鄭 碩 倪芳原

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

飛機(jī)外表面防除冰專利技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

鄭 碩 倪芳原

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

隨著國家“十一五”大飛機(jī)項(xiàng)目確定，與之相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究也開始提上日程，其中，防除冰技術(shù)就是大飛機(jī)研制中不可跨越的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。飛機(jī)結(jié)冰是飛行事故最重要的原因之一，因此，進(jìn)一步增加在飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)的研究投入，對提高飛行安全具有廣泛且深遠(yuǎn)的意義。

防除冰；專利技術(shù)；飛機(jī)外表面

飛機(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)機(jī)體表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象，它主要由云中過冷水滴或降雨中的過冷雨碰到飛機(jī)機(jī)體后凝固形成的，也可由水汽直接在機(jī)體表面凝華而成。只要有適當(dāng)?shù)目諝鉂穸?，?℃時(shí)就會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。飛行結(jié)冰是一種嚴(yán)重危害，它破壞了飛機(jī)表面的光滑流場，增加飛行阻力，降低了飛行控制的可靠性及飛機(jī)的升力。因此，研究飛機(jī)防除冰對飛機(jī)尤其是大型運(yùn)輸機(jī)研制、飛行安全具有重要意義。

1 飛機(jī)外表面除防冰概述

1.1 飛行器外表面防除冰的主要部位

為保證飛行安全，降低結(jié)冰事故的發(fā)生，通常會在飛機(jī)上安裝冰防護(hù)系統(tǒng)。以C-130多用途戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)為例，大型飛機(jī)的防除冰部位主要包括：機(jī)翼和水平尾翼、垂直尾翼前緣、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、整流罩等氣動面、風(fēng)擋、艙蓋等透明面以及空速管等大氣數(shù)據(jù)探測裝置的表面（見圖1）。對于大型運(yùn)輸機(jī)，安裝在機(jī)頭或機(jī)身腹部、側(cè)部、上部及機(jī)翼翼尖等位置處的各種天線罩也是需要重點(diǎn)進(jìn)行防除冰的部位［1］。根據(jù)不同防除冰的位置和類型，使用的除冰方式也各不相同。

圖1 大飛機(jī)的主要防除冰部位示意圖

1.2 飛機(jī)外表面防除冰國內(nèi)外發(fā)展概況

1.2.1 全球及國內(nèi)專利申請隨年代變化趨勢。飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)領(lǐng)域的全球及在華相關(guān)專利申請隨年代變化趨勢如圖2所示。

隨著航空業(yè)的發(fā)展，全球?qū)︼w機(jī)外表面防除冰方向的研究越來越重視，相關(guān)專利申請數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢。20世紀(jì)90年代以前，全球?qū)υ擃I(lǐng)域的研究仍較少，技術(shù)尚處于起步時(shí)期。隨后的近十年內(nèi)，技術(shù)產(chǎn)出的絕對數(shù)量不多。自2000年以來，全球?qū)＠暾埩勘３种焖僭鲩L的態(tài)勢，顯示了全球在飛機(jī)表面防除冰方向的快速發(fā)展及當(dāng)前大環(huán)境下愈來愈激烈的市場競爭。特別是2009年以后，專利申請量保持較高水平。相較于本領(lǐng)域在全球整體的發(fā)展?fàn)顩r而言，我國在此領(lǐng)域的研究起步較晚，現(xiàn)在處于蓬勃發(fā)展期，還有較大的發(fā)展空間。

飛機(jī)外表面防除冰自飛機(jī)誕生以來就貫穿飛機(jī)的研制過程，但直到20世紀(jì)80年代才將飛機(jī)外表面防除冰寫進(jìn)飛機(jī)適航法規(guī)中，成為適航取證必不可少的部分，系統(tǒng)的技術(shù)支持成形。而國內(nèi)在20世紀(jì)90年代初開始了運(yùn)十飛機(jī)的研制，這是該階段有少量的國外申請進(jìn)入中國的原因。

圖2 全球及國內(nèi)專利申請隨年代變化趨勢

1.2.2 飛機(jī)外表面防除冰方向國外概況。在基礎(chǔ)科學(xué)的支持下，美國和歐洲主要國家在飛機(jī)外表面防除冰方向上一直處于領(lǐng)先發(fā)展地位（見圖3）。飛機(jī)研制和制造的代表美國的波音公司、貝爾直升機(jī)，以及歐洲的空客公司在飛機(jī)外表面防除冰從早期的技術(shù)研發(fā)，已形成比較成熟的技術(shù)且達(dá)到實(shí)用階段。飛機(jī)維修等服務(wù)代表如美國的谷德里奇公司等老牌的航空服務(wù)公司在進(jìn)行飛機(jī)維修和提供其他解決方案過程中，掌握著解決飛機(jī)維修中遇到的具體問題的核心技術(shù)是其在全球范圍內(nèi)飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)領(lǐng)先的原因。

