飞机外表面气热防冰专利技术发展分析

顾海雷++张云芳

摘 要：飞机外表面结冰是导致飞行安全事故的主要隐患之一，飞机的防/除冰系统是提高飞机安全性能的重要手段，气热除冰作为目前重要的除冰方法之一，已得到广泛应用。本文从专利文献的视角对飞机外表面的气热防冰技术的发展进行了全面的统计分析，总结了与气热防冰相关的全球专利的申请趋势、地区分布以及重点技术分支，并对其中机翼和发动机进气口的气热防冰技术进行了深入分析，从而得到了该技术的发展脉络及规律。

关键词：飞机；气热；除冰；专利

中图分类号：TH16 文献标识码：A

飞机在高空飞行及冬季停放机场时，外表面均可能凝结冰、雪、霜等，会使飞机外表面变得粗糙，阻力增加，升力减小，严重时还会使飞行姿态难以控制，给飞行安全造成严重威胁，极易导致飞行事故。飞机防/除冰技术主要用于寒冷气候下，清除和防止飞机表面凝结的冰、雪、霜等沉积物，以保证飞机在冬季能够安全飞行。

一、飞机外表面除冰技术概况

目前，按照工作方式的不同，可以将飞机防/除冰方式分为机械除冰、液体防冰、热力防冰3类技术。其中，机械除冰技术又可分为气动带除冰和电脉冲除冰技术；热力防冰技术分别按热源和加热方式又分别分为电热防冰、气热防冰技术，以及连续防冰和间断除冰技术。

气热防冰就是利用热空气加热飞机部件的待防护表面，从而避免过冷水滴在机体表面冻结结冰。防冰热空气多从发动机压气机引气，也可采用发动机废气或由燃烧加热器产生，其主要应用于机翼、尾翼、发动机进气口等部位的防冰。气热防冰系统使用維护简单，工作可靠，在现代飞机上已广泛使用，是现代飞机防冰与除冰技术发展的主流。

二、飞机外表面气热防冰专利技术分析

1.全球申请量与申请分布

从全球申请量看，气热防冰全球专利发展大致可分为4个阶段：1911年～1930年的探索萌芽阶段，1911年关于飞机外表面气热防冰的首个专利申请被提交，其为后续的气热防冰技术奠定了基础；1931年～1948年的徘徊发展阶段，全球申请量出现了多次起伏，进入一个徘徊发展期；1949年～1996年的稳步发展阶段，机翼和发动机进气口防冰仍为全球申请的主流，其中也伴随着飞机风挡防冰和叶片防冰等，防冰的部位更加全面，而热源也更加多样，包括采用发动机废气、从发动机压气机引气、提供单独的热源等；1997年至今的发展成熟阶段，全球申请量显著增加，每年能达到20件左右，气热防冰技术也向着集成化、轻量化、智能化的方向发展。

从申请的分布看，美国、法国、英国依托于雄厚的技术研发实力以及工业制造水平，成为主要的申请活跃地区，这3个国家的总申请量占据了全球申请总量的3/4以上，而其中波音、空客、通用电气等几大航空巨头贡献突出。

2.技术分支分析

飞行器外表面气热防冰相关专利发展可以从防冰部位和热源两方面进行分析。防冰部位主要集中在发动机进气口和机翼上，两者共占了总申请量的90%以上，其他的防冰部位包括风挡、叶片、蒙皮和空速管等。从热源上看，来自发动机引气的占55%，包含了从发动机压气机引气和燃烧室引气等；来自加热空气的占30%，包含了利用发动机废气加热空气、利用加热器或热交换器加热空气以及从单独的热源提供热空气；其余的热源包括利用机载电子的废热、空调系统、机舱空气等。

2.1 发展脉络

最早的关于飞机外表面的气热防冰专利出现于1911年，英国专利GB191103331A中，将内燃发动机的废气通入机翼结构的金属管道或者其他的腔体结构中，对机翼结构及其内部的空气进行加热，以防止冰的形成，其为后续的气热防冰技术发展奠定了基础。

