１引言

    自投入运行以来，飞机结冰一直是威胁飞行安全的重要因素。当飞机穿行于对流层时，会遇到各种极端气候，而飞机的机翼、发动机前端以及各个探测装置正完全暴露在这种环境下，极易出现结冰现象。根据冰层特性，可将冰层分为毛冰，透明冰和混合冰。据美国ＮＴＳＢ官方记载，１９７８年至今至少有８００起飞机事故或事件与飞机结冰有关，造成了重大的人员和财产损失。因此必须要采取有效的防除冰措施对飞机加以防护。

    本文从结冰的原理出发，主要总结了国内外现有的防冰和除冰技术，着重论述了除冰系统中的气动带除冰和电脉冲除冰的工作原理和利弊，详细介绍了防冰系统中的液体防冰、涂层防冰、电加热防冰和热气防冰。最后在前人研究的基础上提出了一种新的防冰方式———气膜防冰，并进行了相关的论述说明。

    ２飞机除冰方法

    对于飞机的某些系统部件，当结冰紧急程度不高或处于可控状态时，可以短时间允许部件表面形成较薄的冰层，并周期性去除，这样可以降低系统的能量消耗，且机动性更强，除冰效果更佳。下面我将对主要的两种除冰方法进行相应的介绍。

    ２.1气动带除冰法

    “气动带除冰技术”又称“膨胀管除冰技术”，它是将除冰带安装在机翼表面，在飞机尚无结冰现象时，膨胀管紧贴在飞机表面，进而减小对飞机的影响。当飞机正处结冰工况时，高压气体快速充入膨胀管，进而改变冰层与膨胀管之间的粘附条件，使冰层破碎，脱离管面，在强大的气流作用下被吹散。通过如此往复地使膨胀管充气而膨胀，卸压而收缩，来实现对机翼等部件的除冰。气动带除冰，尽管这种方法简单可靠，节省能量，但是它会极大地破坏飞机原有的气动外形，增加飞机质量，且在飞机进行较高速度飞行时，需给予极大的压力输入才能使得膨胀管克服气动压力充气鼓起，因此目前多应用于飞行速度较小的螺旋桨飞机或一些通用飞机。

    ２.２电脉冲除冰法

    另一种除冰方式便是电脉冲除冰系统。电脉冲除冰系统是在金属蒙皮下方安装脉冲线圈，电容器组向线圈瞬时放电，利用瞬时放电技术在金属蒙皮上形成电磁涡流场，从而产生一个高峰值、持续时间极为短暂的电磁力，该电磁力导致蒙皮快速振动并使冰层与蒙皮之间的粘附条件以及冰层自身的粘结条件发生改变，最终冰层发生形变而破裂或者脱落，最后在气动力和惯性力的作用下将残余的积冰去除。

    ３飞机防冰方法

    对于飞机的某些重要部件，当除冰方式不易实施或难以满足飞机的安全性需求时，一种主动的防冰方法得到了重视与应用。关于防冰系统的设计与方法的研究，国内外学者都开展了大量的工作。国外起步得比较早，在上世纪二十年代，国外便开展了结冰机理、飞机遭遇结冰时的特殊气候条件以及飞机各个部位的结冰情况的研究，为飞机防冰系统的设计提供了很好的参考与指导。目前应用较多的防冰方式有液体防冰、电加热防冰、热气防冰、涂层防冰。

    ３.１液体防冰

    液体防冰方法主要是将一些冰点很低的防冰液，如乙烯乙二醇、乙醇类等经液体分配器均匀输送至防冰表面上。在飞机运行过程中，防冰液会与附着在机身上或大气中的过冷水滴混合，使混合液的凝固点大大降低，从而达到防冰的目的。虽然液体防冰具有设计安装简单，短期效果显着的特点，但液体要求高、用量大、较易堵塞，目前主要用于带保护面积较小的螺旋桨、尾翼、雷达罩和风挡玻璃的等部件的防冰。

    ３.２涂层防冰

    随着材料工艺的发展进步，一些模仿荷叶表面的疏水介质的涂层种类越来越丰富。自然界中，水在荷叶上基本以圆水珠的形式存在，与荷叶表面的接触面积很小，且在微风的吹动下易从叶片表面滑落，几乎不留一丝痕迹。这是由于荷叶存在一个特殊的表面层，具有极强的疏水特性，而水的表面张力又比较大，因此水附着在荷叶表面时，接触面积很小，接触角很大，只能在表面以较小的体积保持着不稳定的平衡。而粘性涂层防冰正是借鉴了这一特点，通过在防冰表面附着一种疏水涂层，使大气中的过冷水滴难以附着凝结，即使附着上了，也很容易在来流的作用下掉落。因此防冰效果很好，可用于大面积的防冰区域。但是目前技术还不够成熟，成本较高，且在反复使用过程中会因磨损导致性能下降。

