飞机电脉冲除冰技术探讨

何舟东, 朱永峰, 周景锋

(中航工业第一飞机设计研究院, 西安 710089)

飞机电脉冲除冰技术探讨

何舟东*, 朱永峰, 周景锋

(中航工业第一飞机设计研究院, 西安 710089)

在对飞机防/除冰方式及其应用与优、缺点介绍的基础上，结合现代飞机发展趋势，提出电脉冲除冰技术是极具发展前途的飞机除冰方式，并对其发展历史、应用情况和发展现状进行论述。通过对电脉冲除冰技术国内外现状的研究可以看出，国外电脉冲除冰技术经过多年发展，已可初步工程应用，而国内的相关研究多为原理性的理论研究，急需开展相关应用性研究，进而掌握电脉冲除冰的关键技术。最后，针对国内研究现状提出了电脉冲除冰技术的难点与挑战以及今后的研究方向。

电脉冲除冰；除冰准则；脉冲力；疲劳

0 引 言

飞机在寒冷、潮湿的空气中飞行，如在云、湿雪、冻雨、雾以及气温在零摄氏度左右的高湿空气中飞行，机体表面、机翼前缘与飞机其他部位都可能有不同程度的结冰。大量的理论计算、风洞试验和飞行试验表明，如果飞机部件没有防/除冰措施，那么这些部件的结冰可导致飞机气动特性和操稳特性的严重恶化，并最终对飞行安全产生严重影响，如升力减小、阻力增大、失速迎角减小、使附面层提前分离等。为了克服这些影响，各种防/除冰措施已经应用于结冰部件上以阻止飞机结冰或者除去飞机结冰表面的冰层。然而，防/除冰系统的故障以及除冰系统未能清除的残留冰层仍对飞机性能产生影响[1-6]。随着这些问题的逐渐显现，促使国内外结冰和防/除冰专业开始了对飞机结冰防护技术的新一轮研究。本文对飞机结冰防护方式进行了介绍并结合现代飞机发展趋势，提出电脉冲除冰技术是极具发展前途的飞机除冰方式，并对其发展历史、应用情况等进行了论述。

1 飞机防/除冰方式

现有的防/除冰技术根据防/除冰形式的不同分为：热力防/除冰、液体防/除冰、机械式除冰及其他防/除冰形式[7-8]。

(1)热力防/除冰

热力防(除)冰系统可采用来自从发动机压气机的热气，经过调压和调温后，通过防冰腔内的笛形管上的喷口射流加热蒙皮内表面，从而防止机翼(尾翼、

发动机进气道)前缘防护区域结冰，如图1所示。也可通过敷设在防护区域蒙皮下的电加热元件对蒙皮进行持续加热或周期性加热，以达到防冰或除冰的目的，如图2所示。

图1 热气防冰示意图

如图1所示为热气防冰系统，其是目前应用最为广泛同时又十分可靠的系统，适用于大中型运输机和民用客机，主要应用于机翼与发动机的防除冰。

图2 电热除冰示意图

如图2所示为电热除冰系统，适用于大中型运输机和民用客机的尾翼、风挡、直升机的旋翼等部位，目前应用于机翼防/除冰的电加热方式由于所需消耗的电能较大，只在B787上应用。

(2)液体防/除冰

液体防冰通过不断地向防冰区域表面提供防冰液，此防冰液与飞机部件所收集的水混合，使其混合液的冰点低于表面温度，使水不致在表面上结冰，如图3所示。在较严重的结冰状态下，其防冰效果差，因此该防冰系统在飞机型号上应用较少。该系统主要用于机翼前缘、尾翼前缘和风挡等部位。

