冰脱落模拟装置和模拟方法与流程

本发明涉及一种属于冰脱落轨迹试验工程技术领域，尤其是涉及冰脱落轨迹试验中将冰块试验件投入试验流场中的冰脱落模拟装置和模拟方法。

背景技术：

在与天气相关的航空器飞行事故中，有15％以上是由结冰引起的。冰的凝结及其对航空器性能的影响已经受到广泛的关注。同时积冰的脱落也对航空器的安全构成威胁。大块冰的撞击能够对航空器部件构成损伤。美国联邦航空局(FAA)发布的结冰相关取证规章要求航空器制造商需要进行飞行测试以确保脱落的冰不会破坏航空器的关键部件。

然而，在自然结冰条件下进行冰脱落飞行测试是一项非常昂贵的试验。因此一直期望在人为条件下进行冰脱落轨迹试验以节约成本。目前对冰脱落的研究比较有限，对冰脱落后发生的事件的模拟也是近年才陆陆续续开展起来的。因此，发展一套能支撑航空器适航取证的冰脱落计算分析工具就具有广阔的前景。

由于冰脱落轨迹试验数据的缺乏，在发展冰脱落计算分析工具的过程中，一项重要的工作就是通过试验来验证工具的精度、可靠性及适应范围。这里，怎样模拟冰脱落事件的随机性是冰脱落轨迹试验待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种冰脱落模拟装置和模拟方法，能够尽可能地模拟冰脱落事件的随机性。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种冰脱落模拟装置，包括外套筒、内套筒和动力组件。外套筒具有第一段、第二段和第三段，该第一段可旋转地结合于该第二段的前端，第三段位于第二段的后端，其中该第一段内部用于容纳冰块试验件且设有多个贯穿该第一段侧壁的姿态调节孔，该多个姿态调节孔允许调节元件从该第一段外部至少部分伸入该第一段内部且保持这一伸入状态；内套筒设于该第二段内部，该内套筒的前端具有面向该第一段的撞击块，该内套筒能够在动力推动下向前推进，以该撞击块撞击位于该第一段内部的冰块试验件；动力组件结合于该第三段，能够向该内套筒提供该动力。

在本发明的一实施例中，该动力组件包括手柄和弹力组件。该手柄连接于该第三段的外周面，该第三段具有一扳机孔，该手柄具有一扳机，该扳机具有一扳机档位勾，该扳机档位勾在一上档状态进入该扳机孔以勾住该内套筒，且在该扳机于一发射状态被操作时退出该扳机孔以释放该内套筒。该弹力组件延伸至该第三段内部，该弹力组件于该上档状态被压缩且该弹力组件前端顶抵于该内套筒，并于该发射状态复位以向前推动该内套筒，并通过撞击块撞击位于该第一段内部的冰块试验件。

在本发明的一实施例中，该内套筒的后端具有延伸至该第三段处的扳机孔的拉杆，该拉杆被向后拉动时带动该内套筒向后移动而压缩该弹力组件。

在本发明的一实施例中，该内套筒具有一个或多个档位孔，该扳机档位勾能够穿过其中一档位孔以勾住该内套筒。

在本发明的一实施例中，该弹力组件包括后挡板、弹簧支撑柱、复位弹簧和紧固件，该弹簧支撑柱穿过该后挡板并通过紧固件锁紧在该后挡板上，该复位弹簧一端套入该弹簧支撑柱，该后挡板紧固于该第三段的后端。

在本发明的一实施例中，该手柄上设有第一弹簧挂钩，该扳机上设有第二弹簧挂钩，该第一弹簧挂钩和该第二弹簧挂钩之间设有扳机弹簧。

在本发明的一实施例中，该第二段的前端设有多个支撑孔，该多个支撑孔允许支撑元件穿入，用于支撑冰块试验件。

在本发明的一实施例中，该第一段的多个该姿态调节孔沿着该第一段的延伸方向以及/或者该第一段的周向分布。

在本发明的一实施例中，该调节元件为螺钉。

在本发明的一实施例中，该第一段和该第二段通过卡槽和卡环的配合结构连接。

在本发明的一实施例中，该第二段分布有从内部贯穿到外部的散气孔。

本发明还提出一种使用上述的冰脱落模拟装置的冰脱落模拟方法，包括以下步骤：将冰块试验件置入该第一段内部；任意地相对该第二段旋转该第一段以任意调节该冰块试验件的角度；使用任意数目个调节元件伸入该第一段内部以任意调节该冰块试验件的姿态；使用该冰脱落模拟装置将该冰块试验件投射进风洞的气流中。

在本发明的一实施例中，以第一试验员操作该冰脱落模拟装置，且以独立于该第一试验员的第二试验员在试验期间的任意时刻向该第一试验员发出弹射命令，以触发将该冰块试验件投射进风洞的气流中的动作。

本发明由于采用以上技术方案，通过冰脱落模拟装置的外套筒的第一段相对于第二段的旋转，以及第一段上多个姿态调节孔的设置，可以将任意形状的冰块试验件以随机的初始状态射出，从而模拟冰脱落事件的随机性。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本发明一实施例的冰脱落模拟装置的结构分解图。

