2020年11月20日，中央電視臺(tái)播出了一段令人心潮澎湃的視頻——輕盈的直-20通用直升機(jī)在皚皚白雪的青藏高原上空自由翱翔。

國(guó)產(chǎn)直升機(jī)輕松上高原，第一當(dāng)然是新型國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)給力，但另一個(gè)重點(diǎn)要點(diǎn)則是，直升機(jī)、特別是直升機(jī)旋翼要具備防冰除冰的能力。

就為了這個(gè)，剛剛榮獲航空航天月桂獎(jiǎng)的直-20總師鄧景輝，和他的同事們?cè)谘┯蚋咴M(jìn)行了艱苦的研究和試驗(yàn)，最終取得了國(guó)產(chǎn)直升機(jī)防冰除冰系統(tǒng)零的突破。

很多人不知道的是，“世界直升機(jī)防冰除冰技術(shù)俱樂(lè)部”的成員，比“氫彈俱樂(lè)部”和“核潛艇俱樂(lè)部”數(shù)量還要少，加上中國(guó)，這才只有四個(gè)國(guó)家能做到（其他三個(gè)國(guó)家分別是美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)）。

那么，直升機(jī)旋翼防冰除冰究竟有哪些獨(dú)特的技術(shù)呢？為什么如此“高大上”？

直-20攻克防冰除冰技術(shù)難題，翱翔在雪域高原上空。

旋翼為啥會(huì)結(jié)冰？結(jié)冰有多大危害？

直升機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的過(guò)冷水滴會(huì)迅速聚集在高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉前緣并凝結(jié)成冰，旋翼槳葉結(jié)冰會(huì)帶來(lái)一些嚴(yán)重影響，比如：

①改變旋翼槳葉的氣動(dòng)外形，從而降低直升機(jī)的飛行性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致飛機(jī)失控失速，甚至墜毀。

②改變旋翼槳葉的質(zhì)量分布，影響旋翼的動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致旋翼振動(dòng)增大，從而使直升機(jī)失去控制。

③有些冰塊，會(huì)從高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉上脫落，損壞直升機(jī)上的其他部件，影響直升機(jī)的飛行安全。直升機(jī)旋翼結(jié)冰引起的飛行事故時(shí)有發(fā)生。1980年，一架剛引進(jìn)的“超黃蜂”直升機(jī)在起飛半小時(shí)后，因旋翼結(jié)冰而在山東境內(nèi)墜毀。

直升機(jī)究竟咋防冰除冰？直-20防冰除冰靠的是“電熱”

直升機(jī)防冰除冰技術(shù)的目的之一，是采取措施使得過(guò)冷水滴不能在旋翼槳葉上凝結(jié)成冰，這叫防冰。之二是除冰措施，在除冰過(guò)程中允許結(jié)一定厚度的冰，然后除冰。

飛機(jī)防冰除冰技術(shù)種類很多，但旋翼防冰除冰與飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)體表面、進(jìn)氣道和氣動(dòng)舵面等其他部位相比，有其特殊性，因?yàn)樾硎且粋€(gè)具有大表面積的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，同時(shí)向旋翼輸電有技術(shù)困難。因此能應(yīng)用在旋翼上的防冰除冰技術(shù)從目前來(lái)看主要包括電熱防冰除冰技術(shù)，氣熱防冰技術(shù)，氣動(dòng)帶除冰技術(shù)和液體防冰技術(shù)。

直升機(jī)防冰除冰里，最常用的技術(shù)是——電熱防冰除冰。該技術(shù)的原理是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱部件的待防護(hù)表面，使其不結(jié)冰。電熱防冰系統(tǒng)一般由電源、選擇開(kāi)關(guān)、過(guò)熱保護(hù)裝置，及電加熱元件等組成。選擇開(kāi)關(guān)有“手動(dòng)”、“自動(dòng)”等位置，當(dāng)位于“自動(dòng)”位置時(shí)，飛機(jī)結(jié)冰傳感器感受結(jié)冰電訊號(hào)，自動(dòng)接通或斷開(kāi)系統(tǒng)電源。過(guò)熱保護(hù)裝置(包括溫度傳感頭和繼電器)用來(lái)防止部件表面蒙皮過(guò)熱而變形。電加熱元件將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)部件表面加熱、除冰。

電防冰的加熱方式有連續(xù)加熱和間斷加熱兩種。一般的固定翼飛機(jī)采用連續(xù)加熱方式，而直升機(jī)旋翼則不同，因?yàn)樗试S表面有少量結(jié)冰，同時(shí)旋翼是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)氣流，本身就有冷卻效應(yīng)，因此對(duì)旋翼加熱，耗電功率比給固定翼飛機(jī)部件加熱大得多。為了節(jié)電，對(duì)直升機(jī)旋翼一般采用周期加熱的方式。

以美國(guó)“黑鷹”直升機(jī)為例，它在四片主槳葉上設(shè)置了4個(gè)電加熱區(qū)，通過(guò)在槳葉上敷設(shè)電阻絲來(lái)進(jìn)行加熱，這些電阻絲編制成加熱墊，裝在主旋翼和尾槳表面下方，放在一個(gè)經(jīng)過(guò)穩(wěn)固化處理的織物存放裝置內(nèi)。

