槳葉防/除冰技術簡述

摘?要：首先，介紹了直升機槳葉的結冰條件、影響因素及防/除冰方法，敘述了旋翼防/除冰系統(tǒng)構成、研制及試驗工作;然后，對防/除冰槳葉研制及試驗研究的部分關鍵技術進行了歸納闡述;最后，對現(xiàn)狀進行總結并對未來的研究做出展望。

關鍵詞：直升機;結冰;防/除冰;槳葉研制;試驗研究

槳葉結冰是指直升機槳葉表面聚集冰層的現(xiàn)象。由于旋翼系統(tǒng)槳葉結冰會導致直升機氣動外形的破壞，造成飛行時的劇烈顫動，影響直升機的操縱、安全和飛行品質(zhì)。所以，研究槳葉的結冰機理、防/除冰及試驗驗證技術都對提升直升機的實際飛行能力具有非常重要的意義。

1?理論概述

1.1?槳葉結冰及防/除冰

直升機槳葉的結冰條件，包含連續(xù)最大和間斷最大結冰條件等，其狀態(tài)由液態(tài)水含量（LWC）、水滴平均有效直徑（MVD）、云霧均勻性、環(huán)境溫度、大氣壓力和飛行速度等影響因素共同決定。與常規(guī)認知不同，因為露點溫度的差異，一方面，會造成云霧水滴在-20℃乃至更低環(huán)境溫度下，仍然能夠以液態(tài)水的形式存在;另一方面，也會造成水汽在適宜濕度下，0℃以上環(huán)境溫度時就產(chǎn)生結冰現(xiàn)象。在實際飛行中，槳葉冰層則主要由云中過冷水滴或過冷降雨撞擊槳葉表面凝固形成，其次也可能直接由水汽在槳葉表面凝華而成。現(xiàn)有的防/除冰技術大致有如下幾種類型：①電加熱防/除冰;②氣動防/除冰;③涂層防/除冰;④熱氣防/除冰;⑤微波防/除冰。其中，電加熱防/除冰技術適用于各類冰型，且能夠滿足槳葉表面復雜的防護要求。同時，具備結構易于實現(xiàn)、使用受限時間少、價格低廉等優(yōu)點。所以，在研制國產(chǎn)直升機防/除冰槳葉時，經(jīng)綜合考量后，最終采用了電加熱防/除冰技術展開應用研究。在實際工程應用時，又由于發(fā)動機功率有限，對于需要更多能量的主旋翼防/除冰系統(tǒng)而言，只能采取更為節(jié)能保守的除冰策略。所以，直升機槳葉電加熱防/除冰研究，實際上是對于主槳葉除冰和尾槳葉防冰技術的研究。

1.2?系統(tǒng)構成與試驗研究

直升機槳葉電加熱防/除冰系統(tǒng)主要由防/除冰槳葉（內(nèi)置加熱組件）、溫濕度探測器、結冰指示器、防/除冰控制器、加熱電源、集電器、配電器等部件組成，其中：防/除冰槳葉是系統(tǒng)研制的重中之重。在電加熱防/除冰槳葉研制進程中，需要進行的工作有：①旋翼防/除冰防護范圍研究;②水滴撞擊特性CFD及熱載荷研究;③加熱元件的設計與布置;④加熱組件的復合材料槳葉鋪層;⑤加熱功率分配研究;⑥加熱控制律研究;⑦旋翼結冰探測器研究等。

研制過程中，還需平行開展一些優(yōu)化和驗證性的試驗工作，如：①熱力學試驗;②主/尾槳葉結冰風洞試驗;③干冷及濕冷空氣旋翼塔除冰和尾槳臺防冰試驗;④地面及懸停噴灑塔防/除冰試驗等。其目的在于：①通過多次比對理論計算和試驗數(shù)據(jù)，反復調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)設計，確定槳葉前緣表面結冰范圍、結冰量和結冰形狀，迭代并最終確定各型機的防/除冰加熱功率、控制率和循環(huán)周期等;②通過部件結冰和防/除冰試驗，驗證已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，并驗證優(yōu)化后的系統(tǒng)在設計要求的結冰條件下能夠安全工作;③通過整機地面及懸停防/除冰試驗，驗證防/除冰加熱系統(tǒng)能夠有效地運行而基本不引起振動以及冰的回流，驗證鑒定裝配有電加熱防/除冰系統(tǒng)的直升機能夠適應各種目標飛行氣候。最終，確保直升機防/除冰功能、性能、飛行安全系數(shù)和可靠性達標，并為適航取證做足準備。

2?關鍵技術

根據(jù)新研直升機構型、用途及飛行環(huán)境等，首先，進行旋翼防/除冰防護范圍研究;其次，開展防/除冰形式和結構設計優(yōu)化研究;再次，進行熱載荷、加熱功率分配及控制律設計與試驗研究;最后，通過模擬自然結冰飛行試驗加以驗證。本章即依照以上研制流程，介紹部分關鍵技術研究。

