各类飞机防/ 除冰技术：3D打印怎么哪里都有你！
通常，当飞机在飞行中穿过零度以下含过冷水云层时，常常会发生结冰情况。环境气温在5℃以下，云中含水量较大时，飞...
通常，当飞机在飞行中穿过零度以下含过冷水云层时，常常会发生结冰况。环境气温在5℃以下，云中含水量较大时，飞机的发动机进气口、机翼前缘表面、驾驶员座舱玻璃和某些外置感应器等均易发生结冰现象，严重时将导致空中停车而坠机。最早记录飞机结冰现象的文献出现在1920年。在1982~2000年间，单美国就因为结冰问题发生了583起飞行事故，导致800人死亡。直升机由于其自身可用功率有限，操纵面较小等特点，因此对积冰的反应较固定翼飞机更为敏感，积冰更易对直升机造成危险。
国外对飞机防/ 除冰技术和结冰原理的研究开始于上世纪20年代，并在70年代计算机得到应用以后，理论研究侧重于机翼、直升机螺旋桨等，获得了实质性的研究突破。其中，俄罗斯早在1957年便成功地在主旋翼上安装了防/ 除冰装置，成为世界上第一个旋翼带电加温防/ 除冰系统的国家，目前俄罗斯所有的直升机都具有防/ 除冰系统。美国NASA在防/ 除冰方面的研究堪称一流，70年代以来先后成立了专门的防/ 除冰试验研究机构和直升机结冰研究合作小组，以致力于防/除冰技术的研究开发，并已对多种型号的直升机进行了防/ 除冰的试验验证，UH-60A 、AH-64D等直升机均配有较先进的防/ 除冰装置。
1防/ 除冰技术
常见的需要采取防/ 除冰技术的飞机部位主要有机翼、尾翼、直升机旋翼，螺旋桨、窄速管、风挡、发动机进气道前缘及进气部件。而防/ 除冰方法按照工作方
式不同，可分为消极防/ 除冰法和积极防/ 除冰法两大种类。
消极防/ 除冰技术
消极防冰技术和消极除冰技术，这两种技术的优缺点如表1 所示。
（1）气囊除冰
作为最早的机翼除冰技术，它通过鼓起和瘪下动作来破碎表面的冰层，最小除冰厚度为3.2mm，但通常的平均除冰厚度为7.5mm，典型的结构如图1所示。在1938年上半年之前，欧洲和美国一直使用这种技术, 但是这种方法对于去除一定厚度的积冰存在时机决策的问题。Sikorsky公司也尝试开发气囊式除冰技术，并用到UH-1H 直升机上进行测试，但发现该法存在很大的腐蚀缺陷而终止了开发和生产。Goodrich 公司开发了另外一种类似的气囊脉冲防护系统，该系统能在50μm内全部收回平板状态，使最小的除冰厚度降到了1.016mm。
1938年后期，德国人采用热空气来加热机翼，且这种采用热保护手段的除冰方法逐渐成为二战结束前德国专有的除冰技术。采用热保护手段的试验早于1931年， NACA 将Clark Y 机翼蒸汽加热模型安装到单翼机上，并做了喷水和自然结冰试验。在1952年之前，热机翼保护手段被证明是最成功的体系，并且大多数的飞机（如B-24，DC-6等）安装了热气防冰系统，热源来自发动机压气机引出的热空气。Sikorsky公司于1949~1953年尝试这种方法，但发现适用场合仅限于较温暖的结冰环境。它可以用于防冰面积较大、防冰要求较高的机翼、发动机进气道前缘等部件。
（3）电热防/ 除冰技术
将电加热元件埋在桨叶前缘，与机翼表面接触的冰层在加热的过程中融化成水膜，在离心力的作用下，冰块被击碎并甩出去。到二战结束前夕，德国开发了低耗能的间歇加热系统，相比较连续加热而言，大大降低了能耗。Sikorsky公司于1957年开始开发电加热（镍镉合金电阻丝）防/ 除冰技术，并且应用于S-61 等量产直升机上，这种除冰技术经验应用到了后来70年代开发的2400架黑鹰直升机H-60上，并证明在-20℃含水量在1.0g/cm3环境下是最有效的旋翼结冰保护系统。并为了降低电热防/ 除冰系统的耗电量, 将4 片主桨叶相对两片桨叶循环加热，主桨叶耗电功率17.5kW，加热密度为3. 91W/cm2，主桨叶展向加热面积 20%，其中主桨叶上表面终止加热位置为弦向12%, 下表面终止加热位置为弦向17%；尾桨叶上表面和下表面的弦向终止加热位置为13%。1982年的试验表明: UH-60A具有足够的发动机动力来克服中等结冰环境中由于旋翼桨叶结冰而造成的扭矩增加现象。据不完全统计, 美国至少有2420 架UH- 60A直升机（包括400 架SH-60）上装备了电热防/ 除冰系统。
