部分發(fā)動(dòng)機(jī)零部件試驗(yàn)已在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)適航審定過程中予以應(yīng)用。相比而言，國內(nèi)僅有較少針對(duì)冰晶結(jié)冰模擬計(jì)算的研究，基本無試驗(yàn)相關(guān)研究；且國內(nèi)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，不足以支撐開展民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰適航審定工作，也缺少針對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)滿足適航規(guī)章要求的符合性方法研究。

本文通過總結(jié)當(dāng)前冰晶結(jié)冰計(jì)算模擬及地面試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，提出一種可行的表明航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰符合性的方法，并對(duì)符合性方法研究所面臨的主要問題與后續(xù)研究方向進(jìn)行了討論，可對(duì)當(dāng)前國內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰適航審定工作提供指導(dǎo)。

2 冰晶結(jié)冰原因與危害

2.1 冰晶結(jié)冰事件分布

波音公司牽頭調(diào)查了從1990 年到2006 年間，全球范圍內(nèi)發(fā)生的240 起結(jié)冰事件，其中有62 起懷疑與冰晶結(jié)冰相關(guān)。對(duì)其中有詳細(xì)數(shù)據(jù)的46 起事件進(jìn)行標(biāo)注，結(jié)果如圖1[2]所示?？梢姡瑏喬珔^(qū)域是重災(zāi)區(qū)，共有23 起冰晶結(jié)冰事件發(fā)生在東經(jīng)100°～140°之間。46 起冰晶結(jié)冰事件涵蓋了9 個(gè)飛機(jī)型號(hào)和8 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，這在一定程度上表明，冰晶結(jié)冰對(duì)大多數(shù)飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)構(gòu)成了威脅。此外，調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，冰晶結(jié)冰事件多發(fā)生在南北半球各自的夏季。

圖1 冰晶結(jié)冰事件全球分布Fig.1 Global distribution of ice crystal icing events

從1990 年到2015 年，全球范圍已經(jīng)至少發(fā)生了超過150 次冰晶結(jié)冰事件。冰晶結(jié)冰與傳統(tǒng)的過冷水結(jié)冰不同。傳統(tǒng)冷水結(jié)冰很少發(fā)生在高空，且主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)外部，如進(jìn)氣道內(nèi)側(cè)、第1 級(jí)葉片等位置。相比而言，冰晶結(jié)冰發(fā)生在海拔6 000 m 甚至10 000 m 以上高空，且主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，如高壓壓氣機(jī)前2 級(jí)葉片等位置。

2.2 冰晶形貌與存在環(huán)境

大氣中，冰晶具有多種形貌和尺寸，并通過與周圍水蒸氣結(jié)合實(shí)現(xiàn)尺寸增長。從微觀看，冰晶主要呈盤狀、針狀、柱狀或其他混合狀，具體形狀與外界環(huán)境溫度有關(guān)。圖2[3]總結(jié)了不同溫度條件下冰晶的微觀形狀。此外，冰晶外表面具有細(xì)微冰枝結(jié)構(gòu)，這些細(xì)微結(jié)構(gòu)主要由附近水蒸氣的飽和度決定，使得冰晶微觀形貌更為復(fù)雜。

圖2 冰晶微觀形貌Fig.2 Ice crystal micro morphology

圖3[4]解釋了冰晶形成與存在的環(huán)境。在熱帶與亞熱帶地區(qū)(對(duì)應(yīng)圖1 所示的冰晶結(jié)冰事件主要發(fā)生區(qū)域)，大氣中常存在較強(qiáng)的對(duì)流云層，其上升氣流可將低空存在的水蒸氣或過冷水滴運(yùn)送至高層大氣。冰晶主要在高海拔大氣以及較強(qiáng)對(duì)流云層的條件下出現(xiàn)，海拔高度一般高于標(biāo)準(zhǔn)大氣6 000 m，甚至在過冷水存在的極限高度以上。

圖3 飛機(jī)起飛第一階段受力分析Fig.3 Force analysis of aircraft in the first stage of take-off process

