等離子體激勵與電加熱式防冰性能對比

謝理科，梁華，*，吳云，2，方雨霖，魏彪，3，蘇志，劉雪城，鄭博睿

1．空軍工程大學 航空工程學院，西安 710038

2．西安交通大學 機械工程學院，西安 710049

3．中國人民解放軍95655部隊，邛崍 611500

4．西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048

當飛機在結冰的氣象條件下飛行時，云層中的過冷水滴會撞擊到飛機部件的迎風面并迅速凍結。機翼、發動機、擋風玻璃、儀表傳感器等關鍵部件的結冰嚴重降低了飛機的可控性、穩定性和安全性。例如，機翼結冰會改變其表面氣動形狀，使得升力降低、阻力升高，嚴重影響氣動性能［1-3］。發動機唇口結冰會降低發動機效率和推力，嚴重的情況下，大冰塊被吸入發動機，會損壞發動機葉片，導致發動機停止工作［4］。擋風玻璃上的結冰減少了視野范圍，增加了飛行難度［5］。儀表傳感器（如速度傳感器）結冰會導致設備故障或數據失真，嚴重時會導致飛行員誤判，致使飛機墜毀［6-7］。

目前，在傳統的防除冰技術中，飛機上應用最廣泛的防除冰方法是通過發動機壓氣機產生的熱空氣輸送至結冰區域的熱氣防除冰方法［8-9］。但由于其加熱效率低、能耗高、管路系統復雜等缺點，促使了電熱防除冰方法的發展［10-11］。傳統的飛機電加熱防除冰方法是通過電阻絲將電能轉化為熱能，并通過熱傳導經蒙皮將熱能傳遞到飛機表面，使表面冰融化成小塊，并通過氣動離心力將其吹走。其具有可靠性高、易于自動化等顯著優點［12-14］。

對于大型飛機而言，蒙皮大多為合金材料，其導熱性能好，電熱膜加熱單元貼附在飛機蒙皮內部，通過加熱蒙皮表面來進行電熱防除冰，但這會使得熱傳導過程中存在能量損耗；對于貼附在外部蒙皮的電熱膜防除冰，既要防止電阻絲磨損，又要防止熱量向蒙皮內部傳導，因而需要通過內外功能不同的絕緣層來對加熱單元分別進行隔熱和防護［15-16］。隨著飛機減重的需要，尤其是對于小型無人機而言，機翼蒙皮選擇復合材料，與金屬材料相比，復合材料導熱系數小、耐高溫能力低，如波音787飛機機翼電加熱防除冰采用的是噴涂金屬多層沉積技術，將液態金屬直接噴涂到玻璃纖維織物上以形成導電層，通過產生持續均勻的熱量來加熱復合材料機翼前緣。因而對于當前工程上的電熱防除冰，電阻絲加熱的不僅是合金表面，還有采用復合材料的飛機蒙皮表面，其面臨著加熱元件制作、嵌入飛機蒙皮后的傳熱性能、電氣布線互連系統等技術難點，這在一定程度上限制了電加熱防冰方法的發展［17-18］。

表面介質阻擋放電（SDBD）是等離子體應用于流動控制領域研究最廣泛的氣體放電方法，改變激勵參數，其可以在放電過程中產生更多的熱，從而加熱其周圍的空氣［19-22］。與傳統的電熱防除冰方法相比，等離子體激勵防除冰方法具有結構簡單、響應速度快、帶寬大、效率高等優點。近年來，其在飛機防除冰領域受到廣泛關注，有望成為一種新型高效的防除冰方法［23-25］。

