论文部分内容阅读
摘 要 本文通过介绍国外电脉冲除冰技术发展情况，以及国内相关单位的前期研究情况，提出了电脉冲除冰系统总体设计方法，详细介绍了主要研究内容，对电脉冲除冰技术研究具有借鉴作用。
关键词 电脉冲除冰 除冰线圈 PWT公司 脉冲力
一、引言
目前飞机的前缘缝翼、尾翼、发动机、风挡等部件广泛采用热气防冰、周期气囊式除冰、电热防除冰技术。热气防冰和电热防除冰，在除冰时将消耗大量的能量。不管是热气防冰消耗的引气量还是电热防除冰消耗的电量，最终消耗的都是燃油，同时会给发动机造成代偿损失。此类防除冰系统在工作时将消耗几十甚至几百千瓦的能量。如此庞大的数值，使得飞机在进行总体设计时，不得不对发动机和发电机提出额外的要求（尤其是无人机）。对于周期气囊式除冰技术，虽然其消耗能量较小，但是由于外露的橡胶易老化及工作时改变飞机气动外形等原因，在国外仅用于支线飞机，并未用于主流干线飞机。因此，许多国家一直在寻求一种高效安全的防除冰方法来解决目前的防除冰系统耗能过大的突出矛盾。
国外研究表明，电脉冲除冰系统的重量轻，除冰效果良好，可靠性高，系统工作时对飞机气动性能无影响。系统无运动机件，维护工作量小。主要优点在于功耗低：全机除冰时的总耗电量约在l千瓦以下。上述优点是热气防冰系统、电热防除冰系统、周期气囊式除冰系统所不具备的。因此，它的市场应用前景广阔，受到了美、俄等航空强国的高度关注。
二、国外电脉冲除冰技术发展情况
俄罗斯的“脉冲”跨行业技术推广中心——PWT公司，是从事电脉冲技术研究和产品设计的最早企业之一。早在二十世纪六十年代该公司就开始电脉冲除冰系统的理论和试验研究。俄罗斯在大型运输机伊尔-76、大型客机伊尔-86、96和别-200上已经安装使用了PWT公司生产的电脉冲除冰系统。
美国国家航空航天局在二十世纪八十年代对电脉冲除冰系统开展了系列研究。形成了一系列的成果，如：低压电脉冲除冰技术，超薄除冰线圈（厚度2mm，可以内嵌于机体蒙皮），数字计算仿真软件、复合材料应用电脉冲除冰技术等。同时进行了大量的地面试验和空中飞行验证试验。
三、国内电脉冲除冰技术简介
国内的西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、武汉航空仪表有限责任公司等单位从2000年以来对电脉冲除冰技术开展了研究。目前停留在理论研究的定性研究阶段，理论模型未得到试验验证，还不能指导工程实际应用，定量研究尚未开展。最主要的表现是除冰线圈不能自主设计，制约了电脉冲除冰技术在我国的发展。
四、电脉冲除冰系统设计方法
按照新研技术“V”型设计流程，电脉冲除冰系统的设计需要经历理论建模、样机制造、试验验证三个过程，第一阶段主要解决的问题是验证仿真模型的正确性，在获得最佳仿真模型后，可以针对给定机翼参数对电脉冲除冰系统的关键设计参数进行仿真设计，获得除冰线圈的设计参数及系统的工作参数，减少迭代次数，缩短研制周期。第二阶段主要解决电脉冲除冰系统的工程应用问题，重点关注疲劳和安全性研究。按照以上思路，下文提出了电脉冲除冰系统的总体研究方法和主要研究内容。
1、总体研究方法
电脉冲除冰系统的总体研究方法如图1所示：
图1 研究方案路线图
首先，通过理论研究，建立电脉冲除冰系统的仿真模型，分析电路元器件参数，确定蒙皮表面不均匀脉冲力的分布，数值仿真系统最终的除冰效果，利用仿真数据提出除冰线圈的设计方案。
