美国麦金利环境实验室介绍

1麦金利气候实验室一、建设背景为确保飞机能够适应全球的多种气候环境，比如澳大利亚内陆的极热气候、北极圈国家加拿大和挪威的极寒气候以及各种恶劣天气状况，美国研制的所有飞机，包括民航客机，都在麦金利气候实验室进行气候环境适应性测试。第二次世界大战爆发后，交战各国逐渐意识到气候环境对武器装备可靠性的影响，开始探索研究气候环境的途径。在这方面，美国走在其他国家的前面。1943年9月，美国率先对低温试验项目进行立项，政府拨款550万美元用于实验室建造。1944年5月，麦金利气候实验室建造完工，位于佛罗里达州埃格林空军基地。随后，美国空军所属的B-29、P51、P38等飞机和P5D直升机，相继在麦金利实验室进行测试，获得巨大成功。目前，麦金利气候实验室主要有三种功能，即武器装备“考核”功能、环境武器测试功能和特种部队训练功能。二、建设依据标准GJB150A—009《军用装备实验室环境试验方法》、美军标MIL-STD-810G《环境工程考虑和实验室试验》、英军标DEFSTAN00-35《防务装备环境手册第三部分环境测试方法》、北约标准AECPT300《气候环境试验》等国内外四部与飞机气候环境试验相关的标准规范。其中前三部为装备环境试验，不仅包含气候环境试验，还包括机械环境与生物化学环境等试验。这几部标准对于试验项目的分类与项目的细分程度不一致，下面将其关于气候环境试验的项目进行了总结概括。2综上所述，通过剔除化学生物试验、不适用于飞机的项目、互相借鉴以及合并部分项目，从标准中得到的飞机气候环境试验项目为：高温试验、低温试验、太阳辐照试验、相对湿度试验（包含冻融试验）、淋雨试验、冻雨/结冰试验、降雪试验、降雾试验、低气压试验、温度冲击试验、砂尘试验等，共11项。三、实验室介绍1、主实验室MainChamber(MC):主试验室的大小为3,280,000英尺3(9.3x104米3)。室内尺寸是:宽25英尺(76米),深201英尺(61米),中心高70英寸(21米),还有6Ox85英尺(18x26米)的附加面积。在该试验室中可产生下列专门环境条件:每小时15英寸(38厘米的降雨量、每小时10英里速度的风、雪、太阳辐射、10-95%的湿度、雨淞、飞行中的各种积冰现象、以及从-65oF到+165oF(-54℃到+74℃)的高低温。试件的尺寸有大有小,大至C-5A型银河式飞机已在室内作过试验。主试验室中可实现+165oF到-65oF之间的任意温度。在外界温度以下,主试验室用三台大型制冷机控制,每台各有高、低两级离心式压气机,分别由1,250马力和l,00马力电动机带动。总制冷能力为12,00吨，70oF(+21℃)。靠这种制冷能力,可在24小时内把主试验室温度从外界温度降低到-65oF。外界温度以上用两台水管锅炉控制,每台额定率为每小时25,000磅蒸汽。从外界温度到165oF的最大加热约8小时。3湿度控制的办法是用新汽增加湿度,或者用降低制冷螺管的温度来降低露点。这使得湿度控制在+35oF(+2℃)和+125oF(+52℃)之间为10~95%。超过125oF,空气中的蒸汽压力限制为100毫米水银柱。主试验室的另一个特点是空气补偿系统。它使得发动机在-65oF和+165oF之间能短时间运转。空气补偿系统接入一个700马力的电动鼓风机,鼓风机通过三组螺管(蒸汽/加热、一级冷却和二级冷却)抽入外边空气。这些螺管与输入主试验室或者发动机试验室的螺管排出空气相联接。螺管排出气体的温度控制方法如下:对于高温补偿，调节进入加热螺管的蒸汽量,对于低温，调节一级和二级冷却螺管的制冷剂量和温度。制冷剂靠制冷系统通过热交换器进行调节,并贮存在几个大的隔热贮箱内,然后才能冷却外面输给试验面积的补偿空气。一级致冷剂(110,000加仑的20%氯化钙)调节到+24oF(-4.4℃),二级致冷剂(160,00加仑的二氯甲烷)调节到-97oF(-72℃)。