根據激勵方式的不同，表面介質阻擋放電等離子體激勵可分為納秒脈沖表面介質阻擋放電（NS-SDBD）等離子體激勵和正弦交流表面介質阻 擋 放 電（AC-SDBD）等 離 子 體 激 勵［26-28］。Liu等［29-30］比 較 了 相 同 功 耗 下AC-SDBD和NS-SDBD的防除冰效果，結果表明NS-SDBD誘導的熱效應可以防止結冰，其融冰效果比AC-SDBD更有效。并且，還比較了有調制波形和連續波形的AC-SDBD等離子體激勵的除冰效果，以及AC-SDBD與電阻絲電熱膜的防除冰效果，認為在相同功耗下，調制的AC-SDBD的效果最好，其次是連續波形的AC-SDBD和電阻絲電熱防除冰。而后，等離子體激勵防除冰研究更加深入，人們普遍認為等離子體激勵與來流作用后，以氣動熱的形式進行防除冰［31-35］。

石墨烯電熱是一種新型的電加熱裝置，與傳統的電阻絲加熱膜相比，其具有加熱均勻、電能-熱能轉換效率高的特點［36-37］。因此針對3種不同的防除冰方法進行對比研究。首先，針對等離子體激勵下的放電，利用示波器、電壓探頭和電流探頭記錄和分析等離子體激勵的放電波形，獲得等離子體激勵所消耗的功率。而后，在結冰風洞中，在低溫來流條件下，利用紅外熱像儀對3種防結冰方法的表面溫度特性進行記錄和分析。最后，在溫度T=?15 ℃，液化水含量（Liquid Water Content，LWC）為1 g/m3，平均液 滴 直 經（Median Volume Droplet Diameter，MVD）為25 μm，風速v=35 m/s的結冰條件下進行防冰試驗，記錄整個防除冰過程中翼型表面溫度和防冰視頻，對防冰效果及等離子體和電加熱的功耗進行精確的數值分析。

1 試驗設置

1.1 防冰系統與電源

試驗設計了梳狀等離子體激勵器、普通電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜防冰裝置，3種防冰系統均布置在翼型前緣。圖1為等離子體激勵器結構示意圖及其在翼型上的安裝，等離子激勵器包含高壓、低壓電極層和絕緣介質層。高壓電極間距為5 mm，寬度為3 mm，低壓電極為一整片銅箔，尺寸為90 mm×60 mm，高壓、低壓電極厚度均為0.06 mm。絕緣介質是厚度為0.18 mm的聚酰亞胺（Kapton）膠帶。等離子體激勵系統包括等離子體激勵器和參數化高壓脈沖電源。通過調節電源的脈沖幅值、脈沖寬度、上升時間和下降時間來控制輸出波形。

電熱膜如圖2所示，加熱材料分別為電阻絲合金與石墨烯，二者均通過聚酰亞胺膜包裹。電阻絲電熱膜由2條電阻絲并聯而成，間距為2.00 mm，每條電阻絲寬度為3.75 mm，電阻絲的覆蓋面積與等離子激勵器的高壓電極的相同。與電阻絲電熱膜不同，石墨烯電熱膜的電極則是一張薄膜，其覆蓋區域為90 mm×60 mm。電熱膜加熱系統由電熱膜和直流穩定電源組成。2種電加熱膜在機翼前緣的安裝與圖1中等離子體激勵器的相同。等離子體激勵器厚度和2種電加熱膜厚度均為0.3 mm，在防冰過程中，其對翼型形狀的影響可以忽略不計。

圖1 等離子體激勵器結構示意圖及其在翼型上的安裝Fig. 1 Schematic diagram of plasma actuator configura?tion and its installation on airfoil

圖2 電熱膜Fig. 2 Electric heating device

1.2 冰風洞與翼型

防冰試驗在中國空氣動力研究與發展中心的結冰風洞中進行。圖3為冰風洞結構示意圖，風洞為閉環結冰風洞，包括動力段、冷凝段、穩流段、收縮段、測試段和擴散段等。結冰風洞測試段為矩形，長為0.65 m，寬為0.30 m，高為0.20 m，最大風速為170 m/s。MVD可根據供水和供氣壓力的比值進行調節，在20~50 μm范圍內，通過調節噴嘴數量，可將LWC調整為0.5 g/m3或1.0 g/m3。測試段可調溫度范圍為?40 ℃~常溫。試驗采用的模型為NACA0012翼型，如圖1中所示，其弦長為200 mm，展長為190 mm。