其次，制造除冰线圈，设计电脉冲除冰系统控制部分原理样机，利用典型翼形研究系统关键器件与机翼的最佳适配方法，并开展相关试验研究，验证仿真模型的正确性。随后，开展疲劳试验方法研究与系统安全性分析。最终，完成飞机电脉冲除冰系统的技术研究。
2、主要研究内容
（1）建立电脉冲除冰系统理论仿真模型
电脉冲除冰系统的理论研究包括电路、电磁场、结构动力学与除冰效果这四方面。其中，前一项研究获得的结果为后续工作提供分析基础。仿真分析的流程如图2所示。
通过建立有效的系统仿真模型，可以仿真机翼段在系统关键参数（如电脉冲线圈匝数、结构形式、电容和电感值、充电电压大小、线圈与蒙皮间隔、蒙皮材料和厚度等）变化情况下的不同除冰效果，从而指导除冰线圈和原理样机控制部分的设计。
图2 仿真建模流程图
（2）除冰线圈与机翼的最佳适配方法
目前适配方式有除冰线圈固定在安装于机翼肋板之间的横梁上，或采用内嵌于机翼蒙皮的两种形式。需要通过仿真模型，寻找出最佳的除冰线圈的布点位置，然后根据此位置选择合适的安装方法，并通过试验验证，从而获得除冰线圈与机翼的适配结构及安装形式。
（3）试验验证
试验验证系统由利用仿真结果设计的除冰线圈、原理样机控制部件和机翼段三部分组成。通过改变电容值、充电电压大小、线圈与蒙皮间隔、工作模式等参数进行全面结构受力试验，获得蒙皮受力数据，对比试验测量数据与仿真计算数据的差异，确定仿真模型的正确性（否则优化仿真模型）。上步工作结束后，进行冰风洞除冰试验，获得蒙皮除冰效果数据，对比试验数据与仿真计算数据的差异，确定仿真模型的正确性（否则优化仿真模型）。
（4）疲劳试验方法研究
电脉冲除冰系统中需要进行疲劳分析的关键部件为机翼蒙皮、安装支架、固定铆钉等。常见的疲劳试验方法包括名义应力法、局部应力应变法与损伤容限法。在分析研究中，建立系统的结构有限元分析模型，并对此结构加载单脉冲、周期性脉冲、不规则脉冲等载荷，分别采用三种疲劳试验方法研究关键部件的疲劳寿命，再进行对比、分析与总结，获取最佳适用于样机的疲劳试验方法。最后通过典型结构的疲劳试验，反复验证分析的合理性，利用理论研究与试验建立关键部件的应力-寿命曲线。
（5）电脉冲除冰系统安全性分析与研究
进行电脉冲除冰系统的功能危害性分析，明确地识别每种失效状态对飞机的影响，生成电脉冲除冰系统的故障模式及影响分析清单，作为后续初步安全性分析的要求和基础。主要目的是：针对电脉冲除冰系统原理样机的功能构成、特点等进行故障树分析，从而提出原理样各功能模块的失效概率，并进行工程优化方案设计，为后续工程研究奠定基础。
五、结束语
本方法主要通过建立数学模型获得电脉冲除冰系统仿真软件，然后经过反复迭代方式用试验验证仿真模型的正确性，解决除冰线圈设计与布点难题、获得系统关键设计参数，达到理论研究指导工程实际应用的目的。然后通过研究系统疲劳试验方法及开展安全性分析与评估工作，可以解决重点关注问题：系统长期工作对机体结构影响和系统的安全性指标，从而获得系统工程样机的设计方案。
参考文献：
[1]陈明生.我国大型飞机防冰系统研制的设想，中国航空学会2007年学术年会， 机载航电专题82.
[2]NASA，Electro-Impulse De-icing Testing Analysis and Design，1988.