其主要优点是不易在防冰区后形成冰瘤，停止供液后还有一段时间能起到防冰作用。它可用来防冰，也可用来除冰。

其主要缺点是飞机需要携带一定量的防冰液，其系统重量较大，在非结冰天气携带防冰液会增大燃油消耗，花费较大，且需要后勤保障；渗液孔必须时时敞开，特别是前缘的渗液孔会影响气动性能；另外对于利用离心力来分配防冰液的旋翼系统而言，在较严重的结冰条件下，其除冰效果会显得尤其差。

图3 液体防/除冰示意图

(3)机械式除冰

机械式除冰是指由机械力使冰破碎，然后由气流吹除，或者由离心力、振动把冰除去。机械式除冰包括气囊除冰、电脉冲除冰和电动机械式除冰等。其主要优点是能耗少。

图4所示为气囊结构示意图，是气囊除冰系统的主要功能件。气囊除冰系统的优点是系统使用周期长，维修检查工作简单易行，重量小，能耗少，且已通过适航认证。其缺点是气囊的材料会随着使用时间有所损坏，且对油敏感，需要经常维护检查；不使用时需要将气囊内的气抽出以保持气动外形，但是仍不可避免会降低气动性能，因此不适用于高速飞机；从气囊脱落下来的冰可能会损坏后部机身，特别是发动机与螺旋桨；对飞行员的技术要求高，需要把握好打开系统的时机，由于气囊除冰系统对薄冰的作用不大，若过早打开除冰系统会导致难以除去的冰脊产生。

图4 气囊结构示意图

图5所示为电动机械除冰示意图，其主要优点是对大于0.06英寸的冰或较冷环境时结的冰去除效果好；系统耗能少、可靠性高，维护成本低；使用周期长，可使用超过25年；系统对除冰表面没有气动性能的影响，不影响飞机的气动外形。其缺点是对于薄冰或较温暖的环境下结的冰除冰效果不太好；除冰可能不完全，会留有残余冰，影响飞机的气动性能。

图5 电动机械除冰示意图

(4)其他防/除冰形式

记忆合金除冰、防水涂层等形式为目前新研究的防除冰技术，目前这些技术多为理论研究，在飞机上的应用较少。

2 电脉冲除冰技术

随着未来飞机全电化/多电化的革新，飞机能源供给方式的改变，使得传统热气防/除冰技术可能不再适用，电能将成为防/除冰能耗的主要输入，但电热防/除冰的电能消耗大，因此需要一种既有一定防/除冰效能而能量又相对节省的防/除冰方法，而电脉冲除冰技术具有结构简单、能耗少和除冰效率高等优点，具有广泛的应用前景。

电脉冲除冰(Electro-Impulse De-Icing，简称EIDI)技术最早出现于第二次世界大战之前，其示意图如图6所示[8]，基本原理是采用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在飞机蒙皮上产生一个幅值高、持续时间极为短暂的机械力，使冰发生破裂而脱落。

图6 翼展方向安装的EIDI示意图

2.1 电脉冲除冰技术国内外研究现状

最早有关电脉冲除冰的思想始于1937年，在英国专利文献中被提出[9]，之后美、苏、英、法等国陆续开展了相关技术的理论研究与试验测试，由于缺乏对基本问题的深入探索和商业因素等多种原因，美、英、法等国相继放弃了这一技术的研究计划，唯有前苏联继续开展相关技术的研究并于1972年首次将电脉冲除冰技术应用在飞机上[10]，但是在当时并未受到广泛的应用。

直到上世纪80年代初，美国重新启动电脉冲除冰技术的研究计划，由NASA、University和Industry consortium共同发起，开展了一系列的深入研究以及进行了大量冰风洞试验和飞行试验，揭示了电脉冲除冰技术的潜在优势，使之真正赢得了广泛的关注，掀起了一股研究热潮。

