飛機(jī)防除冰方法的總結(jié)與探究

周煜杰

摘要：飛機(jī)防除冰一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)以及安全性驗(yàn)證主要研究課題。從飛機(jī)結(jié)冰的基本原理出發(fā)，綜述了近年來(lái)防除冰系統(tǒng)的研究成果，按條理詳細(xì)總結(jié)了目前應(yīng)用于飛機(jī)的兩大除冰方法和四大防冰方法，同時(shí)在熱氣防冰的基礎(chǔ)上，借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的“氣膜冷卻”技術(shù)，提出一種新的更有效的“氣膜防冰”技術(shù)。飛機(jī)防除冰的相關(guān)梳理與探究對(duì)飛機(jī)的安全運(yùn)行有著重要意義，具有較大的研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰飛行安全;飛機(jī)除冰;飛機(jī)防冰;氣膜防冰

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.099

1引言

自投入運(yùn)行以來(lái)，飛機(jī)結(jié)冰一直是威脅飛行安全的重要因素。當(dāng)飛機(jī)穿行于對(duì)流層時(shí)，會(huì)遇到各種極端氣候，而飛機(jī)的機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)前端以及各個(gè)探測(cè)裝置正完全暴露在這種環(huán)境下，極易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。根據(jù)冰層特性，可將冰層分為毛冰，透明冰和混合冰。據(jù)美國(guó)NTSB官方記載，1978年至今至少有800起飛機(jī)事故或事件與飛機(jī)結(jié)冰有關(guān)，造成了重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此必須要采取有效的防除冰措施對(duì)飛機(jī)加以防護(hù)。

本文從結(jié)冰的原理出發(fā)，主要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的防冰和除冰技術(shù)，著重論述了除冰系統(tǒng)中的氣動(dòng)帶除冰和電脈沖除冰的工作原理和利弊，詳細(xì)介紹了防冰系統(tǒng)中的液體防冰、涂層防冰、電加熱防冰和熱氣防冰。最后在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種新的防冰方式——?dú)饽し辣?，并進(jìn)行了相關(guān)的論述說(shuō)明。

2飛機(jī)除冰方法

對(duì)于飛機(jī)的某些系統(tǒng)部件，當(dāng)結(jié)冰緊急程度不高或處于可控狀態(tài)時(shí)，可以短時(shí)間允許部件表面形成較薄的冰層，并周期性去除，這樣可以降低系統(tǒng)的能量消耗，且機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，除冰效果更佳。下面我將對(duì)主要的兩種除冰方法進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

2.1氣動(dòng)帶除冰法

“氣動(dòng)帶除冰技術(shù)”又稱“膨脹管除冰技術(shù)”，它是將除冰帶安裝在機(jī)翼表面，在飛機(jī)尚無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，膨脹管緊貼在飛機(jī)表面，進(jìn)而減小對(duì)飛機(jī)的影響。當(dāng)飛機(jī)正處結(jié)冰工況時(shí)，高壓氣體快速充入膨脹管，進(jìn)而改變冰層與膨脹管之間的粘附條件，使冰層破碎，脫離管面，在強(qiáng)大的氣流作用下被吹散。通過(guò)如此往復(fù)地使膨脹管充氣而膨脹，卸壓而收縮，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼等部件的除冰。氣動(dòng)帶除冰，盡管這種方法簡(jiǎn)單可靠，節(jié)省能量，但是它會(huì)極大地破壞飛機(jī)原有的氣動(dòng)外形，增加飛機(jī)質(zhì)量，且在飛機(jī)進(jìn)行較高速度飛行時(shí)，需給予極大的壓力輸入才能使得膨脹管克服氣動(dòng)壓力充氣鼓起，因此目前多應(yīng)用于飛行速度較小的螺旋槳飛機(jī)或一些通用飛機(jī)。

2.2電脈沖除冰法

另一種除冰方式便是電脈沖除冰系統(tǒng)。電脈沖除冰系統(tǒng)是在金屬蒙皮下方安裝脈沖線圈，電容器組向線圈瞬時(shí)放電，利用瞬時(shí)放電技術(shù)在金屬蒙皮上形成電磁渦流場(chǎng)，從而產(chǎn)生一個(gè)高峰值、持續(xù)時(shí)間極為短暫的電磁力，該電磁力導(dǎo)致蒙皮快速振動(dòng)并使冰層與蒙皮之間的粘附條件以及冰層自身的粘結(jié)條件發(fā)生改變，最終冰層發(fā)生形變而破裂或者脫落，最后在氣動(dòng)力和慣性力的作用下將殘余的積冰去除。

