直升機旋翼除冰系統加熱墊試驗研究

諶廣昌，紀雙英，趙文明，益小蘇,

(1.南京航空航天大學 航空宇航學院，南京 210016) (2.中航復合材料有限責任公司 蜂窩及芯材事業部，北京 101300) (3.北京航空材料研究院 先進復合材料國防科技重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

直升機旋翼槳葉結冰會導致飛機氣動外形變壞、升力減小、振動水平增加、迫降能力降低等一系列不利影響[1-2]。國外對飛機防除冰技術和結冰原理的研究始于20世紀20年代，但直到20世紀70年代才獲得了實質性的突破，而且掌握核心技術的只有美國、俄羅斯、法國等少數國家[3]。國內，出于新型號的研發需要，近年來也開始對旋翼系統防除冰技術進行系統研究，主要研究方向為傳統的電熱防除冰，即通過控制系統對預埋在槳葉內部的加熱元件進行連續或間歇性加熱來阻止葉片結冰。加熱元件是電熱防除冰系統的重要組成部分，其結構形式是多樣的。例如，黑鷹直升機的加熱元件是由電阻絲編織成的加熱墊；B787[4]/V-22/F-35采用的是由英國GKN宇航公司制造的將液態金屬噴涂到玻璃纖維織物上形成的導電層[5]；而Goodrich公司采用刻蝕法制備的金屬加熱片、加熱網，已經用于Augsta AW 139,AW 149，Bell-Boeing V-22, NH90，黑鷹，CH/MH-53，S-76,S-92等。隨著電加熱元件對抗疲勞性和輕質化性能要求的不斷提高，電加熱這項傳統技術依舊長盛不衰，但進一步的研究仍集中于最優化加熱面積分布、加熱元件的抗疲勞、輕質化、柔韌化以及傳熱分析[6-9]等方面。

網狀結構的加熱元件具有隨形能力好、與絕緣層的黏接界面好、加熱面均勻、鋪層工藝易于控制等諸多優點。最重要的是，對于這種多網點結構即使局部產生破壞點也不會影響加熱墊整體的加熱效果。

本文通過編織加熱網，結合現有的復合材料成型工藝，制備出滿足設計要求、性能可靠的電加熱試驗件，并對其電性能、力學性能及實驗室除冰效果進行測試，以期為國產直升機防除冰的設計提供一種新的思路。

1 試驗材料及設備

1.1 原材料

鎳鉻合金絲具有良好的抗氧化性，而且在低溫環境下受拉伸和壓縮應變時應變靈敏度系數相差較少，故本文采用它來制備加熱元件。制備好的加熱元件要轉移到膠膜層上以防止變形。絕緣層采用玻璃纖維預浸料制成，氮化硼顆粒作為導熱顆粒添加在預浸料層間用于提高導熱效率。試驗原材料如表1所示。

表1 原材料

1.2 主要設備

紅外熱成像儀用于測試加熱墊的電性能，穩壓電源和數顯計時器用于測試加熱墊的實驗室除冰效果，萬能試驗機用于測試力學性能。主要設備信息如表2所示。

表2 主要設備

2 試驗過程

2.1 加熱墊的分區方案設計

直升機主旋翼槳葉防除冰系統為周期電熱除冰系統，即采用分區加熱方式[10]。分區加熱的加熱元件布置形式有兩種，即弦向布置[11]和展向布置[12-13]。兩種分區布置形式均有應用，其中展向分區的優點是節省需用功率但制造工藝相對復雜，而弦向分區的功率明顯比展向分區的功率高，但加熱元件分布和控制簡單[14]。本文要求加熱元件兩端的電壓U=200 V，電流I≥44 A，根據歐姆定律可知，電阻R≤4.5 Ω。而電阻的計算公式為

(1)

式中：ρ為物質的電阻率，單位為Ω·m；L為長度，單位為m；S為截面積，單位為m2。

若該槳葉的分區方案采用弦向分區，則電阻絲的長度將大于等于葉片長度的2倍(6.8 m×2)，而截面積S=H(厚度)×D(寬度)≤H×(88+128) mm/12(設共分6個加熱區域，以上數據為槳葉物理尺寸)，假設材料選用鎳鉻合金，其電阻率為(1.09±0.03) μΩ·m，代入公式(1)計算，若使R≤4.5 Ω，則H≥0.18 mm。如此厚的加熱元件無論是隨形性還是粘貼性均會存在問題。另外，目前工業上使用的電加熱元件多采用刻蝕方法，受限于設備尺寸，制作長度6 800 mm這種超長尺寸的加熱片幾乎不可能。目前常用的方法是采用焊接技術將多片加熱片進行二次焊接，但二次焊接的接縫處由于厚度變厚，局部電流變大，容易因為過熱而出現問題，可靠性無法保證。綜上所述，采用弦向布置方案無論在結構設計還是在成型工藝上都存在不足，故本文采用展向布置方案，如圖1所示。

圖1 展向分區加熱方案示意圖

2.2 加熱墊制備

加熱墊包括加熱元件和絕緣層兩部分。加熱元件是電熱防除冰系統的主要組成部分，既要有精確的功率密度，又要具有一定的強度、耐疲勞特性等機械性能，還應能夠良好地嵌入在復合材料機翼內。本文采用的加熱元件為網狀結構，如圖2所示。

