飞机防冰系统

前言飞机机翼结冰会破坏其气动外形，从而导致阻力增加，操纵性、稳定性下降，最终对飞行安全构成很大的威胁。因此飞机结冰及其防护技术研究是飞机尤其是大型客机研制不可忽视的重要方面，而作为飞机主要升力部件的机翼，其防冰系统是整个飞机防冰系统中最为关键的部分。上个世纪90年代以来热气防冰技术发展非常迅速，Tabrizi、McLaren等人均对热气防冰系统进行了改进设计，并申请了相关专利，使热气防冰系统的结构得到了简化和优化，也提高了传热效率，减少了能量的消耗。进入21世纪以来，飞机防冰系统的发展更加迅速，波音公司和空客公司都在自己研究的客机上装配了先进的防冰系统。随着飞机向多电飞机和全电飞机的发展，防冰系统也逐渐在向多电和全电防冰系统发展。目前客机上以热作为能源的防除冰系统主要包括热气防冰系统和电热周期除冰系统。热气防冰系统的目的是使飞机表面的温度保持在冰点以上，从而避免结冰。用热空气作为热源时，通常采用连续加温，很少采用热气周期除冰系统，由于热气周期除冰系统的热惯性大，容易在加热区后面形成冰溜，而且它的控制比周期电除冰系统难度大，热效率也不如电除冰系统，因此以热气为热源时，多为防冰系统。电热除冰系统的目的是使结冰表面的界面温度上升到冰的融点以上，从而使紧贴表面处的冰层融化而形成很薄的液体层，这样在气动力和离心力作用下冰层会从结冰部件表面脱落，从而保证飞机的飞行安全。2飞机防/除冰系统简介处理飞机结冰所形成的系统分为两大类：一类称为防冰系统，即不允许在飞机部件上产生结冰的系统。另一类称为除冰系统，该系统允许在飞机部件结少量的冰，然后周期性地把冰除去。根据防冰所采用能量方式的不同，有机械除冰系统、液体防冰系统、热防/除冰系统等。2.1机械除冰系统机械除冰系统是用机械的方法把冰破碎，然后由气流吹除。用机械的方法使冰破碎的方法很多，一般机械除冰的方法是在防冰的表面放置许多可膨胀的胶管，当表面结冰时，胶管充气膨胀，使冰破碎，然后利用气流把冰吹除。系统工作时一般给定周期，因此对有些结冰气象条件该系统可能会失效。2.2液体防冰系统液体系统是向防冰表面供给防冰液，使之与飞机部件所收集的水混合，混合液的冰点低于表面温度，从而达到防冰的目的。液体防冰系统的主要缺点是要带一定量的防冰液，其系统重量比较大。另外，在较严重的结冰状态下，其防冰效果差，这种防冰系统应用较少。2.3电热防/除冰系统电热防/除冰系统是热防/除冰系统的一种。它主要利用电加热的方法加热防冰表面，以达到防冰或除冰的目的。对于飞机的机翼、尾翼、直升机旋翼等防冰需热量大的部件，采用表面连续电加热防冰系统会消耗大量的电能，一般都采用周期电除冰系统。2.4热气防冰系统热气防/除冰系统也是热/除防冰系统的一种。由发动机压气机引出的热空气经过流量限制器、单向活门和预冷器后到达机翼防冰阀，机翼防冰阀打开时，热气进入机翼前缘防冰腔内，使防/除冰表面的温度达到一定值，从而保证表面不结冰或融冰。发动机进气道的防冰通常也采用热气防冰系统，由于热气防冰系统工作十分可靠，长期以来，大多运输机和民用旅客机都采用这种防/除冰技术。热气防/除冰系统是目前应用最为广泛，同时又十分可靠的系统。根据其工作原理，热气防/除冰系统性能的好坏主要取决于其防冰腔的结构设计。2.4本章小结在本章中主要介绍了飞机防/除冰系统（机械除冰系统、液体防冰系统、热防/除冰系统等）。3机翼热防冰系统的相关知识3.1热防冰系统分类对于热气防冰系统来说一般采取表面连续加热，由于防冰表面温度较外界较高，因此表面上的水不断蒸发，如果表面温度较高并且加热区足够大，则热气所提供的热量足以把表面所收集的水全部蒸发，否则一些未蒸发的水在加热区后面冻结形成了后流冰，后流冰的严重程度取决于飞机的飞行状态及结冰状态。