3飛機(jī)防冰方法

對(duì)于飛機(jī)的某些重要部件，當(dāng)除冰方式不易實(shí)施或難以滿足飛機(jī)的安全性需求時(shí)，一種主動(dòng)的防冰方法得到了重視與應(yīng)用。關(guān)于防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與方法的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展了大量的工作。國(guó)外起步得比較早，在上世紀(jì)二十年代，國(guó)外便開(kāi)展了結(jié)冰機(jī)理、飛機(jī)遭遇結(jié)冰時(shí)的特殊氣候條件以及飛機(jī)各個(gè)部位的結(jié)冰情況的研究，為飛機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很好的參考與指導(dǎo)。目前應(yīng)用較多的防冰方式有液體防冰、電加熱防冰、熱氣防冰、涂層防冰。

3.1液體防冰

液體防冰方法主要是將一些冰點(diǎn)很低的防冰液，如乙烯乙二醇、乙醇類等經(jīng)液體分配器均勻輸送至防冰表面上。在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，防冰液會(huì)與附著在機(jī)身上或大氣中的過(guò)冷水滴混合，使混合液的凝固點(diǎn)大大降低，從而達(dá)到防冰的目的。雖然液體防冰具有設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)單，短期效果顯著的特點(diǎn)，但液體要求高、用量大、較易堵塞，目前主要用于帶保護(hù)面積較小的螺旋槳、尾翼、雷達(dá)罩和風(fēng)擋玻璃的等部件的防冰。

3.2涂層防冰

隨著材料工藝的發(fā)展進(jìn)步，一些模仿荷葉表面的疏水介質(zhì)的涂層種類越來(lái)越豐富。自然界中，水在荷葉上基本以圓水珠的形式存在，與荷葉表面的接觸面積很小，且在微風(fēng)的吹動(dòng)下易從葉片表面滑落，幾乎不留一絲痕跡。這是由于荷葉存在一個(gè)特殊的表面層，具有極強(qiáng)的疏水特性，而水的表面張力又比較大，因此水附著在荷葉表面時(shí)，接觸面積很小，接觸角很大，只能在表面以較小的體積保持著不穩(wěn)定的平衡。而粘性涂層防冰正是借鑒了這一特點(diǎn)，通過(guò)在防冰表面附著一種疏水涂層，使大氣中的過(guò)冷水滴難以附著凝結(jié)，即使附著上了，也很容易在來(lái)流的作用下掉落。因此防冰效果很好，可用于大面積的防冰區(qū)域。但是目前技術(shù)還不夠成熟，成本較高，且在反復(fù)使用過(guò)程中會(huì)因磨損導(dǎo)致性能下降。

3.3電加熱防冰

電加熱防冰是將電能轉(zhuǎn)化為熱能從而起到防冰作用的熱力防冰技術(shù)，通常有連續(xù)式和斷續(xù)周期式加熱兩種方式。如果加熱元件都采取連續(xù)式加熱，會(huì)消耗大量電能，故通常采用周期式加熱。通過(guò)間斷提供電熱能，使部件外表面的冰層易受熱破碎被來(lái)流帶走。常用的電加熱防冰裝置為防護(hù)表面敷設(shè)的長(zhǎng)條，可連續(xù)或周期性地對(duì)防護(hù)表面進(jìn)行加熱。但目前由于電加熱防冰耗電量較大，熱功率不足，普遍用在防冰指標(biāo)嚴(yán)苛，防冰規(guī)模較小的區(qū)域，如空速管、迎角探測(cè)器、大氣總溫探頭、雷達(dá)天線等探測(cè)器。

3.4熱氣防冰

熱氣防冰是目前應(yīng)用最為廣泛的一種防冰方式，主要通過(guò)高溫氣體對(duì)結(jié)構(gòu)壁面的加熱達(dá)到防冰目的?，F(xiàn)代大型飛機(jī)的機(jī)翼前緣和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道都利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣防冰。一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支板距離熱氣源很近，引源比較方便;另一方面，熱氣防冰可靠且效果好。防冰熱氣主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的低壓段或高壓段。國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐方面采用比較多的還是空腔式熱沖擊導(dǎo)熱防冰。

