電脈沖除冰系統設計方法研究

摘 要 本文通過介紹國外電脈沖除冰技術發展情況，以及國內相關單位的前期研究情況，提出了電脈沖除冰系統總體設計方法，詳細介紹了主要研究內容，對電脈沖除冰技術研究具有借鑒作用。

關鍵詞 電脈沖除冰 除冰線圈 PWT公司 脈沖力

一、引言

目前飛機的前緣縫翼、尾翼、發動機、風擋等部件廣泛采用熱氣防冰、周期氣囊式除冰、電熱防除冰技術。熱氣防冰和電熱防除冰，在除冰時將消耗大量的能量。不管是熱氣防冰消耗的引氣量還是電熱防除冰消耗的電量，最終消耗的都是燃油，同時會給發動機造成代償損失。此類防除冰系統在工作時將消耗幾十甚至幾百千瓦的能量。如此龐大的數值，使得飛機在進行總體設計時，不得不對發動機和發電機提出額外的要求（尤其是無人機）。對于周期氣囊式除冰技術，雖然其消耗能量較小，但是由于外露的橡膠易老化及工作時改變飛機氣動外形等原因，在國外僅用于支線飛機，并未用于主流干線飛機。因此，許多國家一直在尋求一種高效安全的防除冰方法來解決目前的防除冰系統耗能過大的突出矛盾。

國外研究表明，電脈沖除冰系統的重量輕，除冰效果良好，可靠性高，系統工作時對飛機氣動性能無影響。系統無運動機件，維護工作量小。主要優點在于功耗低：全機除冰時的總耗電量約在l千瓦以下。上述優點是熱氣防冰系統、電熱防除冰系統、周期氣囊式除冰系統所不具備的。因此，它的市場應用前景廣闊，受到了美、俄等航空強國的高度關注。

二、國外電脈沖除冰技術發展情況

俄羅斯的“脈沖”跨行業技術推廣中心——PWT公司，是從事電脈沖技術研究和產品設計的最早企業之一。早在二十世紀六十年代該公司就開始電脈沖除冰系統的理論和試驗研究。俄羅斯在大型運輸機伊爾-76、大型客機伊爾-86、96和別-200上已經安裝使用了PWT公司生產的電脈沖除冰系統。

美國國家航空航天局在二十世紀八十年代對電脈沖除冰系統開展了系列研究。形成了一系列的成果，如：低壓電脈沖除冰技術，超薄除冰線圈（厚度2mm，可以內嵌于機體蒙皮），數字計算仿真軟件、復合材料應用電脈沖除冰技術等。同時進行了大量的地面試驗和空中飛行驗證試驗。

三、國內電脈沖除冰技術簡介

國內的西北工業大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學、武漢航空儀表有限責任公司等單位從2000年以來對電脈沖除冰技術開展了研究。目前停留在理論研究的定性研究階段，理論模型未得到試驗驗證，還不能指導工程實際應用，定量研究尚未開展。最主要的表現是除冰線圈不能自主設計，制約了電脈沖除冰技術在我國的發展。

四、電脈沖除冰系統設計方法

按照新研技術“V”型設計流程，電脈沖除冰系統的設計需要經歷理論建模、樣機制造、試驗驗證三個過程，第一階段主要解決的問題是驗證仿真模型的正確性，在獲得最佳仿真模型后，可以針對給定機翼參數對電脈沖除冰系統的關鍵設計參數進行仿真設計，獲得除冰線圈的設計參數及系統的工作參數，減少迭代次數，縮短研制周期。第二階段主要解決電脈沖除冰系統的工程應用問題，重點關注疲勞和安全性研究。按照以上思路，下文提出了電脈沖除冰系統的總體研究方法和主要研究內容。

1、總體研究方法

電脈沖除冰系統的總體研究方法如圖1所示：

圖1 研究方案路線圖

首先，通過理論研究，建立電脈沖除冰系統的仿真模型，分析電路元器件參數，確定蒙皮表面不均勻脈沖力的分布，數值仿真系統最終的除冰效果，利用仿真數據提出除冰線圈的設計方案。