“黑鷹”的電加熱系統(tǒng)，有半自動(dòng)、自動(dòng)等模式，飛行員可以根據(jù)環(huán)境進(jìn)行選擇，在更易結(jié)冰的地區(qū)飛行，就選擇加熱時(shí)間更長(zhǎng)，間隔時(shí)間更短的模式，這樣就可以更有效防止結(jié)冰。

黑鷹直升機(jī)，是直升機(jī)防冰除冰技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，是該工程技術(shù)領(lǐng)域的杰出典范，圖為UH-60A

在早期原型機(jī)上，電阻絲加熱區(qū)主要覆蓋更接近槳葉葉尖的區(qū)域，因?yàn)檫@里結(jié)冰可能更大，影響也更大，四片槳葉需在飛行中同時(shí)加熱。

經(jīng)過(guò)西科斯基公司在阿拉斯加進(jìn)行的結(jié)冰試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靠近槳葉葉根的地方，因沒(méi)有加熱區(qū)形成了較厚的冰層結(jié)晶。同時(shí)四片槳葉同時(shí)加熱，耗電25千瓦。

在量產(chǎn)機(jī)上，“黑鷹”做了調(diào)整，增加了槳葉展向和弦向的加熱區(qū)面積，加熱區(qū)覆蓋接近葉尖和葉根的槳葉中部區(qū)域。同時(shí)槳葉加熱改為相對(duì)兩片槳葉循環(huán)加熱，即每個(gè)加熱周期有兩片槳葉在同時(shí)加熱，這使得耗電降為17.5千瓦。

此外還有氣動(dòng)帶除冰、液體防冰等技術(shù)。氣動(dòng)帶除冰，又叫“膨脹管除冰技術(shù)”。它的原理是利用飛機(jī)部件前緣表面上膨脹管的膨脹作用，使其外表面冰層破碎而脫落的機(jī)械除冰技術(shù)。

用于旋翼、尾槳前緣的膨脹管通常有展向、弦向兩種形式。周期地使膨脹管充氣而膨脹，卸壓而收縮，從而使冰層破裂，脫離表面，然后被氣流吹去。液體防冰就是向部件防護(hù)表面噴射防凍液，與撞擊在蒙皮表面上的過(guò)冷水滴混合，使液體凝固點(diǎn)低于蒙皮表面溫度而不結(jié)冰。

通常采用連續(xù)噴射防凍液的防護(hù)方式，有時(shí)也用周期性噴液的方式。直升機(jī)旋翼所采用的液體防冰技術(shù)與固定翼飛機(jī)相比顯得與眾不同，它是在旋翼根部設(shè)置防冰液噴孔，然后利用直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將防冰液甩到槳葉、旋翼前緣表面。

AH-56A直升機(jī)旋翼結(jié)冰，旋翼結(jié)冰對(duì)于直升機(jī)來(lái)說(shuō)具有很大的危險(xiǎn)性

值得一提的是，液體防冰是我國(guó)早期直升機(jī)最常用的防冰除冰技術(shù)，主要是用液體酒精作為防凍液防止旋翼槳葉結(jié)冰，當(dāng)時(shí)我軍裝備的米-4和米-5直升機(jī)都采用了這個(gè)技術(shù)。

但它有一定缺點(diǎn)，比如防冰時(shí)間短，僅為30~40分鐘；對(duì)于已經(jīng)結(jié)冰的旋翼沒(méi)有除冰功能；酒精揮發(fā)威力有限，在環(huán)境溫度特別低時(shí)起不到防冰效果等。

從當(dāng)前情況看，氣動(dòng)帶除冰和液體防冰技術(shù)始于20世紀(jì)三、四十年代，屬于最早期的防冰除冰技術(shù)，但因膨脹管充氣時(shí)對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能影響較大，目前已很少使用。而最晚興起的電熱防冰技術(shù)，已成為現(xiàn)代直升機(jī)旋翼防冰除冰技術(shù)發(fā)展的主流。直-20新型通用直升機(jī)，采用的應(yīng)該就是電熱防冰除冰技術(shù)。

我國(guó)攻克直升機(jī)防冰除冰“難題”

實(shí)際上我國(guó)在直-20上攻克防冰除冰難題，早有“跡象”和技術(shù)準(zhǔn)備。

早在2014年，航空工業(yè)航空儀表有限責(zé)任公司（武儀）就與中航工業(yè)直升機(jī)研究所聯(lián)手協(xié)作，攻克了直升機(jī)旋翼防冰除冰技術(shù)難關(guān)，完成某型直升機(jī)地面旋翼冰霧噴灑試驗(yàn)驗(yàn)證。

2017年，鄧景輝在接受采訪時(shí)透露直-20采用的是電熱防冰除冰的技術(shù)路線來(lái)解決直升機(jī)的除冰難題，他表示：旋翼除冰技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)埋加熱組件的熱功率密度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，如果溫度高了可能燒壞槳葉，溫度低了又無(wú)法除冰，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

此外，加熱組件埋在槳葉中，如何在槳葉高速旋轉(zhuǎn)下保證組件的壽命和可靠性，涉及的技術(shù)問(wèn)題非常復(fù)雜，因此也成為了美國(guó)和法國(guó)的不傳之秘。但是我國(guó)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)努力，最終攻克了這項(xiàng)先進(jìn)的旋翼除冰技術(shù)。