(完整版)9第九章飞机防冰排雨与氧气系统

1 第九章 飞机防冰排雨及氧气系统 9.1 飞机结冰对飞机性能的影响 飞机在结冰气象条件下飞行时，可以发生飞机的结冰现象。飞机结冰后，不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机的气动外形，因而阻力增加，飞机操纵性、稳定性下降；仪器、仪表结冰后，还会导致指示失常。如结冰严重时，还可能出现严重的飞行事故。由于飞机各部件在飞机上的作用不同，所以它们结冰对飞机性能的影响也不完全一样。 一、升力表面结冰 飞机升力表面主要是指机翼和尾翼两个部件。机翼、尾翼上所结的冰层，主要积聚在它们的前缘部分。当它们结冰时，将会导致翼型阻力增加，升力下降，临界攻角（失速攻角）减小以及操纵性和稳定性的品质恶化。 二、飞机螺旋桨的结冰 在结冰条件下飞行的飞机，其螺旋桨的桨叶、螺旋桨的壳体和整流罩均可发生结冰。 飞机螺旋桨实际上是一个扭转了的机翼，因此，其结冰情况与机翼类似。但由于螺旋桨叶的弦向尺寸小并且螺旋桨除有向前的运动外，自身还以高速旋转，所以结冰要比机翼严重。 螺旋桨桨叶结冰时，首先是在桨叶前缘开始并沿弦向逐渐扩展，结冰范围可达弦长的20—25%。 桨叶结冰后，破坏了表面的光滑，使结冰一开始，就出现了附面层的紊流化，因而极大地增加了翼型阻力，使拉力特性变坏，效率降低。 当桨叶表面上冰层的厚度达5—7毫米时，螺旋桨的离心力，可破坏冰层与表面的连结力，使冰层脱落。 冰层的脱落通常是不均匀和非对称的，结果又使螺旋桨的平衡遭到破坏，出现动力装置和飞机的振动，如发展下去，可使轴承损坏和发动机停车等严重事故。 另外，具有较大动能和质量的冰层，由螺旋桨表面脱落后，还隐含着损坏发动机部件和击破蒙皮或气密座舱的危险。 由此可知，飞机螺旋桨的结冰，也严重地影响着飞机的安全飞行。 三、风挡玻璃、测温、测压传感头结冰 飞机在结冰条件下飞行时，座舱盖及风挡可能结冰。 座舱盖和风挡结冰，对飞机的气动特性影响较小，但大大降低了其透明度。 在结冰条件下飞行时，装在飞机表面上的测温、测压传感头，也会发生结冰。测压口结冰时，减少了进气面积，使入口的动压下降，由此而引起测量误差，测温传感头结冰时，由于冰的蒸发致使指示值下降，由此而引起的测量误差，因此使指示值失真。测温、测压传感头，不仅可发生滴状结冰，而且还可以收集冰晶，使孔口堵塞，导致测量完全失效。 在机上的天线装置，当它们结冰时，可能发生机械折断，使机上通讯和一些电子设 2

