摘 要：首先，介绍了直升机桨叶的结冰条件、影响因素及防/除冰方法，叙述了旋翼防/除冰系统构成、研制及试验工作;然后，对防/除冰桨叶研制及试验研究的部分关键技术进行了归纳阐述;最后，对现状进行总结并对未来的研究做出展望。
关键词：直升机;结冰;防/除冰;桨叶研制;试验研究
桨叶结冰是指直升机桨叶表面聚集冰层的现象。由于旋翼系统桨叶结冰会导致直升机气动外形的破坏，造成飞行时的剧烈颤动，影响直升机的操纵、安全和飞行品质。所以，研究桨叶的结冰机理、防/除冰及试验验证技术都对提升直升机的实际飞行能力具有非常重要的意义。
1 理论概述
1.1 桨叶结冰及防/除冰
直升机桨叶的结冰条件，包含连续最大和间断最大结冰条件等，其状态由液态水含量（LWC）、水滴平均有效直径（MVD）、云雾均匀性、环境温度、大气压力和飞行速度等影响因素共同决定。与常规认知不同，因为露点温度的差异，一方面，会造成云雾水滴在-20℃乃至更低环境温度下，仍然能够以液态水的形式存在;另一方面，也会造成水汽在适宜湿度下，0℃以上环境温度时就产生结冰现象。在实际飞行中，桨叶冰层则主要由云中过冷水滴或过冷降雨撞击桨叶表面凝固形成，其次也可能直接由水汽在桨叶表面凝华而成。现有的防/除冰技术大致有如下几种类型：①电加热防/除冰;②气动防/除冰;③涂层防/除冰;④热气防/除冰;⑤微波防/除冰。其中，电加热防/除冰技术适用于各类冰型，且能够满足桨叶表面复杂的防护要求。同时，具备结构易于实现、使用受限时间少、价格低廉等优点。所以，在研制国产直升机防/除冰桨叶时，经综合考量后，最终采用了电加热防/除冰技术展开应用研究。在实际工程应用时，又由于发动机功率有限，对于需要更多能量的主旋翼防/除冰系统而言，只能采取更为节能保守的除冰策略。所以，直升机桨叶电加热防/除冰研究，实际上是对于主桨叶除冰和尾桨叶防冰技术的研究。
1.2 系统构成与试验研究
直升机桨叶电加热防/除冰系统主要由防/除冰桨叶（内置加热组件）、温湿度探测器、结冰指示器、防/除冰控制器、加热电源、集电器、配电器等部件组成，其中：防/除冰桨叶是系统研制的重中之重。在电加热防/除冰桨叶研制进程中，需要进行的工作有：①旋翼防/除冰防护范围研究;②水滴撞击特性CFD及热载荷研究;③加热元件的设计与布置;④加热组件的复合材料桨叶铺层;⑤加热功率分配研究;⑥加热控制律研究;⑦旋翼结冰探测器研究等。
研制过程中，还需平行开展一些优化和验证性的试验工作，如：①热力学试验;②主/尾桨叶结冰风洞试验;③干冷及湿冷空气旋翼塔除冰和尾桨台防冰试验;④地面及悬停喷洒塔防/除冰试验等。其目的在于：①通过多次比对理论计算和试验数据，反复调整优化系统设计，确定桨叶前缘表面结冰范围、结冰量和结冰形状，迭代并最终确定各型机的防/除冰加热功率、控制率和循环周期等;②通过部件结冰和防/除冰试验，验证已发现的规律，并验证优化后的系统在设计要求的结冰条件下能够安全工作;③通过整机地面及悬停防/除冰试验，验证防/除冰加热系统能够有效地运行而基本不引起振动以及冰的回流，验证鉴定装配有电加热防/除冰系统的直升机能够适应各种目标飞行气候。最终，确保直升机防/除冰功能、性能、飞行安全系数和可靠性达标，并为适航取证做足准备。
2 关键技术
根据新研直升机构型、用途及飞行环境等，首先，进行旋翼防/除冰防护范围研究;其次，开展防/除冰形式和结构设计优化研究;再次，进行热载荷、加热功率分配及控制律设计与试验研究;最后，通过模拟自然结冰飞行试验加以验证。本章即依照以上研制流程，介绍部分关键技术研究。
