机场跑道智能化除冰系统的若干理论研究

以新型机场跑道的冬季除冰为研究背景，采用多功能碳纤维机敏混凝土与钢纤混凝土组成的新型复合材料路面，建立具有实时溶雪化冰的智能化路面系统的实验模型，开展其温度与结构完整性的在线监测、实时除冰智能控制的实验与理论研究。进行机敏混凝土结构的多功能与结构性能之间的交叉耦合响应及其耦方法研究。. 2100433B

本书将能量分析原理、模糊数学及突变理论应用于土工问题的研究之中，提出了若干土工问题的新理论研究方法，结合大量的工程实例，揭示了这些新理论的实用性，为土工问题的研究开创了新途径。

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。