槳葉防/除冰技術(shù)簡述

摘?要：首先，介紹了直升機(jī)槳葉的結(jié)冰條件、影響因素及防/除冰方法，敘述了旋翼防/除冰系統(tǒng)構(gòu)成、研制及試驗工作;然后，對防/除冰槳葉研制及試驗研究的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納闡述;最后，對現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)并對未來的研究做出展望。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);結(jié)冰;防/除冰;槳葉研制;試驗研究

槳葉結(jié)冰是指直升機(jī)槳葉表面聚集冰層的現(xiàn)象。由于旋翼系統(tǒng)槳葉結(jié)冰會導(dǎo)致直升機(jī)氣動外形的破壞，造成飛行時的劇烈顫動，影響直升機(jī)的操縱、安全和飛行品質(zhì)。所以，研究槳葉的結(jié)冰機(jī)理、防/除冰及試驗驗證技術(shù)都對提升直升機(jī)的實際飛行能力具有非常重要的意義。

1?理論概述

1.1?槳葉結(jié)冰及防/除冰

直升機(jī)槳葉的結(jié)冰條件，包含連續(xù)最大和間斷最大結(jié)冰條件等，其狀態(tài)由液態(tài)水含量（LWC）、水滴平均有效直徑（MVD）、云霧均勻性、環(huán)境溫度、大氣壓力和飛行速度等影響因素共同決定。與常規(guī)認(rèn)知不同，因為露點溫度的差異，一方面，會造成云霧水滴在-20℃乃至更低環(huán)境溫度下，仍然能夠以液態(tài)水的形式存在;另一方面，也會造成水汽在適宜濕度下，0℃以上環(huán)境溫度時就產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。在實際飛行中，槳葉冰層則主要由云中過冷水滴或過冷降雨撞擊槳葉表面凝固形成，其次也可能直接由水汽在槳葉表面凝華而成?，F(xiàn)有的防/除冰技術(shù)大致有如下幾種類型：①電加熱防/除冰;②氣動防/除冰;③涂層防/除冰;④熱氣防/除冰;⑤微波防/除冰。其中，電加熱防/除冰技術(shù)適用于各類冰型，且能夠滿足槳葉表面復(fù)雜的防護(hù)要求。同時，具備結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)、使用受限時間少、價格低廉等優(yōu)點。所以，在研制國產(chǎn)直升機(jī)防/除冰槳葉時，經(jīng)綜合考量后，最終采用了電加熱防/除冰技術(shù)展開應(yīng)用研究。在實際工程應(yīng)用時，又由于發(fā)動機(jī)功率有限，對于需要更多能量的主旋翼防/除冰系統(tǒng)而言，只能采取更為節(jié)能保守的除冰策略。所以，直升機(jī)槳葉電加熱防/除冰研究，實際上是對于主槳葉除冰和尾槳葉防冰技術(shù)的研究。

1.2?系統(tǒng)構(gòu)成與試驗研究

直升機(jī)槳葉電加熱防/除冰系統(tǒng)主要由防/除冰槳葉（內(nèi)置加熱組件）、溫濕度探測器、結(jié)冰指示器、防/除冰控制器、加熱電源、集電器、配電器等部件組成，其中：防/除冰槳葉是系統(tǒng)研制的重中之重。在電加熱防/除冰槳葉研制進(jìn)程中，需要進(jìn)行的工作有：①旋翼防/除冰防護(hù)范圍研究;②水滴撞擊特性CFD及熱載荷研究;③加熱元件的設(shè)計與布置;④加熱組件的復(fù)合材料槳葉鋪層;⑤加熱功率分配研究;⑥加熱控制律研究;⑦旋翼結(jié)冰探測器研究等。

研制過程中，還需平行開展一些優(yōu)化和驗證性的試驗工作，如：①熱力學(xué)試驗;②主/尾槳葉結(jié)冰風(fēng)洞試驗;③干冷及濕冷空氣旋翼塔除冰和尾槳臺防冰試驗;④地面及懸停噴灑塔防/除冰試驗等。其目的在于：①通過多次比對理論計算和試驗數(shù)據(jù)，反復(fù)調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，確定槳葉前緣表面結(jié)冰范圍、結(jié)冰量和結(jié)冰形狀，迭代并最終確定各型機(jī)的防/除冰加熱功率、控制率和循環(huán)周期等;②通過部件結(jié)冰和防/除冰試驗，驗證已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，并驗證優(yōu)化后的系統(tǒng)在設(shè)計要求的結(jié)冰條件下能夠安全工作;③通過整機(jī)地面及懸停防/除冰試驗，驗證防/除冰加熱系統(tǒng)能夠有效地運行而基本不引起振動以及冰的回流，驗證鑒定裝配有電加熱防/除冰系統(tǒng)的直升機(jī)能夠適應(yīng)各種目標(biāo)飛行氣候。最終，確保直升機(jī)防/除冰功能、性能、飛行安全系數(shù)和可靠性達(dá)標(biāo)，并為適航取證做足準(zhǔn)備。

