防冰总压/静压探针结构及控制系统设计与应用

熊建军，倪章松，李 昱，赵 照，刘 蓓

(1.中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000;2.四川大学计算机学院四川成都 610065)

结冰风洞主要用于解决飞行器在飞行过程中的结 冰机理和防护问题，保证结冰气象条件下飞行安全，是飞行器研制、结冰适航审定的重要地面试验设备。与其他低速风洞一样，为测量气流与模型之间的相对运动速度，一般都要借助测量气流的压强和温度等参数再通过计算确定。在结冰风洞中，稳定段喷雾架前、后截面安装有总压探针，试验段入口截面安装有多个静压测量孔，试验段上壁面中心安装有皮托管，分别用于测量风洞总压、静压和风速。总压探针、皮托管、静压测量单元安装位置如图1所示[1]。

图1 总压探针、皮托管、静压测量单元安装位置

总压/静压是稳风速闭环控制的反馈参数，也是高度模拟控制的反馈参数，准确测量风洞总压/静压是结冰风洞测控系统的重要技术内容。结冰风洞洞内最低气温至-40℃、空气湿度至100%、最高可模拟高空5 kPa环境气压，风洞内有喷雾系统模拟云雾参数。风洞试验时，一定含量、粒径的过冷液态水滴随气流撞击到总/静压进气口，容易结霜结冰，堵塞测量孔而无法精确测量该点总压/静压，直接影响风洞试验安全稳定运行。无防冰功能的皮托管结冰如图2所示。

图2 无防冰功能皮托管结冰

为满足结冰风洞的使用要求，在狭小空间内设计带温度反馈的防冰总压探针、皮托管和壁面静压测量单元，创新电加热控制策略，解决了结冰堵塞总压/静压进气口问题，实现了风洞总、静压参数准确测量。

1 总压/静压测量应用研究

动力系统是结冰风洞最重要的组成部分，是风洞的心脏，一般采用风扇电机稳转速闭环控制或试验段稳风速闭环控制。采用稳风速闭环控制时，控制系统实时自动采集风洞总压、静压、大气压力、风洞总温等试验环境参数，在稳风速闭环控制器作用下，输出电机转速给定信号，与风扇电机稳转速闭环控制系统组成串级调节。当洞内阻塞度，风洞总温、总压、静压等试验参数变化时，控制系统自动调节风扇电机转速，保持试验段风速稳定在控制精度范围，稳风速控制原理如图3所示。

图3 稳风速控制系统原理框图

其中，试验段风速V与马赫数M、音速a、总压P0、静压PS、干空气比热γ、总温T0、气体常数R的关系如下式所示:式中，干空气的比热值为1.399，R约等于286.763。

同时，结冰风洞配套有罗茨泵和水环泵组成的高度模拟系统，最高模拟20000m高空，环境气压低至5 kPa。高度模拟系统的压力反馈来自静压测量。

根据1952年11月国际民用航空组织通过的大气数据参数模型，气压高度H与静压 Ps的关系如下[2-3]:

H=45383.95-6341.62lnPs，H∈(11000，20000)

因此，结冰风洞总压、静压测量精准度和可靠性直接影响风洞试验安全稳定运行。

2 防冰总压/静压探针设计要求

参照飞机防冰皮托管和风洞防冰总压/静压探针应用环境，结合结冰风洞试验需求，系统设计技术要求如下:

①在各种试验条件下，防冰控制系统运行稳定，自动化程度高，总压、静压进气口不结冰堵塞;

②在总压探针、皮托管、静压测量单元狭窄空间内，优化结构设计与布局，在每个测量单元内嵌入温度传感器，实现电加热温度闭环控制;

③针对电加热温度控制滞后特性，总压探针、皮托管、静压测量单元防冰控制系统具有快速调节特性，温度控制精度以满足防冰效果为依据;

④设计配套皮托管风速测量系统，实时监测试验段风速;

⑤防冰控制系统通过本地/远程切换，可以实现本地触摸屏监控运行，也可远程嵌入风洞运行管理系统监控运行;