2.3 結(jié)冰原因及危害性

圖4[4]解釋了冰晶結(jié)冰的形成過程。存在于大氣中的冰晶在接近熱表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分或完全融化，之后撞擊在熱表面上形成一層液膜，并與熱表面發(fā)生熱交換。后續(xù)大量冰晶撞擊導(dǎo)致熱表面的溫度下降，熱表面所形成的液膜在溫度降至冰點(diǎn)后逐漸凝固而結(jié)冰。冰晶結(jié)冰主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱式傳感器、內(nèi)部零部件等產(chǎn)生危害。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件出現(xiàn)冰晶結(jié)冰后，一方面影響了進(jìn)氣量，另一方面工質(zhì)中混入了冰與水，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能，導(dǎo)致喘振、熄火、轉(zhuǎn)速降低等。

圖4 冰晶結(jié)冰形成過程Fig.4 Ice crystal icing formation process

3 適航審定要點(diǎn)

3.1 適航規(guī)章要求

3.1.1 美國聯(lián)邦航空局(FAA)規(guī)章要求

針對(duì)圖1 所示的46 起冰晶結(jié)冰事件，將已知冰晶結(jié)冰發(fā)生環(huán)境條件的案例，在橫軸為海拔高度、縱軸為環(huán)境溫度的圖上進(jìn)行標(biāo)注，結(jié)果如圖5[2]所示。圖中同時(shí)標(biāo)注了FAR-25 部附錄C 中的連續(xù)最大結(jié)冰包線與間斷最大結(jié)冰包線?？煽闯觯ЫY(jié)冰事件發(fā)生在現(xiàn)有附錄C 已知的結(jié)冰包線之外。此外，較多的冰晶結(jié)冰事件發(fā)生在ISA(海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣)+10oC 至ISA+20oC 的溫度區(qū)間，即環(huán)境溫度偏高時(shí)更容易出現(xiàn)冰晶結(jié)冰事件。

圖5 冰晶結(jié)冰事件在結(jié)冰包線中的位置Fig.5 The envelope positions of ice crystal icing events

FAA 于2015 年1 月5 日生效了FAR-33 部第34修正案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰的33.68 條款進(jìn)行了修訂，增加了冰晶與混合相結(jié)冰的要求，同時(shí)新增了FAR-33 部附錄D，定義了冰晶結(jié)冰存在的包線，如圖6[5]所示。FAA 考慮到冰晶結(jié)冰事故發(fā)生在FAR-25 部附錄C 的包線外(圖5)，故平移了FAR-25 部附錄C 中間斷最大結(jié)冰包線的右邊界，使其涵蓋已發(fā)生的冰晶結(jié)冰事故(如圖5 中標(biāo)記點(diǎn)所示)，從而形成了圖6 所示的FAR-33 部附錄D 的包線。同時(shí)，F(xiàn)AR-33.68 第34 修正案的條款內(nèi)容中，增加了混合相與冰晶結(jié)冰的要求，即應(yīng)通過試驗(yàn)、分析或兩者結(jié)合的方式，表明渦噴、渦扇與渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在附錄D 所規(guī)定的冰晶結(jié)冰條件下，在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作包線內(nèi)(含慢車下降的工況)都可安全運(yùn)行。

圖6 冰晶結(jié)冰包線Fig.6 Ice crystal icing envelope

FAA 發(fā)布了咨詢通告，對(duì)冰晶結(jié)冰的符合性工作進(jìn)行了解釋[6]。冰晶的中間質(zhì)量尺寸在50～200 μm(等效為球體后的尺寸)之間，總水含量在0.5～6.0 g/m3之間。總水含量為液態(tài)水含量和冰水含量之和。