2.1 旋翼槳叶防/除冰范围计算
旋翼桨叶防/除冰防护范围由桨叶展向和弦向防护范围共同决定。由于旋翼系统工作的复杂性，即便研究点处于桨叶同一位置，当转动至桨盘不同周向位置时，其速度、攻角等参数也会不尽相同。所以，应在完成桨叶展向防护范围研究的前提下，沿翼展速度不同的各个截面，以及沿攻角不同的各个周向位置，对翼型进行分析，之后再对桨叶弦向防护范围进行研究。研究展向防护范围时，翼尖处研究点的线速度较大，气动加热效应也更大。当气动加热效应大到一定程度时，即便不加热，桨叶表面温度也大于临界结冰温度。因此，可通过分析其表面热流密度及平衡温度，计算各环境温度下极限结冰状态（平衡温度为0℃）的临界速度，确定桨叶展向翼根到翼尖的结冰防护范围。研究弦向防护范围时，需要使用目标扩散追踪法或欧拉法等计算方法对桨叶多维翼型进行气流场、水滴轨迹和水滴撞击特性计算。通过计算求解出水滴撞击区，即：桨叶弦向上、下表面结冰防护范围。同时，上述计算还可为后续加热防护功率的研究提供部分参数数据。
2.2 桨叶加热组件
直升机桨叶电加热组件由耐腐蚀保护层、加热元件（材料一般为金属合金丝、碳纤维等）和隔离层（含绝热层和绝缘层，厚度2∶1）组成，通常安装在桨叶前缘包铁和蒙皮之间厚度约1mm的空间内。研制时，不应只关注温热性能和防/除冰效果，还应努力提升其力学性能（主要指柔韧度和抗疲劳能力）。并制定合理的结构设计方案，尽可能少地改变原桨叶的结构参数，确保能够满足直升机防/除冰桨叶的动特性和强度要求，达到可靠性高、相容性好、寿命长久等设计目标。所以，其材料组成、编织形式、铺层方向、网格尺寸、制作工艺、元件数目等都是研究应关注的重要影响因素。
2.3 电加热防/除冰系统
防/除冰桨叶电加热测控系统是直升机桨叶防/除冰试验的重要组成部分，其功能是验证多种电加热控制策略的可行性，并通过试验建立研究用数据库。
系统设计思路是：①以PLC作为核心控制器，集中实现设备逻辑控制和必要的连锁控制;②基于特定的通信协议，经由上位机测控软件发出指令，及时高效地控制下位机PLC的基本输入/输出单元和数据存储区;③上位机软件集成测试采集、图形监控、重要参数（温度、电压、电流、功率、故障信息）存储等功能;④如测试点过多，则由另一套专门测试硬件辅助采集其余信号并传输、存储至监测用计算机;⑤根据实时数据监控，通过串行总线远程同步控制中频电源加热通断时间、功率调压器启停及调节输出百分比等。
系统装机试制时，不仅应合理减小硬件体积并提高系统集成度，还应解决控制信号和加热电能在不动件与旋转动部件之间传输的难题。因此，配属研制的由特制电刷、导电环、弹簧等部件组成的防/除冰专用集流环，此时也成为了电加热防/除冰系统的必要组成。
2.4 功率分配
功率分配由三部分组成：①发动机对防/除冰系统的功率分配;②防/除冰系统对主桨除冰和尾桨防冰系统的功率分配;③主桨除冰和尾桨防冰系统的实时功率分配。由于篇幅有限，本节只简要介绍部分研制过程。
首先，进行热载荷计算研究，即：研究桨叶表面在一定气象飞行条件下，电加热与外流场的耦合传热规律，计算各工况下桨叶表面的温度分布和热平衡，从而确定防/除冰系统的热负载。其次，在确定热负载的基础上，合理设计加热热流密度和加热、冷却时间控制率，使桨叶表面温度分布更加均匀，初步实现系统更加节能有效工作的目标。最后，对影响除冰主桨叶和防冰尾桨叶加热功率的目标防护区域、液态水含量和旋翼转速等影响因素展开试验研究，总结试验结果，找出规律并迭代优化分配方案。
