通用飞机液体防冰系统简介

龙涛 李佳望 王利霞 李春麒 谭弘扬

（中电科芜湖钻石飞机制造有限公司 安徽芜湖 241000）

近年来，我国通航产业蓬勃发展，通用飞机数量大大增加。但时至今日，因结冰现象而导致的通用飞机飞行故障和事故屡禁不止，严重影响着飞行安全。据美国联邦航空管理局（FAA）飞行安全部的统计，1990—2000年期间，由于结冰引起的事故多达388起。2003—2008年之间，又有380 起事故与结冰有关。飞机结冰后，不但增加了飞机的重量，而且破坏了飞机的气动外形，因而使阻力增加，飞机操纵性、稳定性下降。因此，研究通用飞机的防冰系统是一项刻不容缓的任务。

1 背景

2020年初，一架隶属于海航宜昌航校的教练机在返航途中因结冰坠毁在湖北长阳，事故导致1 名教练和2 名学员在内的3 人遇难。通用飞机在结冰气象条件下飞行时，在飞机机翼前缘、发动机进气道和压气机叶片上、涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨桨叶上、驾驶舱风挡玻璃上，以及在测温、测压的各种传感仪器探头上常常会遇到结冰的现象［1］。

1.1 引起通用飞机结冰的原因

通用飞机一般在10km以下高度飞行，当在负温云层中飞行时，可能在飞机表面发生结冰的现象，即通用飞机在大气中飞行，只要同时遇到水分和负温两个条件，就会结冰［2］。根据结冰时的具体情况，通用飞机结冰方式主要有3种：第一，大气中的过冷水滴撞击通用飞机表面并在其上冻结；第二，大气中的气态水（即水蒸气）不经过液态相而直接冻结在通用飞机上；第三，通用飞机在热带地区飞行时，如果遇到冰晶云（由冰晶体组成的云），冰晶体会沉积到通用飞机表面上而引起结冰［3］。

1.2 结冰对通用飞机飞行的影响

机翼和尾翼结冰，会引起翼型阻力增加，升力下降，临界攻角（失速攻角）减小，飞机操纵性和稳定性恶化。发动机进气道及进气部件结冰，会减小进气道面积，同时也减小了压气机每相邻叶片间的空气流通面积，使进入发动机的空气流量减少，因而使动机功率下降，严重时可导致发动机停车。螺旋桨为高速旋转部件，结冰情况与机翼有相同之处，有时甚至比机翼还严重。驾驶舱正面风挡玻璃结冰或出现雾气时，会降低玻璃的透明度，使目测飞行变得十分困难，不利飞机的起飞和着陆。空速管和测温测压探头结冰，会导致输入参数的误差或错误，这将会使仪表或数字显示失真，因而隐含着种种不安全因素［4］。

1.3 通用飞机防冰系统现状

根据防冰所采取能量形式的不同，可分成机械防冰系统、液体防冰系统和电热防冰系统［5］。较多的大飞机都设有防冰系统，例如，Y-12、新舟60采用机械除冰系统，直20采用电热防冰系统。少量的通用飞机设有防冰系统，例如，钻石DA42采用了液体防冰系统。

2 通用飞机液体防冰系统的组成

液体防冰系统可以连续地或周期地向防冰表面喷射工作液体，要求工作液体凝结温度低，与水混合性能好，与防冰表面附着力强，对防冰表面没有化学腐蚀作用、无毒及防火性能好等。目前，使用的防冰液有甲醇、乙醇（酒精）、乙烯乙二醇等［6］。

2.1 机械部分

除冰液箱安装在飞机右侧前行李舱，除冰液箱的加液口处设计了一个入口过滤网，入口过滤网能很好控制加入除冰液箱的除冰液的洁净度。除冰液箱由聚乙烯材料制成，容积为30L，为整个液体除冰系统储存除冰液。

两个主泵安装在除冰液箱的下面，为整个除冰系统的除冰液提供流动的动力，能将除冰液箱的除冰液泵至飞机除冰的多孔面板、喷液管和喷液杆。主泵有两个出液口，一个供给机身除冰系统，另一个供给风挡除冰系统。