3.1.2 歐盟航空安全局(EASA)規(guī)章要求

相比于FAA，EASA 更早地在CS-E 規(guī)章中提出了冰晶結(jié)冰的要求。2003 年10 月24 日生效的初始版CS-E 中，CS-E 780 條款要求，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在冰晶、混合相條件下運(yùn)行會(huì)受其影響時(shí)，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充試驗(yàn)，以確保在上述條件下安全運(yùn)行[7]。此后，EASA 在2015 年3 月12 日發(fā)布的第4 修正案中，對(duì)冰晶結(jié)冰提出了更為細(xì)致的要求。第4 修正案的CS-E 780 條款明確要求，在全尺寸地面試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)之前，應(yīng)當(dāng)基于飛行試驗(yàn)和/或分析(有發(fā)動(dòng)機(jī)或部件試驗(yàn)支撐)的方法表明符合性[8]。具體而言，從設(shè)計(jì)考慮、類比分析及新穎設(shè)計(jì)特征三個(gè)方面，分別提出了更為細(xì)致的要求。

3.1.3 中國民用航空局(CAAC)相關(guān)要求

目前，CAAC 的CCAR-25 部、33 部等規(guī)章中尚未納入冰晶結(jié)冰的要求。針對(duì)具體的審定項(xiàng)目，主要通過專用條件的方式提出冰晶結(jié)冰的審定要求。

3.2 審定關(guān)注要點(diǎn)

根據(jù)上述各適航規(guī)章要求，分析已發(fā)生的冰晶結(jié)冰事件及頒發(fā)的適航指令(AD)，對(duì)適航審定中應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)進(jìn)行了提煉，主要包含以下幾個(gè)方面：

(1)慢車下降工況

配裝CF6-80C2 與CF6-80A 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的波音747 飛機(jī)，曾出現(xiàn)冰晶結(jié)冰條件下的多起雙發(fā)熄火事件，為此FAA 于2011 年7 月26 日頒發(fā)AD，要求更新飛行手冊(cè)以規(guī)范機(jī)組在下降過程中遭遇結(jié)冰環(huán)境后的操作程序[9]。慢車下降工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速都較低，此狀態(tài)下遭遇冰晶結(jié)冰環(huán)境后易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。FAR 33.68 條款中專門指出，在包含慢車下降工況的整個(gè)工作包線內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能安全運(yùn)行。

(2)氣動(dòng)性能影響

PW2000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過程中遭遇冰晶結(jié)冰環(huán)境后，出現(xiàn)了不可恢復(fù)的空停事件，為此FAA 頒發(fā)AD，要求更新PW2037、PW2037M 及PW2040 三個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)軟件版本[10]。針對(duì)CF6-80E1、CF6-80C2D1F 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在下降過程中遭遇冰晶結(jié)冰條件而熄火的事件，F(xiàn)AA 分別 在2007 年8 月29 日 與11 月28 日 生 效AD，要求更新控制系統(tǒng)軟件版本，以提高熄火裕度[11-12]。Trent 700/800 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)也曾在慢車下降工況下遭遇冰晶結(jié)冰環(huán)境，出現(xiàn)了喘振與推力衰減。

(3)脫冰機(jī)械損傷

Trent 500 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曾在慢車下降工況下遭遇冰晶結(jié)冰環(huán)境，導(dǎo)致中壓壓氣機(jī)第2 級(jí)與第4 級(jí)葉片被脫冰打傷。冰晶結(jié)冰主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，因此一旦脫冰，將對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的核心機(jī)葉片產(chǎn)生直接危害，造成葉片打傷。

(4)整機(jī)振動(dòng)

GEnx-1B/-2B 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曾在巡航狀態(tài)下遭遇冰晶結(jié)冰環(huán)境，導(dǎo)致風(fēng)扇振動(dòng)超限。后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冰晶結(jié)冰發(fā)生在風(fēng)扇葉片底部平臺(tái)，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生了不平衡量，進(jìn)而造成整機(jī)振動(dòng)過大。

(5)傳感器工作

在冰晶和混合相結(jié)冰條件下，飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱式傳感器易發(fā)生故障或失真，如大氣數(shù)據(jù)丟失、攻角系統(tǒng)傳感器故障、空速皮托管傳感器失真、空氣總溫傳感器故障等。如果加熱式傳感器的測量參數(shù)被用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的推力調(diào)節(jié)，則參數(shù)的失真可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力喪失、飛機(jī)失控等嚴(yán)重后果。FAA 于2009 年9 月8 日 與2016 年6 月29 日生效兩份AD，分別要求空客A330/A340 系列飛機(jī)與A320 系列飛機(jī)更換部分皮托管傳感器[13-14]。

