翼面前缘共形电热除冰功能结构开发与验证

2023-07-28唐超谢文俊袁培毓谢宗蕻

航空学报 2023年12期

唐超，谢文俊，袁培毓，谢宗蕻

中山大学航空航天学院，深圳 518107

飞机穿过富集过冷水滴的云层时［1］翼面前缘、发动机进气道前缘等关键部位很容易发生结冰现象，轻度结冰可能会导致飞机飞行性能下降，严重结冰甚至会导致飞机失事［2-3］。为保证飞行安全，飞机上通常会安装防/除冰系统，常用的防/除冰方式［4］包括化学液体防冰、热气防/除冰、机械防/除冰和电热防/除冰，其中电热除冰系统因易于控制等优点成为使用最广泛的防/除冰系统之一［5-6］。

电热除冰是一种通过给加热元件供电，使电能转换成热能从而达到防/除冰效果的方法。传统电热除冰结构以金属元件为主，存在能耗高、加热效率较低、与机翼材料的相容性较差、结构/功能难以一体化、损伤容限低等缺陷［7］，不能满足新一代电热除冰系统的需求。随着功能复合材料与热压成型工艺的不断发展［8-11］，轻质、高效、低能耗、与机翼前缘共形的电热除冰功能结构成为新的研究热点。石墨烯作为一种片面结构的发热材料，电子迁移率可达15 000 cm2·V-1·s-1，导热系数可达5 000 W·m-1·K-1，具备良好的导电性和导热性，在制成薄膜材料后与复合材料的贴合性较好，作为加热元件时具备重量轻、热响应迅速、加热稳定均匀等优点，是一种轻薄高效的加热元件［12-14］。Vertuccio 等［15］以石墨烯薄膜为加热元件，通过热压工艺将其与碳纤维增强树脂基复合材料固化成层压板，证明了通过石墨烯复合材料加热片除冰的可行性。Ba 等［16］制备了一种多层石墨烯复合材料，具备轻质高效、热响应快、低能耗等优点，可有效应用到电热除冰领域。Karpen等［17］基于导电油墨设计并开发了一种集成电热除冰结构的小型无人机螺旋桨。马莉娅等［18］针对碳纤维复合材料机翼开发了一种多层材料结构的电热除冰垫技术方案。田甜等［19］基于石墨烯复合材料进行了电热除冰实验，发现热流密度为3 kW/m2时可较快完成除冰并降低能耗。彭兰清等［20］将疏水涂层与石墨烯结合制备了一种新型电热除冰结构，可降低49%除冰能耗。英国GKN宇航公司［21］采取喷涂金属沉积技术将金属层置入碳纤维复合材料结构形成加热垫，并将其应用到波音787 机翼前缘。De Rosa 和Esposito［22］在耐高温复合材料机翼前缘中嵌入蛇形镍合金金属丝实现了机翼前缘除冰功能。

通过上述调研发现，目前针对新型材料电热防/除冰结构的研究更多集中在除冰功能层及材料的改性与优化上，对于将新型材料电热除冰结构与翼面蒙皮共形集成的研究较少。因此本文利用热压工艺研制一种轻质、高效、低能耗、与翼面共形的新型电热除冰功能结构。通过实验验证翼面前缘共形石墨烯复合材料加热器的加热均匀性和稳定性；依托自行搭建的除冰实验台，采用一种原位共形结冰方法在翼面前缘表面制备可控冰型并进行除冰实验，研究不同功率密度下的除冰效果，并将其与传统翼面前缘金属丝共形电热除冰结构进行对比分析。

1 翼面前缘共形电热除冰功能结构的开发

1. 1 翼面前缘电热除冰功能结构的设计

根据文献［23］中算例计算结果及其结冰程度可确定新型电热除冰结构的设计指标如下：① 电加热结构与机翼前缘共形集成区域的厚度≤1 mm；② 融除2 mm 厚冰层的时间≤40 s。依据材料与结构特征，将新型的电热除冰结构命名为翼面前缘石墨烯复合材料共形加热器（简称共形加热器）。参考传统电热除冰结构［18］设计共形加热器的结构，包括外表层、导热层、绝缘层、加热层（含电极）和胶接层，共形加热器结构设计示意图如图1 所示。外表层、绝缘层及胶接层均为玻璃纤维织物/环氧树脂预浸料，具备优异的贴合性与相容性；加热层选择电热转化效率高、热响应迅速及加热性能稳定的石墨烯加热膜，用来替代传统金属加热元件；导热层则选择热导率高的石墨烯导热膜，具备快速均温作用，保护共形加热器和翼面前缘，避免出现局部高温现象。选用的具体材料参数见表1。

