电脉冲除冰总结与展望

随着现代飞机对于高效、低能耗要求的提出，对于防/除冰也有了相应更高的要求，而电脉冲除冰技术以其具有结构简单、尺寸小、重量轻、能耗少、效率高及维修方便等显著优点，具有广泛的应用前景，是一种极具发展前途的飞机除冰方式。

今后，在电脉冲除冰脉冲电路、脉冲激励与除冰效果研究的基础上，针对影响电脉冲除冰效果的因素，如冰形、除冰部位、线圈安装位置等，进一步完善电脉冲除冰的设计流程;针对电脉冲除冰会产生电磁场这一现象，应论证电磁辐射干扰等是否会影响飞机的安全。

另外，研究复合材料在电脉冲除冰技术中的使用问题，以及与现有航空电子设备和电气系统的一体化问题都是未来需要考虑和研究的内容。

通过对国内外电脉冲除冰技术研究现状的整理，尤其是对国内研究现状的分析，可以发现，国内电脉冲除冰技术的研究起步较晚，还未完全掌握电脉冲除冰系统电动力学和结构动强度设计与分析方法、电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法、电脉冲除冰技术的动强度和疲劳强度验证试验方法以及电脉冲除冰系统的综合优化设计与评估方法等关键技术，在型号应用方面更是处于空白状态。

如要将电脉冲除冰技术应用于型号飞机上，则必须要解决在飞机上应用的关键技术，也是电脉冲除冰技术研究的难点与挑战。

电脉冲除冰技术研究的难点之一是如何得到最优的脉冲电路以及除冰电脉冲激励的计算。考虑到脉冲电路参数间的关系是复杂的、综合作用的，需进行深入的理论研究以获得脉冲电路电压、电容、线圈尺寸、蒙皮材料以及线圈与蒙皮之间的间隙和脉冲力、脉冲时间等的基本关系，由此得到一个确定的设计方法，进而设计最优脉冲电路。在得到脉冲电路的基础上研究脉冲激励，但因为脉冲激励分布不均匀，若简单的建立模型施加总电磁力，会影响计算精度，需按照脉冲力分布特点进行有限元网格的划分，计算得到不同位置不同时刻的脉冲激励。

电脉冲除冰技术研究的难点之二是冰层失效准则的研究。冰层失效准则的研究是进行除冰效果研究的前提，冰层失效问题的影响因素繁多，尤其需要了解冰层的物理属性。由于冰层的物性参数受环境温度、液态水含量、水滴直径、撞击速度等因素的影响，同时冰檬皮间的粘附强度还受基层材料、表面粗糙度等约束，因此在不同条件下产生的冰层其物性参数差别很大。这些都是冰层失效准则研究的关键。而除冰效果的仿真研究，是通过计算覆盖在蒙皮上的冰层失效状态，模拟出电脉冲除冰的除冰范围，从而求解得到除冰效果。其中所选用的冰层失效准则是否适用是影响除冰效果计算的关键因素。

电脉冲除冰技术研究的难点之三是如何得到电脉冲除冰结构的疲劳寿命时间。通过对除冰结构疲劳性能的深入研究，从而获得电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法。需结合蒙皮结构电脉冲除冰的动强度和疲劳强度验证试验，提出电脉冲除冰结构疲劳寿命的有效评估方法。为将来电脉冲除冰技术的装机应用奠定基础。

电脉冲除冰技术研究的难点之四是脉冲线圈以及系统研制的工艺要求。目前国内尚无能批量生产电磁脉冲线圈的厂家，并且尚无成熟的线圈制作工艺规程以及系统研制工艺规程。

在未解决上述难点之前，电脉冲除冰技术在国内飞机型号上的应用还需进行大量的理论研究与试验研究的积累。电脉冲除冰技术在国内飞机上的应用研究对国内防/除冰系统设计团队来说是极具挑战的研究项目。

电脉冲除冰国外研究概况

电脉冲技术应用在飞机除冰领域的想法在二战时期由德国常驻英国的科学家RudolfGoldschmidt提出，并在1937-1939年连续申请了几项专利，之后却没有引起多少关注。

