机翼电热除冰专利技术概述

时缄+++赵若愚

摘 要：飞机机翼结冰是导致飞行安全事故的主要隐患之一，飞机机翼的防/除冰系统是提高飞机的安全性能，电热除冰因其高效率、低能耗、易控制的优势已成为目前重要的除冰方法之一。本文对飞机机翼防/除冰技术领域的专利申请进行分析，从中国、全球的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，阐述了飞机机翼防/除冰技术领域的专利申请发展趋势，追踪了飞机机翼防/除冰技术领域的发展脉络，重点针对飞机机翼电热除冰过程中涉及的传热特性、冰壳现象及其影响和冰脊形成特征三大主要研究方向，对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。

关键词：机翼；除冰；电热；专利

中图分类号：V275 文献标识码：A

飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，是造成飞行安全事故的主要隐患之一。机翼和尾翼的结冰主要发生在前缘部位，这类结冰导致飞机阻力增加、升力下降、失速攻角减小以及操纵性能恶化等后果，引发飞行事故。

一、机翼除冰技术概况

目前，非电热类除冰方法主要有热气除冰、机械除冰和微波除冰等方法；电热除冰系统工作时，电阻加热单元将电能转化成热能，通过多层电热除冰结构内的热量传递，影响冰层融化特性和脱落特性的主要因素。

电热除冰系统通常由三大部分组成：一是电源系统，包括产生电能的电源和分配电能的总线系统；二是控制系统，包括监测结冰气象条件、加热表面温度的手动/自动控制单元和座舱显示面板；三是热源系统，包括将电能转换成热能的电阻加热单元和测量加热表面的温度传感器。

二、机翼电热除冰专利技术分析

1.全球申请量

全球机翼电热除冰的发展大致分为3个阶段：第一阶段， 1927年～1965年，机翼电热除冰技术处于萌芽阶段，专利申请数量非常少，每年申请数量不超过10项；第二阶段，1966年～1995年，初步增长阶段，从1966年开始，关于机翼电热除冰的专利申请量较之前的申请量增多，由于清洁能源、低能耗、高效率的优势，电热除冰越来越得到青睐；第三阶段，1996至今，显著发展时间，从1996年至今，关于机翼电热除冰的专利申请数量呈现跨越式增长，进入飞机机翼除冰技术发展的黄金时期。尤其以2008年～2013年的增长势头最为迅猛，申请量和申请人大幅度增加，电热除冰不仅仅应用于固定翼飞机的主翼和尾翼，同时广泛应用于旋翼飞机的旋翼中。

2.申请区域和申请人分布

在机翼电热除冰的全球专利申请中，美国、英国、法国、德国为主要的申请活跃地区，这4个国家的总申请占据了全球申请总量的4/5以上。机翼电热除冰相关技术涉及的技术范围广且相对精密，因为对相关的工业技术发展要求较高，上述国家研发实力雄厚、工业制造等技术发展相对领先，且依托古德里奇、波音、空客等各大航空公司，因而在區域布局方面占据优势。

3.技术分支分析

机翼电热除冰技术在全球的相关专利申请的技术分布情况，涉及机翼前缘除冰的占总数据的54%，翼身除冰的占24%，技术分支较为明显。机翼前缘是较为容易结冰的部位，为保证机翼除冰的同时减小能耗，对易于结冰的前缘进行除冰是较为通常的做法，而对整个翼身进行除冰是抵抗恶劣冰雪天气的有效对策，但相对而言较为耗费能量。

4.发展脉络

机翼电热除冰技术发展至今，经历了多次改进与变化，起初仅仅是采用电阻线加热，电能转换成热能，之后对加热元件进行层叠，加热元件包括加热曾、绝缘层、胶粘层、隔热层和外表层，外表层可以保护除冰装置不受侵蚀，延长其使用寿命；胶粘层具有高热导率、电绝缘的性质，保证加热层和外表层间的电绝缘，同时可以减小传热热阻；绝缘层起到支撑作用；隔热层用于隔绝加热层向内部传递热量，减小对内部设备的影响；在提高电热除冰传热特性的同时，出现了控制加热电源到加热器之间能量流动的控制器和探测机翼表面温度的传感器，从而根据机翼表面的温度，控制加热器所需的热量，以达到除冰的效果。

