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54 飛 機(jī)工 程 2004年第1期 飛機(jī)防冰與除冰的若干技術(shù) 沈海軍 史友進(jìn) (南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京，210016) 摘要 闡述了飛機(jī)表面“水滴結(jié)冰”、“干結(jié)冰”、“升華結(jié)冰”等結(jié)冰現(xiàn)象、結(jié)冰形式及其影響因素；總結(jié)了現(xiàn) 有的飛機(jī)液體、電熱、氣熱防冰與氣動(dòng)帶、電脈沖除冰技術(shù)；還對(duì)冰風(fēng)洞、干空氣飛行、模擬結(jié)冰飛行、結(jié)冰模擬 以及自然結(jié)冰等飛機(jī)防冰試驗(yàn)進(jìn)行了綜述。 關(guān)鍵詞 飛機(jī)結(jié)冰 防冰 除冰防冰試驗(yàn) 引 言 飛機(jī)結(jié)冰指的是飛行時(shí)飛機(jī)外表面上水分積 聚凍結(jié)成冰的現(xiàn)象。它影響飛機(jī)的氣動(dòng)外形和飛 行安全，給飛行帶來(lái)極大危害。如：飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)冰 會(huì)影響駕駛員視野；測(cè)溫、測(cè)壓傳感頭結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致 儀表指示失真；機(jī)(尾)翼結(jié)冰將影響氣動(dòng)外形，增 大飛行阻力、減少升力，影響全機(jī)操縱性、穩(wěn)定性； 螺旋槳、直升機(jī)旋翼結(jié)冰就會(huì)降低效率；軸流式壓 氣機(jī)進(jìn)氣部件結(jié)冰能使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等等。長(zhǎng)期以 來(lái)，飛機(jī)的防冰、除冰技術(shù)一直是飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 重要研究課題。 2 飛機(jī)表面結(jié)冰及其影響因素 高空飛行，飛機(jī)的迎風(fēng)表面通常會(huì)伴隨有三 種不同形式的結(jié)冰現(xiàn)象，即“水滴結(jié)冰”，“干結(jié)冰” 和“升華結(jié)冰”。“水滴結(jié)冰”指的是飛機(jī)部件表面 的平衡溫度低于冰點(diǎn)，那些存在于對(duì)流層下部溫 度低于冰點(diǎn)但未凍結(jié)的水滴(稱過(guò)冷水滴)撞擊并 積聚凍結(jié)于部件前緣表面而發(fā)生的結(jié)冰現(xiàn)象。水 滴結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)常常會(huì)影響飛機(jī)的氣動(dòng)外形、危害 飛機(jī)的飛行安全，因此是飛機(jī)防冰與除冰技術(shù)的 主要研究對(duì)象。“干結(jié)冰”指的是飛機(jī)在含有大量 冰晶或有雨夾雪的云中飛行時(shí)，因氣動(dòng)力加熱或 收稿日期：2003—10—23 飛機(jī)防冰設(shè)備工作等原因使部件迎風(fēng)表面溫度高 于冰點(diǎn)，冰晶沉積融化、然后再凍結(jié)成冰的現(xiàn)象。 飛機(jī)干結(jié)冰現(xiàn)象很少遇到，但發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道拐彎 處和進(jìn)氣部件表面發(fā)生的干結(jié)冰現(xiàn)象，積聚的冰 晶進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，會(huì)損壞壓氣機(jī)葉片或使發(fā)動(dòng)機(jī) 熄火，具有一定的危害性。“升華結(jié)冰”指的是飛 機(jī)由冷區(qū)飛入暖區(qū)，機(jī)體表面溫度低于周圍氣溫 達(dá)到結(jié)霜溫度時(shí)，空氣中水汽在飛機(jī)表面凝華成 冰的現(xiàn)象。只要飛機(jī)表面溫度與周圍氣溫平衡 時(shí)，升華結(jié)冰的冰層便能很快地被融化消失，故不 存在危險(xiǎn)。因此，“水滴結(jié)冰”成為本文討論的主 要內(nèi)容。 影響水滴結(jié)冰及其嚴(yán)重程度的因素很多，包 括氣象條件、飛機(jī)部件外形及飛行狀態(tài)等諸多因 素。