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NASA开展高空冰晶形成机理及其对航空发动机影响研究

来源:www.cnsspc.com 作者:韦克威科技 时间:2022-08-17 17:53:33 点击:194次

近日,美国宇航局(NASA)的研究团队再次使用其DC-8机载实验室来研究大型雷暴中心的冰晶,以改善喷气发动机的设计并提高飞行安全性。

这项工作是NASA“高冰水含量”(HIWC)研究项目的一部分,该项目之前已经进行两次飞行研究:第一次于2015年在佛罗里达州进行,第二次于2018年在佛罗里达州、加利福尼亚州和夏威夷进行。今年7月,该团队(包括联邦航空管理局(FAA)和日本合作伙伴)使用佛罗里达州杰克逊维尔的塞西尔机场作为行动基地,再次在美国东南海岸和墨西哥湾附近进行飞行活动。

NASA格伦研究中心HIWC项目首席调查员Thomas Ratvasky表示,“这次活动首要任务是在有人为产生气溶胶的地区进行飞行,以了解其对高浓度冰晶发展的影响"。

气溶胶101

气溶胶是大气中的微小颗粒,由各种天然和人为来源产生,人为来源包括化石燃料燃烧、工业排放和农业活动等。这些污染物气溶胶一旦释放到空气中,就会在大气中移动,并最终被带到海洋上空。有理论认为,当其与对流系统相互作用时,可以增加雷暴中冰晶的浓度,但相互作用如何进行仍然未知。

在这些风暴——特别是中等规模对流系统中,会形成高浓度冰晶。当飞机飞过这些区域时,其喷气发动机的功率和性能会下降。HIWC的研究人员一直在收集关于冰晶的形成机理和活动规律,以及对喷气发动机产生影响的数据。通过此次研究气溶胶的额外飞行活动,HIWC正在弥补现有数据的不足,监管机构将利用这些数据来考虑减轻冰晶影响的新安全标准。

冰晶影响发动机及其他传感器

在过去30年中,有170多起关于商业运输喷气机(如客机)在飞过对流区域时发生动力损失和发动机损坏的报告。

因为喷气机飞过冰晶高度集中的区域时,一些冰晶进入了发动机的核心区域。在某些情况下,冰晶会在压缩机等关键部件内形成一层泥水,当发动机的热量转移到这些泥水中时,会导致压缩机中的冰块堆积。当这些冰脱落时,就可能会发生发动机动力损失或损坏。此外,为飞行员收集重要信息的传感器,如空速管等也可能被冰晶阻挡,从而导致驾驶舱内数据错误。

HIWC 的工作正是利用NASA的DC-8飞机,以加州NASA阿姆斯特朗飞行研究中心为基地,飞过有大量冰晶和气溶胶的风暴区域,以了解气溶胶与高浓度冰晶如何相互作用,以及如何对飞机性能产生影响。

飞行实验室

HIWC团队用他们的数据收集仪器和其他技术对NASA的DC-8飞行实验室进行了改装,使机上研究人员能够实时监测环境。

在DC-8的左翼和机头,有测量飞机飞过云层时总水含量的装置,以及一个用于测量较小的云状液滴的探针;飞机右翼装配有能够测量较大冰粒大小和形状的粒子仪器;机头内部是一个改良的天气雷达,NASA弗吉尼亚州兰利研究中心的研究人员使用该雷达探测DC-8飞行路线前方的风暴状况。

为这次飞行活动添加到飞机上的一个新仪器是无源腔气溶胶光谱仪探头,该罐状装置测量空气中气溶胶的数量。该装置由日本名古屋大学提供,配合其他气溶胶仪器,与HIWC合作研究。

飞机右舷有一个进气口,将空气导入机身内,流经一系列仪器,然后再从机身排出。

DC-8飞机内部布置为由监测仪、显示屏和工作站组成的架子,研究人员可以在飞行中坐在旁边查看数据。

每次飞行大约七个小时,以不同的速度和高度飞行数千英里。

飞机典型的飞行过程是以普通客机的飞行高度穿过冰晶区域,然后下降到低于1000英尺(305米)的高度,在气溶胶上升到风暴中并与云和冰晶相互作用之前捕获它们。

高空飞行伙伴关系

研究团队各成员之间密切合作,为HIWC项目提供专业知识和项目资金。

飞行活动之后主要工作是处理数据,并将其传递给FAA和其他机构,如冰晶结冰航空规则制定咨询委员会。

一旦研究完毕,将对相对较新的喷气发动机认证标准进行评估,并可能完全消除因对流系统中的冰晶而导致的动力损失事件。

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