通用飛機液體防冰系統(tǒng)簡介

龍濤 李佳望 王利霞 李春麒 譚弘揚

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司 安徽蕪湖 241000）

近年來，我國通航產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，通用飛機數(shù)量大大增加。但時至今日，因結(jié)冰現(xiàn)象而導(dǎo)致的通用飛機飛行故障和事故屢禁不止，嚴(yán)重影響著飛行安全。據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）飛行安全部的統(tǒng)計，1990—2000年期間，由于結(jié)冰引起的事故多達(dá)388起。2003—2008年之間，又有380 起事故與結(jié)冰有關(guān)。飛機結(jié)冰后，不但增加了飛機的重量，而且破壞了飛機的氣動外形，因而使阻力增加，飛機操縱性、穩(wěn)定性下降。因此，研究通用飛機的防冰系統(tǒng)是一項刻不容緩的任務(wù)。

1 背景

2020年初，一架隸屬于海航宜昌航校的教練機在返航途中因結(jié)冰墜毀在湖北長陽，事故導(dǎo)致1 名教練和2 名學(xué)員在內(nèi)的3 人遇難。通用飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，在飛機機翼前緣、發(fā)動機進(jìn)氣道和壓氣機葉片上、渦輪螺旋槳發(fā)動機的螺旋槳槳葉上、駕駛艙風(fēng)擋玻璃上，以及在測溫、測壓的各種傳感儀器探頭上常常會遇到結(jié)冰的現(xiàn)象［1］。

1.1 引起通用飛機結(jié)冰的原因

通用飛機一般在10km以下高度飛行，當(dāng)在負(fù)溫云層中飛行時，可能在飛機表面發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，即通用飛機在大氣中飛行，只要同時遇到水分和負(fù)溫兩個條件，就會結(jié)冰［2］。根據(jù)結(jié)冰時的具體情況，通用飛機結(jié)冰方式主要有3種：第一，大氣中的過冷水滴撞擊通用飛機表面并在其上凍結(jié)；第二，大氣中的氣態(tài)水（即水蒸氣）不經(jīng)過液態(tài)相而直接凍結(jié)在通用飛機上；第三，通用飛機在熱帶地區(qū)飛行時，如果遇到冰晶云（由冰晶體組成的云），冰晶體會沉積到通用飛機表面上而引起結(jié)冰［3］。

1.2 結(jié)冰對通用飛機飛行的影響

機翼和尾翼結(jié)冰，會引起翼型阻力增加，升力下降，臨界攻角（失速攻角）減小，飛機操縱性和穩(wěn)定性惡化。發(fā)動機進(jìn)氣道及進(jìn)氣部件結(jié)冰，會減小進(jìn)氣道面積，同時也減小了壓氣機每相鄰葉片間的空氣流通面積，使進(jìn)入發(fā)動機的空氣流量減少，因而使動機功率下降，嚴(yán)重時可導(dǎo)致發(fā)動機停車。螺旋槳為高速旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)冰情況與機翼有相同之處，有時甚至比機翼還嚴(yán)重。駕駛艙正面風(fēng)擋玻璃結(jié)冰或出現(xiàn)霧氣時，會降低玻璃的透明度，使目測飛行變得十分困難，不利飛機的起飛和著陸。空速管和測溫測壓探頭結(jié)冰，會導(dǎo)致輸入?yún)?shù)的誤差或錯誤，這將會使儀表或數(shù)字顯示失真，因而隱含著種種不安全因素［4］。

1.3 通用飛機防冰系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)防冰所采取能量形式的不同，可分成機械防冰系統(tǒng)、液體防冰系統(tǒng)和電熱防冰系統(tǒng)［5］。較多的大飛機都設(shè)有防冰系統(tǒng)，例如，Y-12、新舟60采用機械除冰系統(tǒng)，直20采用電熱防冰系統(tǒng)。少量的通用飛機設(shè)有防冰系統(tǒng)，例如，鉆石DA42采用了液體防冰系統(tǒng)。

2 通用飛機液體防冰系統(tǒng)的組成

液體防冰系統(tǒng)可以連續(xù)地或周期地向防冰表面噴射工作液體，要求工作液體凝結(jié)溫度低，與水混合性能好，與防冰表面附著力強，對防冰表面沒有化學(xué)腐蝕作用、無毒及防火性能好等。目前，使用的防冰液有甲醇、乙醇（酒精）、乙烯乙二醇等［6］。

2.1 機械部分

除冰液箱安裝在飛機右側(cè)前行李艙，除冰液箱的加液口處設(shè)計了一個入口過濾網(wǎng)，入口過濾網(wǎng)能很好控制加入除冰液箱的除冰液的潔凈度。除冰液箱由聚乙烯材料制成，容積為30L，為整個液體除冰系統(tǒng)儲存除冰液。

兩個主泵安裝在除冰液箱的下面，為整個除冰系統(tǒng)的除冰液提供流動的動力，能將除冰液箱的除冰液泵至飛機除冰的多孔面板、噴液管和噴液桿。主泵有兩個出液口，一個供給機身除冰系統(tǒng)，另一個供給風(fēng)擋除冰系統(tǒng)。

