機翼電熱除冰專利技術概述

時緘+++趙若愚

摘 要：飛機機翼結冰是導致飛行安全事故的主要隱患之一，飛機機翼的防/除冰系統是提高飛機的安全性能，電熱除冰因其高效率、低能耗、易控制的優勢已成為目前重要的除冰方法之一。本文對飛機機翼防/除冰技術領域的專利申請進行分析，從中國、全球的專利申請量、申請人的分布等多方面統計分析，闡述了飛機機翼防/除冰技術領域的專利申請發展趨勢，追蹤了飛機機翼防/除冰技術領域的發展脈絡，重點針對飛機機翼電熱除冰過程中涉及的傳熱特性、冰殼現象及其影響和冰脊形成特征三大主要研究方向，對其技術方向和技術手段的發展脈絡進行了梳理。

關鍵詞：機翼；除冰；電熱；專利

中圖分類號：V275 文獻標識碼：A

飛機結冰是飛行實踐中廣泛存在的一種物理現象，是造成飛行安全事故的主要隱患之一。機翼和尾翼的結冰主要發生在前緣部位，這類結冰導致飛機阻力增加、升力下降、失速攻角減小以及操縱性能惡化等后果，引發飛行事故。

一、機翼除冰技術概況

目前，非電熱類除冰方法主要有熱氣除冰、機械除冰和微波除冰等方法；電熱除冰系統工作時，電阻加熱單元將電能轉化成熱能，通過多層電熱除冰結構內的熱量傳遞，影響冰層融化特性和脫落特性的主要因素。

電熱除冰系統通常由三大部分組成：一是電源系統，包括產生電能的電源和分配電能的總線系統；二是控制系統，包括監測結冰氣象條件、加熱表面溫度的手動/自動控制單元和座艙顯示面板；三是熱源系統，包括將電能轉換成熱能的電阻加熱單元和測量加熱表面的溫度傳感器。

二、機翼電熱除冰專利技術分析

1.全球申請量

全球機翼電熱除冰的發展大致分為3個階段：第一階段， 1927年～1965年，機翼電熱除冰技術處于萌芽階段，專利申請數量非常少，每年申請數量不超過10項；第二階段，1966年～1995年，初步增長階段，從1966年開始，關于機翼電熱除冰的專利申請量較之前的申請量增多，由于清潔能源、低能耗、高效率的優勢，電熱除冰越來越得到青睞；第三階段，1996至今，顯著發展時間，從1996年至今，關于機翼電熱除冰的專利申請數量呈現跨越式增長，進入飛機機翼除冰技術發展的黃金時期。尤其以2008年～2013年的增長勢頭最為迅猛，申請量和申請人大幅度增加，電熱除冰不僅僅應用于固定翼飛機的主翼和尾翼，同時廣泛應用于旋翼飛機的旋翼中。

2.申請區域和申請人分布

在機翼電熱除冰的全球專利申請中，美國、英國、法國、德國為主要的申請活躍地區，這4個國家的總申請占據了全球申請總量的4/5以上。機翼電熱除冰相關技術涉及的技術范圍廣且相對精密，因為對相關的工業技術發展要求較高，上述國家研發實力雄厚、工業制造等技術發展相對領先，且依托古德里奇、波音、空客等各大航空公司，因而在區域布局方面占據優勢。

3.技術分支分析

機翼電熱除冰技術在全球的相關專利申請的技術分布情況，涉及機翼前緣除冰的占總數據的54%，翼身除冰的占24%，技術分支較為明顯。機翼前緣是較為容易結冰的部位，為保證機翼除冰的同時減小能耗，對易于結冰的前緣進行除冰是較為通常的做法，而對整個翼身進行除冰是抵抗惡劣冰雪天氣的有效對策，但相對而言較為耗費能量。

