通用飛機液體防冰系統簡介

龍濤 李佳望 王利霞 李春麒 譚弘揚

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司 安徽蕪湖 241000）

近年來，我國通航產業蓬勃發展，通用飛機數量大大增加。但時至今日，因結冰現象而導致的通用飛機飛行故障和事故屢禁不止，嚴重影響著飛行安全。據美國聯邦航空管理局（FAA）飛行安全部的統計，1990—2000年期間，由于結冰引起的事故多達388起。2003—2008年之間，又有380 起事故與結冰有關。飛機結冰后，不但增加了飛機的重量，而且破壞了飛機的氣動外形，因而使阻力增加，飛機操縱性、穩定性下降。因此，研究通用飛機的防冰系統是一項刻不容緩的任務。

1 背景

2020年初，一架隸屬于海航宜昌航校的教練機在返航途中因結冰墜毀在湖北長陽，事故導致1 名教練和2 名學員在內的3 人遇難。通用飛機在結冰氣象條件下飛行時，在飛機機翼前緣、發動機進氣道和壓氣機葉片上、渦輪螺旋槳發動機的螺旋槳槳葉上、駕駛艙風擋玻璃上，以及在測溫、測壓的各種傳感儀器探頭上常常會遇到結冰的現象［1］。

1.1 引起通用飛機結冰的原因

通用飛機一般在10km以下高度飛行，當在負溫云層中飛行時，可能在飛機表面發生結冰的現象，即通用飛機在大氣中飛行，只要同時遇到水分和負溫兩個條件，就會結冰［2］。根據結冰時的具體情況，通用飛機結冰方式主要有3種：第一，大氣中的過冷水滴撞擊通用飛機表面并在其上凍結；第二，大氣中的氣態水（即水蒸氣）不經過液態相而直接凍結在通用飛機上；第三，通用飛機在熱帶地區飛行時，如果遇到冰晶云（由冰晶體組成的云），冰晶體會沉積到通用飛機表面上而引起結冰［3］。

1.2 結冰對通用飛機飛行的影響

機翼和尾翼結冰，會引起翼型阻力增加，升力下降，臨界攻角（失速攻角）減小，飛機操縱性和穩定性惡化。發動機進氣道及進氣部件結冰，會減小進氣道面積，同時也減小了壓氣機每相鄰葉片間的空氣流通面積，使進入發動機的空氣流量減少，因而使動機功率下降，嚴重時可導致發動機停車。螺旋槳為高速旋轉部件，結冰情況與機翼有相同之處，有時甚至比機翼還嚴重。駕駛艙正面風擋玻璃結冰或出現霧氣時，會降低玻璃的透明度，使目測飛行變得十分困難，不利飛機的起飛和著陸?？账俟芎蜏y溫測壓探頭結冰，會導致輸入參數的誤差或錯誤，這將會使儀表或數字顯示失真，因而隱含著種種不安全因素［4］。

1.3 通用飛機防冰系統現狀

根據防冰所采取能量形式的不同，可分成機械防冰系統、液體防冰系統和電熱防冰系統［5］。較多的大飛機都設有防冰系統，例如，Y-12、新舟60采用機械除冰系統，直20采用電熱防冰系統。少量的通用飛機設有防冰系統，例如，鉆石DA42采用了液體防冰系統。

2 通用飛機液體防冰系統的組成

液體防冰系統可以連續地或周期地向防冰表面噴射工作液體，要求工作液體凝結溫度低，與水混合性能好，與防冰表面附著力強，對防冰表面沒有化學腐蝕作用、無毒及防火性能好等。目前，使用的防冰液有甲醇、乙醇（酒精）、乙烯乙二醇等［6］。

2.1 機械部分

除冰液箱安裝在飛機右側前行李艙，除冰液箱的加液口處設計了一個入口過濾網，入口過濾網能很好控制加入除冰液箱的除冰液的潔凈度。除冰液箱由聚乙烯材料制成，容積為30L，為整個液體除冰系統儲存除冰液。

兩個主泵安裝在除冰液箱的下面，為整個除冰系統的除冰液提供流動的動力，能將除冰液箱的除冰液泵至飛機除冰的多孔面板、噴液管和噴液桿。主泵有兩個出液口，一個供給機身除冰系統，另一個供給風擋除冰系統。