表1 共形加热器制备材料Table 1 Conformal heater fabrication materials

图1 共形加热器结构设计示意图Fig.1 Schematic diagram of structural design of conformal heater

机翼的结冰区域主要为前缘弦长前10%长度投影的表面区域［23］，加热层尺寸按该表面区域大小设计，见图2。

图2 加热层结构示意图Fig.2 Schematic diagram of heating layer structure

石墨烯薄膜的方阻Rs和电阻Rl为

式中：ρ 为材料的电阻率；d、a 和b 分别为石墨烯薄膜的厚度、宽度和长度。通常先采用四探针法测量薄膜方阻，再通过式（2）获得薄膜线性电阻，此时石墨烯薄膜的功率P 和功率密度q 为

式中：U 和I 分别为通电电压和电流。由式（3）、式（4）可知当加热层尺寸确定后可通过调节电压或方阻控制功率输出，进而调整后续实验功率密度。

为验证加热元件电阻率的稳定性，需在形成翼面前缘电热除冰功能结构前封装为石墨烯复合材料加热组件并进行电热性能测试。玻璃纤维具备耐高温、绝缘性能好、力学性能优异等优点，可作为良好的封装材料。测试选取玻璃纤维织物/环氧树脂预浸料为加热元件的封装材料。加热组件包括上、下封装层及加热层，依据热压工艺制备石墨烯复合材料加热组件并测试。

图3 为石墨烯复合材料加热组件功率和表面温度曲线。实验在常温（25 ℃）下进行，通电后加热组件功率首先达到52 W，10 s 后稳定到43 W直到实验结束；由此可见加热元件电阻率比较稳定，受温度变化影响小。

图3 石墨烯复合材料加热组件功率和表面温度曲线Fig.3 Power and surface temperature curves of graphene composite heating component

1. 2 翼面前缘电热除冰功能结构的制造

通过真空袋热压工艺在长300 mm、高180 mm、壁厚1 mm 的复合材料机翼前缘上进行共形加热器的原位铺贴与固化。机翼翼型参考NACA0018。根据该机翼前缘大小可将共形加热器的尺寸确定为200 mm×100 mm，其中加热层尺寸确定为180 mm×80 mm。

共形加热器制备流程见图4。首先使用蘸取酒精的脱脂棉球擦拭机翼前缘，确保机翼前缘干净无其他杂质，按共形加热器结构设计示意图依次铺上加热复合材料铺层，按压平整，见图4（a）；然后铺设透气材料、脱膜材料、隔离材料和硅胶柔性加热器辅助抽真空，见图4（b）；再通过真空袋和密封胶进行覆盖与密封，见图4（c）；最后确保气密性后抽真空，真空压力不低于80 kPa，参照玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化工艺曲线（见图5）使用自研开发的热压成型设备在120 ℃下固化90 min，制件热压成型结束后冷却脱模，见图4（d）。检查制件成型质量可见共形加热器与机翼前缘紧密贴合，厚度为0.75 mm，面密度为0.082 7 g/cm2，达到了轻质共形的效果。

图4 共形加热器制备流程Fig.4 Conformal heater production process

图5 玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化工艺曲线Fig.5 Glass fiber/epoxy resin prepreg curing process curve

2 翼面前缘共形加热器性能测试

为验证共形加热器的稳定性和加热过程中加热器表面温度的均匀性，自行搭建电热除冰实验台，通过实验对比常温和低温环境下加热过程中共形加热器表面温度随时间的变化过程；同时研究低温环境下不同功率密度共形加热器表面温度变化情况，为除冰实验中功率密度的选取提供参考。

2. 1 实验装置

电热除冰实验台主要由电源系统、温度测量系统、共形加热器和低温环境箱4 部分构成，如图6 所示。实验采用的电源系统为大功率稳压直流电源CSYJ400-18，能提供0～400 V 的输出电压。温度测量系统主要包括自研温度记录仪和UTi260B 红外热成像仪，温度记录仪主要是通过热电偶采集除冰实验时翼面前缘上的表面温度；红外热成像仪能更直观地观察到加热器表面的温升情况和加热均匀性，可采集加热器表面温度的空间分布。电热除冰实验台录像系统采用WSD-2902-V1.0 摄像头，具备低温除雾功能，可在低温环境对除冰过程进行录像。除冰实验在低温环境箱内进行，通过压缩机制冷调节所需的温度。

