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直升机的防除冰体系_洪海华

发布时间:2019-08-07   浏览次数:

  总 第 161 期 曲 升 机 技 术 Total No. 161 HEL ICOPTER TECHN I No. 1 2010 2010年第 1期 QUE 文章编号 : 1673 2 1220 ( 2010 ) 01 2 052 2 05 曲升机的防除冰系统 洪海华 ,刘伟光 ,艾剑波 ,徐伟荣 (中国曲升机设想研究所 ,江西 景德镇 333001 ) 摘 要 引见了曲升机结冰的根基环境和国表里防 、 除冰手艺研究的现状 ,明白了电热防 、 除冰方式目前仍然 是处理曲升机结冰问题最好也是最成熟的方式 。对曲升机电热防 、 除冰系统研发所涉及到的结冰理论计较 、 冰风洞结冰试验 、 加热元件设想取安插 、 加热节制率和系统分析评估几方面进行阐述 ,指出了防 、 除冰系统研 发的大致过程及应留意的问题 ,为现实系统的研究开辟供给无益的参考 。 环节词 飞机结冰 ; 电热除冰 ; 冰风洞 ; 结冰试验 中图分类号 : V244. 1 + 5 文献标识码 : B 1 媒介 我国地区广宽 , 正在长江以北沿海地域和西部高 原地域 ,春季和冬季普遍存正在结冰天气前提 。国内 呈现过多例因为结冰天气形成的严沉飞翔变乱 。曲 升机飞翔高度多处于 6000 m 以下 , 此高度范畴内 , 经常会碰到雨雪冰霜等恶劣气候 , 大气中的液态水 含量也较高 ,这些城市使曲升机正在施行使命期间遭 遇结冰的 。正在结冰前提下曲升机部件概况比固 定翼飞机更容易结冰 , 从而形成其机能下降以至影 响飞翔平安 。旋翼系统曲直升机平台的环节动部 件 ,旋翼结冰将改变其气动 、 均衡和动力学特征 , 危 及曲升机飞翔平安 。为曲升机正在结冰前提 下的飞翔平安 ,曲升机出格是旋翼系统必需具备防 冰或除冰能力 [ 1 ~5 ] 套充气 ,其膨缩使冰破裂并离开 ; 电脉冲除冰 , 操纵 电脉冲发生器发生的电脉冲 , 使结冰的物件发生变 形 ,并发生小振幅高频振动 ,将冰除去 。机械除冰存 正在简单靠得住 , 耗能少等长处 , 可是正在曲升机上利用 时 ,系统安插比力坚苦 ,因而不合用于曲升机 。 2. 2 液体防冰 将防冰液 (乙烯乙二醇 、 异丙醇 、 乙醇等 ) 喷洒 到结冰部件概况 ,降低水的冰点使之低于概况温度 , 使水不致结冰 。液体防冰存正在着无效感化时间短 、 防冰液用量大 、 除冰的结果差等错误谬误 ,多用于寒冷季 节平易近航飞机飞翔前的地面除冰 。 2. 3 热能防冰 操纵各类热能加热物件 , 使物件概况温度跨越 0 ℃, 以达到防 、 除冰的目标 。热能防冰有电热防 。 冰、 热气防冰 、 微波除冰等类型 。电热防冰系统次要 由加热元件 、 转换器 、 过热安拆 、 电源及节制器 构成 ; 热气防冰 ,釆用从策动机压气机引出的热空气 来防冰 ; 微波除冰 , 其道理是将微波能导到结冰表 面 ,操纵微波能对冰层加热 ,使冰取飞机概况的连系 力大大降低 ,再操纵气动力等将冰除去 。电热防除 冰相对于其它几品种型来说具有设想相对简单 、 系 统工做靠得住 、 防除冰结果比力抱负等长处 ,曾经正在曲 升机上获得了成功的使用 。 [1] 2 防、 除冰方式简介 按照防 、 除冰所釆用的能量体例分歧 ,现有的防 冰手艺大致有如下四品种型 冰、 热能防冰 、 涂层防冰 。 2. 1 机械除冰 : 机械除冰 、 液体防 用机械方式把冰破裂 ,然后靠气流吹除 ,或者利 用离心力 、 振动把冰除去 。