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浅谈直升机旋翼防冰除冰技术

来源:用户上传      作者: 陈翌春 于涛

  在飞机防冰除冰技术方面,直升机旋翼防冰除冰是一个很独特的领域,闻名天下的美国“黑鹰”直升机,就因为采用了优异的旋翼防冰除冰技术,因此才具有如此优异的高原安全飞行性能。而中国此前在旋翼防冰除冰技术领域还比较落后,此前国产直升机,没有一型采用现代直升机旋翼防冰除冰技术,这对于直升机飞行安全无疑是一大隐患,限制了直升机在恶劣天候和高原地区环境的使用。可喜的是,2014年中航工业航空仪表有限责任公司(武仪)与中航工业直升机研究所联手攻克了直升机旋翼防冰除冰技术难关,完成某型直升机地面旋翼冰雾喷洒试验验证,这标志着中国成为继美国、俄罗斯和法国之后,第四个掌握旋翼防冰除冰技术的国家。那么,直升机旋翼防冰除冰究竟有哪些独特的技术呢?
  旋翼结冰的危害
  直升机在结冰气象条件下飞行时,大气中的过冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘并凝结成冰,旋翼桨叶结冰会带来一些严重影响,比如:
  1 改变旋翼桨叶的气动外形,从而降低直升机的飞行性能,严重时导致飞机失控失速,甚至坠毁。
  2 改变旋翼桨叶的质量分部,影响旋翼的动力学特性,导致旋翼振动增大,从而使直升机失去控制。
  3 有些冰块,会从高速旋转的旋翼桨叶上脱落,损坏直升机上的其他部件,影响直升机的飞行安全。
  直升机旋翼结冰引起的飞行事故时有发生。1980年,一架刚引进的“超黄蜂”直升机在起飞半小时后,因旋翼结冰而在山东境内坠毁。
  旋翼机防除冰技术
  直升机防冰除冰技术的目的之一,是采取措施使得过冷水滴不能在旋翼桨叶上凝结成冰,这叫防冰。之二是除冰措施,在除冰过程中允许结一定厚度的冰,然后除冰。
  飞机防冰除冰技术种类很多,但旋翼防冰除冰与飞机机翼、机体表面、进气道和气动舵面等其他部位相比,有其特殊性,因为旋翼是一个具有大表面积的转动部件,同时向旋翼输电有技术困难。因此能应用在旋翼上的防冰除冰技术从目前来看主要包括电热防冰除冰技术,气热防冰技术,气动带除冰技术和液体防冰技术。
  电热防冰除冰技术
  该技术的原理是将电能转变为热能,加热部件的待防护表面,使其不结冰。电热防冰系统一般由电源、选择开关、过热保护装置,及电加热元件等组成。选择开关有“手动”、“自动”等位置,当位于“自动”位置时,飞机结冰传感器感受结冰电讯号,自动接通或断开系统电源。过热保护装置(包括温度传感头和继电器)用来防止部件表面蒙皮过热而变形。电加热元件将电能转变为热能,对部件表面加热、除冰。
  电防冰的加热方式有连续加热和间断加热两种。一般的固定翼飞机采用连续加热方式,而直升机旋翼则不同,因为它允许表面有少量结冰,同时旋翼是转动部件,在旋转时带动气流,本身就有冷却效应,因此对旋翼加热,耗电功率比给固定翼飞机部件加热大得多,因此为了节电,对直升机旋翼一般采用周期加热的方式。
  以美国“黑鹰”直升机为例,它在四片主桨叶上设置了4个电加热区,通过在桨叶上敷设电阻丝来进行加热,这些电阻丝编制成加热垫,装在主旋翼和尾桨表面下方,放在一个经过稳固化处理的织物存放装置内。“黑鹰”的电加热系统,有半自动、自动等模式,飞行员可以根据环境进行选择,在更易结冰的地区飞行,就选择加热时间更长,间隔时间更短的模式,这样就可以更有效防止结冰。
  在早期原型机上,电阻丝加热区主要覆盖更接近桨叶叶尖的区域,因为这里结冰可能更大,影响也更大。同时四片桨叶在飞行中同时加热。经过西科斯基公司在阿拉斯加进行的结冰试验发现,靠近桨叶叶根的地方,因没有加热区形成了较厚的冰层结晶。同时四片桨叶同时加热,耗电25千瓦。在量产机上,“黑鹰”做了调整,增加了桨叶展向和弦向的加热区面积,加热区覆盖接近叶尖和叶根的桨叶中部区域。同时桨叶加热改为相对两片桨叶循环加热,即每个加热周期有两片桨叶在同时加热,这使得耗电降为17.5千瓦。
  气热防冰技术