NASA已经开发了石墨片作为小型飞机的加热元件，发现石墨片具有加热效率高、升温速率快、降温速率快等优点，并且包括电机在内的总重量少于20kg。正是由于电加热元件的抗疲劳性和轻质化性能的不断提高，电加热这项传统的技术才长盛不衰。电加热法适用于表面积不大、耗电功率较小螺旋桨、风挡、空速管等部位，该方法可以同时起到防雷击作用。但仍然存在着耗
能量大，会引起回流重结冰问题。再进一步的研究依然在最优化加热面积分布、加热元件的抗疲劳、轻质化和柔韧化等方面。
（4） 电脉冲除冰技术
1937年，英国人Goldschmits 获得了最早的关于电脉冲技术的专利，而第一次出现电脉冲除冰技术总的系统性文件记录发生在1972 年，1985 年威奇塔州立大学通过风洞试验及NASA双水獭飞机的飞行试验验证了这种方法的可行性。原理是安装在蒙皮内表面的电磁线圈产生的高能电脉冲的作用下，使蒙皮在弹性变形范围内快速鼓动，从而破除该蒙皮表面上的冰层。这种技术的一个优点是可以去除相当宽厚度范围的冰层，最薄厚度为1.27mm。对中型直升机而言需要的能量为3kW，比电热方法省能源得多。这种方法高效、环保、节能，不会对赫兹传递产生干扰，并且容易操作。很多公司在使用相似原理的技术，比如美国的Rohr 工业、先进概念除冰公司、加拿大的Garrett 公司、电冲击公司和Goodrich公司等。目前，Goodrich公司还在深入开发这种技术，以便用于更多的使用场合。
（5）振动除冰技术
Bell 直升机公司率先尝试使用电机共振方法来使结冰层与基体脱开。这个系统使用电机马达产生的重力来振动螺旋桨叶片，并与主自然震动频率相匹配。此系统安装在叶片根部，产生的重量负荷为30.39kg，在工作频率为0~47Hz下需要的功率为1.3kW。但有低频震动产生的应力可能会损伤叶片，除冰涵盖范围非常有限。（6）高频微波技术
高频微波除冰系统基本上是由安装在前缘的微波发生器和介电复合材料板以及表面金属薄层组成，原理是利用高频率（30GHz）的微波来加热尚未接触机翼
的水滴，从而不会以凝结状态粘接在机翼上，因此起到防冰的作用。此方法仅需要提高水滴的温度，所需要10W/m 的能量即可。同时，也可以起到除冰的效果。相比较其他除冰系统，这种方法主要适用于玻璃纤维或碳纤维增强的机翼前缘。玻璃纤维的导电率很低，微波能够很容易地穿过结构，与外面的冰层耦合，产生热量；而碳纤维具有很高的导电性，通过碳纤维吸收微波而产生热量，由于复合材料有较低的导热率，热量被保存在结构内，用于防/ 除冰有可能会使复合材料产生过热分层和回流结冰的现象，对于后者，一般采用电加热和微波并用的方式来解决。
（7）超声技术
超声激励盘在积冰的前缘界面产生剪切应力，从而可以在-20℃下，以很小的功率密度(0.07W/cm2) 来剥离厚度为2.5mm 的冰层，连续的超声振动能够阻止积冰。超声波在不同频段具有不同的性质，包括：波速、能量分布、应力分布。如果波型和频率选择合适的话，超声引导波可以用来探测和健康监测，同时也能用来在冰/ 基体界面产生足够的剪切力而使积冰脱离基体。
（8）形状记忆合金
形状记忆除冰技术使用外部加热或直接原位加热来使材料变形并产生机械作用力，通过表面弯曲、剪切、或加速来去除材料表面结冰。
由于复合材料具有比强度高、比模量高和可设计性强等特点，采用复合材料制造防/ 除冰系统的零部件能够大大降低整个系统的重量，复合材料在防/ 除冰系统中的应用已成为主流趋势之一，因此Giovanni Nino 和Tyler Blumenthal 总结了成熟防/ 除冰系统中是否能够采用复合材料的一般规律（表2）。