备工作失效、中断与地面的联系等，这也是十分危险的。 9.2 飞机的防冰方法 现有防冰系统可分为两大类：一类称为防冰系统，即不允许在飞机部件上结冰系统。另一类称为除冰系统，这类系统允许在飞机部件结少量的冰，然后周期性地把冰除去。根据防冰所采用能量方式不同，有机械除冰系统、液体防（除）冰系统、气热防冰系统、电热防（除）冰系统等。下面分别讨论各种防冰方法及系统的工作原理及优缺点。 9.2.1 机械除冰系统 所谓机械除冰系统，就是用机械的方法把冰破碎，然后由气流吹除，或者利用离心力、振动把冰除去。用机械的方法使冰破碎的方法很多，最早使用的方法是在需要防冰的表面放置许多可膨胀的胶管，当表面结冰时，胶管充气膨胀，使冰破碎，然后利用气流把冰吹除，这种防冰系统一般叫做膨胀管除冰系统。此外，还可用振动的方法使冰破碎并除去，如用超声波使蒙皮产生高频振动以除去冰，或周期地给蒙皮一个脉冲力，使蒙皮产生小振幅高频振动，从而把冰除掉。机械除冰方法在早期低速飞机上广泛采用，随着飞行速度的提高很少采用，目前由于新的机械除冰方法出现，使这一方法又引起人们的注意。 一、膨胀管除冰系统 最早的机械除冰系统是膨胀管除冰系统，膨胀管可沿展向放置，也可沿弦向放置，膨胀管充气时，管子凸出，使冰破裂，然后由气流吹走。除冰后，膨胀管收缩，以保持一定的气动力外形。除冰时，由于胶管凸出，它破坏了原来的气动力外形，所以现代高速飞机上很少采用这种系统，只有在个别机种的雷达罩除冰采用这种方法。 典型的膨胀除冰系统（又称气动罩除冰系统）如图9-1所示。除冰时，气体由空气泵1经油水分离器2、控制阀3进入过滤器4，由此通往左、右机翼的防冰腔。同时，通过压力开关8进入尾翼除冰腔11、12。此时胶管膨胀除冰。除冰后，胶管中的气体经截止阀5、真空系统单向阀通向真空泵。此时空气泵通过卸压阀卸压。通过这套系统周期地使胶管膨胀及收缩，以达到除冰的目的。 二、电脉冲除冰系统 电脉冲除冰系统的工作原理如图9-2所示。电脉冲系统由装置（变压器、整流器及电容式贮能器组成的脉冲发生器）、程序器、感应器等组成。脉冲发生器产生电脉冲，此电脉冲作用在感应器上，使蒙皮产生作用时间为10-3～10-5秒的脉冲力，此力使蒙皮发生变形，并产生小振幅高频振动，很快地将冰除去。程序器控制各感应器的接通次序及接通时间。 感应器实际上是一无铁芯的线圈。在电脉冲作用时，线圈产生高频变化磁场，此变化磁场在外蒙皮上引起涡流，从而产生相斥的脉冲力F，此力使蒙皮产生弹形变形。为减少蒙皮的振动时间及振幅，在感应线圈与蒙皮之间充以液体。此感应器可以在很短的时间内，将电能变成机械能，可以在防冰区产生很大的能量密度，它的能量密度大大地超 3

过现有的机械除冰系统， 因此不论表面上结多厚的冰，它的除冰效果都很好，而且不必借助气动力把冰吹除，在静止状态下进行试验时，它也能把冰粉碎，并由蒙皮的弹性力将冰弹开。

图9-1 膨胀管除冰系统 1－空气泵 2—油水分离器 3—控制阀 4—过滤器 5—截止阀 6—真空卸压阀 7—真空系统单向阀 8—压力开关 9—左机翼除冰罩 10—右机翼除冰罩 11—水平安定面除冰罩 12—垂尾除冰罩

图9-2 电脉冲除冰系统 1－蒙皮 2—感应器 3—程序器 4—脉冲发生器 5—指示灯

9.2.3 液体防冰系统 这种系统不断的向防冰表面供给防冰液，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。可用作防冰液的有乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇等。防冰液除了有良好的防冰性能（即混合液的冰点低）外，还必须考虑对蒙皮的腐蚀性以及着火的安全性等。 典型飞机的液体防冰系统如图9-3所示，它由贮液箱1、泵2、开关3及分配器4组成。防冰液经过泵增压，然后通过管路系统通到要防冰的地方（机翼、尾翼等），通过装在 4

防冰表面内的防冰液分配装置，将防冰液均匀地分配给防冰表面。 液体防冰系统它有许多优点。主要的优点为需要防冰的区域较小，不会在防冰区后面形成冰瘤，停止供液后还有一段时间能起防冰作用。它可用来除冰，也可用来防冰。液体防冰系统的主要缺点是要带一定量的防冰液，其系统重量比较大，另外利用离心力来分配防冰液的旋翼防冰系统，在较严重的结冰状态下，其除冰效果很差。