1950-1960年问，电脉冲技术仍然主要应用于金属变形，并没有真正运用在飞机除冰领域中。

直至1965年，前苏联能源与电气部的Levin博士首次发表电脉冲除冰系统应用于飞机除冰的可行性的论文。此后迎来了电脉冲除冰技术研究的高峰期。

20世纪70年代初，前苏联在不少西方国家申请了电脉冲除冰技术专利。白前苏联研发至今，一共发展了三代电脉冲除冰系统，主要安装在伊尔（IL）系列飞机上，具体如下：

（1）第一代电脉冲除冰系统

在地面研究第一代电脉冲除冰系统的除冰性能时，首先在长2.5米的IL-62的机翼截面内侧安装了4个脉冲线圈单元进行相关试验。试飞时将电脉冲除冰系统安装在IL-18匕机上，第一次试飞在1967年夏天，实验温度-9 度~-39度 ，液态水含量0.2~2.4克/立方米，完全除冰需激发系统2~3次，每次间隔1~2秒。在第二次测试阶段，飞机运行时长6小时10分，结冰气象时长2小时，环境温度-7~10度，结冰强度0.5~2.5mm/min。1969年秋天全球飞机演习时，一架装有电脉冲除冰系统的IL-18飞机完成了各项白然结冰条件下的测试，并证实了电脉冲除冰系统在0~-50℃时具有完美的除冰功效。1970年春天，电脉冲除冰系统通过了USSR空气动力与飞机工程部(Ministry of Aircraft Engineering)测试。这架装有电脉冲除冰系统的IL-18机自1969年运行至1980年期间，各项测试性能都表现完好。

（2）第二代电脉冲除冰系统

第二代改进的电脉冲除冰系统安装在可以容纳350个座位的客机IL-86上进行试飞并获得了成功。在此基础上，再次完善电脉冲除冰设备，一架IL-76飞机安装了173个脉冲线圈，总工作时长达458000小时，该系统顺利获得了民航使用证书。第二代电脉冲除冰系统测试的结冰环境温度为0~40摄氏度，该系统并不会影响飞机结构。

（3）第三代电脉冲除冰系统

在第二代基础上进一步减小了能量消耗与起匕重量。安装了第三代电脉冲除冰系统的IL-103飞机的测试结果表明，除冰设备总重量不超过第二代电脉冲除冰系统的1/10，且符合FAR25与FAR23标准。

前苏联时期，飞机电脉冲除冰技术销售员积极向西欧国家推销该系统，但技术却保密周全，他国很难搜集其相关设计研究资料。受前苏联电脉冲除冰系统研发成果的鼓舞，法国(Air-Equipment division of DBA)、英国(Lucas Aerospace and B.A.C.)和美国(Lockheed andMcDonnell-Douglas)的不少公司也开始投入该系统的研究，但由于各种原因，该研发断断续续以致最终放弃，致使他们的研究人员没有充分掌握电脉冲除冰系统的设计理论。

20世纪70年代末，美国FAA也对电脉冲除冰系统产生了一定兴趣，为此美国刘易斯研究中心专门成立项目组开发电脉冲除冰系统，以Wichita州立大学为主要研究团队，历时10余年，开发了一套电脉冲除冰系统电路参数设计程序。他们进行了多项包括发动机进气口与机翼等部位的除冰实验，并申请了系列专利，同时也开始论证该系统的飞行安全性，且着手研究低电压脉冲除冰技术。但其研究工作并不如俄罗斯彻底，理论应用不具有普遍性。

20世纪90年代以后，尽管仍有研究人员对电脉冲除冰系统孜孜不倦进行研究，但该系统由于研究经费与技术难关等方面原因使得该系统的发展又进入一个低迷期，再加之安全性论证的缺乏限制了该系统的推广。即使如此，目前俄罗斯装载了电脉冲除冰系统的伊尔系列飞机依旧表现出良好的运行前景，于是电脉冲除冰系统燃起了我国的研发热情。

电脉冲除冰国内研究概况

国内对电脉冲除冰技术的发展研究起步较晚。南京航空航天大学裘燮纲教授于1993年在《南京航空航天大学学报》上发表了电脉冲设计参数研究一文。但由于该技术研发的难度以及缺少经费支持一直没有引起重视。直至21世纪初，由于全球节能的需要与飞机除冰系统多样化的研究，国内才逐渐留意飞机除冰领域中的具有低能耗的电脉冲除冰系统，于是南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校以及研究院所对该项技术展开了研究。

2007-2008年杜蓦硕士首次搭建了南京航空航天大学地面电脉冲除冰实验台，利用铜线裁剪出脉冲导线并绕制了电脉冲电感线圈，设计了可以实现300mm X300mm的除冰实验台，主要采集了脉冲电路的电流峰值并进行了加速度实验。该系统完成了电路的初步探究，证实了脉冲放电技术用于除冰的可行性。不足之处在于，该系统脉冲线圈的制作繁琐，系统的电压可调范围有限，最大放电电压为450V，电容量一定，只能装载单个脉冲线圈，除冰范围非常小。

北京航空航天大学姚远等人也在尝试电脉冲除冰系统的研究，尽管开始采用时域电流分析方法，但其电磁场及电感研究主要沿用美国Wichita大学的分析思路，在理论突破上具有一定局限性。