圖3 冰風洞結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of icing wind tunnel structure

1.3 數據采集系統

圖4為測量系統。圖中的數據采集系統主要包括電參數采集系統、表面溫度采集系統和動態防冰過程采集系統。電參數采集系統主要由示波器（DPO4104B）、高壓探頭（P6015A）和電流探頭（TCP0030A）組成，用于采集激勵器放電時的電壓、電流等電參數。表面溫度采集系統主要由FLIR SC7300M熱像儀、熱像儀控制平臺和專用光學玻璃組成。熱像儀垂直安裝在模型表面，通過光學玻璃（鍍鍺玻璃）采集模型表面溫度分布的動態變化，采集頻率為25 Hz。動態防冰過程采集系統，主要包括尼康D7000相機、加熱玻璃、三腳架。攝像機固定在風洞的右側正面，以捕捉防冰的動態過程。試驗所有結冰條件為T=?15 ℃，LWC=1 g/m3， MVD=25 μm，v=35 m/s，噴灑之前進行加熱，達到低溫條件下的熱平衡狀態，并以噴霧裝置噴灑過冷水滴的開始時刻為0時刻，隨后采集240 s內翼型表面的結冰情況及溫度變化情況。

圖4 測量系統Fig. 4 Measurement system

2 結果和討論

2.1 電特性

影響等離子體激勵器功耗的主要因素有2個，即激勵電壓和激勵頻率。為了更準確地比較等離子體激勵和電加熱膜的防冰效果，控制二者具有相同的功耗顯得尤為重要。采集等離子體激勵器兩端的放電電壓和流過的電流，從而計算激勵器所消耗的功率。電熱膜由直流穩定電源供電，其功率可通過純電阻電路計算，因而容易控制準確的量。等離子體激勵的電壓為脈沖式，其 功耗計算復雜，Zheng等［38］在研 究中發現，NS-SDBD等離子體激勵的功率可以通過對電壓和電流的積分來計算，在阻抗匹配不變的情況下，功耗與激勵電壓呈二次關系，與放電頻率為線性關系。

圖5為等離子體激勵器電特性曲線。經過多次放電試驗測試，選擇電壓峰值Upp=8 kV，上升時間、下降時間和脈沖寬度均為100 ns作為激勵參數，其單脈沖電壓和電流波形如圖5（a）所示，可以看出，電流的峰值出現在脈沖電壓的上升和下降階段。通過對單脈沖放電電壓和電流的瞬時值進行積分可以得到單脈沖能量，結合放電頻率進一步計算等離子體激勵器的功耗。因而，其功率計算公式為

式 中：P為 放 電 功 率；f為 放 電 頻 率；T0為 脈 沖 周期；u（t）為瞬時電壓；i（t）為瞬時電流；t為時間。

通過計算不同頻率（1~10 kHz，間隔為1 kHz）下的單脈沖能量，繪制其功率隨頻率的變化曲線圖，如圖5（b）所示。隨著放電頻率的增加，電源與激勵器的匹配變差，單脈沖能量值會略有下降。工作頻率高，功耗大，電源在供電時可能出現容量不足，從而出現單脈沖能量降低的現象。從功耗與頻率的散點圖來看，其擬合曲線幾乎是一條直線，這與Zheng等［38］的研究結果一致。單脈沖能量的輕微降低對功耗與頻率的線性關系影響不大，可以通過改變放電頻率來靈活地改變激勵器的能耗。

