2020年11月20日，中央電視臺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。

國產(chǎn)直升機(jī)輕松上高原，第一當(dāng)然是新型國產(chǎn)發(fā)動機(jī)給力，但另一個重點要點則是，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，剛剛榮獲航空航天月桂獎的直-20總師鄧景輝，和他的同事們在雪域高原進(jìn)行了艱苦的研究和試驗，最終取得了國產(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)俱樂部”的成員，比“氫彈俱樂部”和“核潛艇俱樂部”數(shù)量還要少，加上中國，這才只有四個國家能做到（其他三個國家分別是美國、俄羅斯和法國）。

那么，直升機(jī)旋翼防冰除冰究竟有哪些獨特的技術(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，大氣中的過冷水滴會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)冰會帶來一些嚴(yán)重影響，比如：

①改變旋翼槳葉的氣動外形，從而降低直升機(jī)的飛行性能，嚴(yán)重時導(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，影響旋翼的動力學(xué)特性，導(dǎo)致旋翼振動增大，從而使直升機(jī)失去控制。

③有些冰塊，會從高速旋轉(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)氣道和氣動舵面等其他部位相比，有其特殊性，因為旋翼是一個具有大表面積的轉(zhuǎn)動部件，同時向旋翼輸電有技術(shù)困難。因此能應(yīng)用在旋翼上的防冰除冰技術(shù)從目前來看主要包括電熱防冰除冰技術(shù)，氣熱防冰技術(shù)，氣動帶除冰技術(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、選擇開關(guān)、過熱保護(hù)裝置，及電加熱元件等組成。選擇開關(guān)有“手動”、“自動”等位置，當(dāng)位于“自動”位置時，飛機(jī)結(jié)冰傳感器感受結(jié)冰電訊號，自動接通或斷開系統(tǒng)電源。過熱保護(hù)裝置(包括溫度傳感頭和繼電器)用來防止部件表面蒙皮過熱而變形。電加熱元件將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢Σ考砻婕訜?、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，因為它允許表面有少量結(jié)冰，同時旋翼是轉(zhuǎn)動部件，在旋轉(zhuǎn)時帶動氣流，本身就有冷卻效應(yīng)，因此對旋翼加熱，耗電功率比給固定翼飛機(jī)部件加熱大得多。為了節(jié)電，對直升機(jī)旋翼一般采用周期加熱的方式。

以美國“黑鷹”直升機(jī)為例，它在四片主槳葉上設(shè)置了4個電加熱區(qū)，通過在槳葉上敷設(shè)電阻絲來進(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，放在一個經(jīng)過穩(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、自動等模式，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，就選擇加熱時間更長，間隔時間更短的模式，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，因為這里結(jié)冰可能更大，影響也更大，四片槳葉需在飛行中同時加熱。

經(jīng)過西科斯基公司在阿拉斯加進(jìn)行的結(jié)冰試驗發(fā)現(xiàn)，靠近槳葉葉根的地方，因沒有加熱區(qū)形成了較厚的冰層結(jié)晶。同時四片槳葉同時加熱，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。同時槳葉加熱改為相對兩片槳葉循環(huán)加熱，即每個加熱周期有兩片槳葉在同時加熱，這使得耗電降為17.5千瓦。

此外還有氣動帶除冰、液體防冰等技術(shù)。氣動帶除冰，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冷水滴混合，使液體凝固點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)冰對于直升機(jī)來說具有很大的危險性

值得一提的是，液體防冰是我國早期直升機(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)時我軍裝備的米-4和米-5直升機(jī)都采用了這個技術(shù)。

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

從當(dāng)前情況看，氣動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)，但因膨脹管充氣時對飛機(jī)氣動性能影響較大，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)。

我國攻克直升機(jī)防冰除冰“難題”

實際上我國在直-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驗證。

2017年，鄧景輝在接受采訪時透露直-20采用的是電熱防冰除冰的技術(shù)路線來解決直升機(jī)的除冰難題，他表示：旋翼除冰技術(shù)的關(guān)鍵是通過對復(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)問題非常復(fù)雜，因此也成為了美國和法國的不傳之秘。但是我國技術(shù)人員經(jīng)過努力，最終攻克了這項先進(jìn)的旋翼除冰技術(shù)。