位于右侧行李舱的主泵泵出除冰液箱的除冰液，流经高压传感器，经左侧行李舱过滤器过滤，形成机身除冰主流。机身除冰主流到达中翼控制台下的主分流器，经主分流器分成3个支流，第一支流去往尾翼除冰系统，第二支流去往左侧机翼和螺旋桨，第三支流去往右侧机翼和螺旋桨。第一支流的除冰液到达垂直尾翼上的一个分流组件时，分流组件又将垂尾部分的除冰管路分为3 个支流，分别为垂直尾翼前缘多孔面板支流、水平尾翼左侧多孔面板支流、水平尾翼右侧多孔面板支流，除冰液由多孔面板的毛细孔流出，在空气动力的作用下铺满整个机身尾部。在各自的多孔面板前部有一个低压传感器，用来判断尾部的系统压力是否充足和流出的除冰液量是否足够。第二支流、第三支流的除冰液达到发动机机舱的一个分流组件时，分流组件将除冰管路分为3个支路，一路去往螺旋桨喷管，喷管流出的除冰液在螺旋桨转动时，由离心力将除冰液甩至每片螺旋桨桨叶；另两路分别去往机翼内侧和外侧多孔面板，除冰液由多孔面板的毛细孔流出，在空气动力的作用下铺满整个机翼，如图1所示。

图1 液体除冰系统流经路径

挡风除冰的两个泵位于左侧前行李舱，两泵并联在一起，相互作为备用泵，防止系统失效。风挡泵的除冰液来源接口由主泵提供，与除冰液箱没有直接连接。风挡玻璃的喷液杆位于风挡玻璃前方，除冰液经风挡泵流至喷液杆，从喷液杆的毛细孔流出，由空气动力将除冰液铺满整个风挡。

除冰系统在机翼前缘、垂直尾翼前缘、水平尾翼前缘粘有经激光打孔的多孔面板，在螺旋桨根部有喷液管，在挡风玻璃前缘有多孔喷液管。多孔面板、喷液管、多孔喷液管是除冰液的最终输出组件。

高压传感器在连接左行李舱与右行李舱的管路上，当过滤器堵塞时，会造成系统管路压力增大，高压传感器会报警，从而提醒过滤器需要更换。

机身除冰系统的过滤器安装在左行李舱，保证着流入机身系统的除冰液的洁净度。

2.2 电子部分

除冰系统的控制组件在仪表面板的右侧，由3 个开关、2个按钮组成（见图2）。

图2 液体除冰系统仪表面板上的控制组件

OFF、NORM、HIGH 开关有3个状态。OFF 为系统关闭状态。NORM 为2 个主泵同时工作30s、暂停90s的循环状态，在该状态下，系统最长工作时间为2.5h，在飞行中使用该状态，一般为结冰前期或开始结冰时。HIGH 为2 个主泵一直工作状态，在该状态下，系统最长工作时间为1h，在飞行中遇到较少结冰时可选用该状态。

对于MAX 按钮，当开关位于HIGH 位置时，按下MAX 按钮，可使所有泵同时工作。该状态下，系统单次工作时长为2min，系统最长工作时长为30min，飞行中遇到严重结冰时可使用该状态。

PUMP1/PUMP2开关能选择2个主泵和2个风挡泵中的其中之一来为除冰系统工作。当开关位于HIGH位置时，选择PUMP1 状态，主泵1 工作，主泵2 备用。当开关位于HIGH位置时，选择PUMP2状态，主泵2工作，主泵1备用。

WINDSHIELD按钮能每次激活被选的挡风玻璃泵1或挡风玻璃泵2持续工作5s，使除冰液从挡风玻璃前方的多孔喷管喷向挡风玻璃。不管OFF、NORM、HIGH 开关位于哪一个位置，都不影响风挡泵工作。WINDSHIELD按钮还有排出除冰系统的空气的作用。