圖5 等離子體激勵器電特性曲線Fig. 5 Electrical characteristic curve of plasma actuator

電阻絲電熱膜電路和石墨烯電熱膜電路均為純電阻電路，因而可通過焦耳定律直接獲得二者的功率，采用的電源為可調直流源（ZXD2400），其電壓的調節范圍為0~120 V，最大功率為3 kW，自身能夠實時測量和顯示電路中的電壓與電流。電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜均為定制的，通過試驗測量，當電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜的電壓分別為10.57 V和24.35 V時，二者輸出功率與等離子體激勵時輸出的功率一致。

2.2 防冰性能

選 取T=?15 ℃、LWC=1 g/m3、MVD=25 μm、v=35 m/s的典型結冰條件，比較3種方法的防冰效果。為了保證測試段結冰條件的穩定性，在開啟噴霧系統前，結冰風洞首先在預設的低溫和35 m/s風速下運行5~10 min，使試驗段達到熱平衡，而后開啟防除冰裝置并同步進行數據采集，使得翼型表面達到熱平衡。開啟噴霧系統，該時刻為t0=0 s，直至t=240 s時，試驗結束。

等離子體激勵電壓為8 kV，激勵頻率為4 kHz，從圖5（b）可以得知，其放電功率為62.5 W。電阻絲電熱膜的電壓和電流分別為10.57 V和5.93 A，輸入功率為62.7 W；石墨烯電熱膜的電壓和電流分別為24.35 V和2.57 A，輸入功率為62.6 W。3個防除冰系統的功耗基本上保持一致。圖6為在打開噴霧裝置后的240 s內，基準狀態和采用不同防除冰方法的防冰效果。

圖6 基準狀態和采用不同防除冰方法的防冰效果Fig. 6 Benchmark state and anti-icing effect of differ?ent anti-icing methods

等離子體激勵器防除冰系統的動態過程如圖6（b）所示，當噴霧裝置打開時，過冷水滴迅速撞擊翼型前緣，在等離子體的熱效應作用下，過冷水滴吸收熱量，溫度升高，無法凍結在前緣，在來流的作用下，其沿著翼型表面流向后緣。等離子體產生的加熱區域沒有形成冰層，因而，實現了非常好的防除冰效果。電阻絲電熱膜的防除冰動態過程如圖6（c）所示，在打開噴霧裝置后，熱平衡狀態下翼型表面溫度較高，過冷水滴未能凝結成積冰。與等離子體激勵不同的是，當t=30 s時，在翼型的前緣處的2根電阻線之間的空間出現了微小的積冰，形成了小凸起，隨著時間的推移，小凸起越來越多。黏性力較低的冰塊會被來流吹走，當t=120 s時，幾乎所有的電阻絲周圍都有小冰塊，小冰塊的體積也比t=30 s時的大得多，當t=240 s時，在翼型的前緣形成一個個交錯的鋸齒冰塊，表明電阻絲電熱薄膜只能在其加熱的地方起到有效防冰，而在無法加熱的區域則無法防冰。圖6（d）為240 s內石墨烯電熱膜的動態防結冰過程，由于石墨烯電熱膜具有均勻的加熱效果，翼型前緣沒有出現像電阻絲電熱膜一樣的小冰塊，石墨烯電熱膜達到了優異的防冰效果。

2.3 熱特性

基準狀態下翼型表面溫度分布云圖如圖7所示。由圖7可見，在沒有防冰系統的情況下，整個過程中翼型表面溫度都低于0 ℃，在冰層變厚的過程中，過冷水滴撞擊翼型表面時損耗的能量使得翼型表面的溫度有所升高。

圖7 基準狀態下翼型表面溫度分布云圖Fig. 7 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface at benchmark state