位于右側行李艙的主泵泵出除冰液箱的除冰液，流經高壓傳感器，經左側行李艙過濾器過濾，形成機身除冰主流。機身除冰主流到達中翼控制臺下的主分流器，經主分流器分成3個支流，第一支流去往尾翼除冰系統，第二支流去往左側機翼和螺旋槳，第三支流去往右側機翼和螺旋槳。第一支流的除冰液到達垂直尾翼上的一個分流組件時，分流組件又將垂尾部分的除冰管路分為3 個支流，分別為垂直尾翼前緣多孔面板支流、水平尾翼左側多孔面板支流、水平尾翼右側多孔面板支流，除冰液由多孔面板的毛細孔流出，在空氣動力的作用下鋪滿整個機身尾部。在各自的多孔面板前部有一個低壓傳感器，用來判斷尾部的系統壓力是否充足和流出的除冰液量是否足夠。第二支流、第三支流的除冰液達到發動機機艙的一個分流組件時，分流組件將除冰管路分為3個支路，一路去往螺旋槳噴管，噴管流出的除冰液在螺旋槳轉動時，由離心力將除冰液甩至每片螺旋槳槳葉；另兩路分別去往機翼內側和外側多孔面板，除冰液由多孔面板的毛細孔流出，在空氣動力的作用下鋪滿整個機翼，如圖1所示。

圖1 液體除冰系統流經路徑

擋風除冰的兩個泵位于左側前行李艙，兩泵并聯在一起，相互作為備用泵，防止系統失效。風擋泵的除冰液來源接口由主泵提供，與除冰液箱沒有直接連接。風擋玻璃的噴液桿位于風擋玻璃前方，除冰液經風擋泵流至噴液桿，從噴液桿的毛細孔流出，由空氣動力將除冰液鋪滿整個風擋。

除冰系統在機翼前緣、垂直尾翼前緣、水平尾翼前緣粘有經激光打孔的多孔面板，在螺旋槳根部有噴液管，在擋風玻璃前緣有多孔噴液管。多孔面板、噴液管、多孔噴液管是除冰液的最終輸出組件。

高壓傳感器在連接左行李艙與右行李艙的管路上，當過濾器堵塞時，會造成系統管路壓力增大，高壓傳感器會報警，從而提醒過濾器需要更換。

機身除冰系統的過濾器安裝在左行李艙，保證著流入機身系統的除冰液的潔凈度。

2.2 電子部分

除冰系統的控制組件在儀表面板的右側，由3 個開關、2個按鈕組成（見圖2）。

圖2 液體除冰系統儀表面板上的控制組件

OFF、NORM、HIGH 開關有3個狀態。OFF 為系統關閉狀態。NORM 為2 個主泵同時工作30s、暫停90s的循環狀態，在該狀態下，系統最長工作時間為2.5h，在飛行中使用該狀態，一般為結冰前期或開始結冰時。HIGH 為2 個主泵一直工作狀態，在該狀態下，系統最長工作時間為1h，在飛行中遇到較少結冰時可選用該狀態。

對于MAX 按鈕，當開關位于HIGH 位置時，按下MAX 按鈕，可使所有泵同時工作。該狀態下，系統單次工作時長為2min，系統最長工作時長為30min，飛行中遇到嚴重結冰時可使用該狀態。

PUMP1/PUMP2開關能選擇2個主泵和2個風擋泵中的其中之一來為除冰系統工作。當開關位于HIGH位置時，選擇PUMP1 狀態，主泵1 工作，主泵2 備用。當開關位于HIGH位置時，選擇PUMP2狀態，主泵2工作，主泵1備用。

WINDSHIELD按鈕能每次激活被選的擋風玻璃泵1或擋風玻璃泵2持續工作5s，使除冰液從擋風玻璃前方的多孔噴管噴向擋風玻璃。不管OFF、NORM、HIGH 開關位于哪一個位置，都不影響風擋泵工作。WINDSHIELD按鈕還有排出除冰系統的空氣的作用。