⑥本地/远程监控界面实时显示各电加热支路的当前温度、工作电流、电加热功率以及皮托管测量的实时风速。

3 防冰总压/静压测量结构设计

目前，国内外结冰风洞防冰总压/静压结构设计文献少，仅有少量介绍飞机防冰皮托管的文献。飞机皮托管利用金属细管前端的小孔探测来流空气的全压，通过机头两边的静压探头探测机身周围的静压，经过大气数据计算机，解算出马赫数、空速、飞行高度等。由于高空温度低，皮托管又处于迎风位置，皮托管的探头口和内部管道极易结冰。一旦结冰就会改变流体通过的口径，甚至堵塞皮托管，直接影响飞行数据的指示，必须对皮托管进行加热控制。飞机皮托管最小外径为16mm，一般安装在飞机机头迎风部位，与蒙皮连接。防冰皮托管内安装有正温度系数的PTC铠装电阻式加热器，其主要特点是加热器电阻值随温度升高而升高，发热功率随温度升高而逐渐减小至稳定功率300W[4-5]。

与飞机上皮托管工作环境不同，飞机飞行过程中，空速高、散热性能好，加热电源通过开关直接接入加热电阻丝;结冰风洞试验状态复杂，试验条件多变，风洞运行、停车时间不一，总压探针、皮托管管径较飞机上皮托管管径小。如果不考虑风洞运行条件，持续给防冰加热主回路通电，会导致加热器高温熔断而断路。基于以上原因，结冰风洞总压探针、皮托管、静压测量单元结构可以参考飞机皮托管设计，不改变气动外形，优化管内结构和布置，将温度传感器嵌入管头，保证电加热元件绝缘不受损，温度分布均匀，没有加热死区。

3.1 总压探针、皮托管结构设计

根据试验需求，测量流场中某一点的总压时，可在该点放置一根总压管，总压开口端正对气流方向，总压开口端垂直于气流方向的平面，另一端用导管和传感器相连。气流流进总压开口后，因不能再流动而被阻滞，从而感受出管口处的局部总压。总压探针探头为半球形，通过不锈钢支臂和翼型支板伸出洞壁，通过法兰与洞壁连接。探针加热部分材料为黄铜，总压探头前段通过隔板将内部腔体隔开，前部空腔为总压室，开有排水孔排除积水，并通过导管将总压从内部引出。电加热器呈双螺旋状焊接于探针内壁上，采用带铠电加热丝发热，发热芯线为镍铬合金电阻丝，电绝缘层采用矿物氧化镁，铠装层采用不锈钢护套。发热芯线与外部导线连接处采用玻璃烧结方式固定并密封处理，避免连接处断裂，同时防止水汽进入加热器绝缘层使绝缘性能受到影响。温度传感器也预埋进管内总压室附近。总压探针结构设计如图4所示。

皮托管的探头、加热器布置、温度传感器安装与总压探针一致，后部腔体在尾部出口密封作为静压室，在静压室表面开有静压孔，并从密封处引出静压导管。静压孔处的气流会受到头部和后支杆的影响，气流流过半球形头部时，流速增加，静压下降，使得测量到的静压比实静压低，产生负误差。后支杆对气流有减速作用，使静压增高，产生正误差。当静压孔在一定位置时，就可以使头部和后支杆这两种影响相互抵消，较准确地感受出气流的静压。皮托管外径为10mm，静压孔在距离管头80mm处，沿同一截面均匀分布6个静压孔。

图4 总压探针结构设计

3.2 防冰静压测量单元结构设计

在低速风洞中，风洞壁面静压通常在风洞内洞壁表面沿法线方向开一小孔来感受该位置的静压，测压孔直径一般在0.5～2mm范围内，孔深与孔径比值大于2以上，测压孔的轴线与壁面垂直，孔内壁光滑，孔口无毛刺或倒角，孔口附近的物面光滑无凹坑或凸出物，测压孔与风洞内壁面平整无阶差，即可准确测量该点局部静压[6]。

结冰风洞静压测量单元安装在试验段入口截面，在左、右壁面各开两个圆孔用于安装静压测量单元，各静压测量单元输出的静压导管经均压后分别接入测量、控制用静压传感器。静压测量单元由加热体、安装法兰、静压管等组成。加热体采用柱状结构，外部尺寸与洞壁开孔尺寸一致。加热体轴向开多个孔，分别用于安装电热管、测压管、温度传感器等。其中测压孔为通孔，静压管插入其中。静压管一端和洞壁内侧加热体端面整体切割，保证端面平整，测压管内壁光滑，孔口无毛刺或倒角;静压管靠洞壁外侧一端焊接锥度接头，外部静压导管与锥度接头连接。加热丝芯线与外部加热电源导线连接;温度传感器接入温控仪;加热体孔隙填充绝缘层，外部用耐高温胶封堵。加热体外套环状法兰，法兰内径与加热体外径一致，法兰径向设计一定数量的安装螺丝孔，用于调节加热体在法兰内轴向移动，调整加热体端面与内洞壁面平整度，并将法兰与加热体紧固成一体;轴向设计一定数量的安装通孔，孔径与洞壁安装螺钉丝孔一致，用于将法兰和加热体固定在洞壁内。防冰静压测量单元结构设计如图5所示。