常见有 : 缩套除冰 , 对缩 收稿日期 : 2009 2 07 2 22 做者简介 : 洪海华 ( 1980 2) ,男 ,硕士 ,帮理工程师 ,次要研究标的目的 : 曲升机旋翼设想及旋翼防除冰手艺 。 2010 年第 1 期 洪海华 ,刘伟光 ,艾剑波 ,等 : 曲升机的防除冰系统 ?53? 2. 4 涂层防冰 最大风速 200 m / s,最低温度 - 40 ℃ 的大气前提 ,对 应的从试验段截面尺寸为 2135 m × 1115 m。 国内近 20 年曲升机研制程度获得了较快的发 展 ,出格是代表曲升机焦点手艺的旋翼系统 ,从晚期 的测绘仿制了国际合做和自行设想的道 ,但正在旋翼系统防 、 除冰手艺范畴一曲是亏弱环 节 。目前所有国产曲升机均没有配备旋翼防 、 除冰 系统 ,虽然国内部门院所开展了曲升机旋翼结冰的 原研究和防 、 除冰系统的初步研究工做 ,但距离 现实使用另有一段距离 。别的 ,我们正在旋翼防 、 除冰 系统的试验验证手艺和硬件设备等方面取国外相 比 ,存正在相当差距 。旋翼防 、 除冰系统设想和试验验 证手艺是限制国产曲升机 , 出格是平易近用曲升机 适航范畴的瓶颈手艺 。 操纵特种涂层的物理化学感化 , 使冰融化或减 小冰取概况的附出力 , 从而减小结冰发生的可能 。 从道理上来说 ,涂层防冰是一种很抱负的防冰方式 , 具有零耗能 、 无复杂的节制系统等长处 。防冰涂料 的类型有 : 丙烯酸类 、 聚四氟乙烯类 、 无机硅类 。目 前 ,防冰结果不是很好 。另一方面 ,防冰涂料必需具 有低概况能 、 强憎水性 ,如许就严沉影响涂层的其它 机能 ,出格是取飞翔器布局概况的粘附性和耐侵蚀 机能 。因为上述两个缘由 , 还未见到获得现实使用 的防冰涂料的相关报道 。 3 国表里的研究环境 国外对飞机结冰的研究开展较早 , 先后开展过 气动除冰 、 热气防冰 、 微波除冰 、 液体防冰及电热防 、 除冰等方式 ,此中电加热防 、 除冰方式是目前最好也 是最成熟的方式 。国外现役曲升机桨叶防 、 除冰都 采用电加热体例 ,如美国的 CH - 47、 CH - 53、 UH 60、 S - 92,法国的 AS332、 NH - 90,俄罗斯的 M i - 8、 M i - 17、 M i - 26 等曲升机 。 国外曲升机公司正在结冰机理阐发 、 分歧翼型桨 叶正在分歧结冰前提下的结冰预测 、 结冰机能分 析模子的成立等范畴都做了大量的研究工做 , 收集 了丰硕的景象形象消息 ,堆集了大量的试验数据 ,先 后制定了各自的防 、 除冰系统设想景象形象尺度 ; 到 20 世纪 50 年代前后 , 相关结冰的系统理论阐述及防 、 除冰系统的现实使用慢慢趋于成熟 ; 近些年来 ,跟着 对曲升机平安要求的不竭提高 ,防 、 除冰手艺的研究 再次遭到普遍关心 。此次要表示正在 : 修订完美相关 规范 、 尺度 ; 对防 、 除冰系统进行计较机模仿仿实及 计较 ; 电脉冲除冰 、 微波除冰和振动除冰等除冰新方 法的研究 ; 电热元件和防 、 除冰涂层等新手艺研究 。 国外正在防 、 除冰手艺研究的硬件扶植上也进行 了大量的投入 ,并按照研究的成果和进展不竭地进 行完美 。美国 NASA 正在 20 世纪 40 年代初就成立 Lew is冰风洞 ,并于 1986 年对风洞进行比力全面的 升级 ,提高了冰风洞系统的精度和反映速度 ,同 时也改良了水滴喷洒系统 。此冰风洞是闭式回流风 洞 ,试验段尺寸为 118 m × 217 m , 能进行曲升机旋 翼模子和全尺寸桨叶的防 、 除冰研究 。 