1982年，维奇塔州立大学(Wichita State University，Kansas)在美国国家宇航局(NASA)刘易斯研究中心的资助下与美国飞机制造商合作，开始电脉冲除冰技术的研究工作，通过在Beech、Cessna等一些小型飞机上的飞行测试和冰风洞试验，验证了电脉冲除冰技术的可行性[11-12]。之后维奇塔州立大学G W Zuwalt教授带领的科研团队对电脉冲除冰技术进行了为期7年的研究[13]，并申请了系列专利，同时也开始了电脉冲除冰技术飞行安全性的相关论证，期望尽快获得FAA的认证；在电脉冲除冰技术的脉冲电路和电动力学方面，该团队获得了脉冲力和脉冲电路的电压、脉冲时间、线圈尺寸、蒙皮材料之间的基本关系[14-16]；在除冰结构动力学特性研究方面，采用有限元法[17]和模态分析法[18]对脉冲力作用下的除冰过程和蒙皮动响应进行了初步分析；在飞行测试和冰风洞试验方面，通过对不同机翼构型[19]、不同飞行工况[20-21]下的大量试验，基本掌握了当时服役飞机的电脉冲除冰试验评估技术。但是，至今电脉冲除冰技术仍未获得FAA的认证。

另外，以Akron大学R. Scavuzzo和M. Chu为代表的学者与R&D研究中心合作，在充分研究冰层受冲击下的力学性能[22-23]后，提出了相对准确的电脉冲除冰有限元分析模型[24-25]，为电脉冲除冰系统的精细化设计提供了重要技术途径。此外，Cox & Company公司的K. AlKhalil等[26]提出了一种电脉冲与电热相结合的混合式除冰方法，虽然试验证明该方法具有不错的除冰效果，但是复杂的控制过程和高能耗制约了其发展。

英、法、德等国在电脉冲除冰技术方面也有深入的研究，英国在1990年就起草了“机翼除冰程序”文件[27]，S. Esposito[28]和Th. Kermanidis[29]等通过测试冰层的附着性能，提出了新的机翼除冰力学分析模型。最终在英、法、德、意等国的共同努力下，电脉冲除冰技术取得了一些实用性研究成果。

随着相关学科和计算机技术的快速发展，对冰层粘附和电脉冲除冰过程的研究也在不断深入。希腊Patras大学George N. Labeas等[30]在总结前人研究的基础上，提出了一种三维除冰结构动力学分析模型，综合考虑了冰层附着的界面剪切强度与拉伸强度，提出了一种新的冰层松脱条件，并将这一条件应用于电脉冲除冰过程的动力学分析。

与国外相比，国内在电脉冲除冰技术方面的研究起步较晚，最早由南京航空航天大学裘夑纲教授于1993年在《南京航空航天大学学报》上发表了电脉冲设计参数研究[31]，但由于该技术研发的难度以及缺少经费的支持，没有引起足够重视而未能进行深入的研究。

直至21世纪初，由于全球节能的需要与飞机防/除冰技术多样化的需求，国内才逐渐关注飞机防/除冰领域中低能耗的电脉冲除冰技术，并取得了一定的研究成果。2007-2008年，南京航空航天大学的杜骞首次搭建了地面电脉冲除冰试验台[32]，可实现300mm×300mm的电脉冲除冰试验，主要采集了脉冲电路的电流峰值并进行了加速度实验。北京航空航天大学的姚远、林贵平和李广超等[33-35]在凡舟青年基金的资助下对电脉冲除冰系统的脉冲电路和电动力学模型进行了计算分析，获得了系统关键参数的基本关系，开始采用时域电流分析方法对电脉冲除冰技术进行研究，但其对电磁场及电感的研究主要还是沿用美国维奇塔州立大学的分析思路并未有所突破。西北工业大学吴小华等[36]和张永杰等[37]在航空科学基金的资助下分别运用电磁涡流场的求解方法研究了电脉冲除冰系统的影响因素以及运用动力学分析方法对冰-铝板界面之间的应力状态进行计算分析，验证了电脉冲除冰的冰层失效准则。南京航空航天大学的李清英等[38-41]在国家自然科学基金的资助下完成了建立电脉冲除冰系统的二维和三维电磁场涡流有限元分析模型， 分析了试验蒙皮在涡流场中法向及径向的磁感应强度，采用麦克斯韦应力法计算了该蒙皮所受的瞬态电磁力，用南京航空航天大学的地面电脉冲除冰试验台完成了脉冲放电电压500V时的除冰试验，获得了3次除冰激励后的除冰效果并进行了除冰过程的数值仿真计算等研究。