因此可将连续防冰系统分为完全蒸发防冰和不完全蒸发防冰。所谓完全蒸发防冰系统，就是指在设计结冰气象状态下，防冰系统能够将所收集到的水全部蒸发掉。早期的防冰系统设计中还采用干防冰系统，即在设计结冰气象条件下，表面上所收集到的水全部在收集区蒸发掉，这样所需的热量太大，现代飞机上已不采用干防冰系统。目前大多数所采用的完全蒸发防冰系统只需要在加热区将所收集的水全部蒸发掉，这样所需要的热能比干防冰小得多。对于完全蒸发式防冰，表面温度值需达到几十摄氏度，例如CRJ700/900飞机缝翼处于收起状态时，蒙皮表面温度设置在58℃，缝翼打开时，蒙皮表面温度设置在80℃，这样的设置是为了保证前缘任意处的防冰效果。而对于不完全蒸发防冰或者除冰系统，只要求蒙皮表面各点温度高于3℃～5℃即可。3.2机翼热防冰系统工作原理现代大型运输机多采用从发动机高压级或低压级引气来防冰。典型的热气防冰系统示意图如图3-1所示，由发动机压气机引出的热空气经过高低压活门及预冷器进行温度和压力调节后，进入机翼前缘以保证机翼前缘缝翼结冰防护区不结冰。热空气进入机翼前缘的防冰腔后，沿前缘通道流动，热空气在沿通道的流动过程中，把热量传给蒙皮以达到防冰的效果。图3-1机翼热防冰系统管路示意如图3-2所示，典型的机翼热气防冰系统由机翼防冰活门、压力传感器、T形管、温度传感器、柔性接头以及笛形管等组成。当防冰系统打开后，系统控制器根据飞行参数及结冰条件计算出防冰系统所需的流量，利用压力传感器及防冰活门的开度进行调节以达到目标流量。T形管用于缝翼收放时笛形管一起运动。安装在缝翼内的温度传感器可以防止蒙皮表面过热，同时可根据左右两侧机翼蒙皮温度传感器的温度值或两侧机翼的供气压力，判断系统管路是否出现泄漏，如果温差或压差超出预设范围，系统就会向飞行员发出告警，以防飞机机翼不对称结冰的出现。如果单侧引气故障，系统通过交输活门(如图3-1所示)对两侧机翼防冰系统进行供气；如果单侧机翼防冰活门故障关闭，系统控制器会自动关闭另一侧机翼防冰活门，防止不对称供气导致的不对称结冰。图3-2机翼热气防冰系统原理图3.3热防冰系统管路主要构型热防冰系统的热空气来源于发动机压气机。热空气经过供气管等管路后进入机翼前缘防冰腔，热空气在管路中流动时，温度和压力都会有一定的损失。损失大小将直接影响到前缘防冰腔的防冰效果，因此合理的防冰系统管路设计十分重要。在目前的大型客机上，纵观空客系列和波音系列飞机，其机翼前缘的管路布置总体上可分为并联式及串联式两类，分别如图3-3和图3-4所示。图3-3并联式管路布置图3-4串联式管路布置对于前缘并联式笛形管布置形式，从图3-3中可以看出引气管从发动机引气，然后进入供气管，在翼展不同位置处，通过T形管将热气分配到前缘笛形管，热气经笛形管上的小孔喷射到机翼前缘蒙皮内表面，对机翼前缘上下蒙皮进行加热，起到防冰的作用。一般情况下引气管、供气管外面均裹有保温层，这样可以减小热气在输送过程中的温度损失。对于前缘串联式笛形管布置形式，从图3-4中可以看出用引气管直接从发动机引过来的热空气输送给机翼前缘的笛形管，同时不同缝翼段的笛形管使用柔性接头连接，热气经笛形管上的小孔喷射到机翼前缘内蒙皮表面，对机翼前缘上下蒙皮进行加热，起到防冰的作用。比较两种不同的笛形管连接方式不难发现，串联式较并联式管路减少，这样就降低了系统的复杂度，同时也减轻了防冰系统的管路重量。但是，热气经引气管后直接进入分配管，在分配管中，流量逐渐减小，在翼展较长的情况下，热量损失较为严重。在目前投入航线运行的客机中，空客318/319/320/321系列、空客330/340系列、CRJ700/900系列等都采用这种串联式的前缘笛形管布置形式。