圖8為等離子體激勵防護下翼型表面溫度分布的動態示意圖，打開等離子體激勵器的電源后，激勵器表面溫度迅速升高。當t=t0時，即開啟噴霧裝置時，激勵器表面溫度基本保持不變，翼型表面溫度基本達到熱平衡。由于激勵器高壓電極的發射率與聚酰亞胺膜的發射率不一致，為了避免銅箔引起的試驗誤差，一方面通過試驗前的多次放電加快銅箔的氧化，另一方面使用相同顏色的漆噴涂于銅箔電極表面，從而能夠較好地保證二者的發射率一致。翼型前緣沿展向的溫度分布呈網格分布。在2個高壓電極之間的區域內，溫度分布呈“V”形，其原因是等離子體激勵器引起的大量對流換熱進入了低溫來流。等離子體激勵器產生的熱量分布從高壓電極的邊緣向周邊擴散，高壓電極邊緣溫度最高，兩電極中間溫度最低。在t=t0時刻開啟噴霧裝置后，進入防冰狀態，過冷水滴撞擊激勵器表面，激勵器表面溫度分布發生較大變化，翼型前緣激勵器表面溫度有所下降，但仍保持在0 ℃以上。沿弦向，激勵器表面溫度逐漸升高，在等離子體保護區，下游位置溫度最高，超過28 ℃。整個防冰過程中，激勵器保護區域表面溫度均在0 ℃以上，達到了完美的防冰效果，與圖6（b）中防冰過程實際畫面一致。

圖8 等離子體激勵器作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 8 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface under protection of plasma actuator

電阻絲電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖如圖9所示。電熱膜表面溫度上升至平衡狀態后，其溫度分布也與等離子體激勵器相似。表面溫度“V”型分布也出現在機翼前緣。盡管電阻絲電熱膜和等離子體激勵器的熱源呈條狀分布，但熱源的來源不同，電阻絲電熱膜根據歐姆定律從電阻產生熱量，等離子體激勵器通過高壓電極電離空氣放電產生熱量。熱源集中在電阻絲上，電阻絲間隙熱量少，因此，在來流作用下，縫隙處降溫幅度較大，且距離熱源越遠，降溫幅度越大，這導致了一個“V”形的溫度分布形式。t=30 s時，翼型前緣電阻絲電熱膜表面部分區域溫度出現至0 ℃以下，這與圖6（c）中電阻絲電熱膜防冰過程圖吻合。而后，翼型前緣表面溫度低于0 ℃的區域越來越多，當t=240 s時，翼型前緣電阻絲之間形成了一排交錯的0 ℃以下的結冰區域。翼型前緣間隔結冰的主要原因有：①冷空氣對流換熱。當低溫來流吹過翼型表面時，與翼型進行對流換熱帶走熱量。翼型前緣與來流接觸面積最大，對流換熱最強，散熱最快，導致前緣溫度最低。②與過冷水滴熱傳導。當過冷水滴撞擊翼型表面時，由于溫度差而發生熱傳導，翼型前緣的熱傳導系數最大，過冷水滴被翼型前緣加熱后，大部分流向翼型的上表面和后緣。因此，翼型前緣的散熱比翼型其他部位要高得多。

圖9 電阻絲電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 9 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface under protection of resistance wire elec?tric heating film

圖10為石墨烯電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖。與電阻絲電熱膜不同，石墨烯電熱膜表面溫度分布的均勻性極佳，整體溫度也較低。石墨烯電熱膜的表面最高溫度僅為25 ℃，在整個防冰過程中，其防護區域的最低溫度一直保持在0 ℃以上。這說明石墨烯電熱膜具有良好的防冰效果。在相同功率條件下，石墨烯電熱膜的防冰效果優于電阻絲電熱膜。出現這種情況的主要原因是，與電阻絲電熱膜的條形電極不同，石墨烯電加熱膜的加熱電極是整體石墨烯電極，這意味著更均勻的產熱面積。當過冷水滴撞擊到電阻絲之間的間隙時，這種熱量的傳導受阻，導致電阻絲之間的間隙出現低溫結冰區，這也說明防冰裝置熱源分布的均勻性對翼型防冰十分重要。

圖10 石墨烯電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 10 Cloud map of temperature distribution on air?foil surface under protection of graphene elec?tric heating film