2?關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)新研直升機(jī)構(gòu)型、用途及飛行環(huán)境等，首先，進(jìn)行旋翼防/除冰防護(hù)范圍研究;其次，開展防/除冰形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究;再次，進(jìn)行熱載荷、加熱功率分配及控制律設(shè)計與試驗研究;最后，通過模擬自然結(jié)冰飛行試驗加以驗證。本章即依照以上研制流程，介紹部分關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.1?旋翼槳葉防/除冰范圍計算

旋翼槳葉防/除冰防護(hù)范圍由槳葉展向和弦向防護(hù)范圍共同決定。由于旋翼系統(tǒng)工作的復(fù)雜性，即便研究點處于槳葉同一位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動至槳盤不同周向位置時，其速度、攻角等參數(shù)也會不盡相同。所以，應(yīng)在完成槳葉展向防護(hù)范圍研究的前提下，沿翼展速度不同的各個截面，以及沿攻角不同的各個周向位置，對翼型進(jìn)行分析，之后再對槳葉弦向防護(hù)范圍進(jìn)行研究。研究展向防護(hù)范圍時，翼尖處研究點的線速度較大，氣動加熱效應(yīng)也更大。當(dāng)氣動加熱效應(yīng)大到一定程度時，即便不加熱，槳葉表面溫度也大于臨界結(jié)冰溫度。因此，可通過分析其表面熱流密度及平衡溫度，計算各環(huán)境溫度下極限結(jié)冰狀態(tài)（平衡溫度為0℃）的臨界速度，確定槳葉展向翼根到翼尖的結(jié)冰防護(hù)范圍。研究弦向防護(hù)范圍時，需要使用目標(biāo)擴(kuò)散追蹤法或歐拉法等計算方法對槳葉多維翼型進(jìn)行氣流場、水滴軌跡和水滴撞擊特性計算。通過計算求解出水滴撞擊區(qū)，即：槳葉弦向上、下表面結(jié)冰防護(hù)范圍。同時，上述計算還可為后續(xù)加熱防護(hù)功率的研究提供部分參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2?槳葉加熱組件

直升機(jī)槳葉電加熱組件由耐腐蝕保護(hù)層、加熱元件（材料一般為金屬合金絲、碳纖維等）和隔離層（含絕熱層和絕緣層，厚度2∶1）組成，通常安裝在槳葉前緣包鐵和蒙皮之間厚度約1mm的空間內(nèi)。研制時，不應(yīng)只關(guān)注溫?zé)嵝阅芎头?除冰效果，還應(yīng)努力提升其力學(xué)性能（主要指柔韌度和抗疲勞能力）。并制定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，盡可能少地改變原槳葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保能夠滿足直升機(jī)防/除冰槳葉的動特性和強(qiáng)度要求，達(dá)到可靠性高、相容性好、壽命長久等設(shè)計目標(biāo)。所以，其材料組成、編織形式、鋪層方向、網(wǎng)格尺寸、制作工藝、元件數(shù)目等都是研究應(yīng)關(guān)注的重要影響因素。

2.3?電加熱防/除冰系統(tǒng)

防/除冰槳葉電加熱測控系統(tǒng)是直升機(jī)槳葉防/除冰試驗的重要組成部分，其功能是驗證多種電加熱控制策略的可行性，并通過試驗建立研究用數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)設(shè)計思路是：①以PLC作為核心控制器，集中實現(xiàn)設(shè)備邏輯控制和必要的連鎖控制;②基于特定的通信協(xié)議，經(jīng)由上位機(jī)測控軟件發(fā)出指令，及時高效地控制下位機(jī)PLC的基本輸入/輸出單元和數(shù)據(jù)存儲區(qū);③上位機(jī)軟件集成測試采集、圖形監(jiān)控、重要參數(shù)（溫度、電壓、電流、功率、故障信息）存儲等功能;④如測試點過多，則由另一套專門測試硬件輔助采集其余信號并傳輸、存儲至監(jiān)測用計算機(jī);⑤根據(jù)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過串行總線遠(yuǎn)程同步控制中頻電源加熱通斷時間、功率調(diào)壓器啟停及調(diào)節(jié)輸出百分比等。

