飞机新式防除冰方法研究.docx

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飞机新式防除冰方法研究

飞机新式防除冰方法研究

摘要

随着时代的不断进步和更新，飞机在人们日常生活中的地位不断提高，越来越多的飞机投入使用，因此对于提高飞机安全飞行的研究有着重大的意义。

其中因为飞机结冰造成飞行事故的案例越来越多，飞机结冰对飞行安全的危害越来越严重。

飞机结冰指的是飞机表面的一些部位出现冰层的现象，出现这些冰层的主要原因是飞机在结冰环境下飞行，机体表面所接触到的过冷水滴或者雨滴通过凝固形成的，也可以直接由水汽在机体表面凝华而成。

只要外界环境适宜就会发生结冰现象，通常来说是5℃左右。

随着飞机制造业的不断发展，针对飞机防除冰问题也有几种不同的解决方案，目前主要有气动防除罩技术（利用放除罩除冰）、液体防除冰技术（利用除冰液除冰）、电热防除冰技术（利用电热除冰）、气热防除冰技术（利用气热除冰）等。

但是这几种技术都不是特别完美，都有着各自的不足之处。

因此需要构思新的飞机防除冰技术。

本论文会从飞机结冰原因讲起，对比现存的防除冰技术，引出所构思的新式防除冰技术，即拟选用一种更好的材料来作为电热防除冰技术的加热元件以达到更好的防除冰效果。

关键词：

飞机结冰原因防除冰技术加热元件

Researchonthenewantiicingtechnologyofaircraft

ABSTRACT

Withthecontinuousprogressandrenewalofthetimes,thestatusofaircraftinpeople'sdailylifecontinuestoimprove,andmoreandmoreaircraftareputintouse.Therefore,itisofgreatsignificanceforthestudyofimprovingthesafeflightofaircraft.

Therearemoreandmoreflightaccidentscausedbyaircrafticing,somoreattentionshouldbepaidtoaircrafticing.Aircrafticingreferstothephenomenonoficelayeronsomepartsoftheaircraftsurface.Theseicelayersaremainlyformedbysupercooledwaterdropsincloudsorsupercooledrainwaterintheprocessofrainfallcontactingtheaircraftandthensolidified.Theycanalsobedirectlyformedbycondensationofwatervaporonthesurfaceoftheaircraft.Generallyspeaking,aslongasthereisanappropriateambienttemperature,usuallyat5℃,icewilloccur

Withthecontinuousdevelopmentofaircraftmanufacturingindustry,thereareseveraldifferentsolutionstotheproblemofaircraftantiicing,includingpneumaticantiicingtechnology,liquidantiicingtechnology,electricantiicingtechnology,airthermalantiicingtechnology,etc.Butthesekindsoftechnologiesarenotperfectandhavetheirownshortcomings.Therefore,itisnecessarytoconceiveanewaircraftantiicingtechnology.Thispaperwillstartfromthecauseofaircrafticing,comparewiththeexistingantiicingtechnology,leadtothenewantiicingtechnology,thatistochooseabettermaterialastheheatingelementofelectricantiicingtechnologytoachievebetterantiicingeffect.

Keywords:

causeofaircrafticingantiicingtechnologyheatingelement

1引言

1.1选题的研究研究背景和研究意义

随着时间的不断推移，越来越多的人选择乘坐飞机出行，与此同时越来越多的飞机投入使用，因此需要对飞行安全格外的重视。

飞机结冰指的是飞机在结冰环境下飞行，机体表面遇到环境中的过冷水滴或者是雨滴在机体表面凝固，形成冰层的现象。

只要外界存在适宜的环境就会发生飞机结冰，通常来说是5℃左右的温度。

由于近些年飞机结冰造成飞机失事的案例越来越多，飞机结冰对飞机安全飞行造成严重威胁。

需要采取有效的措施来防治飞机结冰问题，以降低飞机结冰带来的经济损失和人员伤亡。

随着飞机制造业的不断发展，针对飞机防除冰问题也有几种不同的解决方案，目前主要有气动防除罩技术（利用防除罩除冰）、液体防除冰技术（；利用除冰液除冰）、电热防除冰技术（利用电热除冰）、气热防除冰技术（利用气热除冰）等。