圖11為防冰過程中3種防冰系統表面溫度的動態變化曲線。采集3種防冰系統的溫度區域如圖8~圖10中的矩形框所示，其中矩形框的左邊框剛好位于翼型前緣，以該區域的最高溫度、最低溫度和平均溫度的動態變化情況作為分析。

圖11（a）展示了噴霧裝置開啟60 s后的3種防冰系統保護下的翼型前緣溫度分布曲線。可以看出，3種防冰系統的保護區域（圖8~圖10中矩形框所示區域）的溫度分布差異較大。等離子體激勵器保護區域溫度波動最大，呈波狀分布，最高溫度為35 ℃，最低溫度只有0.2 ℃。與等離子體激勵器類似，電阻絲電熱膜防冰下的表面溫度也有波動，但波動程度（最高溫度與最低溫度之差）較小，僅為等離子體激勵器的57.14%。與上述2種防冰系統不同，石墨烯電熱膜保護下的翼型表面溫度波動很小。在翼型前緣，電阻絲電熱膜表面溫度出現低于0 ℃的區域。而石墨烯電熱膜的表面最低溫度為0.3 ℃。這說明石墨烯電熱膜均勻的產熱功能對防冰過程有積極的作用。

噴霧前，3種防冰系統有一個加熱階段，圖11（b）~圖11（d）以加熱開始時刻為0時刻。未噴霧時，當防冰系統開啟后，翼型表面的溫度迅速上升，噴霧裝置噴霧后，最高溫度和平均溫度達到最大值，對應上述的t0時刻。如圖11（b）所示，等離子體激勵器的最高溫度在60 s內上升到65 ℃，升溫過程分為2個階段，0~20 s為第1階段，平均溫升速率為3.25 ℃/s，第2階段為20~60 s，平均溫升速率為0.25 ℃/s，約為第1階段的7.7%。在60 s后，等離子體激勵器表面溫度基本穩定。此時，打開結冰風洞的噴霧裝置。由于來流冷空氣和過冷水滴的沖擊，激勵器表面的最高溫度瞬間下降，降幅約為10 ℃。

圖11 3種防冰系統防冰過程中表面溫度變化曲線Fig. 11 Surface temperature change curves of three anti-icing systems during anti-icing process

電阻絲電熱膜表面最高溫度在58 s內達到108 ℃，且升溫過程相對穩定，升溫速率處于連續緩慢下降過程。整個過程的平均溫升速率為1.86 ℃/s。在t=58 s開啟結冰風洞噴霧裝置，表面最高溫度瞬間下降，下降幅度達到28 ℃。與等離子體不同的是，電阻絲電熱膜在溫度波動過程中的最高溫度仍有較明顯的下降，最終保持在70 ℃左右。石墨烯電熱膜表面的最高溫度在80 s以內達到58 ℃，升溫過程相對穩定，升溫速率緩慢下降，平均溫升速率為0.725 ℃/s，分別為等離子體激勵器的67.1%和電阻絲電熱膜的40.0%。進入防冰狀態后，石墨烯電熱膜表面的最高溫度并沒有經歷瞬時降低過程。與前2種防冰系統相比，石墨烯電熱膜的降溫過程更緩和。

如圖11（d）所示，翼型表面最低溫度與防冰效果直接相關，為了達到更好的防冰效果，表面最低溫度必須保持在0 ℃以上。打開電源后，等離子體激勵器表面的最低溫度迅速達到0 ℃以上，并保持相對穩定。進入防冰狀態后，由于過冷水滴的沖擊，激勵器表面與過冷水滴進行換熱，導致表面最低溫度輕微下降，但始終保持在0 ℃以上，因而不會結冰。而電阻絲電加熱膜，其表面最低溫度在整個過程中從未超過0 ℃，這說明電阻絲電熱膜表面一定會存在結冰區域，即圖6（c）中翼型前緣電阻絲之間的間縫。石墨烯電熱膜表面的最高溫度雖然低于電阻絲電熱膜，但其表面最低溫度高，始終高于0 ℃。進入防冰狀態后，石墨烯電熱膜表面的最低溫度有相對明顯的下降。