西北工业大学吴小华等人也对该系统做了调研，试图运用电磁涡流场的求解方法研究电脉冲除冰系统的影响因素，但并没有解决电磁脉冲力不均匀分布的问题；张文杰等人也开始关注冰层失效范围，却只简单用动力学分析了冰一铝板界面之问的应力状态。

中航科技某厂试制了电脉冲除冰系统的螺旋式脉冲电感线圈，取得了小试件机翼断面除冰的成功，但因缺乏理论分析指导阻碍了研究的进一步发展。

飞机结冰的防护系统可分为防冰系统与除冰系统，防冰意在防止在飞行过程中冰的形成，除冰是将飞机表面上已形成的冰去除。根据防除冰方法的原理，目前已经使用和正在研发的防除冰系统主要包括以下三类：

（1）冰点抑制法

冰点抑制法，顾名思义就是降低液体的凝固温度。液体防冰系统利用的原理就为冰点抑制法，向需要防护的部件表面喷涂防冰液，当过冷水滴撞击表面时与之混合，使得混合液体的凝固点低于水的凝固点从而阻止了冰的形成。该系统通常连续喷射防冰液，也可以周期性喷射，常用的防冰液为乙二醇、异丙醇、甲醇等。

二战期问，英国航空工程师开发了便于时示除冰的多孔机翼前缘。该不锈钢机翼前缘设计了可以用于流经防冰的乙二醇溶液的孔。例如Cessna 206安装了液体防冰系统，此系统装载了27.25L乙二醇，可以运行3.5小时，但增加的附加重量为13.61kg。 该系统的优点是:1，机翼前缘具有优异的耐受性；2，在除冰工作结束后，不会有剩余冰层或再生冰层;3，系统硬件的寿命很长;4，耗能较少;5，飞行员除冰操作比较简单。但不足之处是:1，很难去除粘附强度很大的冰层;2，直升机由于工作时问长而不适合安装液体防冰系统;3，也不适用于涡轮螺旋桨匕机;4，防冰液消耗量大，维修麻烦。

（2）热融法

热融法防除冰的原理是利用高热量使冰融化并蒸发或直接升华，该方法受热流大小的限制。此类系统可以采用加热冲压空气、压气机引气、高温废气、热油或者电热能等方式。热融法的典型代表为热气防除冰与电热防除冰系统。

热气防除冰系统是利用热空气将飞机部件加热以达到防除冰的目的。活塞式发动机多采用汽油加温器等加热冲压空气作热气源;喷气式发动机一般从发动机的压气机内引气作为热源。所引的热空气通过供气管道分配到需要除冰的各个部件，经过热量交换破坏冰层与蒙皮问的粘附强度，最后冰层在气动力与惯性力作用下从飞机上脱落。由于蒙皮的热惯性大，该系统不适用于周期性加热，而多采用连续加热方式。其优点在于维护简单，工作可靠，不足之处是发动机引气会降低发动机的功效，增加了燃耗，且热的利用率很低。

电热防除冰方法就是将电能转化为热能，再加热飞机部件以达到防除冰的目的。该蒙皮一般采用五层复合结构，电热片嵌入在蒙皮中。电热防除冰技术通常用于热气防除冰系统难以涉及的部位，如推进器、机身头锥、直升机螺旋桨与轮毅等。电热防除冰可以连续也可以周期问断加热，不足之处是应用范围有限且消耗电能大。

另外一种正在研究使用的微波除冰方法也是利用升高表面冰层温度的方法，在飞机结冰的蒙皮的缝隙中填充微波材料，当飞机蒙皮发生结冰时，飞机上的微波发射器就会产生微波，并通过波导管射到冰层使冰融化。该系统多见于旋翼飞机，能耗少，使用与维护简单，但因为装有微波发生器，很容易被雷达捕获。

（3）表面变形法

为减少大量能量的消耗，开发了使飞机上的积冰发生变形破坏的除冰方法，属于机械除冰范畴。当蒙皮表面发生变形时，粘附在蒙皮上的冰层也随之改变，出现破裂或者脱落现象，气动力或惯性力将残余的冰带走。主要的除冰系统包括气囊式除冰、超声波除冰、压电除冰、电脉冲除冰等，下面逐一介绍这儿类除冰方法。

气囊式除冰方法是最早出现的机械除冰方法之一，该方法是在需要防护的部位安装充气囊，当有除冰需要时，气囊充气，气管向外突出使得冰层形变破裂，当除冰完成后，气囊收缩恢复到原有的气动外形。MV-22“鱼鹰”与ATR42 飞机均装有气囊式除冰装置。该除冰方法的优点是工作可靠、节省能量，但它却有一个致命的弱点，即阻力大，不适于高速时示的飞机，并且启动气动罩除冰时不可能进行得很彻底，将留有一些剩余的冰，这会使得阻力增加，进而破坏飞机原有的气动外形。

