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。     

直升机的防除冰系统

介绍了直升机结冰的基本情况和国内外防、除冰技术研究的现状,明确了电热防、除冰方法目前依然是解决直升机结冰问题最好也是最成熟的方法。对直升机电热防、除冰系统研发所涉及到的结冰理论计算、冰风洞结冰试验、加热元件设计与布置、加热控制率和系统综合评估几方面进行阐述,指出了防、除冰系统研发的大致过程及应注意的问题,为实际系统的研究开发提供有益的参考。     

飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用

飞机结冰是飞行过程中所面临的严重安全隐患,不同气象条件下会产生各种不同的结冰类型。文章介绍了几种常见冰型、成冰机理及其对飞机结构和系统可能产生的危害程度,分析研究了目前国内外飞机结冰探测技术的现状和发展趋势,总结了各种防除冰措施在飞机上的应用和技术特点,并以波音777飞机防除冰系统设计为例,说明典型飞机结构防除冰系统设计的特点和功能。     

结冰喷水机设计准则研究

首先,简要介绍了国内外飞机防/除冰技术的研究现状,以及结冰飞行试验的有关条例和规范;然后,对人工模拟冰云及结冰过程进行了分析,阐述了国外典型结冰喷水机的性能及特点;最后,总结了研制喷水机需要解决的关键技术,提出了国内结冰喷水机的总体设计准则。     

黑鹰直升机旋翼桨叶防/除冰系统研究

旋翼系统是直升机的关键动部件之一,旋翼桨叶结冰会降低直升机性能,危及飞行安全。为了使直升机具备全天候飞行能力,有必要在直升机上安装旋翼桨叶防/除冰系统。黑鹰直升机上装备的电热防除冰系统是美国西科斯基公司最早开发的比较成功的一款旋翼防/除冰系统。详细介绍黑鹰直升机旋翼防/除冰系统的发展历程和设计特点,对比了UH-60A和UH-60M直升机上防/除冰系统的异同。     

飞机过冷大水滴结冰气象条件运行设计挑战

过冷大水滴（SLD）环境是一种普遍存在的危险气象,已造成多起空难事故。因其结冰特征异常、导致失事快而受到广泛重视。20余年来,国内外在过冷大水滴结冰机理、模拟方法、试验技术等方面开展了大量研究,但结冰保护和适航取证研究一直进步缓慢。国际最新SLD结冰适航条款的取证是目前中国大型民机面临的一大挑战。更重要的是在严厉的SLD结冰条款要求下飞机结冰条件的运行能力是否提高,这是一直以来缺乏探讨的问题。按基础研究到工程应用的逻辑,依次介绍了过冷大水滴结冰机理、模拟技术、结冰风险评估和防冰方法等方面的研究进展,并对飞机结冰保护设计及运营策略进行了探讨。综述认为飞机SLD结/防冰设计中多个环节技术仍不成熟,包括数值/试验模拟、结冰环境探测和高效防除冰技术,导致SLD结冰安全设计技术风险大、成本高。单纯提升防除冰能力的综合收益低,飞机应重点提升冰环境感知、结冰探测、防除冰精确性和容冰能力。为此需突破精准结冰保护、结冰准确感知和过冷大水滴试验模拟技术,而这有赖于过冷大水滴环境产生方法和溢流结冰机理等基础问题研究的进步。     

直升机防除冰系统的喷洒塔试飞验证

为保证直升机在结冰环境条件下的飞行安全,旋翼系统必须具备防除冰能力。安全高效地验证直升机旋翼防除冰系统的性能并进行考核是一项很难的课题。国际上通常利用地面喷洒塔来模拟特定的结冰云雾环境,开展不同结冰条件下直升机防除冰系统的性能试验。文章着重讨论防除冰系统喷洒塔的试验方法、注意事项并给出喷洒塔试验的部分试验结果。     

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。     

直升机旋翼桨叶防/除冰系统防护范围研究

直升机主旋翼桨叶在结冰气象条件下有结冰的危险, 为了满足直升机全天候仪表飞行的要求, 必须对桨叶采取结冰防护.本文针对某翼型直升机桨叶, 通过分析表面各项热流, 计算表面温度为零时极限结冰状态的临界速度, 确定了桨叶展向结冰防护范围为沿展向从翼根到翼尖0～95%;采用分析水滴在气流场中运动的拉格朗日法计算水滴撞击特性, 确定桨叶弦向结冰防护范围为上表面12%, 下表面33%.在此基础上对桨叶表面加热形式和结构进行设计, 可为直升机旋翼桨叶防/除冰系统设计奠定基础, 此研究具有重要的实用价值.      

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。      

旋翼结冰对直升机飞行动力学特性的影响

基于旋翼冰风洞试验数据,考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响,提出了旋翼结冰的工程模型,建立了直升机旋翼结冰后的飞行动力学模型,以UH-60A为样机,研究了直升机旋翼结冰后的平衡特性,分析了结冰对直升机稳定性的影响.根据有人驾驶垂直/短距起落飞机军用品质规范(MIL-F-83300)与军用旋翼飞行器驾驶...     