圖3 全球?qū)＠暾堉匾暾埲?/p>

1.2.3 飛機(jī)外表面防除冰方向國內(nèi)概況。筆者對國內(nèi)重要申請人進(jìn)行梳理和分析，如圖4所示。從國內(nèi)重要申請人排名情況來看，國內(nèi)申請人主要集中在高校和科研院所，少量集中在航空企業(yè)。高校申請還停留在理論分析階段，短時(shí)間內(nèi)難以做到產(chǎn)學(xué)結(jié)合。而科研院所的相關(guān)申請主要是為了解決當(dāng)時(shí)飛機(jī)型號設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中遇到的具體問題，和國外重要申請相比，防除冰研究還存在一定差距。而對航空企業(yè)而言，防除冰研究需要較大的試驗(yàn)和試飛成本，我國目前除了武漢航空儀表廠用于航空儀表試驗(yàn)的小型結(jié)冰風(fēng)洞外，沒有可以進(jìn)行翼型乃至全機(jī)全尺寸試驗(yàn)的結(jié)冰風(fēng)洞?？梢姡覈诮Y(jié)冰理論研究和試驗(yàn)研究方面長期落后于西方發(fā)達(dá)國家。即便是進(jìn)行硬件起點(diǎn)要求比較低的數(shù)值模擬，在結(jié)冰機(jī)理和結(jié)冰模型的建立方面長期以來也不得不依靠外國的研究成果。

盡管隨著企業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)意識的增強(qiáng)，國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)路線、技術(shù)研發(fā)模式及專利合作方式等方面已有一定突破，但上述差異仍表明：國內(nèi)申請人在專利保護(hù)方面比較薄弱，專利布局意識不強(qiáng)，難以有效支撐產(chǎn)業(yè)競爭。

圖4 國內(nèi)專利申請重要申請人

2 飛機(jī)外表面防除冰關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)作用機(jī)理不同，飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)主要分為飛機(jī)外表面防除冰的方式、飛機(jī)外表面結(jié)冰探測以及從飛機(jī)外表面結(jié)構(gòu)本身所進(jìn)行的防除冰改進(jìn)。

三大關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外專利申請趨勢比較如圖5、圖6、圖7所示。從圖中可以看出，雖然三大關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)專利申請量隨年代都呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的發(fā)展態(tài)勢，但其中飛機(jī)防除冰方式這一關(guān)鍵技術(shù)專利申請數(shù)量較多，技術(shù)發(fā)展相對成熟，也是目前國內(nèi)、外主要的研究方向。飛機(jī)防除冰方式是飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)，也是發(fā)展最早、發(fā)展路線最復(fù)雜的技術(shù)分支；而從飛機(jī)角度對飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行防除冰的改進(jìn)是全新技術(shù)進(jìn)展，其對技術(shù)復(fù)雜程度要求較高，因此僅限一些國際先進(jìn)的高校和科研院所；結(jié)冰探測器能給出飛機(jī)航行中結(jié)冰的信息，高性能結(jié)冰探測器還能定量給出結(jié)冰嚴(yán)重程度的信息，配合機(jī)載防除冰裝置，其起步較早，不斷發(fā)展出新的探測方式。

圖5 飛機(jī)防除冰方式專利申請趨勢

圖6 飛機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)專利申請趨勢

圖7 結(jié)冰探測專利申請趨勢

2.1 飛機(jī)外表面防除冰方式

目前，飛機(jī)外表面防除冰的研究主要涉及以下三種方式。通過輸送熱氣體或液體是發(fā)展較早的防除冰方式。通過輸送熱氣體防除冰本質(zhì)上是利用熱空氣加熱飛機(jī)部件的待防護(hù)表面，這種技術(shù)目前被應(yīng)用在Boeing 737/747/757，Airbus 319/320/340等系列大型客機(jī)以及CJ130等大型運(yùn)輸機(jī)上。

電熱防除冰方式是通過輸送熱氣體或液體除冰方式中申請最活躍的技術(shù)分支。電熱防除冰方式是利用電阻升溫防止表面結(jié)冰。在實(shí)際應(yīng)用中，由于能耗及安裝等原因，主要應(yīng)用于風(fēng)擋及空速管等部位。