  气热防冰是利用热空气加热飞机部件的待防护表面。活塞式发动机的飞机,多用汽油加温器等加热冲压空气作热气源;喷气发动机的飞机包括直升机在内,一般从发动机压气机内引气作热气源。被引出的热压缩空气流过流量限制器、单向活门、防冰控制阀,输入表面加热器,对部件表面加热以防冰。
  直升机一般选择连续加热的方式,因为旋翼包括主旋翼和尾桨,属于待防护表面面积较大的部件。气热防冰系统使用维护简单,工作可靠,但缺点是热量利用率较低。直升机旋翼采用气热防冰技术从技术上来讲难度比较大,因为这与曾经研究过的直升机桨尖喷气推进技术相类似,都需要设置一个从发动机到直升机旋翼桨尖的气流通道,这增加了直升机的结构复杂性,降低了飞机可靠性。
  气动带除冰技术
  该技术又称“膨胀管除冰技术”。它的原理是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用,使其外表面冰层破碎而脱落的机械除冰技术。该技术系统由空气泵、控制阀、卸压阀、输气管及膨胀管等组成。膨胀管常由涂胶的织物制成。用于旋翼、尾桨前缘的膨胀管通常有展向、弦向两种形式。周期地使膨胀管充气而膨胀,卸压而收缩,从而使冰层破裂,脱离表面,然后被气流吹去。
  液体防冰技术
  液体防冰就是向部件防护表面喷射防冻液,与撞击在蒙皮表面上的过冷水滴混合,使液体凝固点低于蒙皮表面温度而不结冰。通常采用连续喷射防冻液的防护方式,有时也用周期性喷液的方式。液体防冰系统一般由贮液箱、泵、过滤器、控制装置、输液管及液体分配器等组成。常用乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇、甲醇等低凝固点的液体作防冻液。在泵的压力作用下,防冻液经液体分配器被均匀地送至部件表面。
  直升机旋翼所采用的液体防冰技术与固定翼飞机相比显得与众不同,它是在旋翼根部设置防冰液喷孔,然后利用直升机旋翼旋转产生的离心力将防冰液甩到桨叶、旋翼前缘表面。
  液体防冰是我国早期直升机最常用的防冰除冰技术,主要是用液体酒精作为防冻液防止旋翼桨叶结冰,当时我军装备的米-4和米-5直升机都采用了这个技术。但它有一定缺点,比如防冰时间短,仅为30~40分钟;对于已经结冰的旋翼没有除冰功能;酒精挥发威力有限,在环境温度特别低时起不到防冰效果等。
  从当前情况看,气动带除冰和液体防冰技术始于20世纪三、四十年代,属于最早期的防冰除冰技术,但因膨胀管充气时对飞机气动性能影响较大,目前已很少使用。而最晚兴起的电热防冰技术,已成为现代直升机旋翼防冰除冰技术发展的主流。
  旋翼防冰除冰的技术难点
  目前掌握旋翼防冰除冰技术的国家仅有四个,这当然是因为它有很大的技术难度。
  首先是在结冰探测技术方面,结冰探测是进行旋翼防(除)冰的前提,结冰探测是通过结冰信号器实现的。结冰信号器分为两类:I类结冰信号器是将其传感器外伸于机外,功能主要是探测直升机是否进入结冰云区,给出的是传感器上的结冰状况,不能反映出直升机机体上易结冰部位的真实结冰状况;II类结冰信号器安装在直升机旋翼的易结冰关键部位,给出的不仅是易结冰部位的真实结冰状况,还可以反映出实际的除冰效果。国外比较成熟且得到广泛应用的多数是II类结冰信号器,采用的技术有:锶放射技术、热交换技术、谐振技术和磁(电)致伸缩技术目前。国内在结冰探测方面与国外存在较大的差距,应用较为普遍的仍然是基于导电环原理的结冰信号器。该信号器技术较为落后,且可靠性较差,国外早已不再采用。虽然已经引进了国外的一些先进技术并生产出相应的结冰信号器产品,但在其改进改型和新型结冰信号器研发等方面仍有许多工作要做。
  其次是新型防除冰技术问题。目前,国内外定型使用的直升机结冰防护系统,都是由工作方式简单固定的探/防/除系统组成,还不能适应复杂多变的结冰环境。国内虽陆续有人提出过将多种旋翼防冰除冰技术有机结合起来,实现传感器和防冰除冰系统的集成化,但具体如何实施的细节至今尚未有人明确提出。苏联曾研制出利用电脉冲技术的除冰方法,美国也研制出微波除冰方法,上世纪80年代以来,美国还研究尝试过自调节导热纤维防冰、电斥除冰和气动脉冲除冰等、其它新的防(除)冰技术仍在发展中。结合当前自主创新的大环境,我们在新型防除冰技术研究领域也要争取一席之地。
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