最早的关于机翼电热除冰的专利申请出现于1927年，WEBESTER MELLBERG PAUL在专利US1795664A中提出了一种通过将电阻线平铺翼面，通过电源对其加热，电能转换成热能，从而达到除冰的技术效果。虽然这种方式能够实现机翼的除冰，但没有对加热过程和温度加以控制，会导致飞机能耗过大，且加热翼身时没有任何防护措施，对飞机内部设备的损失也较大。

1930年，机翼除冰公司在US1868468A中选择在机翼前缘铺设电阻线，并在加热电阻线的外表面增加了盖板，防止加热电线被周围环境侵蚀，增加了电热除冰的可靠性，延长了电热除冰机翼的使用寿命。

1952年，纳皮尔父子公司GB740551A中提出了一种改进的机翼前缘电热除冰方法，在机翼前缘通过层状铺贴的方式实现机翼除冰，且各层通过喷涂的方式形成，采用了玻璃纤维，大大提高了机翼前缘电热除冰的效果。

1979年，古德里奇公司在US4292502A1中，描述了一种直升机旋翼除冰系统，采用集电环的方式，通过直流电压传递电流，在旋翼桅杆附近产生热量，通过控制器持续不断地监测旋翼的结冰状态，在不同时段对旋翼进行适当除冰。

1991年，英国航空公司在GB2252285A中，描述了一种机翼前缘电热除冰方法，其中机翼前缘加热部件放置于脱落区与分离区上，不同区域的加热程度不同，采用点对点的加热方式。

2004年，欧洲直升机公司在专利EP1541467A1中描述了一种用于翼面的除冰装置，采用模块化除冰的方式，将除冰模块分为两个，公用电源设备，每个除冰模块在自己的区域内除冰，与其他模块无关。

2010年，应用纳米公司在专利US8664573B2中描述了基于CNT的电阻加热机翼除冰结构，该专利主要对复合材料进行改进，在基体材料中并入碳纳米管（CNT）的纤维材料，该复合结构适合于施加电流经过并入CNT的纤维材料以提供复合结构的加热。

从上面的技术发展脉络分析可以看出，机翼电热除冰技术发展经历了以下3个阶段：第一阶段，简单铺设电阻线于需要除冰的部位，以达到去除机翼表面冰层的目的；第二阶段，采用内外绝缘层和内外蒙皮对电加热元件进行防护，从而保证飞机内部设备不受加热元件影响；第三阶段，控制电源输出功率大小、确定加热时间和加热周期，分区域差异加热，采用复合材料提高电热除冰性能的同时减轻飞机的重量、降低飞机能耗。从整个技术发展的路线来看，机翼电热除冰技术在克服现有技术不足的基础上，经过了长期、曲折、逐步的改善过程，同时也给审查员日常审查一些启示，只有对本领域的现有技术充分理解，才能够准确地把握专利申请的发明实质，以及对现有技术的贡献获得更加准确、公正的判断。

结语

机翼电热除冰技术的相关重要技术主要集中在美国、英国、法国和德国等国家，目前其申请量相对趋于稳定，且在该领域已经相对成熟，而目前中国在该方面技术的研究相对较少，申请量以及研究深度都尚未达到规模，在该领域的市场具有相当的发展潜力，国内应加大研究力度，学习和借鉴国外航空公司，掌握该领域的前沿技术，并进一步挖掘该领域的深层技术，增强我国该领域的技术自导。

参考文献

[1]肖春华.飞机电热除冰过程的传热特性及其影响研究[D].中国空气动力研究与发展中心研究声部，2010.

[2]周景峰.中国飞机防除冰技术专利态势分析[J].航空科学技术，2014，9（25）：61-65.endprint