大型飛機(jī)短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)概述

范紹強(qiáng)

摘 要：飛機(jī)結(jié)冰是飛行安全的重大隱患。本文在介紹目前的防/除冰現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，分析了典型飛機(jī)的短艙進(jìn)氣道防除冰系統(tǒng)架構(gòu)，可作大型飛機(jī)短艙進(jìn)氣道防除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：大型飛機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī)短艙;防冰系統(tǒng)

飛機(jī)積冰是飛機(jī)在積冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的液態(tài)水在部件表面凍結(jié)并積聚成冰的物理過(guò)程。結(jié)冰不僅增加飛機(jī)重量，而且破壞了飛機(jī)的氣動(dòng)外形;發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)引氣不足，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，引致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振甚至熄火，同時(shí)脫落的積冰可能會(huì)流入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)造成事故。研究發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道防除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有重要意義。

1 防除冰技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)結(jié)冰防護(hù)所采用能量方式的不同，當(dāng)前流行的飛機(jī)防除冰技術(shù)主要包含液體防除冰技術(shù)、機(jī)械防除冰技術(shù)和熱防除冰技術(shù)。

1.1?液體防除冰技術(shù)

向防冰表面噴灑防冰液，防冰液與飛機(jī)部件所收集的水混合后其冰點(diǎn)低于表面溫度，使水不致在表面上結(jié)冰。可用作防冰液的有乙烯乙二醇、異丙醇、乙醇等。防冰液的分配方法主要有通過(guò)微孔金屬板、采用霧化噴嘴和利用離心力（主要針對(duì)直升機(jī)旋翼及螺旋槳）三種。液體防除冰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是消耗功率小，缺點(diǎn)是防冰液裝載量有限，防冰時(shí)間受影響，裝載太多防冰液影響飛機(jī)的有效載重等。

1.2?機(jī)械防除冰技術(shù)

1.2.1?氣動(dòng)套除冰技術(shù)

利用粘貼在飛機(jī)表面的氣動(dòng)套的膨脹管交替充氣和放氣，使得氣動(dòng)套交替的膨脹與收縮，將附著在氣動(dòng)套外表面的冰破碎成小塊且破壞了冰與氣動(dòng)套表面的附著力，然后被氣流吹去。除冰后，膨脹管收縮，以保持一定的氣動(dòng)外形。氣動(dòng)除冰系統(tǒng)的特點(diǎn)是消耗的空氣流量小，對(duì)低速飛機(jī)上實(shí)用性較好。缺點(diǎn)是除冰時(shí)，膨脹管會(huì)凸出蒙皮表面，破壞飛機(jī)原有的氣動(dòng)外形，所以在現(xiàn)代高速飛機(jī)上應(yīng)用較少。

1.2.2?電脈沖除冰技術(shù)

在金屬蒙皮下方安裝脈沖線圈，利用瞬間放電技術(shù)在金屬蒙皮上形成電磁渦流場(chǎng)，從而使蒙皮產(chǎn)生作用時(shí)間極短的脈沖電磁力，使蒙皮快速鼓動(dòng)，從而破除蒙皮表面上的冰層。電脈沖除冰系統(tǒng)質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，除冰效果好，但目前還沒(méi)實(shí)現(xiàn)廣泛的裝機(jī)應(yīng)用，主要在于系統(tǒng)可靠性和高頻振動(dòng)對(duì)蒙皮的疲勞壽命和結(jié)構(gòu)的不利影響等問(wèn)題還沒(méi)得到充分驗(yàn)證。

1.3?熱防除冰技術(shù)

1.3.1?熱氣防冰技術(shù)

熱氣防冰技術(shù)是利用熱空氣加熱飛機(jī)部件的待防護(hù)表面。現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，一般從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)引氣作熱氣源。由于熱空氣加熱蒙皮時(shí)的熱慣性大，周期加熱控制較難，故很少采用周期加熱的方式，而常用連續(xù)加熱的方式。連續(xù)加熱方式多用于待防護(hù)表面面積較大的部件，如機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣等。熱氣防冰系統(tǒng)使用維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠，但熱量利用率較低。

1.3.2?電熱防除冰技術(shù)

電熱防除冰技術(shù)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。電熱防冰系統(tǒng)是加熱部件的待防護(hù)表面，保證其溫度高于水的結(jié)冰溫度，從而保證撞擊到防護(hù)表面上的水不結(jié)冰。電熱除冰技術(shù)是將熱量傳給已經(jīng)結(jié)冰的飛機(jī)表面，讓冰層與飛機(jī)接觸的部分融化以使冰層脫落。對(duì)表面不允許結(jié)冰或加熱耗電功率較小的部件（如風(fēng)擋、空速管等）通常采用防冰的方式;對(duì)表面允許少量結(jié)冰或加熱耗電功率較大的部件（如機(jī)翼、尾翼等），通常采用除冰的方式。