系统空气补偿能力的某些例子如下:450磅(质量)/秒的-65oF(-54℃)空气持续40分钟450磅(质量)/秒的-45oF(-43℃)空气持续60分钟135磅(质量)/秒的+40oF(十4.4℃)空气持续任意时间当所要求的补偿空气的温度逐渐接近外界温度时,空气补偿的持续时间随之而增加。当耗尽后,在完成另一次全过程试验之前,再冷却需要最少18小时。在主试验室中也可模拟降雨,从每小时0.25英寸(6毫米)的蒙蒙细雨到每小时15英寸(38厘米)的热带倾盆大雨。由于降雨构架在结构上是按标准尺寸制造的,所以可以在6,000英尺2(577米2)面积上对任何形状的试件作淋雨试验。在降雨的同时,还可在试件的选定部段产生高速风,以模拟暴风雨条件。试验室也能产生雨淞条件,雨淞试验通常是在每小时1~2英寸(2.5~5厘米)低降雨量时进行的,同时试验室温度约为24oF(-4.4℃),这就导致每小时有0.25英寸的积冰。因为该试验也是使用的降雨构架,所以可在6,000英尺2面积上产生雨淞。在气候实验室中模拟的飞行中的结冰条件有三种:霜淞、雨冰和明冰。霜淞积冰发生在飞机通过过冷水云,同时周围空气温度在-20oF(-29℃)和0oF(-18℃)之间的情况下。过冷水滴一撞上即结冰并隔开空气,最后呈不透明的软冰结构。在气候实验室中这些条件的模拟是用风机把过冷水云驱向试件。云中4的液体水含量从0.1到0.5克/米3,其微粒的平均直径为40微米。液体水含量和其微粒直径是用实验室的激光粒子尺寸分析仪测量的。雨冰试验的条件稍有不同,其不同点是周围空气的温度在0oF与10oF(-12℃)之间,而液体水的含量从0.4~0.8克/米3。这些条件使得过冷水滴撞上时在结冰前有轻微流失。因而包住的空气较少,冰较透亮但却较坚固。明冰的试验条件与雨淞基本上相同,试验室温度在15oF(-9℃)和25oF(-4℃)之何,液体水含量高,因而使大量水流走。明冰的延展性很小,并在点载荷下破碎。在实验室中做的大多数飞行中的结冰试验是霜淞和雨冰,由于这两种条件下的冰有些可压缩性,所以会引起下面一些问题:影响起落架门的打开和襟翼的活动,使发动机失去平衡或者当冰从压气机叶片上脱落下来时发生危险。2、发动机和部件试验室EquipmentTestChamber(ETC):发动机和部件试验室主要是用于环境鉴定试验和涡轮喷气发动机的内部冰试验。试验室备有和主试验室一样的加热、制冷和空气补偿系统。由于其尺寸较小,130英尺(40米)长,30英尺(9米)宽,25英尺(8米）高,所以其高低温的范围也较大,从-103oF到+167oF(-75℃到+75℃),其最大冷却速率为从+68oF到-76oF(+20℃到-60℃、需要七个半小时。常备的仪表有记录温度(从-103oF到+300oF）的设备和一个振动指示系统3、太阳、风、雨、砂尘试验室Sun,Wind,RainandDust(SWRD)Chamber该试验室是根据MIL一STD一81OC的标准雨、太阳辐射和灰尘试验而设计的。降雨量为在整个50×50英尺(15×15米)的地面上由每小时1英寸(2.5厘米)到12英寸(30厘米)。从三个方向每小时达40英里的风可与雨或沙尘作联合试验。4、其他试验室54×10英尺(16×3米)的盐雾室;SaltFog(SF)Chamber14×10×8英尺(4×3×2米)的高度室,AltitudeChamber:22×36英尺(7×11米)的全温度室;五个12×12×9英尺(4×4×3米)的温度-湿度室四、麦金利实验室开展的试验项目分析5从目前掌握的资料来看，麦金利气候实验室可以进行的气候环境试验项目有：高温、低温、湿热、淋雨、降雪、太阳辐照、旋风结冰、砂尘、冻云、海洋气候、沙漠气候、雷电等30多个项目的试验。麦金利气候实验室的试验设施及试验能力见表：从环境室尺寸来看，只有主环境室可以容纳正常尺寸的军用飞机。因此，麦金利实验室可以进行的军用飞机全机气候试验项目共11项，分别为：低温、高温、相对湿度、太阳辐照、结冰冻雨、冻云、旋风结冰、淋雨、吹风、降雪、降雾等。