但是这几种技术都不是特别完美，都有着各自的不足之处。

因此需要构思新的飞机防除冰技术。

1.2研究内容

1、导致飞机结冰的原因

2、对比研究投入使用的飞机防除冰方法，了解每种方法的优点和不足之处

3、尝试拟定新式飞机防除冰方法

1.3研究的基本思路和方法

1、根据课上所学知识，结合所查阅的文献，总结能引起飞机结冰的原因。

2、通过查阅文献，了解现在被人们应用的飞机防除冰方法，以及它们是应用了什么技术来达到防除冰效果的，并对它们进行分析比较，寻找它们的异同点。

3、通过研究现存的防除冰方法的异同点，发掘它们可能存在的不足之处。

4、通过自己所学知识和实验过程，尝试拟出新型飞机防除冰方法。

2飞机结冰原因和影响

2.1飞机结冰现象

飞机结冰指的是飞机在结冰环境下飞行，机体遇到环境中的过冷水滴或者是雨滴，在机体表面凝固，形成冰层的现象。

不同的飞行环境和飞机状态所产生的冰层也是不同的，不用的冰层对飞机的影响也是各不相同的。

同时，结冰部位的不同队飞机的影响也是不一样的。

2.2冰层种类

由上述可知，只要有适当的环境温度就会出现飞机结冰现象。

但是，不同的飞行环境和飞机状态所产生的冰层也是不同的。

根据积冰的物理过程，可以将冰层分为：

霜冰、明冰、混合冰、积霜和干积冰。

其中，积霜和干积冰是冰晶积累在物体表面所形成的积冰，由于本身性质所决定的，这两种积冰不会在飞机飞行过程中产生，因此对飞机飞行安全的影响就很小。

霜冰是飞机机体表面形成的比较毛糙、浑浊、质地稀疏的冰层。

可以利用霜冰具有松脆的特性，通过升温飞机来消除。

总的来说，霜冰对飞行安全的危害较小。

明冰是飞机表面形成的润滑、透亮、质地牢靠的冰层。

因此这种冰层冻结得会比较牢固，而且形成速度较快，因而除冰设施很多时候难以起到很大的作用，所以会对飞机的安全飞行构成很大的威胁。

2.3结冰部位的影响

1）机翼和尾翼。

冰层一般会在机翼和尾翼的舵面前缘产生，一旦形成将会破坏舵面的流线外形，使得附面层提前转戾，气流提前分离，造成机翼和尾翼升力系数下降，阻力系数上升。

如果冰层在舵面的缝隙间的话，不仅会对操纵舵面造成损害，严重时会导致舵面被卡死，使得飞机失去控制。

2）发动机。

在结冰条件下，即使是发动机的进气道和动力装置也同样会发生结冰现象。

其中，对飞机安全飞行威胁最大的是进气道结冰。

因为要是进气道结冰的话，会导致发动机进气量减少，使得发动机推力减少，功率降低对安全飞行产生较大的威胁。

如果冰层脱落，被压气机吸入，则很大概率会对叶片产生危害，甚至可能会打坏叶片，造成发动机损坏。

3）空速管。

空速管表面的冰层会产生动静压失准，这对于依据动静压参数改变操纵系统传动比的飞机而言，一旦动静压失准是使得飞机操纵系统传动比异变，飞机空速失真，飞行状态异常，而飞行员由于无法获得准确的信息而无法对飞机进行很好的操作。

空速管积冰也会导致部分飞机自动驾驶系统断开，引发相关告警系统工作。

同样，迎角传感器、温度传感器和压力传感器等是为飞行员提供必需的飞行参数的传感器，一旦结冰，也将导致仪表、仪器指示失真。

4）其他部位。

同理，飞机其他部位的结冰同样也会对飞机安全飞行造成严重影响。

风挡玻璃的结冰会阻碍飞行员的视线，对需要飞行员进行目测的起飞和降落造成严重危害。

机载天线设备的结冰，可能会使得设备发生断裂，致使天线设备失去作用。

2.4结冰对飞机的影响

由上述情况可知，飞机如果在结冰条件下继续飞行，会对飞行安全产生严重的威胁。

因为飞机表面生成的冰层，不仅会加重飞机本身的重量，影响飞机的操纵性和稳定性；同时也会对飞机的气动外形产生改变，使得阻力增大，升力减少。

冰层对飞机气动特性的影响主要是改变了飞机的气动外形，造成临界迎角的下降。

随之带来的是，流场的改变会使得翼面的升阻特性产生明显的恶化，阻力增加，升力减小和失速速度提高等现象。

而不同部位的冰层对飞机操纵性和稳定性的影响是各不相同的。

平尾的冰层会使飞机的操性能下降，这样就导致得提供更大的升降舵偏角来弥补平尾结冰造成的性能下降。

一旦飞机的操纵面出现冰层的话，将会破坏飞机的操纵性能，甚至有更糟糕的情况就是如果冰层是在飞机操纵面的间隙里面的话，不单单是为造成飞机操纵效率的下降，更严重的会出现卡死的现象，会造成飞机操纵性能的完全丧失，飞机就失控了。