2.1?旋翼槳葉防/除冰范圍計算

旋翼槳葉防/除冰防護范圍由槳葉展向和弦向防護范圍共同決定。由于旋翼系統(tǒng)工作的復雜性，即便研究點處于槳葉同一位置，當轉動至槳盤不同周向位置時，其速度、攻角等參數(shù)也會不盡相同。所以，應在完成槳葉展向防護范圍研究的前提下，沿翼展速度不同的各個截面，以及沿攻角不同的各個周向位置，對翼型進行分析，之后再對槳葉弦向防護范圍進行研究。研究展向防護范圍時，翼尖處研究點的線速度較大，氣動加熱效應也更大。當氣動加熱效應大到一定程度時，即便不加熱，槳葉表面溫度也大于臨界結冰溫度。因此，可通過分析其表面熱流密度及平衡溫度，計算各環(huán)境溫度下極限結冰狀態(tài)（平衡溫度為0℃）的臨界速度，確定槳葉展向翼根到翼尖的結冰防護范圍。研究弦向防護范圍時，需要使用目標擴散追蹤法或歐拉法等計算方法對槳葉多維翼型進行氣流場、水滴軌跡和水滴撞擊特性計算。通過計算求解出水滴撞擊區(qū)，即：槳葉弦向上、下表面結冰防護范圍。同時，上述計算還可為后續(xù)加熱防護功率的研究提供部分參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2?槳葉加熱組件

直升機槳葉電加熱組件由耐腐蝕保護層、加熱元件（材料一般為金屬合金絲、碳纖維等）和隔離層（含絕熱層和絕緣層，厚度2∶1）組成，通常安裝在槳葉前緣包鐵和蒙皮之間厚度約1mm的空間內(nèi)。研制時，不應只關注溫熱性能和防/除冰效果，還應努力提升其力學性能（主要指柔韌度和抗疲勞能力）。并制定合理的結構設計方案，盡可能少地改變原槳葉的結構參數(shù)，確保能夠滿足直升機防/除冰槳葉的動特性和強度要求，達到可靠性高、相容性好、壽命長久等設計目標。所以，其材料組成、編織形式、鋪層方向、網(wǎng)格尺寸、制作工藝、元件數(shù)目等都是研究應關注的重要影響因素。

2.3?電加熱防/除冰系統(tǒng)

防/除冰槳葉電加熱測控系統(tǒng)是直升機槳葉防/除冰試驗的重要組成部分，其功能是驗證多種電加熱控制策略的可行性，并通過試驗建立研究用數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)設計思路是：①以PLC作為核心控制器，集中實現(xiàn)設備邏輯控制和必要的連鎖控制;②基于特定的通信協(xié)議，經(jīng)由上位機測控軟件發(fā)出指令，及時高效地控制下位機PLC的基本輸入/輸出單元和數(shù)據(jù)存儲區(qū);③上位機軟件集成測試采集、圖形監(jiān)控、重要參數(shù)（溫度、電壓、電流、功率、故障信息）存儲等功能;④如測試點過多，則由另一套專門測試硬件輔助采集其余信號并傳輸、存儲至監(jiān)測用計算機;⑤根據(jù)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過串行總線遠程同步控制中頻電源加熱通斷時間、功率調(diào)壓器啟停及調(diào)節(jié)輸出百分比等。

系統(tǒng)裝機試制時，不僅應合理減小硬件體積并提高系統(tǒng)集成度，還應解決控制信號和加熱電能在不動件與旋轉動部件之間傳輸?shù)碾y題。因此，配屬研制的由特制電刷、導電環(huán)、彈簧等部件組成的防/除冰專用集流環(huán)，此時也成為了電加熱防/除冰系統(tǒng)的必要組成。

2.4?功率分配

功率分配由三部分組成：①發(fā)動機對防/除冰系統(tǒng)的功率分配;②防/除冰系統(tǒng)對主槳除冰和尾槳防冰系統(tǒng)的功率分配;③主槳除冰和尾槳防冰系統(tǒng)的實時功率分配。由于篇幅有限，本節(jié)只簡要介紹部分研制過程。

首先，進行熱載荷計算研究，即：研究槳葉表面在一定氣象飛行條件下，電加熱與外流場的耦合傳熱規(guī)律，計算各工況下槳葉表面的溫度分布和熱平衡，從而確定防/除冰系統(tǒng)的熱負載。其次，在確定熱負載的基礎上，合理設計加熱熱流密度和加熱、冷卻時間控制率，使槳葉表面溫度分布更加均勻，初步實現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能有效工作的目標。最后，對影響除冰主槳葉和防冰尾槳葉加熱功率的目標防護區(qū)域、液態(tài)水含量和旋翼轉速等影響因素展開試驗研究，總結試驗結果，找出規(guī)律并迭代優(yōu)化分配方案。