从并联式来看每一个笛形管的长度相对整个翼展是比较小的，且热气从各笛形管的中间位置进入，然后向两边流动，这样可以减小热气由于展向流动带来的热量损失，同时减小了热气的压降。但是并联式的前缘笛形管布置形式多了管道，增加了系统的重量。在目前投入航线运行的客机中，波音737系列客机等均采用这种并联式的前缘笛形管布置形式。3.4本章小结在本章中主要介绍了机翼热防冰系统的分类、工作原理与主要构型。4案例分析——737NG机翼热防冰系统故障分析与维护4.1故障背景在某机场过站，机组反映机翼热防冰系统失效。当地维护人员检查发现位于正驾驶背后P13-3面板上的A6“ANTI-ICE&RAINENGINE1，ENGINE&WINGCONTROL”跳开关弹出。复位后接通机翼热防冰控制电门S3，A6跳开，故障再现，于是初步判断为机翼热防冰系统的相关故障。随后，故障隔离“更换了系统防冰控制面板PS-11，侧试故障依旧；将系统防冰关断活门和过热电门的电插头失效进行故障隔离，故障重现。”判定机翼热防冰控制系统失效，航班取消，基地派人至该航站排故。4.2系统介绍737NG飞机机翼热防冰系统主要控制部件包括如下几方面。(1)防冰控制面板P5-11，位于Ps头顶板，包括机翼热防冰控制电门S3及逻辑控制电路与防冰关断活门指示灯。(2)防冰关断活门，左右发动机外侧的机翼前缘各一个，控制来自发动机气源系统的热防冰气流进入机翼防冰管道。(3)过热电门(两个)，安装于防冰关断活门下游供气管道上，仅防冰系统在地面工作时监侧防冰管道温度，当温度达到125℃时关闭防冰关断活门(注：任意一电门闭合接地，两侧机翼防冰活门都会同时关闭)。(4)防冰电门(两个)，位于中控台下自动油门电门组件上，提供飞机起飞推力保护。(5)电磁阀(两个)，位于左右发动机核心机12点钟位置，机翼热防冰系统在地面工作时，将预冷器控制活门作动到全开位，降低发动机引气温度，防止机翼前缘过热损坏。当飞机在地面，飞行员将防冰控制面板P5-11上的机翼热防冰控制电门S3接通(ON位)后，在左右机翼地面热防冰过热电门没有探侧到过热情况发生及左右两台发动机推力手柄角度小于60°时，K1继电器通电闭合，115V交流电控制左右机翼热防冰关断活门打开，来自引气管道的热空气通过机翼热防冰关断活门对机翼前缘进行加热防冰。此时，由于飞机在地面，流过机翼上的冷却气流很少，为了防止机翼前缘过热损坏，在S3接通后，机翼热防冰电磁阀通电打开，从而释放预冷气控制活门作动筒里的控制压力，使预冷气控制活门移向全开位，为发动机引气提供最大的冷却空气。在起飞时，当任一发动机推力手柄前推到角度大于60°时，自动油门电门组_件上的机翼热防冰电门闭合给防冰控制面板P5-11内的逻辑电路提供一个接地信号，K1继电器断开，机翼热防冰关断活门关闭，从而降低发动机引气负载并保证推力。同时，由于电门S3是一个由K1继电器闭合时的线圈电阻保持其电流在低于跳开阀值时工作电门，起飞时起飞逻辑电路接通并提供一个低阻抗接地回路，从而控制电门S3发生过流并自动跳到OFF位，机翼热防冰系统断开。起飞后，为使机翼热防冰系统再次工作，则飞行员需重新将控制面板P5-11上的防冰控制电门S3置于ON位(见图4-1)。图4-1机翼热防冰(WTAI)系统控制原理图4.3故障分析与排除4.3.1故障分析考虑到故障现象是防冰控制电门S3接通后A6跳开，导致用于机翼热防冰系统的23VDC控制电源断开，所以机翼热防冰系统失效。跳开关A6作为断路器保护装置，正常工作位置如图4-2(a)。被保护电路的电流全部通过开关装置的触点和热原件，在正常电流值时，热原件中产生的热很快地辐射掉，因而温度在最初升高之后便保持恒定。