另外，主环境室还具备发动机补气能力，飞机在主环境室进行试验时可以打开发动机。五、麦金利第四代战机气候环境试验项目从成立至今，麦金利实验室进行了大量的飞机气候环境试验，在此简要介绍。美军第四代战机F-22和F-35所进行过的气候试验项目。图a为它们在麦金利试验室进行试验的照片。F/A-22猛禽04号机于2002年5月底飞抵麦金利气候实验室，飞机到达后立即准备试验，开始了为期3个多月的气候试验。在这期间F/A-22经历了冷冻、高温、大雨冲洗、雪封、风吹、雾罩和湿化等严酷考验，具体试验项目见下表。图b中F-35B“闪电II”BF-05架机于2014年9月底抵达麦金利气候实验室，开始长达6个月的气候试验。在这6个月的试验期间，飞机经受了高达48.8℃的高温、低至－40℃的低温、结冰、暴风雨和高湿度等环境，具体试验项目见下表。在F-35B所有试验项目中，最受关注的是结冰试验，F-35和大多数战术飞机一样，只具备有限的除冰能力。不像民航客机或者运输机那样在机翼前缘有可充气的通道或者有加热层，战术飞机没有这些。它的主要6除冰方式是在发动机进气口引入热气来阻止结冰，而翼面结冰会极大影响飞机气动特性和升力的。六、冰冻实验：用多列商业喷嘴喷出雾状的水,所形成的云用大管轴向风扇向飞机上面吹,来制造冻云。云雾中的激光干涉仪能够在云形成时实时显示适当的云参数。在整个试验过程中,通过手动调节喷射架上的水流率和压缩空气的压力来使仪器显示的云参数保持在所需要的水平。1、试验设施每一列喷嘴由一个10英尺高、12英尺宽的铝支撑架构成。架上水平支撑着4排与公共的直立面垂直的铜管。每个架子上有3个这样的管状回路:一个用来喷水,一个用压缩空气使水雾化,另一个用来蒸发水汽以防止结冰。每排上留有47个喷嘴的位置,每个架子上共有16个喷嘴。2个这样的喷射架在垂直方向上并列悬挂在一个结构架上,该结构架悬挂于安装在主室天花板铁轨上的移动式起重机上，一般位于冻云中的测试对象前约30到40英尺的地方。用长软管将加压的水和压缩空气输送到实验室内,然后通过一个名为冰冻棚的装有水表和气压计的便携式装置来发送。供给喷射架的水的流速通过手动调节水表来控制,空气的压力通过手动调节气压计来控制。该体系没有自动控制装置，然后通过更加柔软的管子将水和空气从冰冻棚传送到喷射架水汽用软管直接送到喷射架。风机安装的位置比喷射架到飞机的距离远50英尺,以10到20英里每小时的风速将云吹送到飞机处。这个风速是自然产生地面雾的典型风速,且足以将云送到飞机处。在完全被云雾笼罩,靠近测试对象但却不与其发生显著的空气动力学干扰的地方安置一个便携式激光干涉仪。该仪器能够在云形成时实时显示适当的云参数。在整个试验过程中,通过手动调节喷射架上的水流率和压缩空气的压力来使仪器显示的云参数保持在所需要的水平。2、需求转变：(1)通过制作6个重新装配的冰冻架，将人工云的尺寸增加到先前系统的3倍；(2)制造完全覆盖《联邦航空局飞机冰冻认证要求》的附录C中的液态水含量和中值直径的组合条件；(3)实现客户和联邦航空局可以接受的云的稳定性、均匀性和保持时间；(4)在最大的云尺寸上风速增加到34m/s，在此区域的1/6内达到68m/s；(5)整合对喷射水的解电离能力；(6)整合对喷射水和雾化空气的加热控制。3、设施详情喷嘴：选用4种喷嘴。3种1/4J尺寸的喷嘴将覆盖(联邦航空局飞机冰冻认证要求)的附录C中不到一半的条件,一半以上的条件（高液态水含量和低中值直径）通过使用较大尺寸的1/2J的可变帽的喷嘴来实现。（在帽中，变孔不是钻成典型的1/2J，而是只比1/4J的喷嘴稍大一点，标准的1/2J气帽就适用于这种定制的变孔，这种组合与标准的1/4J的喷嘴相比，空气与水的8质量流比率“质量流比率与液滴尺寸成正比”高得多）。空气和水流量：用迭代法研究了喷嘴的选择*喷嘴的数量及所需水和雾化空气的速度的折衷处理方法，这项研究结束后，确定在以34m/s的速度移动的67m2的云中，每分钟需要500