位于右側(cè)行李艙的主泵泵出除冰液箱的除冰液，流經(jīng)高壓傳感器，經(jīng)左側(cè)行李艙過濾器過濾，形成機身除冰主流。機身除冰主流到達(dá)中翼控制臺下的主分流器，經(jīng)主分流器分成3個支流，第一支流去往尾翼除冰系統(tǒng)，第二支流去往左側(cè)機翼和螺旋槳，第三支流去往右側(cè)機翼和螺旋槳。第一支流的除冰液到達(dá)垂直尾翼上的一個分流組件時，分流組件又將垂尾部分的除冰管路分為3 個支流，分別為垂直尾翼前緣多孔面板支流、水平尾翼左側(cè)多孔面板支流、水平尾翼右側(cè)多孔面板支流，除冰液由多孔面板的毛細(xì)孔流出，在空氣動力的作用下鋪滿整個機身尾部。在各自的多孔面板前部有一個低壓傳感器，用來判斷尾部的系統(tǒng)壓力是否充足和流出的除冰液量是否足夠。第二支流、第三支流的除冰液達(dá)到發(fā)動機機艙的一個分流組件時，分流組件將除冰管路分為3個支路，一路去往螺旋槳噴管，噴管流出的除冰液在螺旋槳轉(zhuǎn)動時，由離心力將除冰液甩至每片螺旋槳槳葉；另兩路分別去往機翼內(nèi)側(cè)和外側(cè)多孔面板，除冰液由多孔面板的毛細(xì)孔流出，在空氣動力的作用下鋪滿整個機翼，如圖1所示。

圖1 液體除冰系統(tǒng)流經(jīng)路徑

擋風(fēng)除冰的兩個泵位于左側(cè)前行李艙，兩泵并聯(lián)在一起，相互作為備用泵，防止系統(tǒng)失效。風(fēng)擋泵的除冰液來源接口由主泵提供，與除冰液箱沒有直接連接。風(fēng)擋玻璃的噴液桿位于風(fēng)擋玻璃前方，除冰液經(jīng)風(fēng)擋泵流至噴液桿，從噴液桿的毛細(xì)孔流出，由空氣動力將除冰液鋪滿整個風(fēng)擋。

除冰系統(tǒng)在機翼前緣、垂直尾翼前緣、水平尾翼前緣粘有經(jīng)激光打孔的多孔面板，在螺旋槳根部有噴液管，在擋風(fēng)玻璃前緣有多孔噴液管。多孔面板、噴液管、多孔噴液管是除冰液的最終輸出組件。

高壓傳感器在連接左行李艙與右行李艙的管路上，當(dāng)過濾器堵塞時，會造成系統(tǒng)管路壓力增大，高壓傳感器會報警，從而提醒過濾器需要更換。

機身除冰系統(tǒng)的過濾器安裝在左行李艙，保證著流入機身系統(tǒng)的除冰液的潔凈度。

2.2 電子部分

除冰系統(tǒng)的控制組件在儀表面板的右側(cè)，由3 個開關(guān)、2個按鈕組成（見圖2）。

圖2 液體除冰系統(tǒng)儀表面板上的控制組件

OFF、NORM、HIGH 開關(guān)有3個狀態(tài)。OFF 為系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)。NORM 為2 個主泵同時工作30s、暫停90s的循環(huán)狀態(tài)，在該狀態(tài)下，系統(tǒng)最長工作時間為2.5h，在飛行中使用該狀態(tài)，一般為結(jié)冰前期或開始結(jié)冰時。HIGH 為2 個主泵一直工作狀態(tài)，在該狀態(tài)下，系統(tǒng)最長工作時間為1h，在飛行中遇到較少結(jié)冰時可選用該狀態(tài)。

對于MAX 按鈕，當(dāng)開關(guān)位于HIGH 位置時，按下MAX 按鈕，可使所有泵同時工作。該狀態(tài)下，系統(tǒng)單次工作時長為2min，系統(tǒng)最長工作時長為30min，飛行中遇到嚴(yán)重結(jié)冰時可使用該狀態(tài)。

PUMP1/PUMP2開關(guān)能選擇2個主泵和2個風(fēng)擋泵中的其中之一來為除冰系統(tǒng)工作。當(dāng)開關(guān)位于HIGH位置時，選擇PUMP1 狀態(tài)，主泵1 工作，主泵2 備用。當(dāng)開關(guān)位于HIGH位置時，選擇PUMP2狀態(tài)，主泵2工作，主泵1備用。

WINDSHIELD按鈕能每次激活被選的擋風(fēng)玻璃泵1或擋風(fēng)玻璃泵2持續(xù)工作5s，使除冰液從擋風(fēng)玻璃前方的多孔噴管噴向擋風(fēng)玻璃。不管OFF、NORM、HIGH 開關(guān)位于哪一個位置，都不影響風(fēng)擋泵工作。WINDSHIELD按鈕還有排出除冰系統(tǒng)的空氣的作用。