4 符合性方法研究

4.1 冰晶結(jié)冰計(jì)算模擬研究現(xiàn)狀

開展冰晶結(jié)冰計(jì)算模擬的主要工具包括加拿大商業(yè)軟件FENSAP，美國NASA 研發(fā)的LEWICE、GlennICE 等。隨著近年來冰晶結(jié)冰研究的不斷深入，已取得了一定的研究成果。如初步提出了冰晶結(jié)冰機(jī)理，找到了一些冰晶結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵性表征參數(shù)，在一定假設(shè)前提下模擬出了冰晶結(jié)冰過程[15]。有研究成果表明，空氣流與冰晶之間的耦合可以忽略，即流場計(jì)算時(shí)可以不考慮冰晶的影響[16]；針對(duì)冰形的多數(shù)模擬計(jì)算為簡化計(jì)算，即忽略冰對(duì)流場的影響[17]。目前，有關(guān)冰晶運(yùn)動(dòng)與撞擊特性的研究雖多，但缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且多基于簡化假設(shè)，與真實(shí)情況差距較大[15]。

4.2 冰晶結(jié)冰地面試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

開展冰晶結(jié)冰地面試驗(yàn)需解決冰晶制備問題。目前，冰晶制備技術(shù)大致分為削冰技術(shù)、凍結(jié)技術(shù)及云室技術(shù)三類。

4.2.1 削冰技術(shù)

削冰技術(shù)是指將一小塊冰研磨粉碎至預(yù)期尺寸的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是冰晶形狀不規(guī)則(更接近真實(shí)冰晶)，且冰晶的尺寸和分布可控；缺點(diǎn)是經(jīng)過切削制備的冰晶沒有冰枝細(xì)絲，其微觀結(jié)構(gòu)與自然界真實(shí)存在的冰晶不同。加拿大國家研究委員會(huì)(NRC)的研究高度試驗(yàn)設(shè)備(RATF)冰風(fēng)洞，為采用削冰技術(shù)的代表性試驗(yàn)設(shè)備，見圖7[18]。圖中試驗(yàn)裝置分為冷區(qū)和熱區(qū)兩部分，利用削冰技術(shù)在冷區(qū)研磨生成冰晶，通過噴射裝置噴入熱區(qū)試驗(yàn)段中，以模擬冰晶接近熱表面時(shí)的環(huán)境。

圖7 NRC RATF 結(jié)冰裝置Fig.7 NRC RATF icing test facility

4.2.2 凍結(jié)技術(shù)

凍結(jié)技術(shù)是指在風(fēng)洞中噴出液態(tài)水滴，使用預(yù)冷氣體或液氮等，將液態(tài)水滴強(qiáng)行凍結(jié)的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單；缺點(diǎn)是制造的冰晶多為圓球狀，與自然界真實(shí)冰晶不同，且所制造冰晶的最大尺寸受限。美國NASA 推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(PSL)的結(jié)冰裝置，為采用凍結(jié)技術(shù)的代表性試驗(yàn)設(shè)備，見圖8[19]。NASA PSL 結(jié)冰裝置的試驗(yàn)段面積較大，可允許的發(fā)動(dòng)機(jī)直徑為0.610～1.829 m，可模擬0～-60oC 的溫度范圍以及約1 500～12 000 m 的高度范圍，涵蓋了大部分FAR-33 部附錄D 中冰晶結(jié)冰包線區(qū)域[20]。

圖8 NASA PSL 結(jié)冰裝置Fig.8 NASA PSL icing test facility

4.2.3 云室技術(shù)

云室技術(shù)是指在云室中，水滴下降過程中在冷氣流作用下逐漸凍結(jié)，自然生長成冰晶的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是以按照自然界真實(shí)冰晶的生成狀態(tài)獲得冰晶；缺點(diǎn)是冰晶生成效率較低，難以滿足冰風(fēng)洞中對(duì)冰晶的大量需求。德國布倫瑞克大學(xué)采用這一技術(shù)對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造，使之具備冰晶結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰21-22]，見圖9[21]。該試驗(yàn)裝置分為兩層，上層用于冰晶制造，下層為試驗(yàn)段。上層云室用于產(chǎn)生冰晶，生成后的冰晶儲(chǔ)存在冷凍箱中。

