諶廣昌，紀(jì)雙英，趙文明，益小蘇,

(1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016) (2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 蜂窩及芯材事業(yè)部，北京 101300) (3.北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引 言

直升機(jī)旋翼槳葉結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)氣動(dòng)外形變壞、升力減小、振動(dòng)水平增加、迫降能力降低等一系列不利影響[1-2]。國(guó)外對(duì)飛機(jī)防除冰技術(shù)和結(jié)冰原理的研究始于20世紀(jì)20年代，但直到20世紀(jì)70年代才獲得了實(shí)質(zhì)性的突破，而且掌握核心技術(shù)的只有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等少數(shù)國(guó)家[3]。國(guó)內(nèi)，出于新型號(hào)的研發(fā)需要，近年來(lái)也開(kāi)始對(duì)旋翼系統(tǒng)防除冰技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要研究方向?yàn)閭鹘y(tǒng)的電熱防除冰，即通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)預(yù)埋在槳葉內(nèi)部的加熱元件進(jìn)行連續(xù)或間歇性加熱來(lái)阻止葉片結(jié)冰。加熱元件是電熱防除冰系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式是多樣的。例如，黑鷹直升機(jī)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(guó)GKN宇航公司制造的將液態(tài)金屬噴涂到玻璃纖維織物上形成的導(dǎo)電層[5]；而Goodrich公司采用刻蝕法制備的金屬加熱片、加熱網(wǎng)，已經(jīng)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(duì)抗疲勞性和輕質(zhì)化性能要求的不斷提高，電加熱這項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)依舊長(zhǎng)盛不衰，但進(jìn)一步的研究仍集中于最優(yōu)化加熱面積分布、加熱元件的抗疲勞、輕質(zhì)化、柔韌化以及傳熱分析[6-9]等方面。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)。最重要的是，對(duì)于這種多網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)即使局部產(chǎn)生破壞點(diǎn)也不會(huì)影響加熱墊整體的加熱效果。

本文通過(guò)編織加熱網(wǎng)，結(jié)合現(xiàn)有的復(fù)合材料成型工藝，制備出滿足設(shè)計(jì)要求、性能可靠的電加熱試驗(yàn)件，并對(duì)其電性能、力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)室除冰效果進(jìn)行測(cè)試，以期為國(guó)產(chǎn)直升機(jī)防除冰的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)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(huán)境下受拉伸和壓縮應(yīng)變時(shí)應(yīng)變靈敏度系數(shù)相差較少，故本文采用它來(lái)制備加熱元件。制備好的加熱元件要轉(zhuǎn)移到膠膜層上以防止變形。絕緣層采用玻璃纖維預(yù)浸料制成，氮化硼顆粒作為導(dǎo)熱顆粒添加在預(yù)浸料層間用于提高導(dǎo)熱效率。試驗(yàn)原材料如表1所示。

表1 原材料

1.2 主要設(shè)備

紅外熱成像儀用于測(cè)試加熱墊的電性能，穩(wěn)壓電源和數(shù)顯計(jì)時(shí)器用于測(cè)試加熱墊的實(shí)驗(yàn)室除冰效果，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用于測(cè)試力學(xué)性能。主要設(shè)備信息如表2所示。

表2 主要設(shè)備

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 加熱墊的分區(qū)方案設(shè)計(jì)

直升機(jī)主旋翼槳葉防除冰系統(tǒng)為周期電熱除冰系統(tǒng)，即采用分區(qū)加熱方式[10]。分區(qū)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(qū)布置形式均有應(yīng)用，其中展向分區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省需用功率但制造工藝相對(duì)復(fù)雜，而弦向分區(qū)的功率明顯比展向分區(qū)的功率高，但加熱元件分布和控制簡(jiǎn)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(jù)歐姆定律可知，電阻R≤4.5 Ω。而電阻的計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ為物質(zhì)的電阻率，單位為Ω·m；L為長(zhǎng)度，單位為m；S為截面積，單位為m2。

若該槳葉的分區(qū)方案采用弦向分區(qū)，則電阻絲的長(zhǎng)度將大于等于葉片長(zhǎng)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(shè)共分6個(gè)加熱區(qū)域，以上數(shù)據(jù)為槳葉物理尺寸)，假設(shè)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(jì)算，若使R≤4.5 Ω，則H≥0.18 mm。如此厚的加熱元件無(wú)論是隨形性還是粘貼性均會(huì)存在問(wèn)題。另外，目前工業(yè)上使用的電加熱元件多采用刻蝕方法，受限于設(shè)備尺寸，制作長(zhǎng)度6 800 mm這種超長(zhǎng)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(shù)將多片加熱片進(jìn)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?yàn)檫^(guò)熱而出現(xiàn)問(wèn)題，可靠性無(wú)法保證。綜上所述，采用弦向布置方案無(wú)論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qū)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(tǒng)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(qiáng)度、耐疲勞特性等機(jī)械性能，還應(yīng)能夠良好地嵌入在復(fù)合材料機(jī)翼內(nèi)。本文采用的加熱元件為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)狀加熱元件示意圖

