機(jī)翼電熱除冰專(zhuān)利技術(shù)概述

時(shí)緘+++趙若愚

摘 要：飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰是導(dǎo)致飛行安全事故的主要隱患之一，飛機(jī)機(jī)翼的防/除冰系統(tǒng)是提高飛機(jī)的安全性能，電熱除冰因其高效率、低能耗、易控制的優(yōu)勢(shì)已成為目前重要的除冰方法之一。本文對(duì)飛機(jī)機(jī)翼防/除冰技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析，從中國(guó)、全球的專(zhuān)利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的分布等多方面統(tǒng)計(jì)分析，闡述了飛機(jī)機(jī)翼防/除冰技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)，追蹤了飛機(jī)機(jī)翼防/除冰技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，重點(diǎn)針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼電熱除冰過(guò)程中涉及的傳熱特性、冰殼現(xiàn)象及其影響和冰脊形成特征三大主要研究方向，對(duì)其技術(shù)方向和技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。

關(guān)鍵詞：機(jī)翼；除冰；電熱；專(zhuān)利

中圖分類(lèi)號(hào)：V275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

飛機(jī)結(jié)冰是飛行實(shí)踐中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象，是造成飛行安全事故的主要隱患之一。機(jī)翼和尾翼的結(jié)冰主要發(fā)生在前緣部位，這類(lèi)結(jié)冰導(dǎo)致飛機(jī)阻力增加、升力下降、失速攻角減小以及操縱性能惡化等后果，引發(fā)飛行事故。

一、機(jī)翼除冰技術(shù)概況

目前，非電熱類(lèi)除冰方法主要有熱氣除冰、機(jī)械除冰和微波除冰等方法；電熱除冰系統(tǒng)工作時(shí)，電阻加熱單元將電能轉(zhuǎn)化成熱能，通過(guò)多層電熱除冰結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱量傳遞，影響冰層融化特性和脫落特性的主要因素。

電熱除冰系統(tǒng)通常由三大部分組成：一是電源系統(tǒng)，包括產(chǎn)生電能的電源和分配電能的總線系統(tǒng)；二是控制系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)結(jié)冰氣象條件、加熱表面溫度的手動(dòng)/自動(dòng)控制單元和座艙顯示面板；三是熱源系統(tǒng)，包括將電能轉(zhuǎn)換成熱能的電阻加熱單元和測(cè)量加熱表面的溫度傳感器。

二、機(jī)翼電熱除冰專(zhuān)利技術(shù)分析

1.全球申請(qǐng)量

全球機(jī)翼電熱除冰的發(fā)展大致分為3個(gè)階段：第一階段， 1927年～1965年，機(jī)翼電熱除冰技術(shù)處于萌芽階段，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量非常少，每年申請(qǐng)數(shù)量不超過(guò)10項(xiàng)；第二階段，1966年～1995年，初步增長(zhǎng)階段，從1966年開(kāi)始，關(guān)于機(jī)翼電熱除冰的專(zhuān)利申請(qǐng)量較之前的申請(qǐng)量增多，由于清潔能源、低能耗、高效率的優(yōu)勢(shì)，電熱除冰越來(lái)越得到青睞；第三階段，1996至今，顯著發(fā)展時(shí)間，從1996年至今，關(guān)于機(jī)翼電熱除冰的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)，進(jìn)入飛機(jī)機(jī)翼除冰技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期。尤其以2008年～2013年的增長(zhǎng)勢(shì)頭最為迅猛，申請(qǐng)量和申請(qǐng)人大幅度增加，電熱除冰不僅僅應(yīng)用于固定翼飛機(jī)的主翼和尾翼，同時(shí)廣泛應(yīng)用于旋翼飛機(jī)的旋翼中。

2.申請(qǐng)區(qū)域和申請(qǐng)人分布

在機(jī)翼電熱除冰的全球?qū)＠暾?qǐng)中，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)為主要的申請(qǐng)活躍地區(qū)，這4個(gè)國(guó)家的總申請(qǐng)占據(jù)了全球申請(qǐng)總量的4/5以上。機(jī)翼電熱除冰相關(guān)技術(shù)涉及的技術(shù)范圍廣且相對(duì)精密，因?yàn)閷?duì)相關(guān)的工業(yè)技術(shù)發(fā)展要求較高，上述國(guó)家研發(fā)實(shí)力雄厚、工業(yè)制造等技術(shù)發(fā)展相對(duì)領(lǐng)先，且依托古德里奇、波音、空客等各大航空公司，因而在區(qū)域布局方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

3.技術(shù)分支分析

機(jī)翼電熱除冰技術(shù)在全球的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的技術(shù)分布情況，涉及機(jī)翼前緣除冰的占總數(shù)據(jù)的54%，翼身除冰的占24%，技術(shù)分支較為明顯。機(jī)翼前緣是較為容易結(jié)冰的部位，為保證機(jī)翼除冰的同時(shí)減小能耗，對(duì)易于結(jié)冰的前緣進(jìn)行除冰是較為通常的做法，而對(duì)整個(gè)翼身進(jìn)行除冰是抵抗惡劣冰雪天氣的有效對(duì)策，但相對(duì)而言較為耗費(fèi)能量。

4.發(fā)展脈絡(luò)