機(jī)械防除冰方式是最早的防除冰方式。始于20世紀(jì)三四十年代的氣動帶除冰技術(shù)，曾在飛機(jī)上有較多應(yīng)用，但因膨脹管充氣時(shí)對飛機(jī)空氣動力學(xué)的影響較大，目前已使用得不多［2］。進(jìn)一步改進(jìn)的機(jī)械防除冰方式包括電脈沖、超聲波和壓電防除冰技術(shù)。

2.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)自身改進(jìn)

傳統(tǒng)的防除冰方式需要攝取外界能量，或者影響飛機(jī)的氣動外形，或者增加飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)起步晚，且屬于前沿科學(xué)，申請量并不大。該關(guān)鍵技術(shù)的突破口是飛機(jī)外表面材料，國際先進(jìn)的科研單位如麻省理工學(xué)院對熱翼技術(shù)和多孔表面液體滑移技術(shù)有較多研究成果，該技術(shù)不需要過多攝取外界能量，且基本上不影響飛機(jī)的氣動外形即可實(shí)現(xiàn)較好的防除冰效果，是未來飛機(jī)防除冰系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是國內(nèi)研究人員需要認(rèn)真研究和學(xué)習(xí)的防除冰方法［3］。

2.3 飛機(jī)外表面結(jié)冰探測

結(jié)冰探測器對飛行器安全飛行非常重要。但我國此類關(guān)鍵技術(shù)起步晚，且在2006年后才得到迅速發(fā)展。目前，技術(shù)發(fā)展相對活躍，處于技術(shù)發(fā)展期，國內(nèi)專利申請態(tài)勢與全球態(tài)勢保持基本一致，值得國內(nèi)企業(yè)及高校等科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注。

3 國內(nèi)飛機(jī)外表面防除冰領(lǐng)域發(fā)展建議

國內(nèi)外的發(fā)展側(cè)重點(diǎn)具有明顯不同。飛機(jī)結(jié)構(gòu)自身改進(jìn)和飛機(jī)結(jié)冰探測兩大關(guān)鍵技術(shù)，將是現(xiàn)代飛機(jī)防冰與除冰技術(shù)發(fā)展的主流。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)自身改進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)外都處于研究階段，這是國內(nèi)申請人在飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)中最大突破口。

隨著我國大飛機(jī)事業(yè)進(jìn)入適航審定的關(guān)鍵時(shí)期，國內(nèi)飛機(jī)外表面防除冰技術(shù)領(lǐng)域勢必需要較大發(fā)展和提升，我國應(yīng)該從以下方面加強(qiáng)飛機(jī)外表面防除冰領(lǐng)域發(fā)展。

①國家從政策層面制定相關(guān)規(guī)章制度，鼓勵(lì)行業(yè)發(fā)展；加大對飛機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)單位的投入，建設(shè)必要的實(shí)驗(yàn)硬件，提高對結(jié)冰理論研究和試驗(yàn)方面的研究。

②相關(guān)單位之間可以采取合作資源共享共同開發(fā)的模式，特別在技術(shù)和硬件設(shè)施上進(jìn)行聯(lián)合研究，也可嘗試消化利用國外的先進(jìn)技術(shù)，或者通過專利運(yùn)營的方式進(jìn)行自己的技術(shù)創(chuàng)新。

③可以考慮將飛機(jī)外表面防除冰的不同細(xì)分支的交叉點(diǎn)作為研發(fā)重點(diǎn)，進(jìn)而合理避開國外航空企業(yè)較為發(fā)達(dá)技術(shù)分支的發(fā)展壁壘。

［1］常士楠.大型飛機(jī)的防/除冰問題［C］.中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會，2013.

［2］王毅等.飛機(jī)機(jī)翼防除冰系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.河南科學(xué)，2012（9）：1246-1250.

［3］李清英.電脈沖除冰系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、理論與設(shè)計(jì)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

Analysis of the Patent Development of Ice Protection of Aircraft Outer Surface

Zheng Shuo Ni Fangyuan
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office,SIPO，Wuhan Hubei 430070）

With the establishment or the national 11th Five-Year large aircraft project,the related key technology research becomes rapid,ice protection is an important technological problem in large aircraft development.Aircraft icing is one of the most important reason for accident.Therefore,further research on the prevention and control of ice on the outer surface of aircraft has extensive and far-reaching significance for improving the safety of flight.

ice control；patented technology；outer surface of aircraft

G306

A

1003-5168（2017）07-0126-03

2017-06-01

鄭碩（1989-），女，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，研究方向：動力機(jī)械的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作；倪芳原（1989-），女，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，研究方向：動力機(jī)械的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查。（等同第一作者）