图5 静压测量单元结构设计

4 防冰总压/静压测量控制系统设计

根据结冰风洞试验、飞机皮托管飞行试验、仿真计算，皮托管、探针等处于迎风面的总压进气口和支臂处最容易结冰。防冰总压/静压测量控制系统必须重点解决皮托管、总压探针等迎风面的总压进气口和支臂处结冰问题;针对电加热温度控制滞后特性，优化控制策略，提高控制系统快速性，达到温度控制精度。

4.1 防冰控制系统主回路

根据防冰总压/静压测量总体设计要求，考虑同类探针、皮托管、静压测量单元电阻基本一致，为简化控制系统结构，同类电加热对象采用并联方式工作，2个总压测量截面的4支总压探针加热单元分别并联，4支静压测量单元加热单元并联，试验段2支皮托管加热单元并联，控制系统共4个电加热主回路。

防冰控制系统主回路由进线电源、加热电源、断路器、固态继电器、温控仪、控制电源等组成。进线电源根据加热功率、耐压等级可以选择单相或三相交流电源，也可使用直流电源，本系统选用交流进线电源。加热电源用于调节加热电压幅值，输出幅值可调节的加热电压，可以根据系统要求选用程控电源、开关电源等，本系统选用手动调压器。电加热主回路的固态继电器是否导通，受温控仪或运行管理系统输出的PLC控制。温控器根据温度反馈，或运行管理系统综合风洞总温、试验段风速等连锁参数，接通或断开固态继电器的控制电源，控制固态继电器导通与关断，从而控制电加热主回路是否加热。防冰电加热控制系统主回路如图6所示。

4.2 防冰控制系统网络结构

皮托管、总压探针、静压测量单元嵌入的温度传感器采用Pt100铂电阻，铂电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值。为提高测量精度，传感器采用三线制，消除引线电阻的影响。为准确测量每个支路的工作电流，在每个加热支路安装电流隔离变送器，变送器将各支路电流转换为4～20mA后送达分布式采集模块，用于实时采集各支路加热电流。温控仪、分布式采集模块均支持ModbusRTU通信，与控制柜面的一体化触摸屏通信，触摸屏控制程序实时监控各加热支路电流、加热温度，控制系统网络结构如图7所示。触摸屏控制程序采用MCGS组态软件开发，与风洞测控网采用以太网通信，实时传输各加热支路的工作电流、温度反馈、设定温度等数据[7-8]。

图6 防冰电加热控制系统主回路

图7 防冰控制系统网络结构

4.3 皮托管风速测量系统

皮托管输出的总压、静压，经过导管接入差压传感器。差压传感器量程为-250～62.3kPa，输出电流为4～20mA，工作环境温度为-40～+80℃，精度为0.04%。该传感器安装在主试验段上壁面顺气流中心线，共2支，分别测量试验段来流和尾流动压。动压、气压、风洞总温等参数一并输入到动力控制系统PLC的模拟量输入模块，按照沿流线、定常、无粘、不可压条件下伯努利方程，通过计算间接测量试验段实时风速反馈。

4.4 电加热防冰控制设计

为提高控制系统适用性，电加热防冰控制系统大致有3种控制方法，分别为温度闭环调节电压连续控制方法、温度闭环主回路通断控制方法和温度开环风洞运行参数连锁控制方法。3种控制方法都要求设计前准确计算防冰电加热功率，再以此完成加热电源配套和电加热主回路设计，保证加热功率有一定裕度又不至于浪费。温度闭环调节电压连续控制适合便于安装温度传感器的加热对象，温度控制精度高，电加热快速性好，防冰效果好，但要求配套数字可调电源，电源电压连续无极调节，控制系统设计、调试难度较大。温度闭环主回路通断控制调节电加热主回路通断时间调节电加热功率，加热电源采用手动调压器或可调电源，电加热温度有一定波动，控制精度一般。对不便嵌入温度传感器的防冰控制系统，可以采用温度开环风洞运行参数连锁控制。由于没有采用数字可调电源，本系统采用了温度闭环主回路通断控制、温度开环风洞运行参数连锁控制相结合方案，两种控制方式可以任意切换。

