直升機(jī)防除冰技術(shù)綜述

直升機(jī)防除冰技術(shù)綜述

1直升機(jī)的典型外在結(jié)晶問(wèn)題中國(guó)領(lǐng)土遼闊。在長(zhǎng)江以北的沿海地區(qū)和西部高原，春季和冬季廣泛存在著封閉氣候條件。國(guó)內(nèi)出現(xiàn)過(guò)多例由于結(jié)冰氣候造成的重大飛行事故。直升機(jī)飛行高度多處于6000m以下,此高度范圍內(nèi),經(jīng)常會(huì)遇到雨雪冰霜等惡劣天氣,大氣中的液態(tài)水含量也較高,這些都會(huì)使直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)期間遭遇結(jié)冰的危險(xiǎn)。在結(jié)冰條件下直升機(jī)部件表面比固定翼飛機(jī)更容易結(jié)冰,從而造成其性能下降甚至影響飛行安全。旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵動(dòng)部件,旋翼結(jié)冰將改變其氣動(dòng)、平衡和動(dòng)力學(xué)特性,危及直升機(jī)飛行安全。為保證直升機(jī)在結(jié)冰環(huán)境條件下的飛行安全,直升機(jī)特別是旋翼系統(tǒng)必須具備防冰或除冰能力。2防冰法的原理根據(jù)防、除冰所釆用的能量方式不同,現(xiàn)有的防冰技術(shù)大致有如下四種類型:機(jī)械除冰、液體防冰、熱能防冰、涂層防冰。2.1電脈沖除冰原理用機(jī)械方法把冰破碎,然后靠氣流吹除,或者利用離心力、振動(dòng)把冰除去。常見(jiàn)有:脹套除冰,對(duì)脹套充氣,其膨脹使冰破碎并脫離;電脈沖除冰,利用電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖,使結(jié)冰的物件發(fā)生變形,并產(chǎn)生小振幅高頻振動(dòng),將冰除去。機(jī)械除冰存在簡(jiǎn)單可靠,耗能少等優(yōu)點(diǎn),但是在直升機(jī)上使用時(shí),系統(tǒng)布置比較困難,因此不適用于直升機(jī)。2.2降低水的病水將防冰液(乙烯乙二醇、異丙醇、乙醇等)噴灑到結(jié)冰部件表面,降低水的冰點(diǎn)使之低于表面溫度,使水不致結(jié)冰。液體防冰存在著有效作用時(shí)間短、防冰液用量大、除冰的效果差等缺點(diǎn),多用于寒冷季節(jié)民航飛機(jī)飛行前的地面除冰。2.3熱防冰及微波除冰原理利用各種熱能加熱物件,使物件表面溫度超過(guò)0℃,以達(dá)到防、除冰的目的。熱能防冰有電熱防冰、熱氣防冰、微波除冰等類型。電熱防冰系統(tǒng)主要由加熱元件、轉(zhuǎn)換器、過(guò)熱保護(hù)裝置、電源及控制器組成;熱氣防冰,釆用從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引出的熱空氣來(lái)防冰;微波除冰,其原理是將微波能導(dǎo)到結(jié)冰表面,利用微波能對(duì)冰層加熱,使冰與飛機(jī)表面的結(jié)合力大大降低,再利用氣動(dòng)力等將冰除去。電熱防除冰相對(duì)于其它幾種類型來(lái)說(shuō)具有設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)工作可靠、防除冰效果比較理想等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在直升機(jī)上獲得了成功的應(yīng)用。2.4冰的基本原理利用特種涂層的物理化學(xué)作用,使冰融化或減小冰與表面的附著力,從而減小結(jié)冰發(fā)生的可能。從原理上來(lái)說(shuō),涂層防冰是一種很理想的防冰方法,具有零耗能、無(wú)復(fù)雜的控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。防冰涂料的類型有:丙烯酸類、聚四氟乙烯類、有機(jī)硅類。目前,防冰效果不是很好。另一方面,防冰涂料必須具有低表面能、強(qiáng)憎水性,這樣就嚴(yán)重影響涂層的其它性能,特別是與飛行器結(jié)構(gòu)表面的粘附性和耐腐蝕性能。由于上述兩個(gè)原因,還未見(jiàn)到獲得實(shí)際應(yīng)用的防冰涂料的相關(guān)報(bào)道。3防、除冰技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展國(guó)外對(duì)飛機(jī)結(jié)冰的研究開(kāi)展較早,先后開(kāi)展過(guò)氣動(dòng)除冰、熱氣防冰、微波除冰、液體防冰及電熱防、除冰等方法,其中電加熱防、除冰方法是目前最好也是最成熟的方法。國(guó)外現(xiàn)役直升機(jī)槳葉防、除冰都采用電加熱方式,如美國(guó)的CH-47、CH-53、UH-60、S-92,法國(guó)的AS332、NH-90,俄羅斯的Mi-8、Mi-17、Mi-26等直升機(jī)。