[3]Levin I.A. Electric Impulse De-Icing System Design[J].Aircraft Engineering， 1982， （7）.
（作者单位：国防科工局军工项目审核中心评审一处）
关键词 电脉冲除冰 除冰线圈 PWT公司 脉冲力
一、引言
目前飞机的前缘缝翼、尾翼、发动机、风挡等部件广泛采用热气防冰、周期气囊式除冰、电热防除冰技术。热气防冰和电热防除冰，在除冰时将消耗大量的能量。不管是热气防冰消耗的引气量还是电热防除冰消耗的电量，最终消耗的都是燃油，同时会给发动机造成代偿损失。此类防除冰系统在工作时将消耗几十甚至几百千瓦的能量。如此庞大的数值，使得飞机在进行总体设计时，不得不对发动机和发电机提出额外的要求（尤其是无人机）。对于周期气囊式除冰技术，虽然其消耗能量较小，但是由于外露的橡胶易老化及工作时改变飞机气动外形等原因，在国外仅用于支线飞机，并未用于主流干线飞机。因此，许多国家一直在寻求一种高效安全的防除冰方法来解决目前的防除冰系统耗能过大的突出矛盾。
国外研究表明，电脉冲除冰系统的重量轻，除冰效果良好，可靠性高，系统工作时对飞机气动性能无影响。系统无运动机件，维护工作量小。主要优点在于功耗低：全机除冰时的总耗电量约在l千瓦以下。上述优点是热气防冰系统、电热防除冰系统、周期气囊式除冰系统所不具备的。因此，它的市场应用前景广阔，受到了美、俄等航空强国的高度关注。
二、国外电脉冲除冰技术发展情况
俄罗斯的“脉冲”跨行业技术推广中心——PWT公司，是从事电脉冲技术研究和产品设计的最早企业之一。早在二十世纪六十年代该公司就开始电脉冲除冰系统的理论和试验研究。俄罗斯在大型运输机伊尔-76、大型客机伊尔-86、96和别-200上已经安装使用了PWT公司生产的电脉冲除冰系统。
美国国家航空航天局在二十世纪八十年代对电脉冲除冰系统开展了系列研究。形成了一系列的成果，如：低压电脉冲除冰技术，超薄除冰线圈（厚度2mm，可以内嵌于机体蒙皮），数字计算仿真软件、复合材料应用电脉冲除冰技术等。同时进行了大量的地面试验和空中飞行验证试验。
三、国内电脉冲除冰技术简介
国内的西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、武汉航空仪表有限责任公司等单位从2000年以来对电脉冲除冰技术开展了研究。目前停留在理论研究的定性研究阶段，理论模型未得到试验验证，还不能指导工程实际应用，定量研究尚未开展。最主要的表现是除冰线圈不能自主设计，制约了电脉冲除冰技术在我国的发展。
四、电脉冲除冰系统设计方法
按照新研技术“V”型设计流程，电脉冲除冰系统的设计需要经历理论建模、样机制造、试验验证三个过程，第一阶段主要解决的问题是验证仿真模型的正确性，在获得最佳仿真模型后，可以针对给定机翼参数对电脉冲除冰系统的关键设计参数进行仿真设计，获得除冰线圈的设计参数及系统的工作参数，减少迭代次数，缩短研制周期。第二阶段主要解决电脉冲除冰系统的工程应用问题，重点关注疲劳和安全性研究。按照以上思路，下文提出了电脉冲除冰系统的总体研究方法和主要研究内容。
1、总体研究方法
电脉冲除冰系统的总体研究方法如图1所示：
图1 研究方案路线图
首先，通过理论研究，建立电脉冲除冰系统的仿真模型，分析电路元器件参数，确定蒙皮表面不均匀脉冲力的分布，数值仿真系统最终的除冰效果，利用仿真数据提出除冰线圈的设计方案。