機(jī)翼電熱除冰技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了多次改進(jìn)與變化，起初僅僅是采用電阻線加熱，電能轉(zhuǎn)換成熱能，之后對(duì)加熱元件進(jìn)行層疊，加熱元件包括加熱曾、絕緣層、膠粘層、隔熱層和外表層，外表層可以保護(hù)除冰裝置不受侵蝕，延長(zhǎng)其使用壽命；膠粘層具有高熱導(dǎo)率、電絕緣的性質(zhì)，保證加熱層和外表層間的電絕緣，同時(shí)可以減小傳熱熱阻；絕緣層起到支撐作用；隔熱層用于隔絕加熱層向內(nèi)部傳遞熱量，減小對(duì)內(nèi)部設(shè)備的影響；在提高電熱除冰傳熱特性的同時(shí)，出現(xiàn)了控制加熱電源到加熱器之間能量流動(dòng)的控制器和探測(cè)機(jī)翼表面溫度的傳感器，從而根據(jù)機(jī)翼表面的溫度，控制加熱器所需的熱量，以達(dá)到除冰的效果。

最早的關(guān)于機(jī)翼電熱除冰的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)于1927年，WEBESTER MELLBERG PAUL在專(zhuān)利US1795664A中提出了一種通過(guò)將電阻線平鋪翼面，通過(guò)電源對(duì)其加熱，電能轉(zhuǎn)換成熱能，從而達(dá)到除冰的技術(shù)效果。雖然這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)翼的除冰，但沒(méi)有對(duì)加熱過(guò)程和溫度加以控制，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)能耗過(guò)大，且加熱翼身時(shí)沒(méi)有任何防護(hù)措施，對(duì)飛機(jī)內(nèi)部設(shè)備的損失也較大。

1930年，機(jī)翼除冰公司在US1868468A中選擇在機(jī)翼前緣鋪設(shè)電阻線，并在加熱電阻線的外表面增加了蓋板，防止加熱電線被周?chē)h(huán)境侵蝕，增加了電熱除冰的可靠性，延長(zhǎng)了電熱除冰機(jī)翼的使用壽命。

1952年，納皮爾父子公司GB740551A中提出了一種改進(jìn)的機(jī)翼前緣電熱除冰方法，在機(jī)翼前緣通過(guò)層狀鋪貼的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)翼除冰，且各層通過(guò)噴涂的方式形成，采用了玻璃纖維，大大提高了機(jī)翼前緣電熱除冰的效果。

1979年，古德里奇公司在US4292502A1中，描述了一種直升機(jī)旋翼除冰系統(tǒng)，采用集電環(huán)的方式，通過(guò)直流電壓傳遞電流，在旋翼桅桿附近產(chǎn)生熱量，通過(guò)控制器持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)旋翼的結(jié)冰狀態(tài)，在不同時(shí)段對(duì)旋翼進(jìn)行適當(dāng)除冰。

1991年，英國(guó)航空公司在GB2252285A中，描述了一種機(jī)翼前緣電熱除冰方法，其中機(jī)翼前緣加熱部件放置于脫落區(qū)與分離區(qū)上，不同區(qū)域的加熱程度不同，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加熱方式。

2004年，歐洲直升機(jī)公司在專(zhuān)利EP1541467A1中描述了一種用于翼面的除冰裝置，采用模塊化除冰的方式，將除冰模塊分為兩個(gè)，公用電源設(shè)備，每個(gè)除冰模塊在自己的區(qū)域內(nèi)除冰，與其他模塊無(wú)關(guān)。

2010年，應(yīng)用納米公司在專(zhuān)利US8664573B2中描述了基于CNT的電阻加熱機(jī)翼除冰結(jié)構(gòu)，該專(zhuān)利主要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行改進(jìn)，在基體材料中并入碳納米管（CNT）的纖維材料，該復(fù)合結(jié)構(gòu)適合于施加電流經(jīng)過(guò)并入CNT的纖維材料以提供復(fù)合結(jié)構(gòu)的加熱。

從上面的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)分析可以看出，機(jī)翼電熱除冰技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：第一階段，簡(jiǎn)單鋪設(shè)電阻線于需要除冰的部位，以達(dá)到去除機(jī)翼表面冰層的目的；第二階段，采用內(nèi)外絕緣層和內(nèi)外蒙皮對(duì)電加熱元件進(jìn)行防護(hù)，從而保證飛機(jī)內(nèi)部設(shè)備不受加熱元件影響；第三階段，控制電源輸出功率大小、確定加熱時(shí)間和加熱周期，分區(qū)域差異加熱，采用復(fù)合材料提高電熱除冰性能的同時(shí)減輕飛機(jī)的重量、降低飛機(jī)能耗。從整個(gè)技術(shù)發(fā)展的路線來(lái)看，機(jī)翼電熱除冰技術(shù)在克服現(xiàn)有技術(shù)不足的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期、曲折、逐步的改善過(guò)程，同時(shí)也給審查員日常審查一些啟示，只有對(duì)本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)充分理解，才能夠準(zhǔn)確地把握專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明實(shí)質(zhì)，以及對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)獲得更加準(zhǔn)確、公正的判斷。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)翼電熱除冰技術(shù)的相關(guān)重要技術(shù)主要集中在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家，目前其申請(qǐng)量相對(duì)趨于穩(wěn)定，且在該領(lǐng)域已經(jīng)相對(duì)成熟，而目前中國(guó)在該方面技術(shù)的研究相對(duì)較少，申請(qǐng)量以及研究深度都尚未達(dá)到規(guī)模，在該領(lǐng)域的市場(chǎng)具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Γ瑖?guó)內(nèi)應(yīng)加大研究力度，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外航空公司，掌握該領(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(qiáng)我國(guó)該領(lǐng)域的技術(shù)自導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]肖春華.飛機(jī)電熱除冰過(guò)程的傳熱特性及其影響研究[D].中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心研究聲部，2010.

[2]周景峰.中國(guó)飛機(jī)防除冰技術(shù)專(zhuān)利態(tài)勢(shì)分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，9（25）：61-65.endprint