飛機外表面氣熱防冰專利技術(shù)發(fā)展分析

顧海雷++張云芳

摘 要：飛機外表面結(jié)冰是導(dǎo)致飛行安全事故的主要隱患之一，飛機的防/除冰系統(tǒng)是提高飛機安全性能的重要手段，氣熱除冰作為目前重要的除冰方法之一，已得到廣泛應(yīng)用。本文從專利文獻(xiàn)的視角對飛機外表面的氣熱防冰技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了全面的統(tǒng)計分析，總結(jié)了與氣熱防冰相關(guān)的全球?qū)＠纳暾堏厔荨⒌貐^(qū)分布以及重點技術(shù)分支，并對其中機翼和發(fā)動機進(jìn)氣口的氣熱防冰技術(shù)進(jìn)行了深入分析，從而得到了該技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)及規(guī)律。

關(guān)鍵詞：飛機；氣熱；除冰；專利

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

飛機在高空飛行及冬季停放機場時，外表面均可能凝結(jié)冰、雪、霜等，會使飛機外表面變得粗糙，阻力增加，升力減小，嚴(yán)重時還會使飛行姿態(tài)難以控制，給飛行安全造成嚴(yán)重威脅，極易導(dǎo)致飛行事故。飛機防/除冰技術(shù)主要用于寒冷氣候下，清除和防止飛機表面凝結(jié)的冰、雪、霜等沉積物，以保證飛機在冬季能夠安全飛行。

一、飛機外表面除冰技術(shù)概況

目前，按照工作方式的不同，可以將飛機防/除冰方式分為機械除冰、液體防冰、熱力防冰3類技術(shù)。其中，機械除冰技術(shù)又可分為氣動帶除冰和電脈沖除冰技術(shù)；熱力防冰技術(shù)分別按熱源和加熱方式又分別分為電熱防冰、氣熱防冰技術(shù)，以及連續(xù)防冰和間斷除冰技術(shù)。

氣熱防冰就是利用熱空氣加熱飛機部件的待防護(hù)表面，從而避免過冷水滴在機體表面凍結(jié)結(jié)冰。防冰熱空氣多從發(fā)動機壓氣機引氣，也可采用發(fā)動機廢氣或由燃燒加熱器產(chǎn)生，其主要應(yīng)用于機翼、尾翼、發(fā)動機進(jìn)氣口等部位的防冰。氣熱防冰系統(tǒng)使用維護(hù)簡單，工作可靠，在現(xiàn)代飛機上已廣泛使用，是現(xiàn)代飛機防冰與除冰技術(shù)發(fā)展的主流。

二、飛機外表面氣熱防冰專利技術(shù)分析

1.全球申請量與申請分布

從全球申請量看，氣熱防冰全球?qū)＠l(fā)展大致可分為4個階段：1911年～1930年的探索萌芽階段，1911年關(guān)于飛機外表面氣熱防冰的首個專利申請被提交，其為后續(xù)的氣熱防冰技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；1931年～1948年的徘徊發(fā)展階段，全球申請量出現(xiàn)了多次起伏，進(jìn)入一個徘徊發(fā)展期；1949年～1996年的穩(wěn)步發(fā)展階段，機翼和發(fā)動機進(jìn)氣口防冰仍為全球申請的主流，其中也伴隨著飛機風(fēng)擋防冰和葉片防冰等，防冰的部位更加全面，而熱源也更加多樣，包括采用發(fā)動機廢氣、從發(fā)動機壓氣機引氣、提供單獨的熱源等；1997年至今的發(fā)展成熟階段，全球申請量顯著增加，每年能達(dá)到20件左右，氣熱防冰技術(shù)也向著集成化、輕量化、智能化的方向發(fā)展。

從申請的分布看，美國、法國、英國依托于雄厚的技術(shù)研發(fā)實力以及工業(yè)制造水平，成為主要的申請活躍地區(qū)，這3個國家的總申請量占據(jù)了全球申請總量的3/4以上，而其中波音、空客、通用電氣等幾大航空巨頭貢獻(xiàn)突出。

2.技術(shù)分支分析

飛行器外表面氣熱防冰相關(guān)專利發(fā)展可以從防冰部位和熱源兩方面進(jìn)行分析。防冰部位主要集中在發(fā)動機進(jìn)氣口和機翼上，兩者共占了總申請量的90%以上，其他的防冰部位包括風(fēng)擋、葉片、蒙皮和空速管等。從熱源上看，來自發(fā)動機引氣的占55%，包含了從發(fā)動機壓氣機引氣和燃燒室引氣等；來自加熱空氣的占30%，包含了利用發(fā)動機廢氣加熱空氣、利用加熱器或熱交換器加熱空氣以及從單獨的熱源提供熱空氣；其余的熱源包括利用機載電子的廢熱、空調(diào)系統(tǒng)、機艙空氣等。

2.1 發(fā)展脈絡(luò)

最早的關(guān)于飛機外表面的氣熱防冰專利出現(xiàn)于1911年，英國專利GB191103331A中，將內(nèi)燃發(fā)動機的廢氣通入機翼結(jié)構(gòu)的金屬管道或者其他的腔體結(jié)構(gòu)中，對機翼結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的空氣進(jìn)行加熱，以防止冰的形成，其為后續(xù)的氣熱防冰技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

