飛機外表面氣熱防冰專利技術發展分析

顧海雷++張云芳

摘 要：飛機外表面結冰是導致飛行安全事故的主要隱患之一，飛機的防/除冰系統是提高飛機安全性能的重要手段，氣熱除冰作為目前重要的除冰方法之一，已得到廣泛應用。本文從專利文獻的視角對飛機外表面的氣熱防冰技術的發展進行了全面的統計分析，總結了與氣熱防冰相關的全球專利的申請趨勢、地區分布以及重點技術分支，并對其中機翼和發動機進氣口的氣熱防冰技術進行了深入分析，從而得到了該技術的發展脈絡及規律。

關鍵詞：飛機；氣熱；除冰；專利

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

飛機在高空飛行及冬季停放機場時，外表面均可能凝結冰、雪、霜等，會使飛機外表面變得粗糙，阻力增加，升力減小，嚴重時還會使飛行姿態難以控制，給飛行安全造成嚴重威脅，極易導致飛行事故。飛機防/除冰技術主要用于寒冷氣候下，清除和防止飛機表面凝結的冰、雪、霜等沉積物，以保證飛機在冬季能夠安全飛行。

一、飛機外表面除冰技術概況

目前，按照工作方式的不同，可以將飛機防/除冰方式分為機械除冰、液體防冰、熱力防冰3類技術。其中，機械除冰技術又可分為氣動帶除冰和電脈沖除冰技術；熱力防冰技術分別按熱源和加熱方式又分別分為電熱防冰、氣熱防冰技術，以及連續防冰和間斷除冰技術。

氣熱防冰就是利用熱空氣加熱飛機部件的待防護表面，從而避免過冷水滴在機體表面凍結結冰。防冰熱空氣多從發動機壓氣機引氣，也可采用發動機廢氣或由燃燒加熱器產生，其主要應用于機翼、尾翼、發動機進氣口等部位的防冰。氣熱防冰系統使用維護簡單，工作可靠，在現代飛機上已廣泛使用，是現代飛機防冰與除冰技術發展的主流。

二、飛機外表面氣熱防冰專利技術分析

1.全球申請量與申請分布

從全球申請量看，氣熱防冰全球專利發展大致可分為4個階段：1911年～1930年的探索萌芽階段，1911年關于飛機外表面氣熱防冰的首個專利申請被提交，其為后續的氣熱防冰技術奠定了基礎；1931年～1948年的徘徊發展階段，全球申請量出現了多次起伏，進入一個徘徊發展期；1949年～1996年的穩步發展階段，機翼和發動機進氣口防冰仍為全球申請的主流，其中也伴隨著飛機風擋防冰和葉片防冰等，防冰的部位更加全面，而熱源也更加多樣，包括采用發動機廢氣、從發動機壓氣機引氣、提供單獨的熱源等；1997年至今的發展成熟階段，全球申請量顯著增加，每年能達到20件左右，氣熱防冰技術也向著集成化、輕量化、智能化的方向發展。

從申請的分布看，美國、法國、英國依托于雄厚的技術研發實力以及工業制造水平，成為主要的申請活躍地區，這3個國家的總申請量占據了全球申請總量的3/4以上，而其中波音、空客、通用電氣等幾大航空巨頭貢獻突出。

2.技術分支分析

飛行器外表面氣熱防冰相關專利發展可以從防冰部位和熱源兩方面進行分析。防冰部位主要集中在發動機進氣口和機翼上，兩者共占了總申請量的90%以上，其他的防冰部位包括風擋、葉片、蒙皮和空速管等。從熱源上看，來自發動機引氣的占55%，包含了從發動機壓氣機引氣和燃燒室引氣等；來自加熱空氣的占30%，包含了利用發動機廢氣加熱空氣、利用加熱器或熱交換器加熱空氣以及從單獨的熱源提供熱空氣；其余的熱源包括利用機載電子的廢熱、空調系統、機艙空氣等。