ALTERNATE 开关将主泵2 直接连接到了右侧汇流条，用来防止在左侧汇流条失效的情况下也能使除冰系统在HIGH模式下工作。

ICE LIGHT、ANNUN-TEST 开关控制除冰灯和测试功能。ICE LIGHT 能点亮除冰灯，在夜间飞行时便于飞行员观察飞机结冰情况。ANNUN-TEST 有测试除冰液箱低液位传感器和系统低压传感器的作用。

3 通用飞机液体防冰系统的应用

3.1 制造生产

3.1.1 多孔面板安装

多孔面板分别位于机翼、尾翼前缘，多孔面板由经激光打孔的钛合金薄板制成，如图3所示。在制造中，通常使用胶粘剂直接将多孔面板粘在机翼、尾翼前缘，如图4 所示。先将多孔面板的位置在机翼、尾翼前缘定好，然后处理粘接的表面，最后打上胶粘剂将多孔面板粘接在机翼、尾翼前缘，并用绑带将多孔面板张紧、固定。等待胶干后，清除多余残胶，用胶补齐多孔面板与机翼、尾翼前缘之间的间隙。

图3 多孔面板结构

图4 粘接多孔面板

3.1.2 制作铺设管路

防冰系统的管路有着连接系统各组件和运送除冰液的重要作用，管路由尼龙材料制成。管路连接时，需要制作管路接头。首先选用与管路直径相对应的工装，然后在工装上依次装好管路、压接头、管路接头，最后使用扳手将压接头压接在管路上即可。

在铺设管路时，根据铺设路径的不同，有时需要将管路弯制成特定的形状，弯曲半径需要满足相应的要求，如果管路弯曲半径小于最小弯曲半径，会造成管路的损坏。

3.1.3 液体防冰系统测试

泵组件完成组装后，在装上飞机之前需要进行密封性测试。测试步骤完全模拟了飞机防冰系统的工作过程，以便检查泵组件的连接点有无泄漏、各个泵是否运行正常、各支路流通情况是否符合要求，如图5 所示。完成整机的液体防冰系统的组装后，需要对整机液体防冰系统进行测试，将防冰系统中的所有部件按照测试要求运行，以便检查整个液体防冰系统有无泄漏，多孔面板、多孔喷管、螺旋桨出液管出液量是否正常，如图6所示。

图5 泵组件密封测试

图6 测试整机液体防冰系统

3.2 保养维护

3.2.1 多孔面板维护

当飞机需要长期停放在有大量灰尘的环境下时，应使用低粘度胶带保护多孔面板。常用的胶带有苏格兰胶带2517型号和3M保护胶带7007AB型号，粘度过高的胶带遗留的残胶会堵塞多孔面板。当多孔面板需要清洁时，规定允许使用的清洁剂有肥皂水、除冰液、丙二醇、航空汽油、航空煤油、乙醇、工业甲醇，不能使用规定以外的清洁剂，其他的清洁剂可能会损坏多孔面板，造成多孔面板堵塞。同时，应注意多孔面板的受热温度不能超过82℃。

3.2.2 常见故障排除

多孔面板少部分区域不出液，表现为在飞机液体防冰系统工作时多孔面板的一些区域没有除冰液流出，导致飞机不能充分地发挥防冰效果。可能的原因有过滤器使用时间较长被杂质堵塞、管路被外来杂质堵塞、系统管路中有空气滞留、多孔面板被杂质堵塞等。常见的解决办法有更换过滤器、维护疏通管路、排出系统中多余的空气、维护清洁多孔面板等。

管路泄漏表现为在飞机液体防冰系统工作时，管路的连接处有除冰液泄漏，对飞行产生安全隐患。可能的原因有管路橡胶密封圈损坏、管路装备应力过大影响了密封性、压接头没压接好、管路接头松动等。常见的解决办法有更换橡胶密封圈、消除管路装配应力、重新压接管路、适当拧紧管路接头等。

4 结语

通过对通用飞机结冰原因的研究，说明了通用飞机液体防冰系统的组成，分析了液体除冰系统在制造、维护中的具体应用。通过对通用飞机液体防冰系统的简述，了解了液体防冰系统在通用飞机防冰中的重要作用。