从20世纪20年代末到30年代末，飞机机翼气热防冰技术进入了一个快速发展阶段。在1927年的专利US1703612A中，采用发动机废气在机翼中循环为机翼加热，从而防止冰的形成；在专利US1827276 A中采用发动机的废热加热环境空气，并通入不同的飞机结构中为飞机防冰；1934年，美国专利US2046521A在发动机排气管上设置热交换器为发动机废气加热从而为飞机机翼前缘、尾翼前缘除冰；1935年的专利US2081963A和1936年的专利DE711287C分别利用发动机排气的废热加热环境空气和水蒸气为飞机除冰。可见，这个阶段的发展主要集中在对发动机废气废热的利用上，以提高除冰的效果。

在上述发展阶段中，飞机上的发动机主要为螺旋桨发动机，防除冰部位也主要集中在机翼上。然而随着喷气发动机在飞行器上的逐渐应用，防冰技术也得到了进一步的发展。在1942年，申请人Armstrong Siddeley发动机公司提交了用于飞机喷气式发动机进气口防冰的首个专利申请GB578769A。两年后的1944年，专利GB592091A利用外界空气流作为传热介质来将热量传递到发动机进气口，并在进气道开关叶片后喷入进气道中与进气混合实现防冰。

随着喷气发动机的不断发展，压气机的性能得到提升，可以提供更高的压缩比，更高的进气温度，因此其提供了一种理想的高温高压气体来作为飞机气热防冰的热源。在随后的专利申请中，越来越多的申请采用从压气机中引气。1947年，专利GB637598A通过从发动机的压力机引气为发动机进气口防冰；1954年，专利GB754301A采用从压气机引气为飞机风挡防冰；1974年，专利USB535928I5从压气机引气同时为飞机机翼和发动机进气口防冰。

20世纪90年代末到21世纪初，气热防冰在航空发动机应用中的最大技术突破在于气热防冰系统与其他进气道装置的集成。1997年的美国专利US5841079A中，将防冰热气首先输送到位于进气道侧壁的多孔消音板之后的防冰腔中，然后热气可从多孔消音板表面向进气道唇口和内侧渗出，从而达到防冰与消音的双重效果。

进入21世纪，直接从压气机引气会降低压气机的效率而影响发动机推力的问题受到重视。在2004年申请的专利EP1479889A2中，通过热交换器对发动机进气口腔体内的空气进行加热来防止进气口结冰；在2013年申请的专利US2015/0040577A1中，控制器可根据传感器的数据而选择不同的热源，包括气体源、液体源、电加热源或者超声波加热源，以解决从压气机引气造成的压气机效率下降。

从上面技术发展脉络的分析可以看出，飞机外表面气热防冰技术经过了漫长而曲折的发展过程，从最初的机翼防冰到发动机进气口的防冰，从最初简单直接的防冰管路到复杂智能的防冰管路，从单一的气热防冰热源到根据不同需要而可供选择的多个热源，从气热防冰系统功能的单一化到集成化，飞行器外表面气热防冰技术的不断发展也标志着全球航空事业的不断进步。

结语

飞机外表面气热防冰领域的重要技术主要集中在美国、法国等国家，而我国在该方面技术研究相对落后，申请量以及研究深度方面都尚未达到规模，因此我国在该领域具有相当的发展潜力，国内各大航空研究所及相关科研单位可多研究和借鉴已有经验，探究该领域的前沿技术，并进一步挖掘该领域的深层技术，增强我国这方面技术的竞争实力，做好专利布局，力争形成自己的核心技术。

参考文献

[1]周莉，徐浩军.飞机结冰特性及防除冰技术研究[J].中国安全科学学报，2010，20（6）：105-110.

[2]常士楠.大型飞机的防/除冰问题[A].见：大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年年会论文集[C].深圳.2007.1-7.endprint