如果发生短路，电流超过正常值，元件的温度开始升高，由于组成热元件的金属有不同的膨胀系数，就会发生如图4-2(b)所示的变形，变形达到一定程度后就会释放门锁机构，并在控制弹簧的作用下使触点断开，从而使负载与电源隔离，此时按钮弹出，即A6跳开。由此可知，A6跳开则说明机翼热防冰控制系统至23VDC电源的回路中出现了短路。那么，此时要做的工作就是找出系统中经A6与23VDC电源连接的部件及线路。而机翼热防冰系统在空中和地面的工作逻辑不同，机组_反映故障时并没有说明故障是发生在空中还是地面。当飞机在空中，P5-11防冰控制面板的逻辑电路只会提供一个飞机在空中的逻辑，在防冰控制电门S3接通后用于吸合K1继电器，打开防冰关断活门，机翼开始加热防冰。机翼热防冰系统地运行只有防冰控制面板和防冰关断活门参入工作。假设故障发生在空中，由于机翼热防冰关断活门是由K1继电器控制115V交流电来作动，只与A1相关，所以可直接排除，那么只可能是P5-11防冰控制面板故障。但在最初排故时，当地维护人员就对P5-11控制面板进行J串件，排除J面板故障的R5能。所以，可以推断故障应该是发生在地面。结合系统图分析，当飞机在地面防冰控制电门S3接通后，控制面板P5-11内的继电器A2K2和A2K1得电吸合，机翼热防冰电磁阀经A6直接获得23VDC；机翼热防冰过热电门与防冰电门则通过S3经A6与23VDC电源连接；虽然以上部件及线路都关联到A6，但由于S3是一个过流跳开电门，过热电门、防冰电门的连接都要经过S3，假设电门或相关线路故障，则只可能造成S3过流跳开。那么造成A6跳开的原因则只可能是机翼热防冰电磁阀或P5-11控制面板至防冰电磁阀的线路短路。图4-2A6正常与跳开原理图4.3.2故障排除由于机翼热防冰电磁阀(M1236与M1237)安装于两台发动机核心机部位，为了快速的锁定故障源提高效率，笔者从驾驶舱控制面板P5-11上脱开了至两台发动机机翼热防冰电磁阀(M1236与M1237)的插头D643，结合图4-3用万用表分别对26和29两点的对地电阻进行了侧量。侧量结果：26对地电阻0~2sΩ，29对地电阻60sΩ。于是，可以判断故障就出在控制面板至左发机翼热防冰电磁阀(M1236)的这条回路上。那么，进一步工作就是如何隔离是电磁阀(M1236)故障还是线路故障了。打开左发反推直接对电磁阀(M1236)线圈的电阻值进行侧量，结果电磁阀线圈阻值不足2欧姆，可以判定左发电磁阀(M1236)故障。脱开电磁阀(M1236)插头并复位A6跳开关进行故障隔离后系统侧试，系统正常接通，排除了防冰控制面板至电磁阀的线路故障，至此A6跳开的故障源得到确认。更换左发机翼热防冰电磁阀(M1236)并进行系统侧试，机翼热防冰系统失效故障排除。图4-3电磁阀M1236与M1237系统连接图4.4本章小结在本章中主要完成了对737NG机翼热防冰系统故障分析与维护。

致谢在本文即将完成之际，我谨借此机会向所有给予我关心和帮助的人深表感谢！一是要感谢我的指导老师XXX老师，正是在您的严格要求和悉心指导下，我的研究和写作才能得以不断深入。导师严谨的治学态度、渊博的知识素养、宽厚豁达的品质，给我留下深刻的印象，也将使我在做人治学方面受益终身。在此，谨向我尊敬的导师表示崇高的敬意和最真挚的感谢！二是要感谢我的同学们，共同度过四年的欢乐时光，留下许多美好回忆。三是要感谢我的父母，正是由于您们的殷殷希望和鼎立支持，使我能够时时鞭策自己勇往前行，圆满地完成我的学士学业。最后，向百忙之中抽出宝贵时间来评阅、指导这篇论文的各位老师们致以深深的谢意！

参考文献[1]刘学明.飞机机械设备智能故障诊断专家系统研究[D].西安电子科技大学,2008.[2]王晨.飞机自动飞