ALTERNATE 開關將主泵2 直接連接到了右側匯流條，用來防止在左側匯流條失效的情況下也能使除冰系統在HIGH模式下工作。

ICE LIGHT、ANNUN-TEST 開關控制除冰燈和測試功能。ICE LIGHT 能點亮除冰燈，在夜間飛行時便于飛行員觀察飛機結冰情況。ANNUN-TEST 有測試除冰液箱低液位傳感器和系統低壓傳感器的作用。

3 通用飛機液體防冰系統的應用

3.1 制造生產

3.1.1 多孔面板安裝

多孔面板分別位于機翼、尾翼前緣，多孔面板由經激光打孔的鈦合金薄板制成，如圖3所示。在制造中，通常使用膠粘劑直接將多孔面板粘在機翼、尾翼前緣，如圖4 所示。先將多孔面板的位置在機翼、尾翼前緣定好，然后處理粘接的表面，最后打上膠粘劑將多孔面板粘接在機翼、尾翼前緣，并用綁帶將多孔面板張緊、固定。等待膠干后，清除多余殘膠，用膠補齊多孔面板與機翼、尾翼前緣之間的間隙。

圖3 多孔面板結構

圖4 粘接多孔面板

3.1.2 制作鋪設管路

防冰系統的管路有著連接系統各組件和運送除冰液的重要作用，管路由尼龍材料制成。管路連接時，需要制作管路接頭。首先選用與管路直徑相對應的工裝，然后在工裝上依次裝好管路、壓接頭、管路接頭，最后使用扳手將壓接頭壓接在管路上即可。

在鋪設管路時，根據鋪設路徑的不同，有時需要將管路彎制成特定的形狀，彎曲半徑需要滿足相應的要求，如果管路彎曲半徑小于最小彎曲半徑，會造成管路的損壞。

3.1.3 液體防冰系統測試

泵組件完成組裝后，在裝上飛機之前需要進行密封性測試。測試步驟完全模擬了飛機防冰系統的工作過程，以便檢查泵組件的連接點有無泄漏、各個泵是否運行正常、各支路流通情況是否符合要求，如圖5 所示。完成整機的液體防冰系統的組裝后，需要對整機液體防冰系統進行測試，將防冰系統中的所有部件按照測試要求運行，以便檢查整個液體防冰系統有無泄漏，多孔面板、多孔噴管、螺旋槳出液管出液量是否正常，如圖6所示。

圖5 泵組件密封測試

圖6 測試整機液體防冰系統

3.2 保養維護

3.2.1 多孔面板維護

當飛機需要長期停放在有大量灰塵的環境下時，應使用低粘度膠帶保護多孔面板。常用的膠帶有蘇格蘭膠帶2517型號和3M保護膠帶7007AB型號，粘度過高的膠帶遺留的殘膠會堵塞多孔面板。當多孔面板需要清潔時，規定允許使用的清潔劑有肥皂水、除冰液、丙二醇、航空汽油、航空煤油、乙醇、工業甲醇，不能使用規定以外的清潔劑，其他的清潔劑可能會損壞多孔面板，造成多孔面板堵塞。同時，應注意多孔面板的受熱溫度不能超過82℃。

3.2.2 常見故障排除

多孔面板少部分區域不出液，表現為在飛機液體防冰系統工作時多孔面板的一些區域沒有除冰液流出，導致飛機不能充分地發揮防冰效果?？赡艿脑蛴羞^濾器使用時間較長被雜質堵塞、管路被外來雜質堵塞、系統管路中有空氣滯留、多孔面板被雜質堵塞等。常見的解決辦法有更換過濾器、維護疏通管路、排出系統中多余的空氣、維護清潔多孔面板等。

管路泄漏表現為在飛機液體防冰系統工作時，管路的連接處有除冰液泄漏，對飛行產生安全隱患?？赡艿脑蛴泄苈废鹉z密封圈損壞、管路裝備應力過大影響了密封性、壓接頭沒壓接好、管路接頭松動等。常見的解決辦法有更換橡膠密封圈、消除管路裝配應力、重新壓接管路、適當擰緊管路接頭等。

4 結語

通過對通用飛機結冰原因的研究，說明了通用飛機液體防冰系統的組成，分析了液體除冰系統在制造、維護中的具體應用。通過對通用飛機液體防冰系統的簡述，了解了液體防冰系統在通用飛機防冰中的重要作用。