掌握这项关键技术的,全世界算上中国只有四个,比能研制氢弹的还少……

2020年11月20日,中央电视台播出了一段令人心潮澎湃的视频——轻盈的直-20通用直升机在皑皑白雪的青藏高原上空自由翱翔。

国产直升机轻松上高原,第一当然是新型国产发动机给力,但另一个重点要点则是,直升机、特别是直升机旋翼要具备防冰除冰的能力。

就为了这个,刚刚荣获航空航天月桂奖的直-20总师邓景辉,和他的同事们在雪域高原进行了艰苦的研究和试验,最终取得了国产直升机防冰除冰系统零的突破。

很多人不知道的是,“世界直升机防冰除冰技术俱乐部”的成员,比“氢弹俱乐部”和“核潜艇俱乐部”数量还要少,加上中国,这才只有四个国家能做到(其他三个国家分别是美国、俄罗斯和法国)。

那么,直升机旋翼防冰除冰究竟有哪些独特的技术呢?为什么如此“高大上”?

直-20攻克防冰除冰技术难题,翱翔在雪域高原上空。

本文转载自微信公众号“兵工科技”(id:binggongkeji),原文首发于2020年11月23日,原标题为《你知道吗?直-20上高原攻克的这项关键技术,世界上掌握它的国家数量比能研制氢弹的还少》,不代表瞭望智库观点。

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旋翼为啥会结冰?结冰有多大危害?




直升机在结冰气象条件下飞行时,大气中的过冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘并凝结成冰,旋翼桨叶结冰会带来一些严重影响,比如:

①改变旋翼桨叶的气动外形,从而降低直升机的飞行性能,严重时导致飞机失控失速,甚至坠毁。

②改变旋翼桨叶的质量分布,影响旋翼的动力学特性,导致旋翼振动增大,从而使直升机失去控制。

③有些冰块,会从高速旋转的旋翼桨叶上脱落,损坏直升机上的其他部件,影响直升机的飞行安全。直升机旋翼结冰引起的飞行事故时有发生。1980年,一架刚引进的“超黄蜂”直升机在起飞半小时后,因旋翼结冰而在山东境内坠毁。

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直升机究竟咋防冰除冰?

直-20防冰除冰靠的是“电热”




直升机防冰除冰技术的目的之一,是采取措施使得过冷水滴不能在旋翼桨叶上凝结成冰,这叫防冰。之二是除冰措施,在除冰过程中允许结一定厚度的冰,然后除冰。

飞机防冰除冰技术种类很多,但旋翼防冰除冰与飞机机翼、机体表面、进气道和气动舵面等其他部位相比,有其特殊性,因为旋翼是一个具有大表面积的转动部件,同时向旋翼输电有技术困难。因此能应用在旋翼上的防冰除冰技术从目前来看主要包括电热防冰除冰技术,气热防冰技术,气动带除冰技术和液体防冰技术。

直升机防冰除冰里,最常用的技术是——电热防冰除冰。该技术的原理是将电能转变为热能,加热部件的待防护表面,使其不结冰。电热防冰系统一般由电源、选择开关、过热保护装置,及电加热元件等组成。选择开关有“手动”、“自动”等位置,当位于“自动”位置时,飞机结冰传感器感受结冰电讯号,自动接通或断开系统电源。过热保护装置(包括温度传感头和继电器)用来防止部件表面蒙皮过热而变形。电加热元件将电能转变为热能,对部件表面加热、除冰。

电防冰的加热方式有连续加热和间断加热两种。一般的固定翼飞机采用连续加热方式,而直升机旋翼则不同,因为它允许表面有少量结冰,同时旋翼是转动部件,在旋转时带动气流,本身就有冷却效应,因此对旋翼加热,耗电功率比给固定翼飞机部件加热大得多。为了节电,对直升机旋翼一般采用周期加热的方式。

以美国“黑鹰”直升机为例,它在四片主桨叶上设置了4个电加热区,通过在桨叶上敷设电阻丝来进行加热,这些电阻丝编制成加热垫,装在主旋翼和尾桨表面下方,放在一个经过稳固化处理的织物存放装置内。

