飞机防冰除冰技术的研究进展

结冰会影响飞机的气动性能，严重威胁飞行安全，防止或消除飞机关键部位的结冰尤为重要。首先总结了飞机结冰的主要原因以及冰的类型，对目前广泛采用的多种飞机防冰除冰技术的工作原理及优缺点进行了比较和分析，然后介绍了相关技术的国内外研究现状。在此基础上，重点阐述了两种新型防冰除冰技术——超疏水表面以及等离子体驱动器的防冰除冰机理以及探索性的研究成果。与传统的防冰除冰技术相比，两种新型防冰除冰技术更加绿色环保，能耗更低。     

飞机防冰表面材料研究进展

结冰不仅给人们的日常生活带来诸多不便,而且影响飞机的飞行安全,甚至引起重大的经济问题和人身威胁。虽然飞机的防/除冰研究已经进行了数十年,但仍然需要开发出对环境无害、经济且有效的防冰策略。防冰表面材料可通过延长结冰时间和降低冰的附着力减轻甚至消除冰的积聚,是目前飞机防/除冰领域学科发展的前沿方向,制备高性能防冰表面材料具有十分重要的意义。本文综述了当前防冰表面材料的研究现状,对超疏水材料以及润滑层材料等应用于防冰领域的优劣势进行分析,并分析与展望了防冰材料的发展方向。     

发动机唇口电热防冰系统性能仿真

采用三维耦合传热方法对发动机唇口电热防冰系统进行了多状态下的性能仿真,获得了唇口表面平衡温度及动态温升响应时间,以此评估防冰系统性能,并通过与冰风洞试验结果对比,对仿真过程进行了修正。研究表明:唇口表面加热区平衡温度均高于273.15 K,温升响应时间小于60 s,满足防冰需要,较为严酷的防冰状态点主要为飞行速度较大、环境温度较低的状态点;修正唇口材料导热系数后,仿真与试验结果吻合良好。研究结果能有效指导工程研制,对提高防除冰仿真分析结果的准确性提供了很好的借鉴。     

疏水/超疏水表面防/除冰原理及其研究进展

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势。本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指出利用液滴的反弹特性可更加有效地抑制结冰;最后,提出未来有必要对撞击液滴的动力学过程、传热过程和结冰过程的耦合特性进行系统研究,进而为利用液滴的反弹特性抑制结冰提供一定的理论指导。     

运输类飞机防冰除冰适航取证分析

飞机的防冰除冰能力对飞机在恶劣天气下的飞行安全有重要影响,是适航审定中十分重要的一环。通过对运输类飞机防冰除冰系统有关适航标准、相关技术性文件、咨询通报及运输类飞机防冰除冰系统适航符合性验证方法的研究,介绍了CCAR25R4（草案）中对飞机不同部件、系统的除冰防冰要求,适航性验证时对大气结冰环境参数的要求;并对几类常规的飞机防冰系统试验进行综述,对大飞机防冰除冰系统的适航取证工作提供一定的指导意义。     

KH-550 对环氧树脂胶黏剂粘接性能的影响

采用红外光谱表征了KH-550的结构.用不同浓度的KH-550乙醇溶液处理铝表面,并用环氧胶黏剂粘接铝与铝的界面,测定其剪切强度.采用扫描电镜研究了KH-550预处理前后的铝与环氧胶黏剂体系的界面结合特征,并利用反射红外(RA-IR)对氨基硅烷偶联剂的作用机理进行了分析.试验研究表明,KH-550溶液涂覆后可明显改善铝与胶黏剂粘接界面的结合强度,环氧胶黏剂粘接强度可提高2～3 MPa.     

民用飞机短舱防冰系统冻雾天试验方法研究

民航规章25部1093(b)(2)条款要求短舱防冰系统在冻雾天环境中性能满足要求,通过构建开放式结冰条件模拟装置,对民用飞机短舱防冰系统在特定的地面冻雾条件下的性能进行了验证,试验对象是装机后的短舱防冰系统,在真实的飞机发动机运转条件下进行适航验证试验,表明短舱防冰系统对民航25部适航规章1093(b)(2)条款的符合性,详细给出了民用飞机短舱防冰系统地面冻雾天试验的方法。该试验方法成功在某型飞机上实施,试验方案科学合理,试验方法可以为其他型号飞机地面冻雾天试验提供参考。     

染色Ⅰ型飞机除冰防冰液环保性能研究

通过BOD_5、COD、鱼类急性毒性和痕量元素分析,研究了染色I型飞机除冰防冰液的环保性能。结果表明,甲基橙染色剂的加入对I型飞机除冰防冰液的环保性能影响不明显。为了降低除冰防冰作业给环境带来的影响,提出了积极推广使用染色I型飞机除冰防冰液等的建议。     

直升机旋翼结冰影响及防/除冰方法综述

为深入认识旋翼结冰的影响，从结冰强度和桨尖冰脱落两个方面阐述了旋翼结冰的特征及其主要响应因素，进而归纳了结冰对直升机升阻力特性、悬停特性、操纵特性等气动影响，并提出了评估旋翼冰脱落对直升机物理损伤的主要思路和方法。介绍了旋翼防/除冰应用中的电热防/除冰、液体防冰和气动除冰等主要技术，系统分析了它们的优缺点：电热防/除冰除冰效率高，但能耗较大；液体防冰能耗低，但作用时间短，且防冰效率不高；气动除冰系统虽然能耗低，但其安装部位有限，并且易造成直升机气动损失。在此基础上，还针对当前直升机防除冰系统存在的缺点，从旋翼结冰的高精度预测、多种防/除冰系统的耦合开发、大面积超疏水材料制备工艺提升等多个方面，全面展望防/除冰未来发展中亟需解决的重要问题。     