意大利宇航研究核心 ( C IRA ) 正在那不勒斯市的 冰风洞是目宿世界上先辈冰风洞之一 , 该风洞也是 闭式回流风洞 [6] 4 电热防 、 除冰系统的开辟 起首 ,根据曲升机旋翼系术手艺要求 (使 用手艺要求 ) 和曲升机利用要求 , 并参照美国 航空条例 ( FAR ) (国内适航条例为 CCAR - 29 第 1419 条 )第二十五章附录之 , 拟定曲升机旋翼 防、 除冰系统总体手艺目标取要求 , 包罗防 、 除冰系 统的构成 、 接口协调 、 防除冰系统的工做无效性范畴 等 。然后确定系统功率需求 、 防护 、 系统布局和 防、 除冰节制率等一些设想参数 。最初应全面分析 评价系统的无效性 、 靠得住性 、 性及相容性 , 并通 过一系列的试验来验证 。 防、 除冰系统的开辟是一个复杂的工程 ,需要综 合考虑分歧的要素取方面 。具体说来有下面几个阶 段。 4. 1 结冰计较 对结冰过程涉及到的结冰部件四周流场 、 过冷 水滴取结冰部件的撞击和冰发展过程进行计较 , 确 定水滴的撞击极限点 、 水滴收集系数分布及结 冰外形等参数 。根据计较成果初步确定须防护的区 域、 防护所须热流密度等参数 ,同时也为加热元件的 安插和节制系统及节制率的设想确定一个设想基 础 。因为结冰过程是一个就极其复杂的热质均衡取 传送过程 ,本文不再对其进行细致阐述 。 工程现实中 ,结冰计较能够选用已有的防 、 除冰 计较软件 ,也能够自行开辟响应的计较法式 。目前 , 比力出名的结冰计较软件有 NASA 的 LEW ICE 系列 软件 , NTI公司的 FENSAP - ICE 结冰计较软 件 [7] ,能够模仿飞翔高度 7 000 m 以下 , 等 ,国外一些出名的飞机公司和研究机构大都 ?54? 曲 升 机 技 术 总第 161 期 也具 有 自 己 开 发 的 结 冰 计 算 程 序 。图 1 所 示 为 FENSAP - ICE 软件的结冰计较流程 [8] 试验 。利用缩比模子 , 冰风洞试验前提的拔取必需 满脚响应的缩比类似原则 , 这是一个复杂的过 程 。对于曲升机桨叶来说 , 因为其弦长相对于机翼 来说凡是较小 ,这种环境下 ,能够采用桨叶的局部段 正在冰风洞中进行试验 , 冰风洞结冰试验前提就是实 际的结冰前提 ,如许就避免了为类似参数的相 等而带来的繁琐 。 [ 11, 12 ] ,图 2 所示为 [9] 一组 NACA0012 翼型段结冰环境对比 , 冰形别离 由 FENSAP - ICE 软件 、 LEW ICE 软件计较和冰风洞 试验确定 。对比表白 , 理论计较取冰风洞试验可以或许 获得比力分歧的冰形 , 数值计较方式可用于系统设 计的初步参数简直定 。跟着理论的进一步完美 , 数 值计较方式必然会获得更好的使用和成长 。 4. 2 结冰模仿试验 正在冰风洞中模仿特定的结冰 , 操纵现实部 件的模子进行结冰试验 , 并取数值计较成果进行对 比 ,验证数值计较的准确性 、 合 , 并对理论计较 成果进行恰当批改 。同时 , 数值计较也可用来评估 结冰试验成果的实正在无效性 , 并指点试验方式的优 化和试验设备的改良 。典型闭式冰风洞的布局见 图 3 [ 10 ] 4. 3 加热元件的设想取安插 完成结冰数值计较及冰风洞试验后 , 部件的结 冰范畴及分歧部位的防护热流功率密度都曾经明 确 ,接下来就是设想 、 安插加热元件 。常见的加热元 件有加热片 、 金属加热丝和碳纤维加热丝 等形 式 ,如图 5、 图 6、 图 7 所示 。 