2 典型飛機(jī)短艙進(jìn)氣道防除冰系統(tǒng)

對(duì)于大型飛機(jī)，短艙進(jìn)氣道一般采用熱氣防冰系統(tǒng)。

2.1?ARJ21短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)

ARJ短艙防冰系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)中壓五級(jí)引氣口的熱空氣加熱短艙進(jìn)氣道前緣蒙皮，防止其結(jié)冰。原理見(jiàn)下圖1。

每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)端方防冰系統(tǒng)通過(guò)1個(gè)短艙防冰活門控制系統(tǒng)引氣通斷。短艙防冰開(kāi)關(guān)接通時(shí)，熱氣通過(guò)短艙防冰壓力傳感器和防冰管路，進(jìn)入前緣笛形管，通過(guò)笛形管交錯(cuò)分布的三排引射孔噴射到進(jìn)氣道前緣防冰腔進(jìn)行加熱防冰。

短艙防冰活門為電控氣動(dòng)關(guān)斷活門，采用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)導(dǎo)管的一路引氣進(jìn)行活門作動(dòng)。短艙防冰活門具有開(kāi)關(guān)位置信號(hào)指示功能，故障（斷電或發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)導(dǎo)管壓力低）時(shí)自動(dòng)打到開(kāi)位。短艙防冰壓力傳感器用來(lái)檢測(cè)管內(nèi)壓力，以監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。防冰供氣導(dǎo)管采用雙層套管結(jié)構(gòu)，防止供氣管爆破，管路上設(shè)有防冰泄漏彈出指示器，檢測(cè)內(nèi)外層導(dǎo)管之間的壓力。如果內(nèi)層管破裂，彈出指示器的紅色內(nèi)芯向外彈出。

2.2?A320短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)

A320短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)同樣采用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的熱空氣加熱短艙進(jìn)氣道前緣蒙皮，防止其結(jié)冰。但在系統(tǒng)構(gòu)成上存在兩種不同構(gòu)型，見(jiàn)下圖2。

其中一種構(gòu)型由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰活門、管道和一個(gè)渦旋式噴嘴組成，引自于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓第五級(jí)壓氣機(jī)的引氣為熱力源。另一種構(gòu)型由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰活門、管道、文氏管和笛形管組成，引自于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓第七級(jí)壓氣機(jī)的引氣為熱力源。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰活門為電控氣動(dòng)關(guān)斷活門，采用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)第九級(jí)壓氣機(jī)引氣口的一路引氣進(jìn)行活門作動(dòng)。活門具有開(kāi)關(guān)位置信號(hào)指示功能。發(fā)動(dòng)機(jī)不工作狀態(tài)下（沒(méi)有氣時(shí)）活門自動(dòng)打到關(guān)位。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，當(dāng)供電失效時(shí)，活門打到開(kāi)位。

2.3?B737短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)

B737短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)同樣采用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的熱空氣加熱短艙進(jìn)氣道前緣蒙皮，防止其結(jié)冰。原理見(jiàn)下圖3。

B737短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)采用電控氣動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)關(guān)斷活門控制系統(tǒng)引氣通斷并調(diào)節(jié)活門出口壓力。活門后有空氣膜片式壓力開(kāi)關(guān)監(jiān)控管路壓力，當(dāng)超過(guò)指示壓力時(shí)時(shí)給出超壓（接通）信號(hào)。經(jīng)防冰后的氣體通過(guò)防冰區(qū)域下部的排氣口排到機(jī)外。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上三個(gè)國(guó)內(nèi)外典型的大型飛機(jī)來(lái)看，短艙進(jìn)氣道大多采用熱氣防冰系統(tǒng)，主要原因在于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口一般不允許存在積冰外，還由于熱氣防冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣，管路較短，溫降和壓降損失較小。從系統(tǒng)架構(gòu)上看，主要由防冰活門、管路和熱氣分配機(jī)構(gòu)（笛形管或渦旋噴嘴）等組成。部分飛機(jī)根據(jù)安全性要求等設(shè)置了壓力監(jiān)控，為防止管路破裂時(shí)引氣流量過(guò)大而設(shè)置了文氏管、泄漏指示等。在進(jìn)行大型飛機(jī)短艙進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的熱氣能源供給能力、安全性要求等具體情況，選擇合適的架構(gòu)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]林貴平等.飛機(jī)結(jié)冰與防冰技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.1.

[2]常士楠.?大型飛機(jī)的防/除冰問(wèn)題.?中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007?年學(xué)術(shù)年會(huì)，?機(jī)載、航電專題89.

（作者單位：珠海通用航空研發(fā)制造基地，廣東?珠海?519040）