中國民用航空飛行學院何強教授/河南科技大學張彥斌教授：螺旋槳動態(tài)除冰技術的研究現(xiàn)狀
2025-07-16 11:54:30
作者：本網發(fā)布 來源：高分子科學前沿
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螺旋槳是飛行器推進系統(tǒng)的關鍵部件，廣泛應用于民用飛機、軍用戰(zhàn)機和無人機。它不僅提供飛行所需的推力和升力，還影響燃油效率、機動性和航程。然而，在低溫高濕條件下，螺旋槳葉片易發(fā)生結冰，嚴重威脅飛行安全，甚至可能導致失速或結構失效。因此，研究其結冰特性并開發(fā)高效防冰/除冰技術尤為重要。目前常用的防冰/除冰方法包括熱防冰、機械除冰和化學噴灑，雖具一定效果，但存在能效低、重量大、適應性差等問題。為應對現(xiàn)代飛行條件的復雜需求，動態(tài)防冰/除冰技術逐漸興起，其核心在于通過改變螺旋槳表面與冰之間的相互作用，減少結冰并高效去冰，如構建超疏水或光熱表面等。在此，中國民用航空飛行學院何強教授聯(lián)合河南科技大學張彥斌教授介紹了螺旋槳動態(tài)除冰技術的研究現(xiàn)狀。作者系統(tǒng)回顧了螺旋槳結冰機制，分析氣象和飛行因素對結冰的影響及其對飛行性能的危害，并綜述了當前主要的動態(tài)除冰技術，評估其原理、優(yōu)劣與實際挑戰(zhàn)。最后探討未來發(fā)展趨勢，如多技術融合、智能控制及先進材料應用，旨在為防冰技術的創(chuàng)新與工程應用提供理論支持與實踐指導。相關成果以“Current research status of dynamic de-icing technology for propellers”為題發(fā)表在《Advances in Colloid and Interface Science》上。螺旋槳動態(tài)結冰是指在飛行過程中，由于空氣中的水滴與螺旋槳葉片的相對運動而引發(fā)的結冰現(xiàn)象。螺旋槳的動態(tài)結冰過程從冰核的形成開始。飛行過程中，水滴會被氣流帶到螺旋槳表面，在低溫環(huán)境下凍結成冰核。然而，與靜態(tài)結冰不同，螺旋槳葉片的高速旋轉會對冰核的形成產生重要影響。冰核形成后，水滴繼續(xù)在螺旋槳表面附著并凍結，形成冰粒，螺旋槳的動態(tài)特性導致了冰粒附著和積累的過程更加復雜。在飛行過程中，螺旋槳葉片的旋轉速度不斷變化，空氣流動方向也在不斷變化，這使得水滴的動能、流向以及與葉片表面的接觸方式都發(fā)生變化，導致冰粒的附著分布變得非常不均勻（圖1）.
螺旋槳結冰對飛行安全影響顯著，而其行為主要受外部氣象條件控制，尤其是溫度、液態(tài)水含量（LWC）、平均液滴體積（MVD）和風速（圖2）。溫度決定冰型（圖2a）接近 0?°C 易形成致密透明的釉冰，而在 −15?°C 附近則易生成多孔的霜冰，改變氣動外形。LWC 影響冰層致密度（圖2b）低 LWC 下冰層松散、附著力弱；高 LWC 則形成致密冰層，難以脫落。MVD 決定冰層均勻性（圖2c）小液滴（<20?µm）鋪展均勻，形成均勻冰層；大液滴易在前緣局部積聚，增加失速風險。風速調節(jié)積冰速率（圖2d）中等風速增強傳熱，加快結冰；但過高風速會加劇蒸發(fā)并剝離冰晶，反而抑制積冰。綜上，氣象因素通過多重機制協(xié)同影響螺旋槳結冰的速度與形貌，是制定防除冰策略的重要依據。螺旋槳結冰會顯著影響其氣動與機械性能，降低推力與效率，增加能耗，甚至威脅飛行安全。因此，深入了解結冰效應對螺旋槳性能的影響，對防冰設計至關重要（圖3）。氣動性能退化（圖3a）結冰會改變螺旋槳表面輪廓和邊界層狀態(tài)，影響推力輸出。釉冰在初期可能略微提升推力，但霜冰則易誘發(fā)氣流分離，導致推力下降并帶來較大波動性。效率降低與溫度相關（圖3b）在較低溫度（如−10?°C）下形成的霜冰更粗糙，導致推進效率下降更明顯。推力系數（Cp）和功率系數（Ct）均表現(xiàn)出明顯衰減。