圖1所示為機(jī)翼的熱氣防冰示意圖。從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣，經(jīng)過(guò)溫度和壓力的調(diào)節(jié)后，通過(guò)管路被引入到機(jī)翼前緣的多孔管道內(nèi)，由噴氣管上的孔將熱氣噴射到內(nèi)表面，使得熱氣緊貼內(nèi)表面并均勻加熱，通過(guò)對(duì)流換熱，飛機(jī)縫翼和大翼前緣的內(nèi)表面溫度升高，在內(nèi)外壁面的溫差驅(qū)導(dǎo)下，熱量從內(nèi)表面?zhèn)鬟f到外表面，使外表面升溫從而達(dá)到防冰目的。最終換熱后的較冷氣體從縫翼底部的孔排出機(jī)外。

4新型防冰方法——“氣膜加熱防冰”

總結(jié)以上防除冰方法，雖然目前這些方法已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，并且在一些領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。但是人們對(duì)于效率以及經(jīng)濟(jì)性的追求永不止步。本文借鑒前人在渦輪葉片中“氣膜冷卻”的思路，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)翼等其他“腔式防冰結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”提出“氣膜加熱防冰”方式取代直接“熱氣防冰”方式，提高防除冰的效率。

雖然“氣膜冷卻”在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冷卻中已得到了廣泛應(yīng)用，但是“氣膜加熱”在防冰領(lǐng)域才剛剛起步。目前，在熱氣防冰方式上，國(guó)內(nèi)外實(shí)踐方面采用較多的還是空腔式熱沖擊導(dǎo)熱防冰，這種防冰方式使得仍具余熱的乏氣直接被排至機(jī)外，造成較大的能量浪費(fèi)。而“氣膜加熱”便可較好地解決這個(gè)問(wèn)題，一方面通過(guò)熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到外表面。另一方面，在外表面形成貼壁射流，起著重要的熱保護(hù)作用。

“氣膜加熱”的原理是從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引出高溫高壓氣體，在調(diào)溫調(diào)壓后，通過(guò)管路輸送到機(jī)翼前緣或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處的空腔中。氣體通過(guò)笛形管上的射流孔噴射進(jìn)入防冰腔前腔，熱射流沖擊結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，使得內(nèi)表面溫度升高，在內(nèi)外溫差的驅(qū)動(dòng)下，使外表面溫度上升達(dá)到防冰目的。更為重要的是，為了避免仍具余熱的氣體直接從排氣孔排出造成的能量浪費(fèi)，便在空腔的前端開(kāi)幾個(gè)對(duì)稱的出流孔，使得熱氣向外噴出，在外界冷空氣的壓力和摩擦力作用下向內(nèi)彎曲，使熱乏氣緊貼外壁面，形成具有一定溫度的熱氣膜，該氣膜對(duì)外表面起著兩個(gè)重要的熱保護(hù)作用：其一，可將外壁面同低溫氣體隔離，從而避免進(jìn)行對(duì)流換熱，這是隔冷作用;其二，是在沿程流動(dòng)的過(guò)程中能帶走外表面的一部分水汽和顆粒，并提高表面溫度，進(jìn)而使得過(guò)冷水滴缺少冰核且溫度較高不易結(jié)冰，對(duì)飛機(jī)不能構(gòu)成威脅，這是除冷作用。

5總結(jié)與展望

由于飛機(jī)結(jié)冰涉及到飛機(jī)安全問(wèn)題，其防冰系統(tǒng)研究一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)現(xiàn)階段投入實(shí)踐的除冰和防冰系統(tǒng)的發(fā)展歷程和技術(shù)路線進(jìn)行了回顧，總結(jié)了部分重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵結(jié)論，著重論述了目前應(yīng)用于飛機(jī)的兩大除冰方法和四大防冰方法的研究現(xiàn)狀，通過(guò)借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的“氣膜冷卻”技術(shù)，提出一種新的更有效的“氣膜防冰”技術(shù)。采用氣膜防冰可以有效提高內(nèi)部沖擊換熱效果，提高待防護(hù)前緣的表面溫度。

今后的研究重點(diǎn)是對(duì)這種新型構(gòu)想的驗(yàn)證與再創(chuàng)新，通過(guò)運(yùn)用新構(gòu)想對(duì)此進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，掌握各工作參數(shù)對(duì)氣膜加熱的影響，優(yōu)化氣膜加熱。氣膜加熱也可從待防冰部件內(nèi)外表面有效對(duì)流換熱思考，優(yōu)化管路和內(nèi)流通道結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)此區(qū)域的換熱效率。目前，關(guān)于氣膜加熱的研究還比較少，且防冰效果以及內(nèi)部構(gòu)件影響都需要進(jìn)一步研究和深入理解，以更真實(shí)的模擬氣膜加熱的工作情況，從而更為有效地對(duì)待防冰部件進(jìn)行加熱，最終提升飛機(jī)整體的防冰性能。

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