摘 要 本文通過介紹國外電脈沖除冰技術(shù)發(fā)展情況，以及國內(nèi)相關(guān)單位的前期研究情況，提出了電脈沖除冰系統(tǒng)總體設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了主要研究內(nèi)容，對電脈沖除冰技術(shù)研究具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞 電脈沖除冰 除冰線圈 PWT公司 脈沖力

一、引言

目前飛機(jī)的前緣縫翼、尾翼、發(fā)動機(jī)、風(fēng)擋等部件廣泛采用熱氣防冰、周期氣囊式除冰、電熱防除冰技術(shù)。熱氣防冰和電熱防除冰，在除冰時將消耗大量的能量。不管是熱氣防冰消耗的引氣量還是電熱防除冰消耗的電量，最終消耗的都是燃油，同時會給發(fā)動機(jī)造成代償損失。此類防除冰系統(tǒng)在工作時將消耗幾十甚至幾百千瓦的能量。如此龐大的數(shù)值，使得飛機(jī)在進(jìn)行總體設(shè)計時，不得不對發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)提出額外的要求（尤其是無人機(jī)）。對于周期氣囊式除冰技術(shù)，雖然其消耗能量較小，但是由于外露的橡膠易老化及工作時改變飛機(jī)氣動外形等原因，在國外僅用于支線飛機(jī)，并未用于主流干線飛機(jī)。因此，許多國家一直在尋求一種高效安全的防除冰方法來解決目前的防除冰系統(tǒng)耗能過大的突出矛盾。

國外研究表明，電脈沖除冰系統(tǒng)的重量輕，除冰效果良好，可靠性高，系統(tǒng)工作時對飛機(jī)氣動性能無影響。系統(tǒng)無運(yùn)動機(jī)件，維護(hù)工作量小。主要優(yōu)點(diǎn)在于功耗低：全機(jī)除冰時的總耗電量約在l千瓦以下。上述優(yōu)點(diǎn)是熱氣防冰系統(tǒng)、電熱防除冰系統(tǒng)、周期氣囊式除冰系統(tǒng)所不具備的。因此，它的市場應(yīng)用前景廣闊，受到了美、俄等航空強(qiáng)國的高度關(guān)注。

二、國外電脈沖除冰技術(shù)發(fā)展情況

俄羅斯的“脈沖”跨行業(yè)技術(shù)推廣中心——PWT公司，是從事電脈沖技術(shù)研究和產(chǎn)品設(shè)計的最早企業(yè)之一。早在二十世紀(jì)六十年代該公司就開始電脈沖除冰系統(tǒng)的理論和試驗研究。俄羅斯在大型運(yùn)輸機(jī)伊爾-76、大型客機(jī)伊爾-86、96和別-200上已經(jīng)安裝使用了PWT公司生產(chǎn)的電脈沖除冰系統(tǒng)。

美國國家航空航天局在二十世紀(jì)八十年代對電脈沖除冰系統(tǒng)開展了系列研究。形成了一系列的成果，如：低壓電脈沖除冰技術(shù)，超薄除冰線圈（厚度2mm，可以內(nèi)嵌于機(jī)體蒙皮），數(shù)字計算仿真軟件、復(fù)合材料應(yīng)用電脈沖除冰技術(shù)等。同時進(jìn)行了大量的地面試驗和空中飛行驗證試驗。

三、國內(nèi)電脈沖除冰技術(shù)簡介

國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢航空儀表有限責(zé)任公司等單位從2000年以來對電脈沖除冰技術(shù)開展了研究。目前停留在理論研究的定性研究階段，理論模型未得到試驗驗證，還不能指導(dǎo)工程實際應(yīng)用，定量研究尚未開展。最主要的表現(xiàn)是除冰線圈不能自主設(shè)計，制約了電脈沖除冰技術(shù)在我國的發(fā)展。

四、電脈沖除冰系統(tǒng)設(shè)計方法

按照新研技術(shù)“V”型設(shè)計流程，電脈沖除冰系統(tǒng)的設(shè)計需要經(jīng)歷理論建模、樣機(jī)制造、試驗驗證三個過程，第一階段主要解決的問題是驗證仿真模型的正確性，在獲得最佳仿真模型后，可以針對給定機(jī)翼參數(shù)對電脈沖除冰系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計，獲得除冰線圈的設(shè)計參數(shù)及系統(tǒng)的工作參數(shù)，減少迭代次數(shù)，縮短研制周期。第二階段主要解決電脈沖除冰系統(tǒng)的工程應(yīng)用問題，重點(diǎn)關(guān)注疲勞和安全性研究。按照以上思路，下文提出了電脈沖除冰系統(tǒng)的總體研究方法和主要研究內(nèi)容。

1、總體研究方法

電脈沖除冰系統(tǒng)的總體研究方法如圖1所示：

圖1 研究方案路線圖

首先，通過理論研究，建立電脈沖除冰系統(tǒng)的仿真模型，分析電路元器件參數(shù)，確定蒙皮表面不均勻脈沖力的分布，數(shù)值仿真系統(tǒng)最終的除冰效果，利用仿真數(shù)據(jù)提出除冰線圈的設(shè)計方案。