國(guó)外直升機(jī)公司在結(jié)冰機(jī)理分析、不同翼型槳葉在不同結(jié)冰環(huán)境條件下的結(jié)冰預(yù)測(cè)、結(jié)冰性能分析模型的建立等領(lǐng)域都做了大量的研究工作,收集了豐富的氣象環(huán)境信息,積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),先后制定了各自的防、除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣象標(biāo)準(zhǔn);到20世紀(jì)50年代前后,有關(guān)結(jié)冰的系統(tǒng)理論闡述及防、除冰系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用漸漸趨于成熟;近些年來(lái),隨著對(duì)直升機(jī)安全要求的不斷提高,防、除冰技術(shù)的研究再次受到廣泛關(guān)注。這主要表現(xiàn)在:修訂完善有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn);對(duì)防、除冰系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真及計(jì)算;電脈沖除冰、微波除冰和振動(dòng)除冰等除冰新方法的研究;電熱元件和防、除冰涂層等新技術(shù)研究。國(guó)外在防、除冰技術(shù)研究的硬件建設(shè)上也進(jìn)行了大量的投入,并根據(jù)研究的結(jié)果和進(jìn)展不斷地進(jìn)行完善。美國(guó)NASA在20世紀(jì)40年代初就建立Lewis冰風(fēng)洞,并于1986年對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行比較全面的升級(jí)改造,提高了冰風(fēng)洞系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度,同時(shí)也改進(jìn)了水滴噴灑系統(tǒng)。此冰風(fēng)洞是閉式回流風(fēng)洞,試驗(yàn)段尺寸為1.8m×2.7m,能進(jìn)行直升機(jī)旋翼模型和全尺寸槳葉的防、除冰研究。意大利宇航研究中心(CIRA)在那不勒斯市的冰風(fēng)洞是目前世界上先進(jìn)冰風(fēng)洞之一,該風(fēng)洞也是閉式回流風(fēng)洞,可以模擬飛行高度7000m以下,最大風(fēng)速200m/s,最低溫度-40℃的大氣條件,對(duì)應(yīng)的主試驗(yàn)段截面尺寸為2.35m×1.15m。國(guó)內(nèi)近20年直升機(jī)研制水平得到了較快的發(fā)展,特別是代表直升機(jī)核心技術(shù)的旋翼系統(tǒng),從早期的測(cè)繪仿制走上了國(guó)際合作和自行獨(dú)立設(shè)計(jì)的道路,但在旋翼系統(tǒng)防、除冰技術(shù)領(lǐng)域一直是薄弱環(huán)節(jié)。目前所有國(guó)產(chǎn)直升機(jī)均沒(méi)有裝備旋翼防、除冰系統(tǒng),雖然國(guó)內(nèi)部分院所開(kāi)展了直升機(jī)旋翼結(jié)冰的原理性研究和防、除冰系統(tǒng)的初步研究工作,但距離實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離。另外,我們?cè)谛矸馈⒊到y(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)和硬件設(shè)施等方面與國(guó)外相比,存在相當(dāng)差距。旋翼防、除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)是制約國(guó)產(chǎn)直升機(jī),特別是限制民用直升機(jī)適航范圍的瓶頸技術(shù)。4目的及試驗(yàn)要求首先,依據(jù)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求(使用技術(shù)要求)和直升機(jī)使用環(huán)境要求,并參照美國(guó)航空條例(FAR)(國(guó)內(nèi)適航條例為CCAR-29第1419條)第二十五章附錄之規(guī)定,擬定直升機(jī)旋翼防、除冰系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)與要求,包括防、除冰系統(tǒng)的組成、接口協(xié)調(diào)、防除冰系統(tǒng)的工作有效性范圍等。然后確定系統(tǒng)功率需求、防護(hù)位置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和防、除冰控制率等一些設(shè)計(jì)參數(shù)。最后應(yīng)全面綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的有效性、可靠性、維護(hù)性及相容性,并通過(guò)一系列的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。防、除冰系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的工程,需要綜合考慮不同的因素與方面。具體說(shuō)來(lái)有下面幾個(gè)階段。4.1快速實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)冰過(guò)程涉及到的結(jié)冰部件周圍流場(chǎng)、過(guò)冷水滴與結(jié)冰部件的撞擊和冰生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,確定水滴的撞擊極限點(diǎn)位置、水滴收集系數(shù)分布及結(jié)冰形狀等參數(shù)。