其次，制造除冰线圈，设计电脉冲除冰系统控制部分原理样机，利用典型翼形研究系统关键器件与机翼的最佳适配方法，并开展相关试验研究，验证仿真模型的正确性。随后，开展疲劳试验方法研究与系统安全性分析。最终，完成飞机电脉冲除冰系统的技术研究。
2、主要研究内容
（1）建立电脉冲除冰系统理论仿真模型
电脉冲除冰系统的理论研究包括电路、电磁场、结构动力学与除冰效果这四方面。其中，前一项研究获得的结果为后续工作提供分析基础。仿真分析的流程如图2所示。
通过建立有效的系统仿真模型，可以仿真机翼段在系统关键参数（如电脉冲线圈匝数、结构形式、电容和电感值、充电电压大小、线圈与蒙皮间隔、蒙皮材料和厚度等）变化情况下的不同除冰效果，从而指导除冰线圈和原理样机控制部分的设计。
图2 仿真建模流程图
（2）除冰线圈与机翼的最佳适配方法
目前适配方式有除冰线圈固定在安装于机翼肋板之间的横梁上，或采用内嵌于机翼蒙皮的两种形式。需要通过仿真模型，寻找出最佳的除冰线圈的布点位置，然后根据此位置选择合适的安装方法，并通过试验验证，从而获得除冰线圈与机翼的适配结构及安装形式。
（3）试验验证
试验验证系统由利用仿真结果设计的除冰线圈、原理样机控制部件和机翼段三部分组成。通过改变电容值、充电电压大小、线圈与蒙皮间隔、工作模式等参数进行全面结构受力试验，获得蒙皮受力数据，对比试验测量数据与仿真计算数据的差异，确定仿真模型的正确性（否则优化仿真模型）。上步工作结束后，进行冰风洞除冰试验，获得蒙皮除冰效果数据，对比试验数据与仿真计算数据的差异，确定仿真模型的正确性（否则优化仿真模型）。
（4）疲劳试验方法研究
电脉冲除冰系统中需要进行疲劳分析的关键部件为机翼蒙皮、安装支架、固定铆钉等。常见的疲劳试验方法包括名义应力法、局部应力应变法与损伤容限法。在分析研究中，建立系统的结构有限元分析模型，并对此结构加载单脉冲、周期性脉冲、不规则脉冲等载荷，分别采用三种疲劳试验方法研究关键部件的疲劳寿命，再进行对比、分析与总结，获取最佳适用于样机的疲劳试验方法。最后通过典型结构的疲劳试验，反复验证分析的合理性，利用理论研究与试验建立关键部件的应力-寿命曲线。
（5）电脉冲除冰系统安全性分析与研究
进行电脉冲除冰系统的功能危害性分析，明确地识别每种失效状态对飞机的影响，生成电脉冲除冰系统的故障模式及影响分析清单，作为后续初步安全性分析的要求和基础。主要目的是：针对电脉冲除冰系统原理样机的功能构成、特点等进行故障树分析，从而提出原理样各功能模块的失效概率，并进行工程优化方案设计，为后续工程研究奠定基础。
五、结束语
本方法主要通过建立数学模型获得电脉冲除冰系统仿真软件，然后经过反复迭代方式用试验验证仿真模型的正确性，解决除冰线圈设计与布点难题、获得系统关键设计参数，达到理论研究指导工程实际应用的目的。然后通过研究系统疲劳试验方法及开展安全性分析与评估工作，可以解决重点关注问题：系统长期工作对机体结构影响和系统的安全性指标，从而获得系统工程样机的设计方案。
参考文献：
[1]陈明生.我国大型飞机防冰系统研制的设想，中国航空学会2007年学术年会， 机载航电专题82.
[2]NASA，Electro-Impulse De-icing Testing Analysis and Design，1988.
[3]Levin I.A. Electric Impulse De-Icing System Design[J].Aircraft Engineering， 1982， （7）.
（作者单位：国防科工局军工项目审核中心评审一处）