為了更好地解釋防冰過程中的傳熱，分析了3種防冰系統的傳熱機理，如圖12所示。3種防冰系統的熱生成方法是不一樣的，電阻絲電熱膜通過電阻絲產生熱量，沒有電阻絲的區域無熱源，熱量來源于介質傳輸，如圖12（a）所示。石墨烯電熱膜整片作為熱源，如圖12（b）所示。等離子體激勵器的熱量是壁面附近的空氣放電產生，如圖12（c）所示。

圖12 防冰傳熱機理示意圖Fig. 12 Schematic diagram of anti-icing heat transfer mechanism

圖12中水滴1和水滴2表示在電極附近的過冷水滴，水滴3表示離電極較遠的過冷水滴。當過冷水滴撞擊防冰系統表面時，對于電阻絲電熱膜來說，水滴1和水滴2不僅要直接吸收熱源的熱量，還要吸收熱源傳遞到電阻絲間隙的熱量。這將導致電阻絲電熱膜表面無熱源區域的熱量迅速下降。因此，當水滴3撞擊電阻絲電熱膜表面時，剩余的熱量不足以將其加熱到0 ℃以上，導致電阻絲間隔處的凝固點很小，從而導致翼型前緣結冰。與電阻絲電熱膜不同，當過冷液滴撞擊石墨烯電熱膜表面時，所有的液滴都能直接從熱源吸收熱量，因為表面所有的點都是熱源。因此，在表面平均溫度較低的情況下，石墨烯電熱膜也能達到較好的防冰效果。等離子體激勵器的熱源分布類似于電阻絲電熱膜，但由于壁面附近空氣的快速加熱形成了熱氣膜，水滴3還可以從熱氣膜中吸收熱量，因而，仍然可以取得較好的防冰效果。

3 結 論

設計了等離子體激勵器、電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜3種防冰系統，并進行了防冰試驗。首先，利用電壓波形和電流波形分析了等離子體激勵的放電過程，驗證了放電功率與激勵頻率之間的線性關系。在此基礎上，調節等離子體激勵器的激勵電壓與頻率、電阻絲電熱膜與石墨烯電熱膜的輸入電壓，保持三者功率一致。在防冰試驗中，通過攝像機和熱成像儀記錄了防冰系統啟動至結束期間翼型表面結冰和溫度變化情況，得到了以下結論：

1）在相同功耗下，石墨烯和等離子體均能有效實現防冰。電阻絲電熱膜通過電阻絲產生熱量，沒有電阻絲的區域無熱源，其熱量來源于介質傳導，當無法提供足夠熱量時，翼型表面的最低溫度低于0 ℃易出現結冰。對于石墨烯電熱與電阻絲電熱，二者均為純電阻電路，因而在相同功率下產生的焦耳熱也是相同的，在防除冰效果上的差異主要是因為二者的結構差異使得熱量存在分配上的差異。石墨烯電熱膜整片作為熱源，盡管在防冰過程中平均溫度最低，但能夠有效維持翼型表面最低溫度在0 ℃以上。等離子體激勵器產生的熱量來源于高電壓條件下近壁面的空氣放電，既提升了翼型表面溫度，也提升了周圍空氣溫度，因而在壁面附近空氣的快速加熱形成的熱氣膜，有效維持了翼型表面等離子體激勵區域較高的溫度。

2）防冰過程中，翼型前緣是最難防冰的，因此防冰裝置的設計應使大部分熱量集中在機翼前緣。此外，熱源分布應盡可能均勻，以保證每個點產生的熱量加熱來流（如石墨烯電熱膜），而不是依賴附近的熱源（如電阻絲電熱膜），合理的能耗分配對防冰和節能具有重要的意義。