“黑鹰”的电加热系统,有半自动、自动等模式,飞行员可以根据环境进行选择,在更易结冰的地区飞行,就选择加热时间更长,间隔时间更短的模式,这样就可以更有效防止结冰。

黑鹰直升机,是直升机防冰除冰技术发展史上的一个里程碑,是该工程技术领域的杰出典范,图为UH-60A

在早期原型机上,电阻丝加热区主要覆盖更接近桨叶叶尖的区域,因为这里结冰可能更大,影响也更大,四片桨叶需在飞行中同时加热。

经过西科斯基公司在阿拉斯加进行的结冰试验发现,靠近桨叶叶根的地方,因没有加热区形成了较厚的冰层结晶。同时四片桨叶同时加热,耗电25千瓦。

在量产机上,“黑鹰”做了调整,增加了桨叶展向和弦向的加热区面积,加热区覆盖接近叶尖和叶根的桨叶中部区域。同时桨叶加热改为相对两片桨叶循环加热,即每个加热周期有两片桨叶在同时加热,这使得耗电降为17.5千瓦。

此外还有气动带除冰、液体防冰等技术。气动带除冰,又叫“膨胀管除冰技术”。它的原理是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用,使其外表面冰层破碎而脱落的机械除冰技术。

用于旋翼、尾桨前缘的膨胀管通常有展向、弦向两种形式。周期地使膨胀管充气而膨胀,卸压而收缩,从而使冰层破裂,脱离表面,然后被气流吹去。液体防冰就是向部件防护表面喷射防冻液,与撞击在蒙皮表面上的过冷水滴混合,使液体凝固点低于蒙皮表面温度而不结冰。

通常采用连续喷射防冻液的防护方式,有时也用周期性喷液的方式。直升机旋翼所采用的液体防冰技术与固定翼飞机相比显得与众不同,它是在旋翼根部设置防冰液喷孔,然后利用直升机旋翼旋转产生的离心力将防冰液甩到桨叶、旋翼前缘表面。

AH-56A直升机旋翼结冰,旋翼结冰对于直升机来说具有很大的危险性

值得一提的是,液体防冰是我国早期直升机最常用的防冰除冰技术,主要是用液体酒精作为防冻液防止旋翼桨叶结冰,当时我军装备的米-4和米-5直升机都采用了这个技术。

但它有一定缺点,比如防冰时间短,仅为30~40分钟;对于已经结冰的旋翼没有除冰功能;酒精挥发威力有限,在环境温度特别低时起不到防冰效果等。

从当前情况看,气动带除冰和液体防冰技术始于20世纪三、四十年代,属于最早期的防冰除冰技术,但因膨胀管充气时对飞机气动性能影响较大,目前已很少使用。而最晚兴起的电热防冰技术,已成为现代直升机旋翼防冰除冰技术发展的主流。直-20新型通用直升机,采用的应该就是电热防冰除冰技术。

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我国攻克直升机防冰除冰“难题”




实际上我国在直-20上攻克防冰除冰难题,早有“迹象”和技术准备。

早在2014年,航空工业航空仪表有限责任公司(武仪)就与中航工业直升机研究所联手协作,攻克了直升机旋翼防冰除冰技术难关,完成某型直升机地面旋翼冰雾喷洒试验验证。

2017年,邓景辉在接受采访时透露直-20采用的是电热防冰除冰的技术路线来解决直升机的除冰难题,他表示:旋翼除冰技术的关键是通过对复合材料内埋加热组件的热功率密度进行精准控制,如果温度高了可能烧坏桨叶,温度低了又无法除冰,可能导致灾难性的后果。

此外,加热组件埋在桨叶中,如何在桨叶高速旋转下保证组件的寿命和可靠性,涉及的技术问题非常复杂,因此也成为了美国和法国的不传之秘。但是我国技术人员经过努力,最终攻克了这项先进的旋翼除冰技术。

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