图2是本发明一实施例的冰脱落模拟装置的组装图，该冰脱落模拟装置处于常规状态。

图3是本发明一实施例的外套筒第一段的结构示意图。

图4是本发明一实施例的外套筒第一段调节冰块试验件姿态的示意图。

图5是本发明一实施例的外套筒第一段与第二段配合的结构。

图6是本发明一实施例的弹力组件的结构示意图。

图7A是本发明一实施例的冰脱落模拟装置的组装图，该冰脱落模拟装置处于上档状态。

图7B是本发明一实施例的冰脱落模拟装置的组装图，该冰脱落模拟装置处于发射状态。

图8是本发明一实施例的用于冰脱落轨迹试验的回流式风洞示意图。

具体实施方式

本发明的实施例描述一种冰脱落模拟装置及模拟方法，旨在将任意形状的冰块试验件以随机的初始状态投入试验流场中，模拟冰脱落事件的随机性。

图1是本发明一实施例的冰脱落模拟装置的结构分解图。参考图1所示，本实施例的冰脱落模拟装置100包括外套筒10、内套筒20以及动力组件30。外套筒10为空心套筒，从前到后依次具有第一段11、第二段12和第三段13。第一段11可旋转地结合于第二段12的前端，第三段13位于第二段12的后端。

第一段11与第二段12之间为可拆卸方式。例如参考图5所示，第一段11后端具有卡环112，第二段12前端具有卡槽122，第一段11的卡环112插入第二段的卡槽122，从而二者通过卡环和卡槽的配合结构连接，而且卡环112仍可相对于卡槽122旋转。较佳地，在卡槽122的外圆周设置多个固定孔，供螺丝类物件124穿过这些固定孔对第一段进行固定。

当然，也可以是第一段11后端具有卡槽，第二段12前端具有卡环。

第三段13和第二段12之间可为固定连接方式，甚至是一体成型方式。

第一段11内部用于容纳冰块试验件。第一段11设有多个贯穿其侧壁的姿态调节孔101，这些姿态调节孔101允许调节元件111从第一段外部至少部分伸入第一段内部且保持这一伸入状态。图3是本发明一实施例的外套筒第一段的结构示意图。参考图3所示，这些多个姿态调节孔101沿着第一段11的延伸方向以及/或者第一段11的周向分布。多个姿态调节孔101在第一段11的延伸方向以及第一段11的周向的位置足够多样，可以确保冰块试验件姿态的任意性和随机性。图4是本发明一实施例的外套筒第一段调节冰块试验件姿态的示意图。参考图4所示，若干个调节元件111进入姿态调节孔101，以调节冰块试验件110的姿态。此外，由于第一段11相对于第二段12具有周向自由度，可沿周向自由旋转，可以确保冰块试验件角度的任意性和随机性。

内套筒20设于第二段12内部，内套筒20的前端具有面向第一段11的撞击块21。内套筒20能够在动力推动下向前推进，以撞击块21撞击位于第一段11内部的冰块试验件。可以理解，内套筒20的外径会略小于外套筒10第二段12的内径，保证内套筒20可以在第二段12内滑动。内套筒20的长度比外套筒10的第二段12略长。撞击块21可位于内套筒20上的支撑座23上。支撑座23的外径略小于外套筒第二段12的内径，保证内套筒20可以在外套筒内滑动。在此，撞击块可以根据需要改变构型。

较佳地，第二段12设有从内部贯穿到外部的散气孔201，这保证可以实现完全由内套筒20进行机械弹射，而避免不希望的空气弹射。

在第二段12的前端的周向设有多个均匀分布的支撑孔202。这些支撑孔上可以穿入支撑元件，用于支撑冰块试验件。

整个动力组件30结合于外套筒10的第三段13，能够向内套筒20提供该动力。

在本实施例中，使用弹簧弹力作为动力来推动内套筒20，为此动力组件30包括手柄40和弹力组件50。手柄40连接于第三段13的外周面，手柄40具有一扳机41，其通过扳机固定件47固定在手柄40上。扳机41具有扳机档位勾42。同时，在外套筒10的第三段13具有一扳机孔301，内套筒20具有多个档位孔24。在常规状态，扳机档位勾42进入第三段的扳机孔301，并向前抵住内套筒20的后端。在一上档状态，扳机档位勾42进入第三段的扳机孔301并穿过其中一个档位孔24而勾住内套筒20。在一发射状态，扳机41被操作(扣下)，扳机档位勾42随之退出扳机孔301。

弹力组件50后端位于第三段13外部，主体延伸至第三段13内部。在常规状态，弹力组件50未被压缩或拉伸而处于自由状态。在上档状态，弹力组件50被压缩，此时弹力组件50前端顶抵于内套筒20。在扳机档位勾42退出扳机孔301的发射状态，弹力组件50复位以向前推动内套筒20，并通过撞击块21撞击位于外套筒10的第一段11内部的冰块试验件。