图6 翼面前缘共形电热除冰实验台Fig.6 Conformal airfoil leading edge electrothermal deicing test bench

2. 2 共形加热器加热性能测试

通常情况下机翼除冰的功率密度［7，22］为16～30 kW/m2。实验选用的功率密度为15 kW/m2，通电加热至100 ℃后断电，测试时间为10 min，在加热器表面等间距地布置3 个热电偶，实时记录共形加热器的热成像图与温度变化曲线。表面加热至不同温度时的热成像图见图7，图中T 为温度，可观察到共形加热器表面从开始通电到加热至50 ℃前，表面温度分布较为均匀；达60 ℃以上时共形加热器在中间位置出现极值点，并在极值点沿四周方向出现一个较高温度的均匀温度区，占共形加热器表面的2/3 以上。图8 为常温环境下共形加热器表面温度随时间的变化曲线，发现位于共形加热器中间的测温点2 的温度略高于两边的测温点1和测温点3，总体上看3 个测温点的温度变化曲线基本重合。依据共形加热器的热成像图与温度变化曲线可知共形加热器具有良好的加热均匀性。

图7 共形加热器表面热成像图Fig.7 Thermal images of conformal heater surfaces

图8 常温环境下共形加热器温度曲线Fig.8 Conformal heater temperature curves in roomtemperature environment

图9为功率密度15 kW/m2时常温（T=21.5 ℃）环境和低温（T=-20.2 ℃）环境下共形加热器表面的温度随时间变化的温升曲线。可知共形加热器加热反应迅速，常温空载情况下，10 s 时从21.50 ℃上升至63.57 ℃，19 s 时上升至101.03 ℃，温升区间分别为42.07 ℃和79.53 ℃；低温空载情况下，10 s 时从-20.20 ℃上升至25.47 ℃，19 s 时上升至63.20 ℃，31 s 时上升至100.93 ℃，温升区间分别为45.67、83.40、121.13 ℃。比较常温和低温下相同时间段的温升区间可见两者区间温差约在3～4 ℃；常温和低温条件下共形加热器热均响应迅速，升温速率基本一致，约为4 ℃/s。可见共形加热器热响应迅速，加热性能比较稳定，受环境温度影响较小。

图9 常温环境和低温环境共形加热器典型温升曲线Fig.9 Typical temperature rise curves of conformal heaters in room-temperature and low-temperature environment

2. 3 不同功率密度下的共形加热器表面温度变化

功率密度是影响电热除冰系统效果的重要因素。实验选取3、6、12、15 kW/m2的功率密度测试共形加热器的加热性能。由2.2 节可知在常温和低温下共形加热器的加热性能都能保持稳定，且表面温度分布均匀，因此选取加热器表面中间测温点为监测点，在低温环境下研究不同功率密度的共形加热器表面温度变化情况，为除冰实验中功率密度的选取提供参考。将加热目标温度设定为80 ℃，进行不同功率密度下低温空载加热测试，测试结果见图10。

图10 低温环境下共形加热器温升曲线Fig.10 Temperature rise curves of conformal heaters in low-temperature environment

由图10 可知低温空载测试中功率密度为3 kW/m2时无法加热至80 ℃；功率密度为6、12、15 kW/m2时升温至80 ℃用时分别为94、40、24 s。对比不同功率密度低温下的加热情况，发现功率密度为3 kW/m2时共形加热器的功率低、升温慢，难以满足使用要求；其余功率密度在低温环境下升温迅速，加热性能稳定。因此选用6、12、15 kW/m2的功率密度进行后续除冰实验。

3 翼面前缘共形加热器除冰实验及结果分析

3. 1 翼面前缘原位制备共形可控冰层

共形加热器的结冰和除冰实验均在-20 ℃低温环境箱中进行。结冰采用一种在翼面前缘原位制备共形可控冰层的方法，首先根据机翼前缘结冰区域所需尺寸和形状裁剪密封胶条若干和隔离膜一张，如图11 所示，沿结冰区域边缘贴紧密封胶条并不断按压密封条，达设定的冰型厚度后铺上隔离膜，在注水口处接入水源，注满后封住注水口，将试验件置于-20 ℃低温环境箱内2 h 获得结冰尺寸为180 mm×80 mm、冰层平均厚度为2 mm 的翼面前缘共形冰型。共形可控冰型及尺寸见图12。