2.1 發展脈絡

最早的關于飛機外表面的氣熱防冰專利出現于1911年，英國專利GB191103331A中，將內燃發動機的廢氣通入機翼結構的金屬管道或者其他的腔體結構中，對機翼結構及其內部的空氣進行加熱，以防止冰的形成，其為后續的氣熱防冰技術發展奠定了基礎。

從20世紀20年代末到30年代末，飛機機翼氣熱防冰技術進入了一個快速發展階段。在1927年的專利US1703612A中，采用發動機廢氣在機翼中循環為機翼加熱，從而防止冰的形成；在專利US1827276 A中采用發動機的廢熱加熱環境空氣，并通入不同的飛機結構中為飛機防冰；1934年，美國專利US2046521A在發動機排氣管上設置熱交換器為發動機廢氣加熱從而為飛機機翼前緣、尾翼前緣除冰；1935年的專利US2081963A和1936年的專利DE711287C分別利用發動機排氣的廢熱加熱環境空氣和水蒸氣為飛機除冰。可見，這個階段的發展主要集中在對發動機廢氣廢熱的利用上，以提高除冰的效果。

在上述發展階段中，飛機上的發動機主要為螺旋槳發動機，防除冰部位也主要集中在機翼上。然而隨著噴氣發動機在飛行器上的逐漸應用，防冰技術也得到了進一步的發展。在1942年，申請人Armstrong Siddeley發動機公司提交了用于飛機噴氣式發動機進氣口防冰的首個專利申請GB578769A。兩年后的1944年，專利GB592091A利用外界空氣流作為傳熱介質來將熱量傳遞到發動機進氣口，并在進氣道開關葉片后噴入進氣道中與進氣混合實現防冰。

隨著噴氣發動機的不斷發展，壓氣機的性能得到提升，可以提供更高的壓縮比，更高的進氣溫度，因此其提供了一種理想的高溫高壓氣體來作為飛機氣熱防冰的熱源。在隨后的專利申請中，越來越多的申請采用從壓氣機中引氣。1947年，專利GB637598A通過從發動機的壓力機引氣為發動機進氣口防冰；1954年，專利GB754301A采用從壓氣機引氣為飛機風擋防冰；1974年，專利USB535928I5從壓氣機引氣同時為飛機機翼和發動機進氣口防冰。

20世紀90年代末到21世紀初，氣熱防冰在航空發動機應用中的最大技術突破在于氣熱防冰系統與其他進氣道裝置的集成。1997年的美國專利US5841079A中，將防冰熱氣首先輸送到位于進氣道側壁的多孔消音板之后的防冰腔中，然后熱氣可從多孔消音板表面向進氣道唇口和內側滲出，從而達到防冰與消音的雙重效果。

進入21世紀，直接從壓氣機引氣會降低壓氣機的效率而影響發動機推力的問題受到重視。在2004年申請的專利EP1479889A2中，通過熱交換器對發動機進氣口腔體內的空氣進行加熱來防止進氣口結冰；在2013年申請的專利US2015/0040577A1中，控制器可根據傳感器的數據而選擇不同的熱源，包括氣體源、液體源、電加熱源或者超聲波加熱源，以解決從壓氣機引氣造成的壓氣機效率下降。

從上面技術發展脈絡的分析可以看出，飛機外表面氣熱防冰技術經過了漫長而曲折的發展過程，從最初的機翼防冰到發動機進氣口的防冰，從最初簡單直接的防冰管路到復雜智能的防冰管路，從單一的氣熱防冰熱源到根據不同需要而可供選擇的多個熱源，從氣熱防冰系統功能的單一化到集成化，飛行器外表面氣熱防冰技術的不斷發展也標志著全球航空事業的不斷進步。

結語

飛機外表面氣熱防冰領域的重要技術主要集中在美國、法國等國家，而我國在該方面技術研究相對落后，申請量以及研究深度方面都尚未達到規模，因此我國在該領域具有相當的發展潛力，國內各大航空研究所及相關科研單位可多研究和借鑒已有經驗，探究該領域的前沿技術，并進一步挖掘該領域的深層技術，增強我國這方面技術的競爭實力，做好專利布局，力爭形成自己的核心技術。

參考文獻

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