圖2 網狀加熱元件示意圖

該金屬網采用手工編織而成。編織方向為±45°。編織尺寸為216 mm×1 133 mm，該尺寸為槳葉的1個加熱分區的尺寸。網狀加熱元件的總體及局部細節圖分別如圖3～圖4所示。所采用的金屬絲為連續的鎳鉻合金細絲，通過電熱設計，確定細絲直徑為0.1 mm，網格邊長在5～6 mm之間，功率密度為3 W/cm2。所有的金屬絲端頭均留在兩個短邊，最后將所有的端頭與兩端的銅片進行焊接。為了操作簡便，金屬絲交叉處并未采用類似平紋織法的相互挑壓方式，而是采用簡單的搭接方式，這使得整個金屬網在沿長度方向受力時很容易變形。為了確保金屬網在后續的操作過程中具有較好的工藝性，編織完成后的金屬網要及時轉移到FM73M膠膜上，以防止金屬網變形。即便如此，在金屬網的局部區域，尤其是邊緣區域仍然存在網格變形的情況(如圖4所示)。

圖3 制備的金屬絲網

圖4 網狀加熱元件局部細節圖

絕緣層采用中溫固化的SW280/3218玻璃纖維布預浸料，鋪層為[0/45/-45/0/膠膜/加熱網/0/-45/45/0]。為了提高絕緣導熱層的導熱效率，嘗試在絕緣層中添加一定比例的氮化硼導熱顆粒，以達到快速傳遞熱量、快速升溫/降溫的目的。

3 加熱墊相關性能測試與分析

3.1 電熱性能

采用紅外熱成像儀對制備的加熱墊進行電性能測試，輸入電壓115 V，加熱時間14 s。電加熱墊的溫度-時間變化曲線如圖5所示，可以看出：加熱墊表面溫度由24達到60 ℃以上，升溫速率達到了2.5 ℃/s，面內(260 cm×120 cm)溫度差異小于2 ℃；A、B面的區別為A面未進行導熱功能處理，B面進行了導熱功能處理，即添加了氮化硼導熱顆粒，A面和B面的最高溫度點分別為60.79和62.36 ℃，相差1.57 ℃；另外，加熱墊升溫迅速，而降溫過程緩慢，這一特點有利于冰層的消融。

(a) 電加熱墊A面

(b) 電加熱墊B面

加熱墊在加熱過程中的紅外成像圖如圖6所示，可以看出：網狀電阻絲先熱起來，隨后加熱整個絕緣面，達到溫度的均勻化，其中根據實時的溫度測試得到各點的溫度差別小于2 ℃。

(a) 電加熱墊A面

(b) 電加熱墊B面

3.2 力學性能

為了考察加熱墊中電熱絲的加入對復合材料性能的影響程度，對加熱墊的基本力學性能進行測試，結果如表3～表4所示，可以看出：加熱墊的拉伸模量比正常值略微偏低，這是由于制作過程中為了保證工藝實施方便在中間加了一層膠膜的緣故，后續若加熱網編織技術成熟，可以去掉該層膠膜；壓縮強度與正常值相當，表明加熱組件的加入并沒有降低復合材料的壓縮性能。

表3 加熱墊拉伸性能

表4 加熱墊壓縮性能

3.3 除冰效果測試

為了考核加熱墊的除冰效果，首先在加熱墊的表面進行人工結冰，結冰效果如圖7所示。

結冰后的加熱墊迅速與電路連接，進行試驗。受條件限制，結冰試驗在冰箱中進行，加熱過程中加熱墊仍放置在冰箱內，但為了便于觀察，冰箱門出于打開狀態。試驗設定輸入電壓為200 V，加熱時間為6 s，接通電源對加熱墊進行加熱，并觀察加熱墊表面狀態。

試驗中發現，在加熱墊剛停止加熱時，加熱墊上已經有薄冰層開始融化，并有水滴形成。而在冰層較厚的區域，雖然冰層并未消融，但是冰層與加熱墊之間已經形成一層水膜，如圖8所示。

圖8 加熱墊除冰效果

在直升機旋翼工作時，如果冰層與葉片表面形成一層薄薄的水膜，那么在葉片旋轉的過程中，冰塊就會被甩出，從而達到除冰效果。故通過試驗可以看出，該加熱墊基本可以達到除冰效果。

4 結 論

(1) 采用直徑為0.1 mm的細鎳鉻金屬絲，編織成孔眼大小為6 mm的金屬網作為加熱元件，其功率密度可達3 W/cm2，而且具有隨形性好、加熱面均勻、易于鋪放等特點，即使局部產生破壞點，這種多網點結構也不會影響加熱墊整體的加熱效果。

(2) 本文所研制的加熱墊在試驗室除冰效果試驗中除冰效果良好。在電壓200 V，加熱時間6 s時，在冰層和加熱墊之間能明顯形成一層水膜，可以使冰層和電熱墊本體分離。

(3) 輸入電壓為115 V，加熱14 s時，加熱墊表面溫度由24達到60 ℃，溫升為34 ℃，面內(260 cm×120 cm)溫度差異小于2 ℃。經過導熱功能處理和未進行導熱功能處理的加熱面的最高溫度點分別為62.36和60.79 ℃，相差1.57 ℃。