該金屬網(wǎng)采用手工編織而成。編織方向?yàn)椤?5°。編織尺寸為216 mm×1 133 mm，該尺寸為槳葉的1個(gè)加熱分區(qū)的尺寸。網(wǎng)狀加熱元件的總體及局部細(xì)節(jié)圖分別如圖3～圖4所示。所采用的金屬絲為連續(xù)的鎳鉻合金細(xì)絲，通過(guò)電熱設(shè)計(jì)，確定細(xì)絲直徑為0.1 mm，網(wǎng)格邊長(zhǎng)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(gè)短邊，最后將所有的端頭與兩端的銅片進(jìn)行焊接。為了操作簡(jiǎn)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(jiǎn)單的搭接方式，這使得整個(gè)金屬網(wǎng)在沿長(zhǎng)度方向受力時(shí)很容易變形。為了確保金屬網(wǎng)在后續(xù)的操作過(guò)程中具有較好的工藝性，編織完成后的金屬網(wǎng)要及時(shí)轉(zhuǎn)移到FM73M膠膜上，以防止金屬網(wǎng)變形。即便如此，在金屬網(wǎng)的局部區(qū)域，尤其是邊緣區(qū)域仍然存在網(wǎng)格變形的情況(如圖4所示)。

圖3 制備的金屬絲網(wǎng)

圖4 網(wǎng)狀加熱元件局部細(xì)節(jié)圖

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

3 加熱墊相關(guān)性能測(cè)試與分析

3.1 電熱性能

采用紅外熱成像儀對(duì)制備的加熱墊進(jìn)行電性能測(cè)試，輸入電壓115 V，加熱時(shí)間14 s。電加熱墊的溫度-時(shí)間變化曲線如圖5所示，可以看出：加熱墊表面溫度由24達(dá)到60 ℃以上，升溫速率達(dá)到了2.5 ℃/s，面內(nèi)(260 cm×120 cm)溫度差異小于2 ℃；A、B面的區(qū)別為A面未進(jìn)行導(dǎo)熱功能處理，B面進(jìn)行了導(dǎo)熱功能處理，即添加了氮化硼導(dǎo)熱顆粒，A面和B面的最高溫度點(diǎn)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(guò)程緩慢，這一特點(diǎn)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(guò)程中的紅外成像圖如圖6所示，可以看出：網(wǎng)狀電阻絲先熱起來(lái)，隨后加熱整個(gè)絕緣面，達(dá)到溫度的均勻化，其中根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度測(cè)試得到各點(diǎn)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(xué)性能

為了考察加熱墊中電熱絲的加入對(duì)復(fù)合材料性能的影響程度，對(duì)加熱墊的基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(guò)程中為了保證工藝實(shí)施方便在中間加了一層膠膜的緣故，后續(xù)若加熱網(wǎng)編織技術(shù)成熟，可以去掉該層膠膜；壓縮強(qiáng)度與正常值相當(dāng)，表明加熱組件的加入并沒(méi)有降低復(fù)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(cè)試

為了考核加熱墊的除冰效果，首先在加熱墊的表面進(jìn)行人工結(jié)冰，結(jié)冰效果如圖7所示。

結(jié)冰后的加熱墊迅速與電路連接，進(jìn)行試驗(yàn)。受條件限制，結(jié)冰試驗(yàn)在冰箱中進(jìn)行，加熱過(guò)程中加熱墊仍放置在冰箱內(nèi)，但為了便于觀察，冰箱門(mén)出于打開(kāi)狀態(tài)。試驗(yàn)設(shè)定輸入電壓為200 V，加熱時(shí)間為6 s，接通電源對(duì)加熱墊進(jìn)行加熱，并觀察加熱墊表面狀態(tài)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在加熱墊剛停止加熱時(shí)，加熱墊上已經(jīng)有薄冰層開(kāi)始融化，并有水滴形成。而在冰層較厚的區(qū)域，雖然冰層并未消融，但是冰層與加熱墊之間已經(jīng)形成一層水膜，如圖8所示。

圖8 加熱墊除冰效果

在直升機(jī)旋翼工作時(shí)，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(zhuǎn)的過(guò)程中，冰塊就會(huì)被甩出，從而達(dá)到除冰效果。故通過(guò)試驗(yàn)可以看出，該加熱墊基本可以達(dá)到除冰效果。

4 結(jié) 論

(1) 采用直徑為0.1 mm的細(xì)鎳鉻金屬絲，編織成孔眼大小為6 mm的金屬網(wǎng)作為加熱元件，其功率密度可達(dá)3 W/cm2，而且具有隨形性好、加熱面均勻、易于鋪放等特點(diǎn)，即使局部產(chǎn)生破壞點(diǎn)，這種多網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)也不會(huì)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(yàn)室除冰效果試驗(yàn)中除冰效果良好。在電壓200 V，加熱時(shí)間6 s時(shí)，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(shí)，加熱墊表面溫度由24達(dá)到60 ℃，溫升為34 ℃，面內(nèi)(260 cm×120 cm)溫度差異小于2 ℃。經(jīng)過(guò)導(dǎo)熱功能處理和未進(jìn)行導(dǎo)熱功能處理的加熱面的最高溫度點(diǎn)分別為62.36和60.79 ℃，相差1.57 ℃。