为提高温度控制系统的快速性和控制精度，针对温度控制滞后特性，防冰控制系统采用了变结构温度控制策略:根据设定温度与反馈温度差或实时测量的温度变化率，自动调节电加热回路的电加热时间。当防冰控制系统刚投入运行时，温度给定阶跃变化，温度反馈远低于温度设定，电加热回路以最大电压幅值连续工作，保证温度加热的快速性;当温度反馈与温度设定值相差10%以内，电加热防冰控制系统闭环运行，通过控制主回路的固态继电器通断时间，保证电加热温度不超调。为保证防冰控制系统通用性，监控界面预留了温度差、温度变化率设置窗口，可以根据不同加热对象调整变结构控制参数[6-7]。

针对结冰风洞中不便安装温度传感器的电加热对象，可以采用温度开环风洞运行参数连锁控制，同样可以达到较好的防冰效果。采用风洞运行参数连锁控制时，一旦风洞运行参数达到加热条件，动力系统PLC 的I/O模块输出开关量信号，接通+5V电源信号，触发主回路固态继电器导通，电加热主回路通电持续加热。当风洞运行参数没达到加热条件，动力系统PLC 的I/O模块输出开关量信号状态不变，固态继电器关闭，该电加热主回路停止加热。通过调试发现，风洞总温、试验风速等是防冰控制的主要影响参数，在防冰温度控制系统中，将以上参数设置一定的限值，达到加热条件，防冰加热电源接通连续加热;一旦不具备加热条件，防冰加热电源断开。依据风洞调试运行经验，风速、总温值分别设置为10m/s和0℃，仅当试验风速高于设定值且风洞总温低于设定值时，电加热防冰系统连续工作;任一条件不满足，电加热防冰系统停止工作。

5 控制系统调试与运行

在总压探针、皮托管、静压测量孔加工完成后，依次验证了电加热效果，检查温度分布情况。根据皮托管、总压探针红外热成像检测的热成像看，电加热温度分布均匀，尤其在容易结冰区域，没有加热死区。

控制系统安装完成后，先后检查各加热支路线路接线，线路绝缘，测量每个通道的加热电阻，在确认无误后，依次调试防冰控制功能是否达到使用要求。

在结冰风洞现场，由于皮托管安装在试验段上顶面中轴线，试验期间风速高，风速变化较大，散热快，必须保证电加热快速性和较高的温度控制精度，皮托管防冰控制采用温度闭环主回路通断控制策略。对总压探针、静压测量单元，由于安装位置风速较低，结冰风险较小，同时部分总压探针内不便安装温度传感器，总压探针、静压测量单元采用了温度闭环主回路通断控制、温度开环风洞运行参数连锁控制相结合的控制策略。皮托管和静压测量单元电加热测试效果分别如图8、图9所示。

图8 皮托管电加热测试

图9 静压测量单元电加热测试

从图8皮托管电加热测试分析，采用温度闭环主回路通断控制策略时，在试验段风速、加热电压一致的情况下，控制主回路通断时间，初期反馈温度与设定温度基本一致;随着风洞总温逐渐降低，为增加加热量，主回路导通时间延长，最后主回路连续导通;随着散热量增加，在加热量不变的情况下，反馈温度逐渐降低，最后稳定在2℃左右。从应用效果看，只要进气口温度高于0℃就可以达到防冰效果。从图9静压测量单元电加热测试分析，静压测量单元采用了温度开环风洞运行参数连锁控制策略，当风洞总温、试验风速等达到防冰控制条件时，防冰控制系统主回路连续工作，初期反馈温度与设定温度基本一致;随着风洞总温逐渐降低，散热量增加，在加热量不变情况下，反馈温度有所降低，防冰效果较好。

6 结束语

防冰控制系统针对过冷液态水滴容易在结冰风洞内总压、静压测量装置的进气口结冰问题，在狭小空间内设计了带温度反馈的防冰总压探针、皮托管和壁面静压测量单元，研制了电加热防冰控制系统，实现了电加热温度闭环控制;设计配套了皮托管风速测量系统，实时监测试验段风速;防冰控制系统通过本地触摸屏监控/远程嵌入风洞运行管理系统监控运行，实时监控各电加热支路的当前温度、工作电流、电加热功率以及皮托管测量的实时风速。防冰控制系统采用温度闭环主回路通断控制和温度开环风洞运行参数连锁控制相结合控制策略，实现了电加热防冰控制系统快速调节和控制精度要求，解决了总压、静压进气口结冰问题，提高了总压/静压测量的精准度和可靠性，保障了风洞试验安全稳定运行。系统投入运行以来，自动化程度高、工作稳定、防冰效果好，已经应用于结冰风洞各项试验中。