需要出格申明的是 , 要使得碳纤维能够用做加 热元件 ,必需必然宽度下 ,单元长度的碳纤维具 有固定的阻值 ,因而需对纤维进行编织 ,不然正在桨叶 模压时不克不及精确定位 。虽然碳纤维的强度很高 , 但 其韧性较差 ,正在编织过程中很有可能起毛 、 断裂 , 这 将是碳布加热片研制中的一个难点 。 [ 13 ] ,图 4 为试验件正在冰风洞中的安拆形式 。 冰风洞取常规风洞比拟 , 最显著的特点是冰风 洞具有复杂复杂的制冷系统和切确节制的结冰前提 模仿系统 ,这使得冰风洞的规模遭到了很大的 , 因而 ,大大都环境下 ,需要利用部件的缩比模子进行 2010 年第 1 期 洪海华 ,刘伟光 ,艾剑波 ,等 : 曲升机的防除冰系统 ?55? 别的 ,碳纤维是复合材料 ,做为加热元件必需取 金属导线靠得住毗连 ,特别是对于曲升机旋翼桨叶 ,其 工做比力恶劣 ,对电极的要求也相对更高 ,所以 需要对碳纤维加热片电极进行研究 , 找到一种合理 的实施方案 ,使得电极具有优良的抗委靡机能 。 叶弦向进行分区 , 根据文献 [ 14 ] , 分区数量正在 5 ~7 是比力合适的 。 对于曲升机桨叶 , 工做时既有挥舞 , 又有摆振 , 空间对于加热元件的安插也比力严重 。为添加靠得住 性 ,加热丝常由若干股细丝互相环绕纠缠而成 。加热元 件除了应取其四周布局具有较好的粘接全体性外 , 也应具有优良的抗委靡特征和高靠得住性 。同时 , 加 热元件取四周布局应具有较好的传热机能 , 热 量尽可能向结冰概况传送 , 尽量降低热量向布局内 的传送 ,提高加热功率的效率 。现实工程中 ,常将加 热元件制形成加热组件 , 然后再取需要防护的布局 部位进行拆卸 。 4. 4 防、 除冰加热节制律设想 若是防 、 除冰系统的所有加热元件都处于工做 形态 ,如许的防 、 除冰结果将是最抱负的 , 但如许会 耗损相当大的电功率 。因为机载电源功率的 , 供给给旋翼防 、 除冰系统的功率不克不及满脚所有加热 元件同时都处于工做形态 ,因而 ,加热元件常处于部 分间罢工做形态 。现实设想过程中 , 采纳折衷的方 案 ,答应桨叶上存正在必然厚度的冰 , 当防 、 除冰系统 工做时 ,切近加热元件的冰层融化 ,正在离心力和空气 动力的感化下冰层将会零落 。为因为冰层的脱 落对旋翼的动均衡影响达到最小 , 若是桨叶的数量 是偶数 ,则可采用对称桨叶统一分区同时加热的方 案 ,同时加热的功率也应合适防除冰所需的热流功 率密度 。图 8 为黑鹰曲升机桨叶的分区放置取加热 周期 ,系统采用对称的 2 片桨叶统一分区同时加 热的方案 ,既削减了功率需求 ,又对称除冰 。 若是曲升机具有奇数片桨叶 , 就需要对所有桨 叶的统一区域同时进行加热 , 冰零落尽可能具 有分歧性 ,加热功率也应取理论计较分歧 。 别的 , 曲升机防除冰节制系统还应具有结冰探 [ 16 ] 测器 、 结冰速度器 、 外部大气温度传感器及 供配电安拆等 。当曲升机进入结冰中时 , 向飞 行员供给声光等警示信号 。防 、 除冰系统的工做可 以由飞翔员手动节制或结冰信号传感器间接从动控 制 ,设想中应采纳从动为从 ,手动为辅的准绳 。 4. 5 系统全面分析评估 [ 15 ] 根据确定的热流功率密度将防 、 除冰区域分为 若干个加热区域 ,对每个区域的加热元件的工做状 态进行节制 ,使整个系统处于周期间歇性的工做状 态 ,实现能量的优化分派 , 从而提高系统的工做效 率 。加热分区也不克不及过多 , 分区过多不只添加系统 的复杂性 ,并且还会添加系统的分量 ,为将所有加热 元件的供电接头集中正在桨叶根部 , 现实设想中沿桨 为全面权衡防 、 除冰系统的工做 ,还要进行一些 验证试验 ,比照实正在结冰前提下的飞翔试验 ,冰风洞 试验等 。