國產直升機旋翼防冰除冰技術終攻克:掌握它的國家只有四個
2020年11月26日21:27

原標題:國產直升機旋翼防冰除冰技術終攻克:掌握它的國家只有四個

2020年11月20日,中央電視台播出了一段令人心潮澎湃的視頻——輕盈的直-20通用直升機在皚皚白雪的青藏高原上空自由翱翔。

國產直升機輕鬆上高原,第一當然是新型國產發動機給力,但另一個重點要點則是,直升機、特別是直升機旋翼要具備防冰除冰的能力。

就為了這個,剛剛榮獲航空航天月桂獎的直-20總師鄧景輝,和他的同事們在雪域高原進行了艱苦的研究和試驗,最終取得了國產直升機防冰除冰系統零的突破。

很多人不知道的是,“世界直升機防冰除冰技術俱樂部”的成員,比“氫彈俱樂部”和“核潛艇俱樂部”數量還要少,加上中國,這才只有四個國家能做到(其他三個國家分別是美國、俄羅斯和法國)。

那麼,直升機旋翼防冰除冰究竟有哪些獨特的技術呢?為什麼如此“高大上”?

直-20攻克防冰除冰技術難題,翱翔在雪域高原上空。
直-20攻克防冰除冰技術難題,翱翔在雪域高原上空。

1

旋翼為什麼會結冰?結冰有多大危害?

直升機在結冰氣象條件下飛行時,大氣中的過冷水滴會迅速聚集在高速旋轉的旋翼槳葉前緣並凝結成冰,旋翼槳葉結冰會帶來一些嚴重影響,比如:

①改變旋翼槳葉的氣動外形,從而降低直升機的飛行性能,嚴重時導致飛機失控失速,甚至墜毀。

②改變旋翼槳葉的質量分佈,影響旋翼的動力學特性,導致旋翼振動增大,從而使直升機失去控制。

③有些冰塊,會從高速旋轉的旋翼槳葉上脫落,損壞直升機上的其他部件,影響直升機的飛行安全。直升機旋翼結冰引起的飛行事故時有發生。1980年,一架剛引進的“超黃蜂”直升機在起飛半小時後,因旋翼結冰而在山東境內墜毀。

2

直升機究竟咋防冰除冰?

直-20防冰除冰靠的是“電熱”

直升機防冰除冰技術的目的之一,是採取措施使得過冷水滴不能在旋翼槳葉上凝結成冰,這叫防冰。之二是除冰措施,在除冰過程中允許結一定厚度的冰,然後除冰。

飛機防冰除冰技術種類很多,但旋翼防冰除冰與飛機機翼、機體表面、進氣道和氣動舵面等其他部位相比,有其特殊性,因為旋翼是一個具有大表面積的轉動部件,同時向旋翼輸電有技術困難。因此能應用在旋翼上的防冰除冰技術從目前來看主要包括電熱防冰除冰技術,氣熱防冰技術,氣動帶除冰技術和液體防冰技術。

直升機防冰除冰里,最常用的技術是——電熱防冰除冰。該技術的原理是將電能轉變為熱能,加熱部件的待防護表面,使其不結冰。電熱防冰系統一般由電源、選擇開關、過熱保護裝置,及電加熱元件等組成。選擇開關有“手動”、“自動”等位置,當位於“自動”位置時,飛機結冰傳感器感受結冰電訊號,自動接通或斷開系統電源。過熱保護裝置(包括溫度傳感頭和繼電器)用來防止部件表面蒙皮過熱而變形。電加熱元件將電能轉變為熱能,對部件表面加熱、除冰。

電防冰的加熱方式有連續加熱和間斷加熱兩種。一般的固定翼飛機採用連續加熱方式,而直升機旋翼則不同,因為它允許表面有少量結冰,同時旋翼是轉動部件,在旋轉時帶動氣流,本身就有冷卻效應,因此對旋翼加熱,耗電功率比給固定翼飛機部件加熱大得多。為了節電,對直升機旋翼一般採用週期加熱的方式。

以美國“黑鷹”直升機為例,它在四片主槳葉上設置了4個電加熱區,通過在槳葉上敷設電阻絲來進行加熱,這些電阻絲編製成加熱墊,裝在主旋翼和尾槳表面下方,放在一個經過穩固化處理的織物存放裝置內。