直升机防冰技术研究

根据直升机的自然结冰条件,研究了云层液态水含量、水珠平均有效直径和大气温度等要素对直升机结冰的影响;同时论述了直升机旋翼无防冰设备民政部下各要素对直升机性能的影响,以及具备防冰能力的直升机必须的结冰试验项目与内容;根据国外直升机结冰试验结果,提出了旋翼防冰设计应考虑的因素,可供直升机防水设计和试验时参考。     

引射式结冰风洞内圆柱结冰试验

设计并建造了用于结冰研究的小型引射式结冰风洞试验系统,对其结冰气象条件参数进行了标定,给出了试验段水雾均匀区范围,验证了试验冰形的可重复性.在霜状冰和瘤状冰条件下,对直径为25.4mm和50.8mm的圆柱在所建的结冰风洞内进行了结冰试验.试验结果表明:在所研究的结冰条件和结冰时间范围内,霜状冰与瘤状冰的结冰厚度均随时间推进而线性增长;在满足结冰相似准则的情况下,冰形相似性结果良好,无量纲厚度的最大偏差约为10%.      

旋翼桨叶结冰对直升机飞行性能的影响

采用由翼型冰风洞试验推导而来的工程公式,将旋翼结冰模型嵌入离散格式的旋翼气动模型,分别计算结冰后每个桨盘网格区域的翼型升、阻力系数的增量和挥舞系数的增量,建立了结冰后的UH-60A直升机飞行力学模型.结合发动机功率数据,通过改变结冰条件,研究了不同结冰参数对最大平飞速度、最大垂直爬升率和最大爬升率的影响.结果表明:在环境温度为0~-10℃时,降低环境温度会严重降低飞行性能;液态水含量对所选性能指标有一定影响;水滴直径对最大平飞速度的影响较小,对爬升性能的影响可忽略不计;飞行性能指标随结冰时间呈线性下降趋势.      

Y-8结冰喷水机改装设计与实现

受自然条件限制,在我国进行飞机自然结冰试飞难度大,对人造冰云结冰试验技术的需求显得越发迫切。以Y-8飞机为平台,通过方案设计、桁杆系统与气水系统研制、机上集成改装、地面试验和飞行演示试验等完成了国内首架结冰喷水机的研制,为开展人工模拟结冰试验奠定了基础。     

基于准三维冰形算法的结冰预测技术及应用研究

机翼结冰是威胁民用飞机飞行安全的主要因素之一,准确预测机翼的结冰过程和特点,可为防除冰设计提供依据和支撑。提出了利用二维模拟三维的准三维冰形算法,该算法在保证结冰预测精度的同时,极大地降低了型号结冰计算成本;给出了顺气流和垂直于前缘两种典型民用飞机后掠翼机翼的二维剖面截取方法,并将采用该方法的计算结果与三维后掠机翼的结冰预测结果进行了对比分析。结果表明,相对于顺气流方式,垂直于前缘方式的准三维冰形算法与三维后掠机翼的结果更为接近。     

桨叶结冰对尾桨气动性能的影响

基于某直升机尾桨桨叶地面结冰试验数据,建立了结冰桨叶的气动计算模型。对NACA0012翼型的气动特性计算表明,翼型升力系数和阻力系数的计算结果与试验数据吻合良好。然后根据所建模型,利用Fluent软件分别计算了某尾桨桨叶翼型结冰前后剖面的气动特性,发现结冰使桨叶翼型升力系数降低,阻力系数增大。最后采用动量一叶素理论结合...     

结冰风洞液态水含量测量装置设计与实现

结冰风洞与常规风洞的重要区别就是结冰风洞能够模拟真实大气结冰云雾环境,研究飞行器的结冰特性,因此结冰云雾参数的模拟是结冰风洞主要而且关键的能力。液态水含量是结冰风洞云雾参数中一项重要参数,其准确测量是结冰试验开展的基本前提。冰刀法测量液态水含量在国内外被广泛认可,且冰刀装置作为风洞校测基本手段,写入了结冰风洞校准规范。针对结冰风洞中用于液态水含量测量的冰刀装置,根据其测量原理制定了试验方案;提出了整套装置设计的技术指标并指出其中的技术难点;对总体结构进行了设计,并对关键受力部件进行了强度、刚度分析;进行了关键技术研究,包括冰刀液态水收集系数计算和驱动控制系统设计等;最后将设计出的冰刀装置在结冰风洞中进行了试验验证。试验结果表明：冰刀装置设计合理,液态水收集效果良好,实现了结冰风洞液态水含量的测量标定,且防护罩开闭迅速,实现了结冰时间的精确控制,满足技术指标要求。     

飞机结冰后非线性气动力建模及动态响应特性研究

当前结冰后的动力学仿真主要基于线性气动力模型及结冰影响模型进行,对于结冰后非线性气动力模型的研究较少,然而这对于飞机结冰后在大迎角等非线性区域的动力学分析极为重要.研究了飞机结冰后的非线性气动力模型,将结冰后线性气动力模型的估算方法扩展到非线性气动力模型上,并在结冰后大迎角区域风洞试验数据的基础之上,对失速及过失速区的气动参数变化进行修正.研究了飞机在不同升降舵脉冲信号作用下的动态响应.仿真结果表明,计算结果能够较好地反映飞机在结冰状态下的动力学特性,提出的非线性结冰影响模型能够为结冰条件下研究飞机失速及过失速区域的动力学特性提供理论支撑.