23D 打印技术在防/ 除冰系统中的应用
Giovanni Nino 和Tyler Blumenthal 提出了一种采用3D打印技术，制造防/ 除冰整体系统的方法，通过气溶胶喷射工艺，这种防/ 除冰系统能够沉积定位在弯曲程度很高的复合材料转子叶片前缘。这种3D打印的防/除冰系统不仅能够在载人飞机和无人飞机的弯曲金属部件或非金属部件上应用，而且能够在风力涡轮机叶片、转子叶片，发动机进气道唇口上应用，也许在下一代的单通道客机（Boeing 737）上就能够实现。
这种防/ 除冰系统位于复合材料转子叶片前缘，主要由疏冰涂层（Ice-phobic coating）、不导电涂层（Nonelectricalcoating）、电加热片（Electro-thermal heaters）和结冰传感器（Ice detection sensor）组成。疏冰涂层能够有效地降低冰层与转子叶片的粘结，这种外表面涂覆疏冰涂层、内部电加热的设计使得除冰效率大大提高，冰层粘结部位溶化后，在疏冰涂层的作用下，冰层较容易与叶片脱离。
电加热片作为防/ 除冰系统的关键零件，采用气溶胶喷射工艺制造，厚度大约几个微米，由于又轻又薄的特点，这种电加热片能够以各种形式、数量和外形进行附着，Giovanni Nino 和Tyler Blumenthal 采用电阻器件的形式进行制造，导线采用Hilbert 六阶线性进行排列，以便更好的通电后分散热量。
实际制造过程，整个防/ 除冰系统在玻璃纤维/ 环氧复合材料叶片的前缘进行3D 打印。首先，通过气溶胶喷射工艺，在复合材料叶片前缘部位喷射125μm 的聚酰亚胺树脂，形成不导电涂层，树脂在150℃ /30min的固化制度下完成固化；其次，采用丙酮和异丙醇对不导电涂层进行表面清理，氮气吹干后，用等离子设备清洁表面有机杂质，目的是确保良好的粘接界面；再次，进行电加热片的3D 打印，打印材料选择纳米银和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇缩丁醛（PVB）的混合物，达到高导电和增强粘结的作用，电加热片在叶片前缘按颜色分别进行上部、前缘和下部3 个单独回路的布置，这样的打印效果更容易贴合叶片前缘的形状，每个单独的回路尺寸为10mm×20mm，长度大约700mm ；最后，进行结冰传感器的制作，传感器的工作原理是利用冰和水导电性能的不同，制作一个电容器件，当有积冰出现后，电容值会产生较大异常，依照这个原理进行结冰传感器的设计和制造。制造3种结冰传感器，采用低粘度纳米银材料进行3D 打印，然后喷覆3μm 厚的聚酰亚胺薄膜保护，每种结冰传感器的参数见表3。可以看出，在结冰的情况下，电容值出现明显的变化。
3结束语
各种防/ 除冰方法有其相应的技术特点，电加热防/ 除冰技术在国外已经得到了成熟应用，而电脉冲、振动、高频微波、超声等防/ 除冰技术正处于研发或评估阶段。就设施的简便性和操作的可靠性而言，电加热防/ 除冰技术是目前最好也是成熟的方法。3D 打印技术作为一门新兴的高速发展的产业，与复合材料技术具有一定的优势互补，同时都具备可设计性强的特点，在防/除冰系统中将会逐渐得到成熟的应用。我国飞行器防/除冰技术的研究还处于起步阶段，距离实际应用尚有一定距离，因此防/ 除冰系统的设计和制造需要立足现状进行系统的研究，解决实际工程问题，满足未来飞行器发展的需要。
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文章节选自《航空制造技术》杂志，《飞行器防/ 除冰技术研究进展》 作者：王晋，纪双英，益小苏，赵文明
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