依據(jù)計(jì)算結(jié)果初步確定須防護(hù)的區(qū)域、防護(hù)所須熱流密度等參數(shù),同時(shí)也為加熱元件的布置和控制系統(tǒng)及控制率的設(shè)計(jì)確定一個(gè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。由于結(jié)冰過(guò)程是一個(gè)就極其復(fù)雜的熱質(zhì)平衡與傳遞過(guò)程,本文不再對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。工程實(shí)際中,結(jié)冰計(jì)算可以選用已有的防、除冰計(jì)算軟件,也可以自行開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序。目前,比較著名的結(jié)冰計(jì)算軟件有NASA的LEWICE系列軟件,加拿大NTI公司的FENSAP-ICE結(jié)冰計(jì)算軟件等,國(guó)外一些著名的飛機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)多數(shù)也具有自己開(kāi)發(fā)的結(jié)冰計(jì)算程序。圖1所示為FENSAP-ICE軟件的結(jié)冰計(jì)算流程,圖2所示為一組NACA0012翼型段結(jié)冰情況對(duì)比,冰形分別由FENSAP-ICE軟件、LEWICE軟件計(jì)算和冰風(fēng)洞試驗(yàn)確定。對(duì)比表明,理論計(jì)算與冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌颢@得比較一致的冰形,數(shù)值計(jì)算方法可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步參數(shù)的確定。隨著理論的進(jìn)一步完善,數(shù)值計(jì)算方法必然會(huì)得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。4.2試件結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)在冰風(fēng)洞中模擬特定的結(jié)冰環(huán)境,利用實(shí)際部件的模型進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn),并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性、合理性,并對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正。同時(shí),數(shù)值計(jì)算也可用來(lái)評(píng)估結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)有效性,并指導(dǎo)試驗(yàn)方法的優(yōu)化和試驗(yàn)設(shè)施的改進(jìn)。典型閉式冰風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3,圖4為試驗(yàn)件在冰風(fēng)洞中的安裝形式。冰風(fēng)洞與常規(guī)風(fēng)洞相比,最顯著的特點(diǎn)是冰風(fēng)洞具有龐大復(fù)雜的制冷系統(tǒng)和精確控制的結(jié)冰條件模擬系統(tǒng),這使得冰風(fēng)洞的規(guī)模受到了很大的限制,因此,大多數(shù)情況下,需要使用部件的縮比模型進(jìn)行試驗(yàn)。使用縮比模型,冰風(fēng)洞試驗(yàn)條件的選取必須滿足相應(yīng)的縮比相似準(zhǔn)則,這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)于直升機(jī)槳葉來(lái)說(shuō),由于其弦長(zhǎng)相對(duì)于機(jī)翼來(lái)說(shuō)通常較小,這種情況下,可以采用槳葉的局部段在冰風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn),冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)條件就是實(shí)際的結(jié)冰條件,這樣就避免了為保證相似參數(shù)的相等而帶來(lái)的繁瑣。4.3熱壓工藝設(shè)計(jì)完成結(jié)冰數(shù)值計(jì)算及冰風(fēng)洞試驗(yàn)后,部件的結(jié)冰范圍及不同部位的防護(hù)熱流功率密度都已經(jīng)明確,接下來(lái)就是設(shè)計(jì)、布置加熱元件。常見(jiàn)的加熱元件有加熱片、金屬加熱絲和碳纖維加熱絲等形式,如圖5、圖6、圖7所示。需要特別說(shuō)明的是,要使得碳纖維可以用作加熱元件,必須保證一定寬度下,單位長(zhǎng)度的碳纖維具有固定的阻值,因此需對(duì)纖維進(jìn)行編織,否則在槳葉模壓時(shí)不能準(zhǔn)確定位。雖然碳纖維的強(qiáng)度很高,但其韌性較差,在編織過(guò)程中很有可能起毛、斷裂,這將是碳布加熱片研制中的一個(gè)難點(diǎn)。另外,碳纖維是復(fù)合材料,作為加熱元件必須與金屬導(dǎo)線可靠連接,尤其是對(duì)于直升機(jī)旋翼槳葉,其工作環(huán)境比較惡劣,對(duì)電極的要求也相對(duì)更高,所以需要對(duì)碳纖維加熱片電極進(jìn)行研究,找到一種合理的實(shí)施方案,使得電極具有良好的抗疲勞性能。