“黑鷹”的電加熱系統,有半自動、自動等模式,飛行員可以根據環境進行選擇,在更易結冰的地區飛行,就選擇加熱時間更長,間隔時間更短的模式,這樣就可以更有效防止結冰。

黑鷹直升機,是直升機防冰除冰技術發展史上的一個裡程碑,是該工程技術領域的傑出典範,圖為UH-60A
黑鷹直升機,是直升機防冰除冰技術發展史上的一個裡程碑,是該工程技術領域的傑出典範,圖為UH-60A

在早期原型機上,電阻絲加熱區主要覆蓋更接近槳葉葉尖的區域,因為這裏結冰可能更大,影響也更大,四片槳葉需在飛行中同時加熱。

經過西科斯基公司在阿拉斯加進行的結冰試驗發現,靠近槳葉葉根的地方,因沒有加熱區形成了較厚的冰層結晶。同時四片槳葉同時加熱,耗電25千瓦。

在量產機上,“黑鷹”做了調整,增加了槳葉展向和弦向的加熱區面積,加熱區覆蓋接近葉尖和葉根的槳葉中部區域。同時槳葉加熱改為相對兩片槳葉循環加熱,即每個加熱週期有兩片槳葉在同時加熱,這使得耗電降為17.5千瓦。

此外還有氣動帶除冰、液體防冰等技術。氣動帶除冰,又叫“膨脹管除冰技術”。它的原理是利用飛機部件前緣表面上膨脹管的膨脹作用,使其外表面冰層破碎而脫落的機械除冰技術。

用於旋翼、尾槳前緣的膨脹管通常有展向、弦向兩種形式。週期地使膨脹管充氣而膨脹,卸壓而收縮,從而使冰層破裂,脫離表面,然後被氣流吹去。液體防冰就是向部件防護表面噴射防凍液,與撞擊在蒙皮表面上的過冷水滴混合,使液體凝固點低於蒙皮表面溫度而不結冰。

通常採用連續噴射防凍液的防護方式,有時也用週期性噴液的方式。直升機旋翼所採用的液體防冰技術與固定翼飛機相比顯得與眾不同,它是在旋翼根部設置防冰液噴孔,然後利用直升機旋翼旋轉產生的離心力將防冰液甩到槳葉、旋翼前緣表面。

AH-56A直升機旋翼結冰,旋翼結冰對於直升機來說具有很大的危險性
AH-56A直升機旋翼結冰,旋翼結冰對於直升機來說具有很大的危險性

值得一提的是,液體防冰是我國早期直升機最常用的防冰除冰技術,主要是用液體酒精作為防凍液防止旋翼槳葉結冰,當時我軍裝備的米-4和米-5直升機都採用了這個技術。

但它有一定缺點,比如防冰時間短,僅為30~40分鐘;對於已經結冰的旋翼沒有除冰功能;酒精揮發威力有限,在環境溫度特別低時起不到防冰效果等。

從當前情況看,氣動帶除冰和液體防冰技術始於20世紀三、四十年代,屬於最早期的防冰除冰技術,但因膨脹管充氣時對飛機氣動性能影響較大,目前已很少使用。而最晚興起的電熱防冰技術,已成為現代直升機旋翼防冰除冰技術發展的主流。直-20新型通用直升機,採用的應該就是電熱防冰除冰技術。

3

我國攻克直升機防冰除冰“難題”

實際上我國在直-20上攻克防冰除冰難題,早有“跡象”和技術準備。

早在2014年,航空工業航空儀表有限責任公司(武儀)就與中航工業直升機研究所聯手協作,攻克了直升機旋翼防冰除冰技術難關,完成某型直升機地面旋翼冰霧噴灑試驗驗證。

2017年,鄧景輝在接受採訪時透露直-20採用的是電熱防冰除冰的技術路線來解決直升機的除冰難題,他表示:旋翼除冰技術的關鍵是通過對復合材料內埋加熱組件的熱功率密度進行精準控制,如果溫度高了可能燒壞槳葉,溫度低了又無法除冰,可能導致災難性的後果。

此外,加熱組件埋在槳葉中,如何在槳葉高速旋轉下保證組件的壽命和可靠性,涉及的技術問題非常複雜,因此也成為了美國和法國的不傳之秘。但是我國技術人員經過努力,最終攻克了這項先進的旋翼除冰技術。

本文轉載自微信公眾號“兵工科技”(id:binggongkeji),原文首發於2020年11月23日,原標題為《你知道嗎?直-20上高原攻克的這項關鍵技術,世界上掌握它的國家數量比能研製氫彈的還少》,不代表瞭望智庫觀點。

原標題:《掌握這項關鍵技術的,全世界算上中國只有四個,比能研製氫彈的還少……》

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