2.5结冰条件下的操纵建议

在飞机结冰环境下安全飞行，这就要求飞行员不仅要了解冰层可能会对飞机安全飞行产生什么样的危害，同时也要对可能会形成的冰层时刻保持高度的警觉。

因为飞行员需要意识到防除冰系统的不足之处和外界气象环境的不确定性，这样才能在出现冰层的情况下，飞行员不会因为飞机上的防除冰系统而对防除冰放松警惕。

机组人员针对防除冰问题应做到：

第一，在飞机飞行前认真研究飞行路线的天气情况，对飞行路线中可能出现的天气变化做好准备。

仔细检查飞机防除冰系统是否能运转，做好防除冰的准备工作。

第二，一旦飞行过程中遇到冰层，应及时利用除冰设备进行除冰。

如果冰层强度不大，对飞机飞行并不会造成什么影响，同时飞机飞行时间不长则无需理会。

相反，要是冰层强度较大，对飞机安全飞行产生威胁时需要马上离开该区域。

3现代飞机的防除冰技术

随着科技的不断技术，针对飞机防除冰问题的解决方法也不断的增多。

目前飞机上所投入使用的防除冰技术大多是下面将会介绍的几种防除冰技术，还有一些并不是很成熟的技术在这里就不会介绍了。

虽然这几种防除冰技术都能一定程度上解决飞机结冰问题，但是无法完全消除飞机结冰带来的影响，因为这几种技术都有着它们自己的不足之处。

3.1气动防除罩技术

气动防除罩技术是给翼面前缘安装一个可以充气的除冰袋，除冰袋里面装有膨胀管，通过膨胀管来达到除冰的目的。

需要除冰作业时，向除冰袋里充入一定量的空气，这样就会造成袋子里面的膨胀管膨胀而致使冰层碎裂以达到除冰的目的。

无需作业时，清空除冰袋里的空气保持真空，并让除冰袋紧紧贴着翼面以保持良好的气动外形。

气动防除罩技术的优点是工作可靠，节省能量。

但同样，也有着不足之处。

因为该技术的核心就是防除罩，需要对防除罩进行经常性的检查和更换。

一旦除冰袋表面出现任何的损坏都会对它的除冰功能造成危害，所以就需要机组人员在飞机起飞前认真检查除冰罩的完好程度。

目前气动防除罩技术无法应用于机翼和尾翼之外的地方，应用范围较为狭窄。

而且，无法在温度低于零下40℃时使用，因为这种气温很容易破坏除冰罩。

同时，一旦翼面冰层厚度在9.5mm以下时，气动防除罩技术就很难够发挥作用。

3.2液体防除冰技术

液体防除冰技术的原理是将冰点很低的液体喷洒在积冰部位与过冷水滴混合，使混合后的混合物冰点低于表面温度来防止结冰。

液体防除冰技术主要作用于风挡、窗、雷达罩、螺旋桨桨叶前缘、活塞式发动机汽化器。

液体防除冰技术同样有着其不足之处。

少部分除冰液含有一些带有毒性的成分，这些有毒除冰液的使用可能会对机场周围的生态环境安全产生危害。

同时因为除冰液的有效作用时间短、用量大且除冰效果差，只能是大多用于寒冷季节飞机飞行前的地面防冰。

3.3电热防除冰技术

飞机电热防除冰系统其实就是一个电加热器，它将电能转换为热能，再将热量传导到需要除冰的部位，通过加热来除掉冰层。

根据机翼形状的不同，电热防除冰的方式也会有所改变。

电热防除冰技术不是要把冰层完全去除，而是通过加热破坏冰与黏附层之间的黏附应力。

这种应力被破坏之后，就会使得冰层无法继续黏附在黏附层上从而脱离。

同理，电热防除冰技术也存在缺陷。

比起其他的防除冰系统，电热防除冰系统就会显得操作复杂，而且电加热器的重量也很大，会使得这个除冰系统变得很重。

同时，电热防除冰系统作用后，已经生成的冰层融化后可能还会再次凝结，会对飞机安全飞行造成影响。

3.4气热防除冰技术

气热防除冰技术和电热防除冰技术很相像，只不过利用的是热气而不是热量。

利用热空气，提升需要保护的部位表面温度，致使冰层无法在飞机表面凝结从而起到防除冰作用。

同样的，气热防除冰技术也有着它本身的不足之处。

由于气热防除冰技术需要利用到热气，而系统所使用的热气可能会对飞机的操作性能产生影响，严重的话甚至还会影响到发动机，造成发动机动力不足而导致机毁人亡的严重飞行事故。

