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54 飞 机工 程 2004年第1期 飞机防冰与除冰的若干技术 沈海军 史友进 (南京航空航天大学航空宇航学院，南京，210016) 摘要 阐述了飞机表面“水滴结冰”、“干结冰”、“升华结冰”等结冰现象、结冰形式及其影响因素；总结了现 有的飞机液体、电热、气热防冰与气动带、电脉冲除冰技术；还对冰风洞、干空气飞行、模拟结冰飞行、结冰模拟 以及自然结冰等飞机防冰试验进行了综述。 关键词 飞机结冰 防冰 除冰防冰试验 引 言 飞机结冰指的是飞行时飞机外表面上水分积 聚冻结成冰的现象。它影响飞机的气动外形和飞 行安全，给飞行带来极大危害。如：飞机风挡结冰 会影响驾驶员视野；测温、测压传感头结冰会导致 仪表指示失真；机(尾)翼结冰将影响气动外形，增 大飞行阻力、减少升力，影响全机操纵性、稳定性； 螺旋桨、直升机旋翼结冰就会降低效率；轴流式压 气机进气部件结冰能使发动机熄火等等。长期以 来，飞机的防冰、除冰技术一直是飞机系统设计的 重要研究课题。 2 飞机表面结冰及其影响因素 高空飞行，飞机的迎风表面通常会伴随有三 种不同形式的结冰现象，即“水滴结冰”，“干结冰” 和“升华结冰”。“水滴结冰”指的是飞机部件表面 的平衡温度低于冰点，那些存在于对流层下部温 度低于冰点但未冻结的水滴(称过冷水滴)撞击并 积聚冻结于部件前缘表面而发生的结冰现象。水 滴结冰严重时常常会影响飞机的气动外形、危害 飞机的飞行安全，因此是飞机防冰与除冰技术的 主要研究对象。“干结冰”指的是飞机在含有大量 冰晶或有雨夹雪的云中飞行时，因气动力加热或 收稿日期：2003—10—23 飞机防冰设备工作等原因使部件迎风表面温度高 于冰点，冰晶沉积融化、然后再冻结成冰的现象。 飞机干结冰现象很少遇到，但发动机进气道拐弯 处和进气部件表面发生的干结冰现象，积聚的冰 晶进入发动机后，会损坏压气机叶片或使发动机 熄火，具有一定的危害性。“升华结冰”指的是飞 机由冷区飞入暖区，机体表面温度低于周围气温 达到结霜温度时，空气中水汽在飞机表面凝华成 冰的现象。只要飞机表面温度与周围气温平衡 时，升华结冰的冰层便能很快地被融化消失，故不 存在危险。因此，“水滴结冰”成为本文讨论的主 要内容。 影响水滴结冰及其严重程度的因素很多，包 括气象条件、飞机部件外形及飞行状态等诸多因 素。一般来说，在液态水含量较大的过冷云中飞 行时，容易发生结冰。大气温度约为0～ 一15℃ 时，发生结冰的概率最大，水滴直径大于2O m时， 结冰会威胁飞行安全。飞行速度越大，由于过冷 水滴撞击数增加使结冰量也越大；但飞行速度达 到足够大时，又会因气动力加热使部件表面不再 发生结冰。 飞机表面结冰的形状则主要取决于云层中的 水滴直径、大气温度及飞行速度。高速飞行，飞经 单位体积内过冷水滴多而大、过冷却程度较小的 云中时，易形成如图1(a)所示的“双角状冰”。“双 角状冰”通常透明坚硬，增长很快，冻结牢固，不易 维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年第1期 沈海军等：飞机防冰与除冰的若干技术 破除，对飞机气动性能影响很大，对飞行安全具有 严重的危害性。低速飞行，飞经单位体积内过冷 水滴少而小、过冷却程度较大的云中时，飞机表面 的结冰形状通常称作“矛状冰”，如图1(c)所示。 该冰结构呈现为粒状或多孔的白色不透明冰层， 较“双角状冰”为松，飞机振动和颠簸时易脱落，对 飞机气动性能和飞行安全影响较小。介于两者之 间的，形成所谓的“中间冰”(如图1(b)所示)，其危 害程度和增长速度介于“双角状冰”和“矛状冰”之 间。 图1 结冰形式 3 飞机的防冰与除冰技术 为了防止飞机某些部位结冰，或结冰时能间 断地除去冰层，保证飞机安全飞行，人们常常采取 适当的防冰与除冰技术。需要采取防冰与除冰技 术的飞机部位主要有风挡、空速管、螺旋桨、直升 机旋翼，机翼、尾翼、发动机进气道前缘及进气部 件。 如图2所示，飞机防冰与除冰技术按工作方 式可分为机械除冰技术、液体防冰技术和热力防 冰技术等。其中，机械除冰技术又可分为气动带 除冰和电脉冲除冰技术。热力防冰技术按热源和 加热方式又分为电热防冰、气热防冰技术，以及连 续防冰和间断除冰技术。 具体取何种防冰、除冰技术种类，取决于机 种、动力装置、电源功率、待防护表面大小以及防 冰重要程度等因素。一般来说，对于待防护表面 的面积较大、防冰要求较高的机翼、发动机进气道 前缘等部件，常采用气热防冰技术；对于待防护表 面的面积较小、防冰要求较低的尾翼、螺旋桨等部 件，可采用电热周期除冰技术；对不允许结冰而且 耗电功率不大的风挡、空速管等部件，则多采用电 热防冰技术。 (1)气动带除冰技术 图2 飞机防冰、除冰技术分类框图 该技术又称“膨胀管除冰技术”。利用飞机部 件前缘表面上膨胀管的膨胀作用，使其外表面冰 层破碎而脱落的机械除冰技术。该技术系统由空 气泵、控制阀、卸压阀、输气管及膨胀管等组成。 膨胀管常由涂胶的织物制成。用于机翼，尾翼前 缘的膨胀管通常有展向、弦向两种形式。周期地 使膨胀管充气而膨胀，卸压而收缩，从而使冰层破 裂，脱离表面，然后被气流吹去。 (2)电脉冲除冰技术 电脉冲除冰是将高能量的电脉冲作用在飞机 待防护部位的蒙皮上，在弹性变形范围内使蒙皮 快速鼓动，从而破除该蒙皮表面上的冰层。电脉 www.aero.cn 航空翻译 www.aviation.cn 本文链接地址：飞机防冰与除冰的若干技术