從20世紀(jì)20年代末到30年代末，飛機機翼氣熱防冰技術(shù)進(jìn)入了一個快速發(fā)展階段。在1927年的專利US1703612A中，采用發(fā)動機廢氣在機翼中循環(huán)為機翼加熱，從而防止冰的形成；在專利US1827276 A中采用發(fā)動機的廢熱加熱環(huán)境空氣，并通入不同的飛機結(jié)構(gòu)中為飛機防冰；1934年，美國專利US2046521A在發(fā)動機排氣管上設(shè)置熱交換器為發(fā)動機廢氣加熱從而為飛機機翼前緣、尾翼前緣除冰；1935年的專利US2081963A和1936年的專利DE711287C分別利用發(fā)動機排氣的廢熱加熱環(huán)境空氣和水蒸氣為飛機除冰。可見，這個階段的發(fā)展主要集中在對發(fā)動機廢氣廢熱的利用上，以提高除冰的效果。

在上述發(fā)展階段中，飛機上的發(fā)動機主要為螺旋槳發(fā)動機，防除冰部位也主要集中在機翼上。然而隨著噴氣發(fā)動機在飛行器上的逐漸應(yīng)用，防冰技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。在1942年，申請人Armstrong Siddeley發(fā)動機公司提交了用于飛機噴氣式發(fā)動機進(jìn)氣口防冰的首個專利申請GB578769A。兩年后的1944年，專利GB592091A利用外界空氣流作為傳熱介質(zhì)來將熱量傳遞到發(fā)動機進(jìn)氣口，并在進(jìn)氣道開關(guān)葉片后噴入進(jìn)氣道中與進(jìn)氣混合實現(xiàn)防冰。

隨著噴氣發(fā)動機的不斷發(fā)展，壓氣機的性能得到提升，可以提供更高的壓縮比，更高的進(jìn)氣溫度，因此其提供了一種理想的高溫高壓氣體來作為飛機氣熱防冰的熱源。在隨后的專利申請中，越來越多的申請采用從壓氣機中引氣。1947年，專利GB637598A通過從發(fā)動機的壓力機引氣為發(fā)動機進(jìn)氣口防冰；1954年，專利GB754301A采用從壓氣機引氣為飛機風(fēng)擋防冰；1974年，專利USB535928I5從壓氣機引氣同時為飛機機翼和發(fā)動機進(jìn)氣口防冰。

20世紀(jì)90年代末到21世紀(jì)初，氣熱防冰在航空發(fā)動機應(yīng)用中的最大技術(shù)突破在于氣熱防冰系統(tǒng)與其他進(jìn)氣道裝置的集成。1997年的美國專利US5841079A中，將防冰熱氣首先輸送到位于進(jìn)氣道側(cè)壁的多孔消音板之后的防冰腔中，然后熱氣可從多孔消音板表面向進(jìn)氣道唇口和內(nèi)側(cè)滲出，從而達(dá)到防冰與消音的雙重效果。

進(jìn)入21世紀(jì)，直接從壓氣機引氣會降低壓氣機的效率而影響發(fā)動機推力的問題受到重視。在2004年申請的專利EP1479889A2中，通過熱交換器對發(fā)動機進(jìn)氣口腔體內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱來防止進(jìn)氣口結(jié)冰；在2013年申請的專利US2015/0040577A1中，控制器可根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)而選擇不同的熱源，包括氣體源、液體源、電加熱源或者超聲波加熱源，以解決從壓氣機引氣造成的壓氣機效率下降。

從上面技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的分析可以看出，飛機外表面氣熱防冰技術(shù)經(jīng)過了漫長而曲折的發(fā)展過程，從最初的機翼防冰到發(fā)動機進(jìn)氣口的防冰，從最初簡單直接的防冰管路到復(fù)雜智能的防冰管路，從單一的氣熱防冰熱源到根據(jù)不同需要而可供選擇的多個熱源，從氣熱防冰系統(tǒng)功能的單一化到集成化，飛行器外表面氣熱防冰技術(shù)的不斷發(fā)展也標(biāo)志著全球航空事業(yè)的不斷進(jìn)步。

結(jié)語

飛機外表面氣熱防冰領(lǐng)域的重要技術(shù)主要集中在美國、法國等國家，而我國在該方面技術(shù)研究相對落后，申請量以及研究深度方面都尚未達(dá)到規(guī)模，因此我國在該領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Γ瑖鴥?nèi)各大航空研究所及相關(guān)科研單位可多研究和借鑒已有經(jīng)驗，探究該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，并進(jìn)一步挖掘該領(lǐng)域的深層技術(shù)，增強我國這方面技術(shù)的競爭實力，做好專利布局，力爭形成自己的核心技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周莉，徐浩軍.飛機結(jié)冰特性及防除冰技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（6）：105-110.

[2]常士楠.大型飛機的防/除冰問題[A].見：大型飛機關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會2007年年會論文集[C].深圳.2007.1-7.endprint