其次，制造除冰線圈，設(shè)計電脈沖除冰系統(tǒng)控制部分原理樣機(jī)，利用典型翼形研究系統(tǒng)關(guān)鍵器件與機(jī)翼的最佳適配方法，并開展相關(guān)試驗研究，驗證仿真模型的正確性。隨后，開展疲勞試驗方法研究與系統(tǒng)安全性分析。最終，完成飛機(jī)電脈沖除冰系統(tǒng)的技術(shù)研究。

2、主要研究內(nèi)容

（1）建立電脈沖除冰系統(tǒng)理論仿真模型

電脈沖除冰系統(tǒng)的理論研究包括電路、電磁場、結(jié)構(gòu)動力學(xué)與除冰效果這四方面。其中，前一項研究獲得的結(jié)果為后續(xù)工作提供分析基礎(chǔ)。仿真分析的流程如圖2所示。

通過建立有效的系統(tǒng)仿真模型，可以仿真機(jī)翼段在系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)（如電脈沖線圈匝數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、電容和電感值、充電電壓大小、線圈與蒙皮間隔、蒙皮材料和厚度等）變化情況下的不同除冰效果，從而指導(dǎo)除冰線圈和原理樣機(jī)控制部分的設(shè)計。

圖2 仿真建模流程圖

（2）除冰線圈與機(jī)翼的最佳適配方法

目前適配方式有除冰線圈固定在安裝于機(jī)翼肋板之間的橫梁上，或采用內(nèi)嵌于機(jī)翼蒙皮的兩種形式。需要通過仿真模型，尋找出最佳的除冰線圈的布點(diǎn)位置，然后根據(jù)此位置選擇合適的安裝方法，并通過試驗驗證，從而獲得除冰線圈與機(jī)翼的適配結(jié)構(gòu)及安裝形式。

（3）試驗驗證

試驗驗證系統(tǒng)由利用仿真結(jié)果設(shè)計的除冰線圈、原理樣機(jī)控制部件和機(jī)翼段三部分組成。通過改變電容值、充電電壓大小、線圈與蒙皮間隔、工作模式等參數(shù)進(jìn)行全面結(jié)構(gòu)受力試驗，獲得蒙皮受力數(shù)據(jù)，對比試驗測量數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)的差異，確定仿真模型的正確性（否則優(yōu)化仿真模型）。上步工作結(jié)束后，進(jìn)行冰風(fēng)洞除冰試驗，獲得蒙皮除冰效果數(shù)據(jù)，對比試驗數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)的差異，確定仿真模型的正確性（否則優(yōu)化仿真模型）。

（4）疲勞試驗方法研究

電脈沖除冰系統(tǒng)中需要進(jìn)行疲勞分析的關(guān)鍵部件為機(jī)翼蒙皮、安裝支架、固定鉚釘?shù)?。常見的疲勞試驗方法包括名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法與損傷容限法。在分析研究中，建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，并對此結(jié)構(gòu)加載單脈沖、周期性脈沖、不規(guī)則脈沖等載荷，分別采用三種疲勞試驗方法研究關(guān)鍵部件的疲勞壽命，再進(jìn)行對比、分析與總結(jié)，獲取最佳適用于樣機(jī)的疲勞試驗方法。最后通過典型結(jié)構(gòu)的疲勞試驗，反復(fù)驗證分析的合理性，利用理論研究與試驗建立關(guān)鍵部件的應(yīng)力-壽命曲線。

（5）電脈沖除冰系統(tǒng)安全性分析與研究

進(jìn)行電脈沖除冰系統(tǒng)的功能危害性分析，明確地識別每種失效狀態(tài)對飛機(jī)的影響，生成電脈沖除冰系統(tǒng)的故障模式及影響分析清單，作為后續(xù)初步安全性分析的要求和基礎(chǔ)。主要目的是：針對電脈沖除冰系統(tǒng)原理樣機(jī)的功能構(gòu)成、特點(diǎn)等進(jìn)行故障樹分析，從而提出原理樣各功能模塊的失效概率，并進(jìn)行工程優(yōu)化方案設(shè)計，為后續(xù)工程研究奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

本方法主要通過建立數(shù)學(xué)模型獲得電脈沖除冰系統(tǒng)仿真軟件，然后經(jīng)過反復(fù)迭代方式用試驗驗證仿真模型的正確性，解決除冰線圈設(shè)計與布點(diǎn)難題、獲得系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，達(dá)到理論研究指導(dǎo)工程實際應(yīng)用的目的。然后通過研究系統(tǒng)疲勞試驗方法及開展安全性分析與評估工作，可以解決重點(diǎn)關(guān)注問題：系統(tǒng)長期工作對機(jī)體結(jié)構(gòu)影響和系統(tǒng)的安全性指標(biāo)，從而獲得系統(tǒng)工程樣機(jī)的設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：國防科工局軍工項目審核中心評審一處）