2.5 试验台及喷雾系统
直升机桨叶防/除冰试验台，是模拟真实结冰要素和研究防/除冰技术的专门试验场所，一般指高低温环境试验室、结冰风洞及冰雾喷洒塔。由于试验时，需要模拟实现操作卡上要求的各种自然气象环境，所以必须保证以下参数的准确性：①云雾液态水含量及平均水滴直径;②云雾均匀性分布范围;③目标低温环境等。
其核心组成部分是喷雾系统，系统设计时，采用集中管理、分布式控制的架构，对每路供水和供气管路分别进行HD闭环控制，从而实现水、气压力差的精准调控。试验时，调节喷雾耙喷嘴的水、气压力差及启停区域，模拟创造试验矩阵要求的目标液态水含量、云雾粒子直径及均匀性云雾区域。工程改造时，可通过适当减小喷嘴水路节流管直径的方法，增加喷嘴水、气压力差范围，实现扩展喷嘴流量粒径性能包络线的目标。为保证试验状态准确，应定期关注并重点研究喷雾经过运动和蒸发后，到达试验段时：①是否能够继续保持正态分布特性;②是否与初始雾滴直径有较大差异等。
2.6 试验台测试系统
对于上述问题，准确测量云雾参数就显得尤为重要。在实际测量时，除采用冰格栅（Icing Grid）方法测量云雾均匀性外，应当依据现场实际情况，合理选取测量方法（冰刀法、旋转圆柱法、热线法和粒子统计法等）测量液态水含量（LWC），合理选取测量设备（激光前向散射、激光相位多普勒干涉和激光粒子成像等原理设备）测量平均水滴直径（MVD）。在实际工程使用时，为消除喷嘴等设备老化造成的结果偏差，必须定期进行云雾参数标定，逆向推导并调整控制参数，以保证试验状态准确。此外，还需通过传感器、探头等直接或间接测量制冷、真空等系统的状态参数，如：环境温度、大气压力、空气湿度、风速、攻角、马赫数、水温气温、水压气压等。将前述各信号经虚拟仪器软、硬件滤波除噪后，由仪器总线汇入综合测试采集系统软件，实现对结冰环境试验参数的全面实时监测。
2.7 整机旋翼防/除冰试验
此类试验通常在冰雾喷洒塔进行，由各种模拟气象环境下的地面和悬停旋翼防/除冰试验组成，同时，也是高寒试飞、适航取证的先行研制科目。
试验前，必须确保云雾参数标定准确。试验过程中，不仅应考量加热工作电流、试验件实测温度、防/除冰控制率调整等状况，还应该对RIPS工作状态、故障告警、结冰速率信号、引气式结冰探测器周边温度场、引气压力、机体振动水平、发动机工作参数等状况有所关注。试验后，在完成冰形测量的前提下，对防/除冰效果和温度实测值进行分析，并评估该状态下积冰对飞行力学的影响。最后，还需重点关注飞行员对该状态下飞行品质的评价。
3 结语
桨叶防/除冰技术由其设计与试验技术组成，涉及旋翼气动、材料、电气、试验环控、测控、机械等专业，不仅需要合理的理论推导和数据仿真，还需要各专业的精诚合作及完善的制造工艺。然而，现有的水滴撞击特性计算、热载荷计算、防/除冰控制率设计、试验边界范围确定、试验环控等环节仍存在一些不足，未来还需要更加深入细致地研究，优化现行算法，提升设计水准，完备工艺流程，高效完成静止模压桨叶段、旋转缩比桨叶、整机地面运转、悬停飞行等试验科目，最终研制出热效率更高、传输耗能更低、重量更轻、体积更小的旋翼防/除冰系统。
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作者简介：姚智（1987— ），男，浙江淳安人，硕士研究生，工程师，研究方向为直升机综合试验技术。
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