系統(tǒng)裝機(jī)試制時，不僅應(yīng)合理減小硬件體積并提高系統(tǒng)集成度，還應(yīng)解決控制信號和加熱電能在不動件與旋轉(zhuǎn)動部件之間傳輸?shù)碾y題。因此，配屬研制的由特制電刷、導(dǎo)電環(huán)、彈簧等部件組成的防/除冰專用集流環(huán)，此時也成為了電加熱防/除冰系統(tǒng)的必要組成。

2.4?功率分配

功率分配由三部分組成：①發(fā)動機(jī)對防/除冰系統(tǒng)的功率分配;②防/除冰系統(tǒng)對主槳除冰和尾槳防冰系統(tǒng)的功率分配;③主槳除冰和尾槳防冰系統(tǒng)的實時功率分配。由于篇幅有限，本節(jié)只簡要介紹部分研制過程。

首先，進(jìn)行熱載荷計算研究，即：研究槳葉表面在一定氣象飛行條件下，電加熱與外流場的耦合傳熱規(guī)律，計算各工況下槳葉表面的溫度分布和熱平衡，從而確定防/除冰系統(tǒng)的熱負(fù)載。其次，在確定熱負(fù)載的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計加熱熱流密度和加熱、冷卻時間控制率，使槳葉表面溫度分布更加均勻，初步實現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能有效工作的目標(biāo)。最后，對影響除冰主槳葉和防冰尾槳葉加熱功率的目標(biāo)防護(hù)區(qū)域、液態(tài)水含量和旋翼轉(zhuǎn)速等影響因素展開試驗研究，總結(jié)試驗結(jié)果，找出規(guī)律并迭代優(yōu)化分配方案。

2.5?試驗臺及噴霧系統(tǒng)

直升機(jī)槳葉防/除冰試驗臺，是模擬真實結(jié)冰要素和研究防/除冰技術(shù)的專門試驗場所，一般指高低溫環(huán)境試驗室、結(jié)冰風(fēng)洞及冰霧噴灑塔。由于試驗時，需要模擬實現(xiàn)操作卡上要求的各種自然氣象環(huán)境，所以必須保證以下參數(shù)的準(zhǔn)確性：①云霧液態(tài)水含量及平均水滴直徑;②云霧均勻性分布范圍;③目標(biāo)低溫環(huán)境等。

其核心組成部分是噴霧系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計時，采用集中管理、分布式控制的架構(gòu)，對每路供水和供氣管路分別進(jìn)行HD閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)水、氣壓力差的精準(zhǔn)調(diào)控。試驗時，調(diào)節(jié)噴霧耙噴嘴的水、氣壓力差及啟停區(qū)域，模擬創(chuàng)造試驗矩陣要求的目標(biāo)液態(tài)水含量、云霧粒子直徑及均勻性云霧區(qū)域。工程改造時，可通過適當(dāng)減小噴嘴水路節(jié)流管直徑的方法，增加噴嘴水、氣壓力差范圍，實現(xiàn)擴(kuò)展噴嘴流量粒徑性能包絡(luò)線的目標(biāo)。為保證試驗狀態(tài)準(zhǔn)確，應(yīng)定期關(guān)注并重點研究噴霧經(jīng)過運動和蒸發(fā)后，到達(dá)試驗段時：①是否能夠繼續(xù)保持正態(tài)分布特性;②是否與初始霧滴直徑有較大差異等。

2.6?試驗臺測試系統(tǒng)

對于上述問題，準(zhǔn)確測量云霧參數(shù)就顯得尤為重要。在實際測量時，除采用冰格柵（Icing?Grid）方法測量云霧均勻性外，應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實際情況，合理選取測量方法（冰刀法、旋轉(zhuǎn)圓柱法、熱線法和粒子統(tǒng)計法等）測量液態(tài)水含量（LWC），合理選取測量設(shè)備（激光前向散射、激光相位多普勒干涉和激光粒子成像等原理設(shè)備）測量平均水滴直徑（MVD）。在實際工程使用時，為消除噴嘴等設(shè)備老化造成的結(jié)果偏差，必須定期進(jìn)行云霧參數(shù)標(biāo)定，逆向推導(dǎo)并調(diào)整控制參數(shù)，以保證試驗狀態(tài)準(zhǔn)確。此外，還需通過傳感器、探頭等直接或間接測量制冷、真空等系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，如：環(huán)境溫度、大氣壓力、空氣濕度、風(fēng)速、攻角、馬赫數(shù)、水溫氣溫、水壓氣壓等。將前述各信號經(jīng)虛擬儀器軟、硬件濾波除噪后，由儀器總線匯入綜合測試采集系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對結(jié)冰環(huán)境試驗參數(shù)的全面實時監(jiān)測。