在内套筒20的后端具有延伸至此扳机孔301的拉杆22，此拉杆22可被向后拉动时以带动内套筒20向后移动而压缩弹力组件50。

上述部件的各状态将在后文进一步展开。

图6是本发明一实施例的弹力组件的结构示意图。结合参考图6所示，弹力组件50可包括后挡板51、弹簧支撑柱52、复位弹簧53和紧固件54。弹簧支撑柱52穿过后挡板51并通过紧固件54锁紧在后挡板51上，复位弹簧53一端套入弹簧支撑柱52，后挡板51紧固于外套筒第三段13的后端。在此后档板51的内径与外套筒第三段13外径吻合，保证后挡板可以固定在第三段13上。复位弹簧53的自由长度为外套筒10的第三段和第二段长度之和减去撞击块21的支撑座23的长度。

进一步，手柄40上设有第一弹簧挂钩43，扳机41上设有第二弹簧挂钩44，第一弹簧挂钩43和第二弹簧挂钩44之间设有扳机弹簧45。手柄40上还可设有手柄套46。

在外型上，外套筒10的第一段11和第二段12可具有相同的内外径。第三段13的内外径与第一段11和第二段12不同，通过圆弧过渡到第二段12。

在本发明的实施例中，用于穿入支撑孔202的支撑元件，以及用于穿入姿态调节孔101的调节元件111均可为螺钉或者具有类似功能的元件。

在安装时，首先将内套筒20从外套筒21第二段12的前端套入，然后将支撑元件等距插入冰块试验件的支撑孔202内。接着安装内套筒20上的拉杆22。接着将复位弹簧53的弹簧支撑柱52穿过后挡板51并通过紧固件54锁紧，并将复位弹簧53一端套入弹簧支撑柱52，另一端穿入外套筒的第三段13，再将后挡板51紧固于外套筒20的尾端；接着将外套筒10的第一段11插入外套筒第二段12前端的卡槽中，并且保证第一段11能沿周向自由转动。接着把扳机弹簧45一端套入手柄40上的第一弹簧挂钩43，然后安装手柄套46，同时将扳机41固定于手柄套46上并将扳机弹簧45另一端套入扳机上的第二弹簧挂钩44，这时扳机档位勾42位于外套筒第三段13的扳机孔301的位置处，此时冰脱落模拟装置处于常规状态。

如果向后拉动内套筒20的拉杆，内套筒20会向后(图中左侧)移动，内套筒20上的其中一个档位孔24位于扳机孔301位置，那么扳机档位勾42将进入档位孔24而卡住内套筒20，这时复位弹簧53被压缩，如图7A所示，这是冰脱落模拟装置100发射前的上档状态。

在发射时，把冰块试验件110放入第一段11，然后姿态调节孔101中穿入调节元件来调整冰块试验件的姿态，同时沿周向转动外套筒的第一段11调整冰块试验件的姿态，调整后拧紧外套筒的第一段12上的螺钉类物件124以固定第一段11。当扣动扳机时，扳机档位勾42将与档位孔24脱离，复位弹簧53将推动内套筒20，最后通过内套筒20上的撞击块21将冰块试验件投射出去，如图7B所示，冰脱落模拟装置100处于发射状态。在冰块试验件的调节上，可以任意地相对第二段12旋转第一段11以任意调节冰块试验件的角度；并且使用任意数目个调节元件伸入第一段11内部以任意调节冰块试验件的姿态；然后使用冰脱落模拟装置100将冰块试验件投射进风洞的气流中，进行冰脱落轨迹试验。

冰脱落轨迹试验在回流式风洞试验段中进行，如图8所示。回流式风洞200中设有高速CCD相机210、流场照明灯220、隔离铁丝网230和240、风洞风扇250、以及整流格栅260。201位置为冰块试验件的弹射位置。

首先，设置冰脱落模拟装置100的档位。然后，将冰块试验件放入冰脱落模拟装置100的外空心套筒第一段，并调节冰块试验件的姿态。

整个试验可以有N(N≥2)位人员参与，每次试验任意选择一名试验员A进行冰脱落装置100的安装和设置(包括复位弹簧的选择、档位的设定和冰块试验件姿态角的调节等)。然后将冰脱落装置100交予另外任意一名试验员B。在试验任意一时间点，由试验员B手持装置站在弹射位置201附近的任意位置，头背对弹射装置，任意的挥动手中的装置并等待独立于试验员B的试验员C(试验员C和试验员A可以是同一个人或者不同的人)的弹射命令。试验员C在不看见试验员B的情况下，在试验期间任意时刻发出弹射命令，听到弹射命令的同时试验员B按下扳机将冰块试验件投射进风洞的匀质气流中，进而实现冰块试验件初始状态的随机性，模拟冰脱落事件的随机性。通过高速CCD相机210，记录冰块试验件的运行轨迹及其在流场下游某位置处的落点。在试验中为保证冰块试验件不会进入风洞动力段对风洞风扇及洞体造成损坏，将在风洞试验段下游指定位置处设置隔离钢丝网230和240，并通过隔离钢丝网230和240对冰块试验件进行回收。最后，试验员处理冰轨迹数据。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。