图9-3 液体防冰系统 1－贮液箱 2—泵 3—开关 4—分配器

9.2.3 热防冰系统 在现代飞行器上，广泛地采用热防冰系统，其热源主要有两种：电热及气热。此外，有的发动机还利用热滑油来防冰，这样既冷却了发动机的润滑油，又解决了防冰的问题。 热防冰用热能加热表面，使表面温度超过0℃，以达到防冰或除冰的目的。对于飞机的机翼、尾翼、直升机旋翼等防冰需热量大的部件，一般都采用周期电除冰，周期电除冰可以大大地节省能量。一般周期加热区分区数越多，所需的电功率也越小。用热空气作为热源时，通常采用连续加温，很少采用热气周期除冰系统，这是由于热气周期除冰系统的热惯性大，容易在加热区后面形成冰瘤，而且它的控制比周期电除冰系统困难，热效率也不如电除冰，这些都限制了热气除冰系统的应用。 一、表面连续加热 表面连续加热时，撞在表面上的水滴被加温到0℃以上，使水不发生冻结，而且在水沿表面流动时，由于防冰表面温度较外界高，因此表面上的水不断蒸发，如果表面温度较高、加热区足够大，热气所供给的热量足以把表面所收集的水全部蒸发。反之如果热气供给的热量不足以把所有的水都蒸发掉，一些未蒸发的水在加热区后面冻结，形成了冰瘤。 二、表面周期加热（除冰系统） 5

不加热时表面收集了云层中的过冷水滴而产生结冰，在加热时间内，表面温度不断升高，而将冰除去。为了便于把冰除去，在周期加热的机翼前缘，有时装有连续加热的长条，用它将冰分成几块，这种连续加热的装置称为“热刀”。在不同加热区的边界上设置热刀，这样把冰分成块，表面加热时，很容易把冰除掉。机翼后掠角比较大时，没有热刀也能把冰除去。对于旋翼、螺旋桨等部件，由于转动时离心力作用，很容易把冰除掉，因此也不必用热刀。

图9-4 飞机热气防冰系统方块图 1－发动机压气机 2—流量限制器 3—单向活门 4—发动机防冰阀 5—尾翼防冰阀 6—机翼防冰阀 7—机翼防冰腔 8—水平安定面防冰腔 9—垂尾防冰腔

为了保证飞行安全，周期除冰系统要有两种结冰警报器：“结冰强度危险”及“气温危险”警报器。当结冰强度（单位时间的结冰厚度）超过危险值时，发出“结冰强度危险”信号，此时须缩短加温间隔时间；当气温低于设计值时，发出“气温危险”信号，此时应增加加热时间。 三、热气防冰系统 现代喷气运输机多采用发动机压气机引出的热空气来防冰。典型的热气防冰系统原理图如图9-4所示，由发动机压气机1引出的热空气经过流量限制器2及单向活门3，机翼防冰阀6打开时，热气进入机翼的集气管，由此管壁上的孔喷入机翼前缘防冰腔7，尾翼防冰阀5打开后，向水平安定面8及垂尾9的防冰腔供气。单向活门3的作用是在某台发动机损坏时，避免高压气流向这台发动机倒流。流量限制器2的作用是限制进入防冰系统的空气流量，以免过高的空气量流入防冰腔，而严重地影响发动机的性能。发动机防冰阀是用来接通发动机的防冰。 热空气流进入机（尾）翼的防冰腔后，沿前缘的通道流动，热空气在沿通道的流动过程中，把热量传给蒙皮，使防冰表面的温度达到一定值，从而保证表面不产生结冰。前缘防冰腔的结构型式对防冰的效果影响很大。我们希望防冰的热气在冰腔内流动时，