１引言

    自投入運(yùn)行以來，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)穿行于對流層時(shí)，會遇到各種極端氣候，而飛機(jī)的機(jī)翼、發(fā)動機(jī)前端以及各個(gè)探測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———氣膜防冰，并進(jìn)行了相關(guān)的論述說明。

    ２飛機(jī)除冰方法

    對于飛機(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)動性更強(qiáng)，除冰效果更佳。下面我將對主要的兩種除冰方法進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

    ２.1氣動帶除冰法

    “氣動帶除冰技術(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。通過如此往復(fù)地使膨脹管充氣而膨脹，卸壓而收縮，來實(shí)現(xiàn)對機(jī)翼等部件的除冰。氣動帶除冰，盡管這種方法簡單可靠，節(jié)省能量，但是它會極大地破壞飛機(jī)原有的氣動外形，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，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，國內(nèi)外學(xué)者都開展了大量的工作。國外起步得比較早，在上世紀(jì)二十年代，國外便開展了結(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)行過程中，防冰液會與附著在機(jī)身上或大氣中的過冷水滴混合，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)，通過在防冰表面附著一種疏水涂層，使大氣中的過冷水滴難以附著凝結(jié)，即使附著上了，也很容易在來流的作用下掉落。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)使用過程中會因磨損導(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，會消耗大量電能，故通常采用周期式加熱。通過間斷提供電熱能，使部件外表面的冰層易受熱破碎被來流帶走。

    常用的電加熱防冰裝置為防護(hù)表面敷設(shè)的長條，可連續(xù)或周期性地對防護(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、迎角探測器、大氣總溫探頭、雷達(dá)天線等探測器。

    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，主要通過高溫氣體對結(jié)構(gòu)壁面的加熱達(dá)到防冰目的。現(xiàn)代大型飛機(jī)的機(jī)翼前緣和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道都利用發(fā)動機(jī)引氣防冰。一方面，發(fā)動機(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。防冰熱氣主要來自發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的低壓段或高壓段。國內(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)動機(jī)壓氣機(jī)引氣，經(jīng)過溫度和壓力的調(diào)節(jié)后，通過管路被引入到機(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，通過對流換熱，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，對發(fā)動機(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)問題，一方面通過熱對流和熱傳導(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)動機(jī)壓氣機(jī)引出高溫高壓氣體，在調(diào)溫調(diào)壓后，通過管路輸送到機(jī)翼前緣或發(fā)動機(jī)進(jìn)口處的空腔中。氣體通過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)行對流換熱，使得內(nèi)表面溫度升高，在內(nèi)外溫差的驅(qū)動下，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)，便在空腔的前端開幾個(gè)對稱的出流孔，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)行對流換熱，這是隔冷作用；其二，是在沿程流動的過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)而使得過冷水滴缺少冰核且溫度較高不易結(jié)冰，對飛機(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)研究內(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，通過借鑒發(fā)動機(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)是對這種新型構(gòu)想的驗(yàn)證與再創(chuàng)新，通過運(yùn)用新構(gòu)想對此進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，掌握各工作參數(shù)對氣膜加熱的影響，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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