国内对于电脉冲除冰技术电磁场及电感的研究主要还是沿用美国维奇塔州立大学的分析思路，在理论突破上具有一定的局限性；对于冰层失效准则的研究只简单地用动力学理论分析了冰-铝板界面之间的应力状态，并未深入研究影响冰层失效的因素。国内对于电脉冲除冰技术的研究虽然取得了一定的研究成果，但并未能在理论上做出突破并进行深入研究。

在脉冲线圈研制方面，中航工业181厂成功试制了电脉冲除冰的脉冲电感线圈，并取得了小翼型截面原理性除冰试验的成功。之后通过航空科学基金项目：飞机机翼电脉冲除冰系统电动力学与动强度优化方法研究以及工信部、财政部项目：民用飞机电脉冲除冰系统技术研究项目与中航工业一飞院、西北工业大学等单位共同对电脉冲除冰技术进行了系统深入的研究，提出了电脉冲除冰系统脉冲电路及结构设计的基本方法以及电脉冲除冰系统电动力学建模与参数优化设计方法，获得了除冰结构动响应综合分析与评估方法以及电脉冲除冰系统元器件和机翼等相关部件的疲劳分析方法与疲劳试验方法，可为飞机电脉冲除冰系统的设计提供方法与技术指导。在项目工作期间，完成了平板电脉冲除冰原理性试验和小翼型结构电脉冲除冰系统冰风洞原理性试验，平板结构电脉冲除冰结果如图7和8所示， 小翼型电脉冲除冰结果如图9和10所示。

综合以上国内外研究现状可以看出，国外电脉冲除冰技术经过30多年的研究发展，已可初步工程应用。国内的相关研究尚处在初期阶段，多为原理性研究和理论研究，急需开展大量的基础性研究工作，充分掌握电脉冲除冰的关键技术，为工程应用奠定坚实基础。

图7 单次激励后平板结构电脉冲除冰结果

图8 多次激励后平板结构电脉冲除冰结果

图9 小翼型结构结冰情况

图10 多次激励后小翼型结构电脉冲除冰结果

2.2 电脉冲除冰系统的应用历史

电脉冲除冰技术已经在许多飞行器上进行了飞行试验和冰风洞试验，包括：Cessna-206，Twin Otter，Gates Learjet，Rohr Falcon，Boeing 737、757和767，在所有被试验机型中，都成功地完成了电脉冲除冰系统的除冰验证，但目前为止尚未见该类机型中已装机应用电脉冲除冰技术的相关报道。

飞机电脉冲除冰技术的应用最早于20世纪60年代末，由前苏联学者I.A.Levin博士率先提出[42]，经过40多年的发展，在前苏联、俄罗斯先后经过了如下几个阶段的应用。

第一代(电脉冲除冰技术)EIDI的应用：EIDI第一次全状态安装于飞机上使用。

俄罗斯伊留申设计局改装了一架IL18飞机，如图11所示，全状态安装了电脉冲除冰系统，并在-50～0℃和包括北极圈在内的广大区域进行了各种气象条件下的电脉冲除冰系统的飞行试验。试验表明电脉冲除冰系统适合于飞机使用，且可在各种条件下稳定高效地工作(注：这架飞机此后一直使用该系统，在1980年离位检查其电脉冲除冰系统附件时，状态仍然完好，又继续装机使用)，此时并未过多考虑飞机电脉冲除冰系统的性能优化及飞行安全性的相关论证工作。