攻角變化引發(fā)不穩(wěn)定（圖3c）在懸停狀態(tài)下，結冰造成葉片攻角持續(xù)增大，可能引發(fā)局部失速和周期性載荷波動，增加機械磨損與結構風險。圖 3結冰對螺旋槳的氣動性能、機械性能及飛行安全性的影響相比傳統(tǒng)螺旋槳，集成電加熱系統(tǒng)的螺旋槳具備快速除冰和節(jié)能優(yōu)勢，能有效提升低溫環(huán)境下的工作效率與安全性（圖4a）。原理與結構（圖4b, 4c）電加熱系統(tǒng)通過嵌入或表面電熱元件加熱葉片，利用電阻發(fā)熱防止結冰或融化已有冰層。系統(tǒng)可根據環(huán)境動態(tài)調節(jié)功率，具備防冰與除冰雙重功能。新型結構采用多層功能材料，如碳墨發(fā)熱層和銅微電極網絡，提升熱效與可靠性（圖4c）。性能表現(xiàn)（圖4d）在−5?°C 和−10?°C下，加熱螺旋槳效率顯著優(yōu)于未加熱狀態(tài)，驗證了其有效除冰能力。材料進展（圖4e）復合材料如ACMC&Ag納米復合紙通過多種納米結構協(xié)同作用，進一步提升導熱性與系統(tǒng)穩(wěn)定性。超疏水涂層除冰通過在螺旋槳葉片表面構建極低表面能界面，有效降低水滴附著與結冰概率（圖5a）。其表面通常具備微納結構，形成類似蓮葉的“山脊-谷地”形貌，使水滴呈球狀并快速滾落，避免冰霜在表面積聚。性能提升方向
當前研究重點集中在材料優(yōu)化、耐久性增強及環(huán)境適應性提升。圖5b展示了一種基于F-SiO?@PDMS的超疏水涂層，其在多輪結冰/除冰循環(huán)后仍保持較低冰黏附強度，明顯優(yōu)于未處理表面。圖5c則為不同超疏水表面結構的SEM圖像，反映出結構設計對涂層性能的關鍵影響。總體來看，超疏水涂層為螺旋槳提供了一種被動、高效的防除冰策略，具備應用前景，但仍需在耐久性與復雜氣候適應性方面進一步突破。如今，螺旋槳除冰技術越來越受到關注，然而，即使已有多種除冰方法，其在能耗、結構影響、環(huán)境適應性和長期穩(wěn)定性方面仍存在不足，難以在復雜飛行條件下實現(xiàn)高效、可靠的防除冰效果。以下幾個方面介紹了未來需要解決的挑戰(zhàn)。螺旋槳除冰系統(tǒng)的結構相對復雜，當前的除冰方法通常涉及多個部件和復雜的控制系統(tǒng)，這不僅增加了系統(tǒng)的重量，還導致了維修和維護成本的提升。未來的發(fā)展方向應聚焦于簡化除冰系統(tǒng)的結構，以提高系統(tǒng)的可靠性和降低成本。采用微波與電磁能技術可能成為一種可行的解決方案，通過微波或電磁波的熱效應，可以在不增加過多額外部件的情況下，快速有效地對螺旋槳進行除冰。智能化低能耗防除冰系統(tǒng)的研究至關重要。目前的除冰系統(tǒng)往往需要持續(xù)高功率運行，這不僅增加了能量消耗，還可能影響飛行性能。未來研究應優(yōu)化能量管理，動態(tài)分配除冰功率，避免不必要能耗。結合智能傳感檢測系統(tǒng)和智能控制算法實時監(jiān)測冰層厚度與生長速率，自適應調整除冰模式，實現(xiàn)精準除冰，降低能耗并提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，以適應復雜飛行條件。除冰材料的性能優(yōu)化仍是關鍵問題。高效、低能耗的除冰材料，如石墨烯電熱膜、智能變形材料和相變材料等，能夠提升除冰效率并減少能源消耗。然而，這些材料在復雜飛行環(huán)境中的長期穩(wěn)定性、耐久性及環(huán)境適應性仍需進一步研究。因此，未來研究方向應包括基于實驗與仿真的材料性能優(yōu)化，提升導熱性、響應速度以及低溫環(huán)境下的可靠性，以確保其在嚴苛條件下的持續(xù)高效工作。該論文的第一作者是本課題組碩士研究生王曉森，主要從事螺旋槳防除冰相關研究。本文通訊作者為中國民用航空飛行學院何強教授和河南科技大學張彥斌教授。共同作者包括河南科技大學博士研究生王繼文、李康帥、許澤華等。
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