圖9 布倫瑞克大學(xué)結(jié)冰裝置Fig.9 Braunschweig icing test facility

4.3 符合性方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在開展冰晶結(jié)冰符合性方法驗(yàn)證工作時(shí)，常受限于分析方法與試驗(yàn)設(shè)備的局限性。基于前文所述的冰晶結(jié)冰計(jì)算模擬與地面試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，提出一種符合性方法，即采用部件結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)合整機(jī)冰晶結(jié)冰分析的方法表明符合性，如圖10 所示，共包含6 個(gè)步驟。

圖10 冰晶結(jié)冰符合性方法路線圖Fig.10 Roadmap for ice crystal icing compliance

4.3.1 校驗(yàn)分析工具

根據(jù)冰晶結(jié)冰試驗(yàn)研究現(xiàn)狀可知，當(dāng)前設(shè)備條件難以開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，但具備開展部件級(jí)試驗(yàn)的能力。利用部件試驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)分析工具，再使用經(jīng)校驗(yàn)的分析工具開展后續(xù)計(jì)算，是一種可行的驗(yàn)證方法。

冰晶結(jié)冰發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，且主要影響高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片及其他上游零部件。因此，應(yīng)當(dāng)至少開展包含傳感器、增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)3 個(gè)部件的試驗(yàn)。這3 個(gè)部件試驗(yàn)一方面用于探索冰晶結(jié)冰的發(fā)生條件(如撞擊位置、局部溫度、局部流速等)，另一方面將試驗(yàn)結(jié)果用于分析工具的校驗(yàn)。需校驗(yàn)的分析工具至少包含開展氣動(dòng)性能分析的計(jì)算流體力學(xué)工具，以及開展損傷分析的計(jì)算工具。圖11 為損傷分析工具校驗(yàn)的示意圖。圖中，縱軸為葉片前緣遭受冰片撞擊歸一化之后的變形量，藍(lán)色曲線為部件試驗(yàn)的測試值，紅色曲線為利用損傷分析工具計(jì)算的預(yù)測值。如圖所示，預(yù)測值大于測試值或與其重合。預(yù)測值偏大是更保守的情況，說明預(yù)測的損傷大于實(shí)際的損傷。

圖11 損傷分析工具校驗(yàn)示意圖Fig.11 Damage analysis tool validation

4.3.2 識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)

冰晶結(jié)冰的發(fā)生主要由撞擊位置、局部溫度和局部氣流流速3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定。圖12 列出了識(shí)別潛在結(jié)冰條件的流程。首先，可利用CFD 軟件計(jì)算冰晶粒子撞擊位置。只有在冰晶撞擊位置才會(huì)形成結(jié)冰，否則不會(huì)產(chǎn)生冰晶結(jié)冰現(xiàn)象。隨后，結(jié)合具體的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)構(gòu)型，使用校驗(yàn)過的CFD 分析工具，確定冰晶撞擊位置的局部環(huán)境條件，并利用部件試驗(yàn)所得的冰晶結(jié)冰發(fā)生條件(局部溫度、局部氣流流速等)，對(duì)CFD 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行篩選，初步識(shí)別出潛在的冰晶結(jié)冰條件。其中，局部溫度既包含熱表面溫度，也包含氣體溫度，二者共同決定冰晶的融化與再結(jié)冰。當(dāng)局部氣流流速較低時(shí)，有利于冰晶的沉積與進(jìn)一步融化。通常，冰晶結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生在特定的局部溫度區(qū)間與特定的局部流速區(qū)間范圍內(nèi)。

圖12 識(shí)別潛在冰晶結(jié)冰條件的流程Fig.12 Process of identifying potential ice crystal icing conditions