图11 共形可控冰型的制备Fig.11 Preparation of conformal controllable ice shape

图12 共形可控冰型及尺寸Fig.12 Conformally controllable ice shape and size

3. 2 不同加热功率密度下的除冰实验与分析

通过给共形加热器施加6、12、15 kW/m2的功率密度各进行3 次除冰实验，记录除冰过程中的表面温度变化情况，测试结果如图13 所示。功率密度q 为6 kW/m2的实验组中，冰层从通电到掉落用时分别为129、180、194 s；功率密度为12 kW/m2的实验组中，冰层从通电到掉落用时分别为68、70、90 s；功率密度为15 kW/m2的实验组中，冰层从通电到掉落用时分别为42、52、49 s。可发现功率密度的增加明显加快了冰层的掉落速度，但由于除冰过程中冰层融水的流动具有随机性，冰层质量分布不均，导致在同一功率密度条件下由自身重力作用导致的冰层掉落时间不一致。因此实验需重点关注共形加热器通电到冰层底部界面实现完全融化的过程，以探究不同功率密度对共形加热器除冰的影响。

图13 不同功率密度下共形加热器温升曲线Fig.13 Temperature rise curves of conformal heaters under different power densities

由图13 可知，冰层从低于熔点的温度开始受热，温度上升至熔点，温度曲线达第1 个拐点后上升趋势放缓、斜率减小，此时冰层开始出现融化情况，即为初熔；冰层持续受热并完全融化，温度曲线来到第2 个拐点，曲线上升、斜率增加，即为终熔；初熔与终熔之间的较平缓的温度平台区长度则被称为熔程。熔程的出现是因为冰层受热融化过程中部分热量需克服融化过程中的潜热，而在非熔程阶段，冰层吸收的热量绝大部分都转化为内能，具体表现为温度的快速上升［7］。观察除冰录像可发现除冰过程中初熔、终熔出现的时间及除冰结束后除冰表面与冰层的情况，如图14 所示。图14（a）为初始阶段，共形加热器开始通电加热；图14（b）为初熔阶段，共形加热器与冰层的界面开始出现融化现象，表现为小块白色区域；图14（c）为终熔阶段，共形加热器与冰层的界面完全融化，白色区域充斥整个冰层底部界面，有小部分冰层融水受重力作用聚集在共形加热器与冰层界面的下半部分；图14（d）为冰层掉落后的除冰表面，共形加热器表面除了有少量冰层融水外没有残留其他碎冰，翼面前缘的气动表面恢复光顺。

图14 除冰过程Fig.14 De-icing process

结合录像对除冰过程中的初熔点、终熔点和熔程进行归纳总结，见表2 和图15。3 组功率密度下达到初熔点所用时间分别为52、30、19 s，达终熔点所用的时间分别为88、51、32 s，熔程分别为36、21、13 s，可见功率密度越大熔程越短、除冰越快，当共形加热器功率密度为15 kW/m2时可在40 s 内完全融化底部冰层。

表2 典型除冰过程中初熔、终熔时间和熔程Table 2 Initial melting， final melting times and melting ranges during a typical deicing process

图15 不同功率密度下的典型除冰温度曲线Fig.15 Typical deicing temperature profiles for different power densities

3. 3 与传统共形电热除冰结构的对比和分析

与传统金属丝加热技术［22］相比采用的石墨烯薄膜加热技术损伤容限高，不会因加热元件受损导致共形加热器失效；加热均匀性更好；易与机翼前缘实现功能结构共形一体化，降低了结构的复杂性，提高了结构的可靠性。传统金属丝加热技术与石墨烯薄膜加热技术对比见图16。

图16 传统金属丝加热技术和石墨烯薄膜加热技术Fig.16 Traditional wire heating technology and graphene film heating technology

文献［22］采取蛇形镍合金金属丝作为加热元件，将其嵌入耐高温复合材料机翼前缘形成共形加热器，见图17［22］。由于加热元件为蛇形金属丝，需通过均热层导热至机翼前缘表面，所以为保证除冰后翼面前缘光顺，需将功率密度提升至27 kW/m²。而由图14 可知研制的翼面前缘共形加热器在功率密度为15 kW/m²时已可保持机翼前缘表面光顺。因此在达到相同除冰效果的前提下，相较于传统翼面前缘金属丝电热除冰结构，翼面前缘石墨烯复合材料电热除冰结构所需功率密度明显更低。