ALTERNATE 開關(guān)將主泵2 直接連接到了右側(cè)匯流條，用來防止在左側(cè)匯流條失效的情況下也能使除冰系統(tǒng)在HIGH模式下工作。

ICE LIGHT、ANNUN-TEST 開關(guān)控制除冰燈和測試功能。ICE LIGHT 能點亮除冰燈，在夜間飛行時便于飛行員觀察飛機結(jié)冰情況。ANNUN-TEST 有測試除冰液箱低液位傳感器和系統(tǒng)低壓傳感器的作用。

3 通用飛機液體防冰系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 制造生產(chǎn)

3.1.1 多孔面板安裝

多孔面板分別位于機翼、尾翼前緣，多孔面板由經(jīng)激光打孔的鈦合金薄板制成，如圖3所示。在制造中，通常使用膠粘劑直接將多孔面板粘在機翼、尾翼前緣，如圖4 所示。先將多孔面板的位置在機翼、尾翼前緣定好，然后處理粘接的表面，最后打上膠粘劑將多孔面板粘接在機翼、尾翼前緣，并用綁帶將多孔面板張緊、固定。等待膠干后，清除多余殘膠，用膠補齊多孔面板與機翼、尾翼前緣之間的間隙。

圖3 多孔面板結(jié)構(gòu)

圖4 粘接多孔面板

3.1.2 制作鋪設(shè)管路

防冰系統(tǒng)的管路有著連接系統(tǒng)各組件和運送除冰液的重要作用，管路由尼龍材料制成。管路連接時，需要制作管路接頭。首先選用與管路直徑相對應(yīng)的工裝，然后在工裝上依次裝好管路、壓接頭、管路接頭，最后使用扳手將壓接頭壓接在管路上即可。

在鋪設(shè)管路時，根據(jù)鋪設(shè)路徑的不同，有時需要將管路彎制成特定的形狀，彎曲半徑需要滿足相應(yīng)的要求，如果管路彎曲半徑小于最小彎曲半徑，會造成管路的損壞。

3.1.3 液體防冰系統(tǒng)測試

泵組件完成組裝后，在裝上飛機之前需要進(jìn)行密封性測試。測試步驟完全模擬了飛機防冰系統(tǒng)的工作過程，以便檢查泵組件的連接點有無泄漏、各個泵是否運行正常、各支路流通情況是否符合要求，如圖5 所示。完成整機的液體防冰系統(tǒng)的組裝后，需要對整機液體防冰系統(tǒng)進(jìn)行測試，將防冰系統(tǒng)中的所有部件按照測試要求運行，以便檢查整個液體防冰系統(tǒng)有無泄漏，多孔面板、多孔噴管、螺旋槳出液管出液量是否正常，如圖6所示。

圖5 泵組件密封測試

圖6 測試整機液體防冰系統(tǒng)

3.2 保養(yǎng)維護(hù)

3.2.1 多孔面板維護(hù)

當(dāng)飛機需要長期停放在有大量灰塵的環(huán)境下時，應(yīng)使用低粘度膠帶保護(hù)多孔面板。常用的膠帶有蘇格蘭膠帶2517型號和3M保護(hù)膠帶7007AB型號，粘度過高的膠帶遺留的殘膠會堵塞多孔面板。當(dāng)多孔面板需要清潔時，規(guī)定允許使用的清潔劑有肥皂水、除冰液、丙二醇、航空汽油、航空煤油、乙醇、工業(yè)甲醇，不能使用規(guī)定以外的清潔劑，其他的清潔劑可能會損壞多孔面板，造成多孔面板堵塞。同時，應(yīng)注意多孔面板的受熱溫度不能超過82℃。

3.2.2 常見故障排除

多孔面板少部分區(qū)域不出液，表現(xiàn)為在飛機液體防冰系統(tǒng)工作時多孔面板的一些區(qū)域沒有除冰液流出，導(dǎo)致飛機不能充分地發(fā)揮防冰效果?？赡艿脑蛴羞^濾器使用時間較長被雜質(zhì)堵塞、管路被外來雜質(zhì)堵塞、系統(tǒng)管路中有空氣滯留、多孔面板被雜質(zhì)堵塞等。常見的解決辦法有更換過濾器、維護(hù)疏通管路、排出系統(tǒng)中多余的空氣、維護(hù)清潔多孔面板等。

管路泄漏表現(xiàn)為在飛機液體防冰系統(tǒng)工作時，管路的連接處有除冰液泄漏，對飛行產(chǎn)生安全隱患?？赡艿脑蛴泄苈废鹉z密封圈損壞、管路裝備應(yīng)力過大影響了密封性、壓接頭沒壓接好、管路接頭松動等。常見的解決辦法有更換橡膠密封圈、消除管路裝配應(yīng)力、重新壓接管路、適當(dāng)擰緊管路接頭等。

4 結(jié)語

通過對通用飛機結(jié)冰原因的研究，說明了通用飛機液體防冰系統(tǒng)的組成，分析了液體除冰系統(tǒng)在制造、維護(hù)中的具體應(yīng)用。通過對通用飛機液體防冰系統(tǒng)的簡述，了解了液體防冰系統(tǒng)在通用飛機防冰中的重要作用。