一般來(lái)說(shuō)，在液態(tài)水含量較大的過(guò)冷云中飛 行時(shí)，容易發(fā)生結(jié)冰。大氣溫度約為0～ 一15℃ 時(shí)，發(fā)生結(jié)冰的概率最大，水滴直徑大于2O m時(shí)， 結(jié)冰會(huì)威脅飛行安全。飛行速度越大，由于過(guò)冷 水滴撞擊數(shù)增加使結(jié)冰量也越大；但飛行速度達(dá) 到足夠大時(shí)，又會(huì)因氣動(dòng)力加熱使部件表面不再 發(fā)生結(jié)冰。 飛機(jī)表面結(jié)冰的形狀則主要取決于云層中的 水滴直徑、大氣溫度及飛行速度。高速飛行，飛經(jīng) 單位體積內(nèi)過(guò)冷水滴多而大、過(guò)冷卻程度較小的 云中時(shí)，易形成如圖1(a)所示的“雙角狀冰”。“雙 角狀冰”通常透明堅(jiān)硬，增長(zhǎng)很快，凍結(jié)牢固，不易 維普資訊 http://www.cqvip.com 2004年第1期 沈海軍等：飛機(jī)防冰與除冰的若干技術(shù) 破除，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能影響很大，對(duì)飛行安全具有 嚴(yán)重的危害性。低速飛行，飛經(jīng)單位體積內(nèi)過(guò)冷 水滴少而小、過(guò)冷卻程度較大的云中時(shí)，飛機(jī)表面 的結(jié)冰形狀通常稱作“矛狀冰”，如圖1(c)所示。 該冰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為粒狀或多孔的白色不透明冰層， 較“雙角狀冰”為松，飛機(jī)振動(dòng)和顛簸時(shí)易脫落，對(duì) 飛機(jī)氣動(dòng)性能和飛行安全影響較小。介于兩者之 間的，形成所謂的“中間冰”(如圖1(b)所示)，其危 害程度和增長(zhǎng)速度介于“雙角狀冰”和“矛狀冰”之 間。 圖1 結(jié)冰形式 3 飛機(jī)的防冰與除冰技術(shù) 為了防止飛機(jī)某些部位結(jié)冰，或結(jié)冰時(shí)能間 斷地除去冰層，保證飛機(jī)安全飛行，人們常常采取 適當(dāng)?shù)姆辣c除冰技術(shù)。需要采取防冰與除冰技 術(shù)的飛機(jī)部位主要有風(fēng)擋、空速管、螺旋槳、直升 機(jī)旋翼，機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣及進(jìn)氣部 件。 如圖2所示，飛機(jī)防冰與除冰技術(shù)按工作方 式可分為機(jī)械除冰技術(shù)、液體防冰技術(shù)和熱力防 冰技術(shù)等。其中，機(jī)械除冰技術(shù)又可分為氣動(dòng)帶 除冰和電脈沖除冰技術(shù)。熱力防冰技術(shù)按熱源和 加熱方式又分為電熱防冰、氣熱防冰技術(shù)，以及連 續(xù)防冰和間斷除冰技術(shù)。 具體取何種防冰、除冰技術(shù)種類，取決于機(jī) 種、動(dòng)力裝置、電源功率、待防護(hù)表面大小以及防 冰重要程度等因素。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于待防護(hù)表面 的面積較大、防冰要求較高的機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道 前緣等部件，常采用氣熱防冰技術(shù)；對(duì)于待防護(hù)表 面的面積較小、防冰要求較低的尾翼、螺旋槳等部 件，可采用電熱周期除冰技術(shù)；對(duì)不允許結(jié)冰而且 耗電功率不大的風(fēng)擋、空速管等部件，則多采用電 熱防冰技術(shù)。 (1)氣動(dòng)帶除冰技術(shù) 圖2 飛機(jī)防冰、除冰技術(shù)分類框圖 該技術(shù)又稱“膨脹管除冰技術(shù)”。利用飛機(jī)部 件前緣表面上膨脹管的膨脹作用，使其外表面冰 層破碎而脫落的機(jī)械除冰技術(shù)。該技術(shù)系統(tǒng)由空 氣泵、控制閥、卸壓閥、輸氣管及膨脹管等組成。 膨脹管常由涂膠的織物制成。用于機(jī)翼，尾翼前 緣的膨脹管通常有展向、弦向兩種形式。周期地 使膨脹管充氣而膨脹，卸壓而收縮，從而使冰層破 裂，脫離表面，然后被氣流吹去。 (2)電脈沖除冰技術(shù) 電脈沖除冰是將高能量的電脈沖作用在飛機(jī) 待防護(hù)部位的蒙皮上，在彈性變形范圍內(nèi)使蒙皮 快速鼓動(dòng)，從而破除該蒙皮表面上的冰層。電脈 www.aero.cn 航空翻譯 www.aviation.cn 本文鏈接地址：飛機(jī)防冰與除冰的若干技術(shù)