鉴于电脉冲除冰系统在IL18飞机上飞行验证的优异性能，苏联空军和苏联国家飞机工程局批准该技术可在其它型号广泛推广，并率先在IL-38反潜飞机上全面使用。

图11 IL18飞机EIDI示意图(第一代)

第二代EIDI的应用(适用于大型宽体飞机)：相比于第一代EIDI，其进行了重量优化，进一步减小了体积。

为了适应大型飞机更大除冰面积的需求，I.A.Levin博士及其项目组于1970年开始研发适用于大型宽体飞机的第二代电脉冲除冰技术，并对多种飞机结冰进行了5000h在电脉冲除冰系统工作时的可靠性试验。试验表明电脉冲除冰系统对机体结构无影响，此后又对173个电感触发器进行了总计45.8万小时的寿命试验，并改装了一架IL-76飞机进行了飞行验证，用于IL-76验证机上的电脉冲除冰系统重量不超过45kg 。并且在1976年开始于IL-86飞机上全面使用，如图12所示。96架IL-86飞机的使用表明，电脉冲除冰系统不会对飞机的结构，如前缘缝翼和尾翼产生诸如裂纹等损坏，更不会引起飞机蒙皮振动现象的发生，完全可满足大型飞机的使用。

图12 IL86飞机EIDI示意图(第二代)

第三代EIDI的应用：相对于第二代EIDI，第三代的重量更轻，体积更小，可靠性更高。

电脉冲除冰技术已全面使用到IL96-300飞机(包括俄罗斯总统专机)、An-124飞机的尾翼除冰和IL114飞机的机尾翼除冰，如图13所示，其电脉冲除冰系统的质量不超过15kg，且系统满足FAR25部相关要求，并已获得俄罗斯适航当局的批准。

第四代EIDI的应用：第四代EIDI采用了新材料，其系统更轻，更耐用。

第四代电脉冲除冰系统于2004年研制成功，系统重量在5kg左右。

除俄罗斯外，美国、加拿大、瑞典等国也在开展类似技术的应用研究，并取得了一定进展，如美国在一架公务机、几种直升机、无人机(如“猎犬”无人机)上都采用了电脉冲除冰技术。

图13 IL114飞机EIDI示意图 (第三代)

2.3 电脉冲除冰技术的难点与挑战

通过对国内外电脉冲除冰技术研究现状的整理，尤其是对国内研究现状的分析，可以发现，国内电脉冲除冰技术的研究起步较晚，还未完全掌握电脉冲除冰系统电动力学和结构动强度设计与分析方法、电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法、电脉冲除冰技术的动强度和疲劳强度验证试验方法以及电脉冲除冰系统的综合优化设计与评估方法等关键技术，在型号应用方面更是处于空白状态。

如要将电脉冲除冰技术应用于型号飞机上，则必须要解决在飞机上应用的关键技术，也是电脉冲除冰技术研究的难点与挑战。

电脉冲除冰技术研究的难点之一是如何得到最优的脉冲电路以及除冰电脉冲激励的计算。考虑到脉冲电路参数间的关系是复杂的、综合作用的，需进行深入的理论研究以获得脉冲电路电压、电容、线圈尺寸、蒙皮材料以及线圈与蒙皮之间的间隙和脉冲力、脉冲时间等的基本关系，由此得到一个确定的设计方法，进而设计最优脉冲电路。在得到脉冲电路的基础上研究脉冲激励，但因为脉冲激励分布不均匀，若简单的建立模型施加总电磁力，会影响计算精度，需按照脉冲力分布特点进行有限元网格的划分，计算得到不同位置不同时刻的脉冲激励。