2.7?整機(jī)旋翼防/除冰試驗

此類試驗通常在冰霧噴灑塔進(jìn)行，由各種模擬氣象環(huán)境下的地面和懸停旋翼防/除冰試驗組成，同時，也是高寒試飛、適航取證的先行研制科目。

試驗前，必須確保云霧參數(shù)標(biāo)定準(zhǔn)確。試驗過程中，不僅應(yīng)考量加熱工作電流、試驗件實測溫度、防/除冰控制率調(diào)整等狀況，還應(yīng)該對RIPS工作狀態(tài)、故障告警、結(jié)冰速率信號、引氣式結(jié)冰探測器周邊溫度場、引氣壓力、機(jī)體振動水平、發(fā)動機(jī)工作參數(shù)等狀況有所關(guān)注。試驗后，在完成冰形測量的前提下，對防/除冰效果和溫度實測值進(jìn)行分析，并評估該狀態(tài)下積冰對飛行力學(xué)的影響。最后，還需重點關(guān)注飛行員對該狀態(tài)下飛行品質(zhì)的評價。

3?結(jié)語

槳葉防/除冰技術(shù)由其設(shè)計與試驗技術(shù)組成，涉及旋翼氣動、材料、電氣、試驗環(huán)控、測控、機(jī)械等專業(yè)，不僅需要合理的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)仿真，還需要各專業(yè)的精誠合作及完善的制造工藝。然而，現(xiàn)有的水滴撞擊特性計算、熱載荷計算、防/除冰控制率設(shè)計、試驗邊界范圍確定、試驗環(huán)控等環(huán)節(jié)仍存在一些不足，未來還需要更加深入細(xì)致地研究，優(yōu)化現(xiàn)行算法，提升設(shè)計水準(zhǔn)，完備工藝流程，高效完成靜止模壓槳葉段、旋轉(zhuǎn)縮比槳葉、整機(jī)地面運轉(zhuǎn)、懸停飛行等試驗科目，最終研制出熱效率更高、傳輸耗能更低、重量更輕、體積更小的旋翼防/除冰系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪海華，劉偉光，艾劍波，徐偉榮.直升機(jī)的防除冰系統(tǒng)[J].直升機(jī)技術(shù)，2010（1）：5256.

[2]鄒小玲.直升機(jī)旋翼防除冰設(shè)計與分析[J].直升機(jī)技術(shù)，2009（3）：3946.

[3]常士楠，劉達(dá)經(jīng)，袁修干.直升機(jī)旋翼槳葉防/除冰系統(tǒng)防護(hù)范圍研究[J].航空動力學(xué)報，2007（3）：360364.

[4]艾劍波，鄧景輝，劉達(dá)經(jīng).直升機(jī)旋翼槳葉除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].直升機(jī)技術(shù)，2005（2）：1215.

[5]傅見平，莊偉亮，楊波，常士楠.直升機(jī)旋翼防/除冰電加熱控制率仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2014（9）：12001207.

[6]諶廣昌，紀(jì)雙英，趙文明，益小蘇.直升機(jī)旋翼除冰系統(tǒng)加熱墊試驗研究[J].航空工程進(jìn)展，2019（4）：201205.

[7]劉正江，顧寒，戴金花，劉福華，李新民.槳葉除冰碳纖維加熱組件溫?zé)崽匦栽囼灱夹g(shù)研究[J].測控技術(shù)，2009（4）：8790.

[8]劉達(dá)經(jīng)，黃珺，艾劍波.直升機(jī)旋翼槳葉電加熱除冰設(shè)計[J].直升機(jī)技術(shù)，2004（3）：1417.

[9]鎖俊睿，劉壯，高長水.防除冰槳葉加熱及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化，2015（4）：177180.

[10]周志宏，易賢，桂業(yè)偉，李鳳蔚.水滴撞擊特性的高效計算方法[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2014（5）：712716.

[11]鄭莉，郭元軍，劉偉光，馮康.直升機(jī)槳葉結(jié)冰噴灑塔設(shè)計[J].科技導(dǎo)報，2013（8）：4852.

[12]張彈琴，吳雙金，梁建海.直升機(jī)防/除冰試驗云霧控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2017（7）：8083.

[13]易暉，湯永，李開成，姚智，陳堯.直升機(jī)防除冰地面試驗結(jié)冰云霧參數(shù)測量技術(shù)研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2016（4）：5457.

[14]Flemming?R?J.The?past?twenty?years?of?icing?research?and?development?at?Sikorsky?aircraft[C].40th?AIAA?Aerospace?Sciences?Meeting?and?Exhibit.2002（1）.

[15]杜洪亮，張偉.冰風(fēng)洞虛擬儀器環(huán)境參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2016（3）：812.

作者簡介：姚智（1987—?），男，浙江淳安人，碩士研究生，工程師，研究方向為直升機(jī)綜合試驗技術(shù)。