超声波除冰的原理是利用超声波驱动器形成的Lamb和SH波在介质中传播时产生的速度差，在冰与粘附层界面形成剪切应力，通过该剪切力达到去除冰层的目的。该项技术仍处于实验研发阶段，还没有真正运用在飞机上。

压电除冰技术也是一种发展中的除冰技术，通过激励压电驱动器，使得蒙皮在低频范围内达到共振，并改变蒙皮上附着的冰层结构以去除冰层。

电脉冲除冰系统是在俄罗斯发展较成熟的除冰系统，美国对其研究也比较充分，但仍滞后于俄罗斯。其原理如图1所示，在金属蒙皮下方安装脉冲线圈，利用瞬问放电技术在金属蒙皮上形成电磁涡流场，从而产生了瞬态的电磁力，该电磁力导致蒙皮快速振动并使冰层发生形变而破裂或者脱落，最后在气动力和惯性力的作用下将残余的积冰去除。该技术已经成功应用在俄罗斯伊尔系列飞机上，且显示出高效、稳定与节能等优点。

飞机在寒冷、潮湿的空气中飞行，如在云、湿雪、冻雨、雾以及气温在零摄氏度左右的高湿空气中飞行，机体表面、机翼前缘与飞机其他部位都可能有不同程度的结冰。大量的理论计算、风洞试验和飞行试验表明，如果飞机部件没有防/除冰措施，那么这些部件的结冰可导致飞机气动特性和操稳特性的严重恶化，并最终对飞行安全产生严重影响，如升力减小、阻力增大、失速迎角减小、使附面层提前分离等。为了克服这些影响，各种防/除冰措施己经应用于结冰部件上以阻止飞机结冰或者除去飞机结冰表面的冰层。然而，防/除冰系统的故障以及除冰系统未能清除的残留冰层仍对飞机性能产生影响。随着这些问题的逐渐显现，促使国内外结冰和防/除冰专业开始了对飞机结冰防护技术的新一轮研究。

电脉冲是电子产生的一个脉冲，脉冲就是在很短时间内变一次电压的过程。

电脉冲放电电火花线切割时电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。

CNC 电脉冲 ：SP1-300cnc

主要技术规格

工作台尺寸（长*宽）mm 600*400

X,Y,Z轴行程 mm 300*210*270

最大电极重量 kg 25

最大工件重量 kg 400

工作台面至电极板的最小/最大距离mm 295/565

机床重量（不含数控电源） kg 2000

总输入功率 KVA 13

尖端技术参数

在正负极之间加上脉冲电源，当来一个电脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中心温度瞬时可高达10000°C以上，高温使工件金属熔化，甚至有少量气化，高温也使电极丝和工件之间的工作液部分产生气化，这些气化后的工作液和金属蒸气瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的特性；

EDM电脉冲 机床系列电脉冲 主要技术规格

电脉冲（Electropulsing），是由电容或者是间歇源产生的非稳态电流场，我们通常用的交流电就可以看成是一种脉冲电流，而其中的一个周期过程就可以看成一个电脉冲。现代的电脉冲技术发展到越来越向高频，高能量峰的趋势发展。在材料检测，生物，医学，核能，军事等领域都有广泛的应用。主要的作用原理有：高能焦耳热效应，热压效应，高频磁感效应，电致塑形等等。

常见的波形有矩形，正弦，矩形衰减，正弦衰减，群阵等等。主要波形图如图《电脉冲波形》所示。

美国科学家发现电脉冲能杀死癌细胞

合众国际社报道，美国旧多米宁大学与东弗吉尼亚医学院的科学家们声称，他们利用高压的电脉冲刺激，杀死了老鼠体内的黑色素瘤。研究人员利用时间非常短的高压剂量的电脉冲来进行肿瘤的治疗试验。研究发现，还没有哪种肿瘤对此刺激不产生反应。旧多米宁大学的电子计算机工程副教授Richard Nuccitelli说，这一方法最终将会被证明是一个很有效的癌症治疗手段。

短时间的高压电脉冲可以破坏血液向肿瘤处的流动，并使得肿瘤的核心缩小50%左右，Nuccitelli说。肿瘤通常会在治疗后的两到三个星期内死亡。治疗时一般每次都要用到数百次的电脉冲，它在百万分之一秒的时间内带有4000伏的电压。

Nuccitelli告诉记者说，他和他的同事们都相信，高压电脉冲刺激的过程会严重破坏细胞内的DNA（遗传物质）。治疗不会产生任何疤痕，或是影响临近的周围细胞。所有研究中的实验老鼠都存活着，且没有发生任何其他疾病。研究人员表示，在这一技术运用到人体试验之前，还需要进一步做其他的附加实验。

研究论文发表在周三的《生物化学与生物物理研究通讯》杂志上。