2.5?試驗臺及噴霧系統(tǒng)

直升機槳葉防/除冰試驗臺，是模擬真實結冰要素和研究防/除冰技術的專門試驗場所，一般指高低溫環(huán)境試驗室、結冰風洞及冰霧噴灑塔。由于試驗時，需要模擬實現(xiàn)操作卡上要求的各種自然氣象環(huán)境，所以必須保證以下參數(shù)的準確性：①云霧液態(tài)水含量及平均水滴直徑;②云霧均勻性分布范圍;③目標低溫環(huán)境等。

其核心組成部分是噴霧系統(tǒng)，系統(tǒng)設計時，采用集中管理、分布式控制的架構，對每路供水和供氣管路分別進行HD閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)水、氣壓力差的精準調(diào)控。試驗時，調(diào)節(jié)噴霧耙噴嘴的水、氣壓力差及啟停區(qū)域，模擬創(chuàng)造試驗矩陣要求的目標液態(tài)水含量、云霧粒子直徑及均勻性云霧區(qū)域。工程改造時，可通過適當減小噴嘴水路節(jié)流管直徑的方法，增加噴嘴水、氣壓力差范圍，實現(xiàn)擴展噴嘴流量粒徑性能包絡線的目標。為保證試驗狀態(tài)準確，應定期關注并重點研究噴霧經(jīng)過運動和蒸發(fā)后，到達試驗段時：①是否能夠繼續(xù)保持正態(tài)分布特性;②是否與初始霧滴直徑有較大差異等。

2.6?試驗臺測試系統(tǒng)

對于上述問題，準確測量云霧參數(shù)就顯得尤為重要。在實際測量時，除采用冰格柵（Icing?Grid）方法測量云霧均勻性外，應當依據(jù)現(xiàn)場實際情況，合理選取測量方法（冰刀法、旋轉圓柱法、熱線法和粒子統(tǒng)計法等）測量液態(tài)水含量（LWC），合理選取測量設備（激光前向散射、激光相位多普勒干涉和激光粒子成像等原理設備）測量平均水滴直徑（MVD）。在實際工程使用時，為消除噴嘴等設備老化造成的結果偏差，必須定期進行云霧參數(shù)標定，逆向推導并調(diào)整控制參數(shù)，以保證試驗狀態(tài)準確。此外，還需通過傳感器、探頭等直接或間接測量制冷、真空等系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，如：環(huán)境溫度、大氣壓力、空氣濕度、風速、攻角、馬赫數(shù)、水溫氣溫、水壓氣壓等。將前述各信號經(jīng)虛擬儀器軟、硬件濾波除噪后，由儀器總線匯入綜合測試采集系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對結冰環(huán)境試驗參數(shù)的全面實時監(jiān)測。

2.7?整機旋翼防/除冰試驗

此類試驗通常在冰霧噴灑塔進行，由各種模擬氣象環(huán)境下的地面和懸停旋翼防/除冰試驗組成，同時，也是高寒試飛、適航取證的先行研制科目。

試驗前，必須確保云霧參數(shù)標定準確。試驗過程中，不僅應考量加熱工作電流、試驗件實測溫度、防/除冰控制率調(diào)整等狀況，還應該對RIPS工作狀態(tài)、故障告警、結冰速率信號、引氣式結冰探測器周邊溫度場、引氣壓力、機體振動水平、發(fā)動機工作參數(shù)等狀況有所關注。試驗后，在完成冰形測量的前提下，對防/除冰效果和溫度實測值進行分析，并評估該狀態(tài)下積冰對飛行力學的影響。最后，還需重點關注飛行員對該狀態(tài)下飛行品質(zhì)的評價。

3?結語

槳葉防/除冰技術由其設計與試驗技術組成，涉及旋翼氣動、材料、電氣、試驗環(huán)控、測控、機械等專業(yè)，不僅需要合理的理論推導和數(shù)據(jù)仿真，還需要各專業(yè)的精誠合作及完善的制造工藝。然而，現(xiàn)有的水滴撞擊特性計算、熱載荷計算、防/除冰控制率設計、試驗邊界范圍確定、試驗環(huán)控等環(huán)節(jié)仍存在一些不足，未來還需要更加深入細致地研究，優(yōu)化現(xiàn)行算法，提升設計水準，完備工藝流程，高效完成靜止模壓槳葉段、旋轉縮比槳葉、整機地面運轉、懸停飛行等試驗科目，最終研制出熱效率更高、傳輸耗能更低、重量更輕、體積更小的旋翼防/除冰系統(tǒng)。

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作者簡介：姚智（1987—?），男，浙江淳安人，碩士研究生，工程師，研究方向為直升機綜合試驗技術。