4.3.3 確定結(jié)冰區(qū)域

圖13[2]展示了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)冰晶結(jié)冰的典型區(qū)域。可看出，潛在的冰晶積聚區(qū)域，主要包含低壓壓氣機(jī)(增壓級(jí))和高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)。一般而言，針對(duì)典型的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，初步識(shí)別的潛在冰晶結(jié)冰區(qū)域，主要分布在高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向葉片、增壓級(jí)進(jìn)口導(dǎo)向葉片、傳感器以及其他流道內(nèi)容易積聚冰晶的位置。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型及工作情況開展進(jìn)一步分析，對(duì)初步識(shí)別的潛在冰晶結(jié)冰區(qū)域進(jìn)行排除。如GEnx-2B 的可調(diào)放氣活門(VBV)可在結(jié)冰條件下不斷開閉作動(dòng)，考慮到VBV 活門不斷開合有利于將核心機(jī)流道中的冰晶排出至外涵，因此該活門附近基本不會(huì)發(fā)生冰晶結(jié)冰現(xiàn)象。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部典型冰晶結(jié)冰區(qū)域Fig.13 Typical ice crystal icing area inside the engine

4.3.4 防冰設(shè)計(jì)考慮

處于冰晶結(jié)冰環(huán)境下，飛機(jī)總溫傳感器可能會(huì)因結(jié)冰而反饋錯(cuò)誤的溫度信號(hào)。已有利用飛機(jī)總溫傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度傳感器，探測冰晶結(jié)冰環(huán)境的相關(guān)研究[23-24]。此外，也可借助發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口溫度傳感器進(jìn)行判定，當(dāng)壓氣機(jī)出口溫度出現(xiàn)大幅降低且持續(xù)一定時(shí)長時(shí)，可以判定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了冰晶結(jié)冰環(huán)境。

除了提高冰晶結(jié)冰環(huán)境的探測能力外，還可以從防冰設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采取一系列預(yù)防措施。如利用VBV 活門作動(dòng)、增大高壓壓氣機(jī)葉片前緣厚度等。VBV 活門持續(xù)性開閉有助于將上游的冰晶排出發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)，起到保護(hù)下游零部件的目的。增大高壓壓氣機(jī)葉片前緣厚度可以更好地抵御冰脫落后的撞擊損傷，提高應(yīng)對(duì)冰晶結(jié)冰的能力。

4.3.5 性能影響分析

冰晶結(jié)冰后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，主要表現(xiàn)為失速、喘振、熄火等。確定結(jié)冰區(qū)域后，使用校驗(yàn)過的CFD 分析工具，對(duì)結(jié)冰區(qū)域的結(jié)冰冰形進(jìn)行評(píng)估。如無法精確預(yù)測，可采用對(duì)冰形結(jié)果適當(dāng)放大的處理方式。確定結(jié)冰冰形后，使用CFD 分析工具，評(píng)估結(jié)冰對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失速、喘振裕度、熄火裕度的影響。分析過程中應(yīng)格外關(guān)注慢車下降工況，根據(jù)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)AD 情況，此狀態(tài)下容易出現(xiàn)結(jié)冰導(dǎo)致的熄火裕度降低，甚至空停事件。因此，需開展專門分析以評(píng)估慢車下降過程中熄火的可能性，并根據(jù)分析結(jié)果，采取相應(yīng)的保證措施。

4.3.6 脫冰影響分析

脫冰對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響包括熄火、損傷等。根據(jù)所確定的結(jié)冰區(qū)域，估算每個(gè)區(qū)域的結(jié)冰總量及對(duì)應(yīng)的脫冰冰塊質(zhì)量。該過程中可采用仿真或其他手段(如采用上游流道中可通過的最大冰塊)，對(duì)脫冰冰塊質(zhì)量進(jìn)行放大處理。