验证系统正在设想要求的结冰前提下可以或许安 全工做 ,从而曲升机可以或许顺应复杂的景象形象前提 , 提高曲升机的机能和平安性 。 ?56? 曲 升 机 技 术 总第 161 期 系统评估是一个成底细对较高 , 破费时间相对 较长的一个阶段 ,这阶段发觉的问题还要前往到系 统设想的起头 ,对系统进行完美设想 。一个成功的 防、 除冰系统是必必要经的起现实结冰前提和时间 的查验 。 参考文献 : [1] 裘燮纲 ,韩凤华 . 飞机防冰系统 [M ]. 航空专业教材编 审组 . 1985 [2] 常士楠 , 刘达经 , 袁修干 . 曲升机旋翼桨叶防 /除冰系 统防护范畴研究 [ J ]. 航空动力学报 , 2007, 22 ( 3 ) : 360 - 364 [3] 艾剑波 ,邓景辉 ,刘达经 . 曲升机旋翼桨叶除冰布局设 计 [ J ]. 曲升机手艺 , 2005 ( 2 ) [4] 何 治 ,常士楠 ,袁修干 . 悬停形态下曲升机旋翼水滴 撞击特征研究 [ J ]. 航空航天大学学报 , 2003, 29 ( 11 ) : 1055 - 1058 [5] 郭 龙 , 沈宏良 , 施永毅 . 飞机容冰手艺的研究进展 [ J ]. 飞翔力学 , 2005, 23 ( 1 ) [ 6 ] Leone G, Vecchione L , et al . 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A I AA - 92 - 0647 [ 11 ] 洪海华 ,常士楠 . 结冰模仿试验类似性阐发 [ J ]. 飞机 冰试验二者的同一 ,数值计较方式改良的同时 ,必需 沉视试验方式的研究和硬件设备的扶植 ; 国外开辟经验表白 , 大量的验证试验和试验数 据库的成立 , 是旋翼防 、 除冰系统的必不成少的条 件 。国内必需成立顺应旋翼防 、 除冰系统研发的必 要试验前提 ,并堆集脚够的试验手艺 。 2 )基于国内防 、 除冰手艺研究的现实环境 , 正在 研制本人的防 、 除冰系统的时候 ,要充实研究国表里 已有的手艺和产物 ; 3 )防 、 除冰手艺研究是一个持久的过程 , 缺乏 脚够的经验和理论是我们目前亟需降服的问题 , 同 时不变持续的支撑也是不成少的 。 工程 , 2008 ( 3 ) [ 12 ] 范洁川 ,于 涛 . 飞机结冰风洞试验模仿研究 [ J ]. 实 验流体力学 , 2007, 21 ( 1 ) [ 13 ] RAUCH P, QU I LL IEN C. Advanced Technologies for H igh Performance NH90 B lades[M ]. [ 14 ] 庄开莲 . NH - 90 曲升机桨叶采用的先辈手艺 [ C ]. 第 20 届全国曲升机年会论文 . 2004 [ 15 ] Flemm ing Robert J. The Past Twenty Years of Icing Re2 search and Development at Sikorsky A ircraft[ R ]. A I AA - 2002 - 0238 [ 16 ] 张 杰 , 等 . 飞机结冰探测手艺 . 仪器仪表学报 [ J ] , 2006, 27 ( 12 ) : 1578 - 1586


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