4.發展脈絡

機翼電熱除冰技術發展至今，經歷了多次改進與變化，起初僅僅是采用電阻線加熱，電能轉換成熱能，之后對加熱元件進行層疊，加熱元件包括加熱曾、絕緣層、膠粘層、隔熱層和外表層，外表層可以保護除冰裝置不受侵蝕，延長其使用壽命；膠粘層具有高熱導率、電絕緣的性質，保證加熱層和外表層間的電絕緣，同時可以減小傳熱熱阻；絕緣層起到支撐作用；隔熱層用于隔絕加熱層向內部傳遞熱量，減小對內部設備的影響；在提高電熱除冰傳熱特性的同時，出現了控制加熱電源到加熱器之間能量流動的控制器和探測機翼表面溫度的傳感器，從而根據機翼表面的溫度，控制加熱器所需的熱量，以達到除冰的效果。

最早的關于機翼電熱除冰的專利申請出現于1927年，WEBESTER MELLBERG PAUL在專利US1795664A中提出了一種通過將電阻線平鋪翼面，通過電源對其加熱，電能轉換成熱能，從而達到除冰的技術效果。雖然這種方式能夠實現機翼的除冰，但沒有對加熱過程和溫度加以控制，會導致飛機能耗過大，且加熱翼身時沒有任何防護措施，對飛機內部設備的損失也較大。

1930年，機翼除冰公司在US1868468A中選擇在機翼前緣鋪設電阻線，并在加熱電阻線的外表面增加了蓋板，防止加熱電線被周圍環境侵蝕，增加了電熱除冰的可靠性，延長了電熱除冰機翼的使用壽命。

1952年，納皮爾父子公司GB740551A中提出了一種改進的機翼前緣電熱除冰方法，在機翼前緣通過層狀鋪貼的方式實現機翼除冰，且各層通過噴涂的方式形成，采用了玻璃纖維，大大提高了機翼前緣電熱除冰的效果。

1979年，古德里奇公司在US4292502A1中，描述了一種直升機旋翼除冰系統，采用集電環的方式，通過直流電壓傳遞電流，在旋翼桅桿附近產生熱量，通過控制器持續不斷地監測旋翼的結冰狀態，在不同時段對旋翼進行適當除冰。

1991年，英國航空公司在GB2252285A中，描述了一種機翼前緣電熱除冰方法，其中機翼前緣加熱部件放置于脫落區與分離區上，不同區域的加熱程度不同，采用點對點的加熱方式。

2004年，歐洲直升機公司在專利EP1541467A1中描述了一種用于翼面的除冰裝置，采用模塊化除冰的方式，將除冰模塊分為兩個，公用電源設備，每個除冰模塊在自己的區域內除冰，與其他模塊無關。

2010年，應用納米公司在專利US8664573B2中描述了基于CNT的電阻加熱機翼除冰結構，該專利主要對復合材料進行改進，在基體材料中并入碳納米管（CNT）的纖維材料，該復合結構適合于施加電流經過并入CNT的纖維材料以提供復合結構的加熱。

從上面的技術發展脈絡分析可以看出，機翼電熱除冰技術發展經歷了以下3個階段：第一階段，簡單鋪設電阻線于需要除冰的部位，以達到去除機翼表面冰層的目的；第二階段，采用內外絕緣層和內外蒙皮對電加熱元件進行防護，從而保證飛機內部設備不受加熱元件影響；第三階段，控制電源輸出功率大小、確定加熱時間和加熱周期，分區域差異加熱，采用復合材料提高電熱除冰性能的同時減輕飛機的重量、降低飛機能耗。從整個技術發展的路線來看，機翼電熱除冰技術在克服現有技術不足的基礎上，經過了長期、曲折、逐步的改善過程，同時也給審查員日常審查一些啟示，只有對本領域的現有技術充分理解，才能夠準確地把握專利申請的發明實質，以及對現有技術的貢獻獲得更加準確、公正的判斷。

結語

機翼電熱除冰技術的相關重要技術主要集中在美國、英國、法國和德國等國家，目前其申請量相對趨于穩定，且在該領域已經相對成熟，而目前中國在該方面技術的研究相對較少，申請量以及研究深度都尚未達到規模，在該領域的市場具有相當的發展潛力，國內應加大研究力度，學習和借鑒國外航空公司，掌握該領域的前沿技術，并進一步挖掘該領域的深層技術，增強我國該領域的技術自導。

參考文獻

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[2]周景峰.中國飛機防除冰技術專利態勢分析[J].航空科學技術，2014，9（25）：61-65.endprint