其次，制造除冰線圈，設計電脈沖除冰系統控制部分原理樣機，利用典型翼形研究系統關鍵器件與機翼的最佳適配方法，并開展相關試驗研究，驗證仿真模型的正確性。隨后，開展疲勞試驗方法研究與系統安全性分析。最終，完成飛機電脈沖除冰系統的技術研究。

2、主要研究內容

（1）建立電脈沖除冰系統理論仿真模型

電脈沖除冰系統的理論研究包括電路、電磁場、結構動力學與除冰效果這四方面。其中，前一項研究獲得的結果為后續工作提供分析基礎。仿真分析的流程如圖2所示。

通過建立有效的系統仿真模型，可以仿真機翼段在系統關鍵參數（如電脈沖線圈匝數、結構形式、電容和電感值、充電電壓大小、線圈與蒙皮間隔、蒙皮材料和厚度等）變化情況下的不同除冰效果，從而指導除冰線圈和原理樣機控制部分的設計。

圖2 仿真建模流程圖

（2）除冰線圈與機翼的最佳適配方法

目前適配方式有除冰線圈固定在安裝于機翼肋板之間的橫梁上，或采用內嵌于機翼蒙皮的兩種形式。需要通過仿真模型，尋找出最佳的除冰線圈的布點位置，然后根據此位置選擇合適的安裝方法，并通過試驗驗證，從而獲得除冰線圈與機翼的適配結構及安裝形式。

（3）試驗驗證

試驗驗證系統由利用仿真結果設計的除冰線圈、原理樣機控制部件和機翼段三部分組成。通過改變電容值、充電電壓大小、線圈與蒙皮間隔、工作模式等參數進行全面結構受力試驗，獲得蒙皮受力數據，對比試驗測量數據與仿真計算數據的差異，確定仿真模型的正確性（否則優化仿真模型）。上步工作結束后，進行冰風洞除冰試驗，獲得蒙皮除冰效果數據，對比試驗數據與仿真計算數據的差異，確定仿真模型的正確性（否則優化仿真模型）。

（4）疲勞試驗方法研究

電脈沖除冰系統中需要進行疲勞分析的關鍵部件為機翼蒙皮、安裝支架、固定鉚釘等。常見的疲勞試驗方法包括名義應力法、局部應力應變法與損傷容限法。在分析研究中，建立系統的結構有限元分析模型，并對此結構加載單脈沖、周期性脈沖、不規則脈沖等載荷，分別采用三種疲勞試驗方法研究關鍵部件的疲勞壽命，再進行對比、分析與總結，獲取最佳適用于樣機的疲勞試驗方法。最后通過典型結構的疲勞試驗，反復驗證分析的合理性，利用理論研究與試驗建立關鍵部件的應力-壽命曲線。

（5）電脈沖除冰系統安全性分析與研究

進行電脈沖除冰系統的功能危害性分析，明確地識別每種失效狀態對飛機的影響，生成電脈沖除冰系統的故障模式及影響分析清單，作為后續初步安全性分析的要求和基礎。主要目的是：針對電脈沖除冰系統原理樣機的功能構成、特點等進行故障樹分析，從而提出原理樣各功能模塊的失效概率，并進行工程優化方案設計，為后續工程研究奠定基礎。

五、結束語

本方法主要通過建立數學模型獲得電脈沖除冰系統仿真軟件，然后經過反復迭代方式用試驗驗證仿真模型的正確性，解決除冰線圈設計與布點難題、獲得系統關鍵設計參數，達到理論研究指導工程實際應用的目的。然后通過研究系統疲勞試驗方法及開展安全性分析與評估工作，可以解決重點關注問題：系統長期工作對機體結構影響和系統的安全性指標，從而獲得系統工程樣機的設計方案。

參考文獻：

[1]陳明生.我國大型飛機防冰系統研制的設想，中國航空學會2007年學術年會， 機載航電專題82.

[2]NASA，Electro-Impulse De-icing Testing Analysis and Design，1988.

[3]Levin I.A. Electric Impulse De-Icing System Design[J].Aircraft Engineering， 1982， （7）.

（作者單位：國防科工局軍工項目審核中心評審一處）