依據(jù)確定的熱流功率密度將防、除冰區(qū)域分為若干個(gè)加熱區(qū)域,對(duì)每個(gè)區(qū)域的加熱元件的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,使整個(gè)系統(tǒng)處于周期間歇性的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化分配,從而提高系統(tǒng)的工作效率。加熱分區(qū)也不能過(guò)多,分區(qū)過(guò)多不僅增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,而且還會(huì)增加系統(tǒng)的重量,為將所有加熱元件的供電接頭集中在槳葉根部,實(shí)際設(shè)計(jì)中沿槳葉弦向進(jìn)行分區(qū),依據(jù)文獻(xiàn),分區(qū)數(shù)量在5～7是比較合適的。對(duì)于直升機(jī)槳葉,工作時(shí)既有揮舞,又有擺振,空間對(duì)于加熱元件的布置也比較緊張。為增加可靠性,加熱絲常由若干股細(xì)絲互相纏繞而成。加熱元件除了應(yīng)與其周圍結(jié)構(gòu)具有較好的粘接整體性外,也應(yīng)具有良好的抗疲勞特性和高可靠性。同時(shí),加熱元件與周圍結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較好的傳熱性能,保證熱量盡可能向結(jié)冰表面?zhèn)鬟f,盡量降低熱量向結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳遞,提高加熱功率的效率。實(shí)際工程中,常將加熱元件制造成加熱組件,然后再與需要防護(hù)的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行裝配。4.4民機(jī)組式防除冰方案如果防、除冰系統(tǒng)的所有加熱元件都處于工作狀態(tài),這樣的防、除冰效果將是最理想的,但這樣會(huì)消耗相當(dāng)大的電功率。由于機(jī)載電源功率的限制,提供給旋翼防、除冰系統(tǒng)的功率不能滿足所有加熱元件同時(shí)都處于工作狀態(tài),因此,加熱元件常處于部分間歇工作狀態(tài)。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,采取折衷的方案,允許槳葉上存在一定厚度的冰,當(dāng)防、除冰系統(tǒng)工作時(shí),貼近加熱元件的冰層融化,在離心力和空氣動(dòng)力的作用下冰層將會(huì)脫落。為保證由于冰層的脫落對(duì)旋翼的動(dòng)平衡影響達(dá)到最小,如果槳葉的數(shù)量是偶數(shù),則可采用對(duì)稱槳葉同一分區(qū)同時(shí)加熱的方案,同時(shí)加熱的功率也應(yīng)符合防除冰所需的熱流功率密度。圖8為黑鷹直升機(jī)槳葉的分區(qū)安排與加熱周期,系統(tǒng)采用對(duì)稱的2片槳葉同一分區(qū)同時(shí)加熱的方案,既減少了功率需求,又保證對(duì)稱除冰。如果直升機(jī)具有奇數(shù)片槳葉,就需要對(duì)所有槳葉的同一區(qū)域同時(shí)進(jìn)行加熱,保證冰脫落盡可能具有一致性,加熱功率也應(yīng)與理論計(jì)算一致。另外,直升機(jī)防除冰控制系統(tǒng)還應(yīng)具有結(jié)冰探測(cè)器、結(jié)冰速率指示器、外部大氣溫度傳感器及供配電裝置等。當(dāng)直升機(jī)進(jìn)入結(jié)冰環(huán)境中時(shí),向飛行員提供聲光等警示信號(hào)。防、除冰系統(tǒng)的工作可以由飛行員手動(dòng)控制或結(jié)冰信號(hào)傳感器直接自動(dòng)控制,設(shè)計(jì)中應(yīng)采取自動(dòng)為主,手動(dòng)為輔的原則。4.5系統(tǒng)評(píng)估階段為全面衡量防、除冰系統(tǒng)的工作,還要進(jìn)行一些驗(yàn)證試驗(yàn),比如真實(shí)結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn),冰風(fēng)洞試驗(yàn)等。驗(yàn)證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)要求的結(jié)冰條件下能夠安全工作,從而保證直升機(jī)能夠適應(yīng)復(fù)雜的氣象條件,提高直升機(jī)的性能和安全性。系統(tǒng)評(píng)估是一個(gè)成本相對(duì)較高,花費(fèi)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的一個(gè)階段,這階段發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題還要返回到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)始,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善設(shè)計(jì)。一個(gè)成功的防、除冰系統(tǒng)是必須要經(jīng)的起實(shí)際結(jié)冰條件和時(shí)間的檢驗(yàn)。5防、除冰系統(tǒng)研發(fā)的必要性1)直升機(jī)防