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54 飛 機工 程 2004年第1期 飛機防冰與除冰的若干技術 沈海軍 史友進 (南京航空航天大學航空宇航學院，南京，210016) 摘要 闡述了飛機表面“水滴結冰”、“干結冰”、“升華結冰”等結冰現象、結冰形式及其影響因素；總結了現 有的飛機液體、電熱、氣熱防冰與氣動帶、電脈沖除冰技術；還對冰風洞、干空氣飛行、模擬結冰飛行、結冰模擬 以及自然結冰等飛機防冰試驗進行了綜述。 關鍵詞 飛機結冰 防冰 除冰防冰試驗 引 言 飛機結冰指的是飛行時飛機外表面上水分積 聚凍結成冰的現象。它影響飛機的氣動外形和飛 行安全，給飛行帶來極大危害。如：飛機風擋結冰 會影響駕駛員視野；測溫、測壓傳感頭結冰會導致 儀表指示失真；機(尾)翼結冰將影響氣動外形，增 大飛行阻力、減少升力，影響全機操縱性、穩定性； 螺旋槳、直升機旋翼結冰就會降低效率；軸流式壓 氣機進氣部件結冰能使發動機熄火等等。長期以 來，飛機的防冰、除冰技術一直是飛機系統設計的 重要研究課題。 2 飛機表面結冰及其影響因素 高空飛行，飛機的迎風表面通常會伴隨有三 種不同形式的結冰現象，即“水滴結冰”，“干結冰” 和“升華結冰”。“水滴結冰”指的是飛機部件表面 的平衡溫度低于冰點，那些存在于對流層下部溫 度低于冰點但未凍結的水滴(稱過冷水滴)撞擊并 積聚凍結于部件前緣表面而發生的結冰現象。水 滴結冰嚴重時常常會影響飛機的氣動外形、危害 飛機的飛行安全，因此是飛機防冰與除冰技術的 主要研究對象。“干結冰”指的是飛機在含有大量 冰晶或有雨夾雪的云中飛行時，因氣動力加熱或 收稿日期：2003—10—23 飛機防冰設備工作等原因使部件迎風表面溫度高 于冰點，冰晶沉積融化、然后再凍結成冰的現象。 飛機干結冰現象很少遇到，但發動機進氣道拐彎 處和進氣部件表面發生的干結冰現象，積聚的冰 晶進入發動機后，會損壞壓氣機葉片或使發動機 熄火，具有一定的危害性。“升華結冰”指的是飛 機由冷區飛入暖區，機體表面溫度低于周圍氣溫 達到結霜溫度時，空氣中水汽在飛機表面凝華成 冰的現象。只要飛機表面溫度與周圍氣溫平衡 時，升華結冰的冰層便能很快地被融化消失，故不 存在危險。因此，“水滴結冰”成為本文討論的主 要內容。 影響水滴結冰及其嚴重程度的因素很多，包 括氣象條件、飛機部件外形及飛行狀態等諸多因 素。一般來說，在液態水含量較大的過冷云中飛 行時，容易發生結冰。大氣溫度約為0～ 一15℃ 時，發生結冰的概率最大，水滴直徑大于2O m時， 結冰會威脅飛行安全。飛行速度越大，由于過冷 水滴撞擊數增加使結冰量也越大；但飛行速度達 到足夠大時，又會因氣動力加熱使部件表面不再 發生結冰。 飛機表面結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 單位體積內過冷水滴多而大、過冷卻程度較小的 云中時，易形成如圖1(a)所示的“雙角狀冰”。“雙 角狀冰”通常透明堅硬，增長很快，凍結牢固，不易 維普資訊 http://www.cqvip.com 2004年第1期 沈海軍等：飛機防冰與除冰的若干技術 破除，對飛機氣動性能影響很大，對飛行安全具有 嚴重的危害性。低速飛行，飛經單位體積內過冷 水滴少而小、過冷卻程度較大的云中時，飛機表面 的結冰形狀通常稱作“矛狀冰”，如圖1(c)所示。 該冰結構呈現為粒狀或多孔的白色不透明冰層， 較“雙角狀冰”為松，飛機振動和顛簸時易脫落，對 飛機氣動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 害程度和增長速度介于“雙角狀冰”和“矛狀冰”之 間。 圖1 結冰形式 3 飛機的防冰與除冰技術 為了防止飛機某些部位結冰，或結冰時能間 斷地除去冰層，保證飛機安全飛行，人們常常采取 適當的防冰與除冰技術。需要采取防冰與除冰技 術的飛機部位主要有風擋、空速管、螺旋槳、直升 機旋翼，機翼、尾翼、發動機進氣道前緣及進氣部 件。 如圖2所示，飛機防冰與除冰技術按工作方 式可分為機械除冰技術、液體防冰技術和熱力防 冰技術等。其中，機械除冰技術又可分為氣動帶 除冰和電脈沖除冰技術。熱力防冰技術按熱源和 加熱方式又分為電熱防冰、氣熱防冰技術，以及連 續防冰和間斷除冰技術。 具體取何種防冰、除冰技術種類，取決于機 種、動力裝置、電源功率、待防護表面大小以及防 冰重要程度等因素。一般來說，對于待防護表面 的面積較大、防冰要求較高的機翼、發動機進氣道 前緣等部件，常采用氣熱防冰技術；對于待防護表 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；對不允許結冰而且 耗電功率不大的風擋、空速管等部件，則多采用電 熱防冰技術。 (1)氣動帶除冰技術 圖2 飛機防冰、除冰技術分類框圖 該技術又稱“膨脹管除冰技術”。利用飛機部 件前緣表面上膨脹管的膨脹作用，使其外表面冰 層破碎而脫落的機械除冰技術。該技術系統由空 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 電脈沖除冰是將高能量的電脈沖作用在飛機 待防護部位的蒙皮上，在彈性變形范圍內使蒙皮 快速鼓動，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：飛機防冰與除冰的若干技術