而且，现存的气热防除冰技术还远远达不到根据不同情况下对引气量的控制，这样会造成系统很难合理的运作。

3.5其他防除冰技术

除了上面所讲述的几种防除冰技术之外，还存在着一些发展并不是特别成熟的防除冰技术，因为关于它们的研究才刚刚起步，就例如下面所要讲的气膜加热防除冰技术和红外防除冰技术。

所谓的气膜加热防除冰就是借鉴涡轮叶片中的气膜冷却的思路，而反推出来利用气膜加热来达到防除冰效果。

这种防除冰方法的优越点在于这种气末可以起到两个作用：

第一是隔冷作用，第二则是除冰作用。

而红外防除冰技术的原理则是通过红外线加热的技术来达到除冰的目的，这种方法的除冰能量主要是由天然气或者丙乙烷转变而来的。

红外线防除冰多是用于飞机飞行前的防除冰，减少了飞行前的其他防除冰技术的使用，相对的也就降低了飞机防除冰成本。

4新式飞机防除冰技术

4.1电热防除冰改进

综上所述，可得知现存的防除冰技术有着各自不同的优点，但也无法避免有着各自的不足之处。

因此，只需要对这些不足之处加以改进就可以更好的优化防除冰系统，来达到更好的防除冰效果。

本文主要是选取的是改进电热防除冰技术，因为相比其他防除冰系统，电热防除冰虽然有着它的不足之处，但是它的除冰方式较为灵活且高效，并且只需小小改进便可以达到更好的效果。

电热防除冰技术主要的缺陷很大程度上取决于电热防除冰系统的电热元件，因为这是电热防除冰系统的关键所在，因此，选择更为合适且高效的材料作为电热元件能更好的提高除冰效率来达到防除冰技术的改进。

4.2新式电热元件材料的选取

随着近现代新型合成材料的不断发展，为我们提供了可以选择更好的材料作为电热元件来达到更好的防除冰效果的新思路。

目前，可选择的材料有很多种，石墨烯和陶瓷就是其中之二。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,有着导电性、力学性能和导热性等特性。

石墨烯具有非常好的热传导性，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，是目前为止导热系数最高的碳材料。

正是由于它具有非常好的热传导性，因此可以将它作为电热元件的材料。

我们可以模拟飞机结冰环境，来试验看石墨烯作为电热元件是否能达到我们所想要的防除冰效果。

先准备好一个实验件，再将制好的石墨烯电热元件安装到实验件上面。

采用人工制冰的方式，将安装好石墨烯电热元件的实验件放进工业冷柜中，并且设置好冷冻温度，从而完成冷冻实验。

接着启动石墨烯电热元件，观察除冰效果。

如果达到预期效果，说明选择石墨烯作为电热元件能更好地加强电热防除冰效果。

这里所讲述的陶瓷并不是我们生活中所使用的那种陶瓷，而是陶瓷热敏电阻。

陶瓷热敏电阻按其特性可分为三种：

正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）热敏电阻。

我们这里所想要使用的是正温度系数热敏电阻，即PTC热敏电阻。

这种热敏电阻所制成的PTC陶瓷加热元件具有电热转化率高，自动恒温和输出功率会随着环境温度的变化而自动进行补偿，这些特点无疑是适合作为电热防除冰系统里的电热元件。

跟上面的石墨烯一样，我们也可以做一个实验来验证我们的想法。

也先准备一个实验件，然后将制作好的PTC陶瓷加热元件装到实验件上面，再将该实验件放进工业冷柜中，设置好冷冻温度，然后启动PTC陶瓷电热元件，之后观察除冰效果就行了。

如果能达到想要的效果，则说明PTC热敏元件适合作为电热元件。

结语

本文主要是论述了关于飞机新式防除冰方法的研究，通过对现存的防除冰技术来探讨新式防除冰技术的可能性。

第二章从飞机结冰的原因讲起，论述了飞机在什么样的条件下会产生冰层，同时也对冰层的种类做了阐述。

不仅如此，还根据不同位置结冰的影响也做了说明。

第三章主要是对目前投入使用的四种防除冰技术做了说明，对它们各自的优缺点都做了详细的说明。

同时也讲述了另外两种可能并不是那么成熟的防除冰技术，气膜防除冰和红外防除冰。

第四章是根据前面论文所学到的知识，对新式防除冰技术进行了可能的推导。

通过这次毕业论文的撰写，使我对自己大学所学的知识有了更深的理解，对飞机防除冰技术也有了全新的认识，为今后的学习和工作打下了基础。

当然，论文中对飞机防除冰技术的原理和推导新式防除冰技术的方法仍有不足之处。

对我自己来说，课上所学到的理论知识大多已经掌握了，剩下的就是在日后的工作中多多积累经验，总结钻研和思考。

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