針對(duì)損傷評(píng)估，首先使用驗(yàn)證過的CFD 仿真工具，計(jì)算冰塊脫落后的運(yùn)動(dòng)軌跡及撞擊位置，再利用驗(yàn)證過的損傷分析工具，評(píng)估冰塊撞擊的損傷。開展損傷評(píng)估時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片，并選取冰塊撞擊導(dǎo)致的葉片應(yīng)變與變形量作為評(píng)估參數(shù)。損傷計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行包線(對(duì)應(yīng)不同海拔高度與飛行馬赫數(shù))，以篩選導(dǎo)致潛在積冰的運(yùn)行條件，舍棄無潛在積冰可能性的條件。評(píng)估撞擊損傷時(shí)，應(yīng)考慮壓氣機(jī)不同工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速與冰塊的不同尺寸、撞擊姿勢(shì)的最差組合。

針對(duì)熄火評(píng)估，可利用吸冰試驗(yàn)或吸雨吸雹試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行類比分析，以評(píng)估脫冰冰量對(duì)燃燒室熄火裕度的影響。通常，因脫冰導(dǎo)致熄火的情況，需同時(shí)滿足兩個(gè)條件：脫冰速度足夠快，脫冰范圍足夠大(如360°全方位同時(shí)脫冰)。熄火評(píng)估應(yīng)涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行包線，重點(diǎn)關(guān)注巡航階段與慢車下降階段，這兩個(gè)階段更容易發(fā)生冰晶結(jié)冰。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)冰晶存在環(huán)境及對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的危害性進(jìn)行了研究總結(jié)，并結(jié)合美國、歐洲與國內(nèi)適航規(guī)章要求及已發(fā)布的適航指令，提出了冰晶結(jié)冰適航審定的關(guān)注要點(diǎn)。通過對(duì)當(dāng)前冰晶結(jié)冰計(jì)算模擬及地面試驗(yàn)現(xiàn)狀的總結(jié)，提出了一種表明航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰符合性的方法，可對(duì)當(dāng)前國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰適航審定工作提供指導(dǎo)。但由于國內(nèi)缺少相關(guān)基礎(chǔ)研究，仍存在以下問題。

5.1 面臨的主要問題

冰晶結(jié)冰理論研究、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究仍處于發(fā)展階段，目前都不夠成熟，面臨的主要問題為：

(1)理論研究方面，冰晶結(jié)冰相關(guān)的動(dòng)力學(xué)研究相對(duì)較多，但熱力學(xué)研究相對(duì)較少，很多基礎(chǔ)性問題尚未得到解決，如冰形特征的定量研究、結(jié)冰過程的熱力學(xué)相似問題[25]等。

(2)數(shù)值模擬方面，冰晶結(jié)冰現(xiàn)象包含冰粒隨氣流運(yùn)動(dòng)、撞擊表面、融化、粘附、再結(jié)冰的復(fù)雜物理過程，且伴隨熱傳遞與相變的發(fā)生，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性較低。

(3)試驗(yàn)研究方面，由于冰晶結(jié)冰設(shè)備的缺乏與局限性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商難以直接通過試驗(yàn)的方式表明符合性，而這也是未來需要長期面臨的問題。

5.2 后續(xù)研究方向

(1)理論與數(shù)值計(jì)算方面，需要進(jìn)一步研究冰晶結(jié)冰的機(jī)理，發(fā)展更精確的冰晶三維建模及隨流場運(yùn)動(dòng)模型，研究針對(duì)冰晶結(jié)冰的熱力學(xué)相似準(zhǔn)則等，以更精確地模擬冰晶結(jié)冰現(xiàn)象。

(2)試驗(yàn)方面，一方面需要進(jìn)一步研究冰晶的發(fā)生裝置，研究混合相測試技術(shù)；另一方面需要考慮到當(dāng)前冰晶試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)段面積較小，無法開展全尺寸試驗(yàn)，應(yīng)重點(diǎn)研究并發(fā)展冰晶結(jié)冰試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則。

(3)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)冰晶結(jié)冰研究，無論理論與數(shù)值方面，還是試驗(yàn)方面，短期內(nèi)都難于取得重大突破。目前大多數(shù)國外取證發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)采用與之前型號(hào)類比分析，或部件試驗(yàn)結(jié)合分析的方法表明符合性。對(duì)于國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)，應(yīng)著重研究基于現(xiàn)有冰晶結(jié)冰設(shè)備與仿真研究的符合性驗(yàn)證技術(shù)。