    ３.３电加热防冰

    电加热防冰是将电能转化为热能从而起到防冰作用的热力防冰技术，通常有连续式和断续周期式加热两种方式。如果加热元件都采取连续式加热，会消耗大量电能，故通常采用周期式加热。通过间断提供电热能，使部件外表面的冰层易受热破碎被来流带走。

    常用的电加热防冰装置为防护表面敷设的长条，可连续或周期性地对防护表面进行加热。但目前由于电加热防冰耗电量较大，热功率不足，普遍用在防冰指标严苛，防冰规模较小的区域，如空速管、迎角探测器、大气总温探头、雷达天线等探测器。

    ３.４热气防冰

    热气防冰是目前应用最为广泛的一种防冰方式，主要通过高温气体对结构壁面的加热达到防冰目的。现代大型飞机的机翼前缘和发动机进气道都利用发动机引气防冰。一方面，发动机进口支板距离热气源很近，引源比较方便；另一方面，热气防冰可靠且效果好。防冰热气主要来自发动机压气机的低压段或高压段。国内外研究和实践方面采用比较多的还是空腔式热冲击导热防冰。

    图１所示为机翼的热气防冰示意图。从发动机压气机引气，经过温度和压力的调节后，通过管路被引入到机翼前缘的多孔管道内，由喷气管上的孔将热气喷射到内表面，使得热气紧贴内表面并均匀加热，通过对流换热，飞机缝翼和大翼前缘的内表面温度升高，在内外壁面的温差驱导下，热量从内表面传递到外表面，使外表面升温从而达到防冰目的。最终换热后的较冷气体从缝翼底部的孔排出机外。

    ４新型防冰方法———“气膜加热防冰”

    总结以上防除冰方法，虽然目前这些方法已经发展得较为成熟，并且在一些领域已经得到了成功的应用。但是人们对于效率以及经济性的追求永不止步。本文借鉴前人在涡轮叶片中“气膜冷却”的思路，对发动机或机翼等其他“腔式防冰结构结构”提出“气膜加热防冰”方式取代直接“热气防冰”方式，提高防除冰的效率。

    虽然“气膜冷却”在发动机叶片冷却中已得到了广泛应用，但是“气膜加热”在防冰领域才刚刚起步。目前，在热气防冰方式上，国内外实践方面采用较多的还是空腔式热冲击导热防冰，这种防冰方式使得仍具余热的乏气直接被排至机外，造成较大的能量浪费。而“气膜加热”便可较好地解决这个问题，一方面通过热对流和热传导将热量传递到外表面。另一方面，在外表面形成贴壁射流，起着重要的热保护作用。

    “气膜加热”的原理是从发动机压气机引出高温高压气体，在调温调压后，通过管路输送到机翼前缘或发动机进口处的空腔中。气体通过笛形管上的射流孔喷射进入防冰腔前腔，热射流冲击结构的内壁面进行对流换热，使得内表面温度升高，在内外温差的驱动下，使外表面温度上升达到防冰目的。更为重要的是，为了避免仍具余热的气体直接从排气孔排出造成的能量浪费，便在空腔的前端开几个对称的出流孔，使得热气向外喷出，在外界冷空气的压力和摩擦力作用下向内弯曲，使热乏气紧贴外壁面，形成具有一定温度的热气膜，该气膜对外表面起着两个重要的热保护作用：其一，可将外壁面同低温气体隔离，从而避免进行对流换热，这是隔冷作用；其二，是在沿程流动的过程中能带走外表面的一部分水汽和颗粒，并提高表面温度，进而使得过冷水滴缺少冰核且温度较高不易结冰，对飞机不能构成威胁，这是除冷作用。

    ５总结与展望

    由于飞机结冰涉及到飞机安全问题，其防冰系统研究一直是航空领域研究的热点。本文对现阶段投入实践的除冰和防冰系统的发展历程和技术路线进行了回顾，总结了部分重点研究内容和关键结论，着重论述了目前应用于飞机的两大除冰方法和四大防冰方法的研究现状，通过借鉴发动机涡轮叶片的“气膜冷却”技术，提出一种新的更有效的“气膜防冰”技术。采用气膜防冰可以有效提高内部冲击换热效果，提高待防护前缘的表面温度。

    今后的研究重点是对这种新型构想的验证与再创新，通过运用新构想对此进行重新设计改进，掌握各工作参数对气膜加热的影响，优化气膜加热。气膜加热也可从待防冰部件内外表面有效对流换热思考，优化管路和内流通道结构，从而增强此区域的换热效率。

    目前，关于气膜加热的研究还比较少，且防冰效果以及内部构件影响都需要进一步研究和深入理解，以更真实的模拟气膜加热的工作情况，从而更为有效地对待防冰部件进行加热，最终提升飞机整体的防冰性能。

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