电脉冲除冰技术研究的难点之二是冰层失效准则的研究。冰层失效准则的研究是进行除冰效果研究的前提，冰层失效问题的影响因素繁多，尤其需要了解冰层的物理属性。由于冰层的物性参数受环境温度、液态水含量、水滴直径、撞击速度等因素的影响，同时冰-蒙皮间的粘附强度还受基层材料、表面粗糙度等约束，因此在不同条件下产生的冰层其物性参数差别很大。这些都是冰层失效准则研究的关键。而除冰效果的仿真研究，是通过计算覆盖在蒙皮上的冰层失效状态，模拟出电脉冲除冰的除冰范围，从而求解得到除冰效果。其中所选用的冰层失效准则是否适用是影响除冰效果计算的关键因素。

电脉冲除冰技术研究的难点之三是如何得到电脉冲除冰结构的疲劳寿命时间。通过对除冰结构疲劳性能的深入研究，从而获得电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法。需结合蒙皮结构电脉冲除冰的动强度和疲劳强度验证试验，提出电脉冲除冰结构疲劳寿命的有效评估方法。为将来电脉冲除冰技术的装机应用奠定基础。

电脉冲除冰技术研究的难点之四是脉冲线圈以及系统研制的工艺要求。目前国内尚无能批量生产电磁脉冲线圈的厂家，并且尚无成熟的线圈制作工艺规程以及系统研制工艺规程。

在未解决上述难点之前，电脉冲除冰技术在国内飞机型号上的应用还需进行大量的理论研究与试验研究的积累。电脉冲除冰技术在国内飞机上的应用研究对国内防/除冰系统设计团队来说是极具挑战的研究项目。

3 总结与展望

随着现代飞机对于高效、低能耗要求的提出，对于防/除冰也有了相应更高的要求，而电脉冲除冰技术以其具有结构简单、尺寸小、重量轻、能耗少、效率高及维修方便等显著优点，具有广泛的应用前景，是一种极具发展前途的飞机除冰方式。

今后，在电脉冲除冰脉冲电路、脉冲激励与除冰效果研究的基础上，针对影响电脉冲除冰效果的因素，如冰形、除冰部位、线圈安装位置等，进一步完善电脉冲除冰的设计流程；针对电脉冲除冰会产生电磁场这一现象，应论证电磁辐射干扰等是否会影响飞机的安全。

另外，研究复合材料在电脉冲除冰技术中的使用问题，以及与现有航空电子设备和电气系统的一体化问题都是未来需要考虑和研究的内容。

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[42]Levin I A. Electric-impulse de-icing system (Aviation)[R]. PWT Brochure, 1997.

(编辑：杨 娟)

Study on Electro-Impulse De-Icing technology

He Zhoudong*, Zhu Yongfeng, Zhou Jingfeng

(AVIC The First Aircraft Institute, Xi′an 710089, China)

Based on the introduction of anti de-icing system and the analysis of aircraft development, it is proposed in this paper that the Electro-Impulse De-Icing (EIDI) is a promising technology for aircraft de-ice. The phylogeny, application and development status of EIDI is discussed. EIDI has been developed abroad for years, and preliminary engineering application has been realized. However, the domestic research on EIDI has been constrained mainly in the scope of theory, and thus it is urgent to conduct relevant application-oriented research to master the key techniques. In the end, the problems and challenges of domestic research on EIDI are discussed and the research directions in the future are proposed.

Electro-Impulse De-Icing;de-icing criterion;impulse force;fatigue

1672-9897(2016)02-0038-08

10.11729/syltlx20160022

2015-12-22;

2016-02-20

HeZD,ZhuYF,ZhouJF.Studyonelectro-impulsede-icingtechnology.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(2): 38-45. 何舟东, 朱永峰, 周景锋. 飞机电脉冲除冰技术探讨. 实验流体力学, 2016, 30(2): 38-45.

V212.1，V244.1+5

A

何舟东(1984-),男，浙江舟山人，工程师，硕士。研究方向：飞机防/除冰系统的设计与试验研究工作。通信地址：中航工业第一飞机设计研究院(710089)。E-mail：zoudong333@126.com

*通信作者 E-mail: zoudong333@126.com