疏水涂层表面防冰效果的结冰风洞实验研究

采用结冰风洞实验的研究方法,对不同疏水涂层表面的防冰效果进行了研究,建立了综合考虑结冰外形、结冰速率和结冰强度等量化参数的防冰效果评估方法。实验研究表明,硅橡胶的防冰效果并不明显,但添加16烷的硅橡胶却显示出了更好的防冰效果,因此,在高分子涂层中添加小分子材料是一种值得探索的防冰涂层研究方向。疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象,需要对涂层配方及其防冰机理进行更深入的研究,才能获得更好的防冰效果。研究结果对于防冰理论和技术的发展具有现实的意义。     

热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则

根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和，必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度，则冰层发生破坏，破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。      

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

电脉冲除冰系统的除冰实验与数值模拟

搭建了电脉冲除冰实验台,完成了脉冲放电500V时的除冰实验,获得了三次除冰激励后的除冰效果.同时,为数值模拟除冰过程,求解了除冰动力即铝板在涡流场作用下的脉冲压力分布,建立了冰-铝板三维有限元分析模型,利用ANSYS单元生死技术瞬态非线性分析了冰层的失效单元,比较了Labeas冰层失效准则与第一强度理论分析冰层失效的效果.结果表明:加载除冰激励后,利用第一强度理论数值仿真去除冰层范围的结果更符合本次除冰实验.      

结冰环境下结冰/除冰过程的气动参数测量实验技术

采用结冰风洞实验方法,在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段对圆柱模型的结冰/除冰过程进行了气动参数测量实验。建立了电加热圆柱模型和适合低温高湿环境的五分量外式微量天平,获得了结冰气象环境下圆柱模型结冰/除冰过程的气动力/力矩随时间的变化规律。喷雾对载荷和动压的影响可以忽略,单位时间内模型受到喷雾的最大水平力、最大动压增量分别为0.6%和0.2%。基于结冰风洞低温高湿环境的测力实验技术可以捕捉结冰/除冰过程的气动力/力矩变化。结冰过程中,圆柱模型阻力系数随时间不断增大,呈现出近似线性增长趋势,而升力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数的变化可忽略不计。除冰过程中,前缘冰壳滑动改变了姿态,会造成阻力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数等迅速变化,其对气动性能的影响难以预测。      

机翼结霜和薄冰的危险性分析

近年来随着飞机的使用越来越广泛,机翼积冰现象已经成为飞机起飞及运行阶段需要着重解决的问题,虽然霜和薄冰也属于积冰,但机翼结霜和薄冰往往容易被人们忽略.首先列举了机翼积冰所导致的飞行事故的案例,总结了机翼积冰现象的研究背景、国内外研究现状,讨论了积冰的影响因素,分析了积冰对飞行的影响,根据CCAR-25部对起飞速度的适航规定,利用公式推导,运用风洞实验数据从理论上分析了CRJ-200机翼积冰是如何导致飞机失速的.针对机翼结霜和薄冰的现象,列举了一些防/除冰方法,并对飞机在不同状态下积冰时应采取的措施提了几点建议.     

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

平面铝板上的压电振动除冰方法

以平面铝板为对象,对压电振动除冰方法进行了理论与实验研究。使用有限元方法(FEM)分析了压电片(PZT)长度和厚度对所激发结构模态振动强度的影响。建立了冰层的二维受力模型,分析接触面上的切应力分布,为除冰模态的选取提供指导。结果表明,理想情况下当PZT长度约为某模态半波长的奇数倍时,对该模态的激发效果最好,此外压电片长度还受到结构表面应变分布的影响。在满足强度要求的前提下,压电片厚度应尽量小。结构与冰接触面上的最大切应力出现在结冰边缘部位,大小与结构表面的应变有关,在振动节线附近的切应力最小。实验获得了较好的验证结果,除冰功率约为36.5 W/m2,比电热除冰方法的功耗低1~2个量级。     

冰形表面粗糙度对翼型的失速特性影响分析

结冰翼型气动影响分析是飞机结冰问题重要的研究内容之一,可帮助进行飞机结冰安全分析和容冰设计。为填补现阶段关于冰形表面粗糙度对翼型气动影响的研究空缺,以冰形的粗糙度参数(冰形表面粗糙高度和冰形表面粗糙分散度)为依据,提出了一种冰形粗糙度叠加方法;并通过有限体积法求解空间离散的RANS方程,结合S-A湍流模型,分别针对流线冰型和角状冰型,量化分析了不同微观特征参数的冰形对翼型失速特性的影响规律,为研究飞机结冰问题提供了思路和基础。结果表明,对于流线结冰翼型,冰形表面粗糙度会明显影响翼型的失速性能;而对于角状结冰翼型,两个凸起的羊角状外形才是导致气动力损失的主要因素,粗糙度的影响往往可不考虑在内。     

结冰翼型表面明冰的压力分布和应力计算

在不同来流速度和攻角下,比较分析了冰型外部压力分布的变化规律,计算分析了外部压力分布对表面冰型的力学特性影响规律,研究了冰型和蒙皮界面间最大剪切应力的变化规律,并结合剪切强度随界面温度变化的实验曲线,分析了最大剪切应力对冰层脱落的贡献.计算结果表明:最大剪切应力是剪切强度的5.48%,因此气动力对冰层的脱落贡献不大;当开启热除冰装置后,由于蒙皮表面温度的不断上升,冰型和蒙皮界面间剪切强度的下降,当表面温度为-2℃时,最大剪切应力超过剪切强度的10%,此位置可能率先产生破裂,从而加速冰层的脱落.