直升机的旋翼在飞行中会结冰吗?

小米稀饭59


首先得知道为什么飞行器会结冰。这是一个很好玩的问题,实际上并不应该属于军事领域,但W君知道一点点就给大家说说吧。

在地面上的直升机结冰往往是在低温下有水汽或者水分直接接触飞行器表面形成冰层。在这样的条件下,飞机机翼结冰和公园里的健身器材结冰是没有任何区别的。

然而如果在高空飞行或者在云层中飞行的时候,其实飞行器也会出现结冰现象。

这里要说到的一个概念就是过冷水了。

相信大家基本上都看过这个实验视频吧?

原本是液态的水,在倒入杯子的瞬间就变成了冰沙。这里就得说水结冰的两个主要原因了:第一温度要足够低,第二要有凝结核。在这两个条件满足后,水就会立刻结冰。实际上还有第三个情况——“冲击”过冷水在被冲击的情况下也可以迅速的结冰:

在国内研究飞行器结冰的机构其实就在天津。他们的论文W君其实还是看过的。飞行器结冰的现象其实更多的情况下是在6000米高度以下,在这个高度的中高空中会有很多的过冷水小液滴,这些小液滴如果积聚的比较浓密的话就是我日常所看到的云了。但即便是晴空万里也会有很多的小的过冷水液滴悬浮在高空大气中。这里实际上还有一个度量每立方米空气中有多少公斤的过冷水液滴。

当这个量达到一个阈值的时候,还要有飞行器在其中飞行飞行器表面就可以生成薄薄的冰膜。

不过直升机比固定翼飞机要有优势一点,由于直升机旋翼本身的旋转震动,会导致一定范畴内的微冰膜破裂并不会形成太大的影响。

整体上的计算结冰系数的公式实际上也就是上面的公式范例了。


但是如果继续再去推这个公式的话,就涉及到流体力学、水粘滞度、斯托克斯数等等一系列的专业数据了,写出来意义也不是特别的大。


咱们就说影响吧。目前如果直升机机翼结冰,将直接导致直升机失去控制造成事故。

通常的情况下对直升机旋翼结冰的预防方法也有。大型直升机采用了发动机废气引流的方式进行除冰。小型直升机则采用电加热旋翼的方式仿制冰层的凝结。

直升机的旋翼实际上并不像很多人想象的是完整的一块,大部分直升机的旋翼是分层分结构和功能的。例如上面的结构图上直升机旋翼前端就有防结冰层,这个层用疏水材料制造,本身很难让水粘在上面,其次疏水材料层下还有电加热层。可以整个加热旋翼。这样以来旋翼的温度高于冰点也不会使水在上面凝结成冰。


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图注:AH-56A直升机旋翼结冰,旋翼结冰对于直升机来说具有很大的危险性

直升机旋翼当然会结冰,是因为直升机在结冰气象条件下飞行时,大气中的过冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘并凝结成冰。旋翼结冰后,会改变旋翼的气动外形,增加旋翼的重量和质量分布,旋翼上的冰块还会掉落砸坏机上其他设备,这些都会严重危及飞行安全。1980年,当时咱们国家一架刚引进的“超黄蜂”直升机在起飞半小时后,因旋翼结冰而在山东境内坠毁。

直升机防冰除冰技术的目的之一,是采取措施使得过冷水滴不能在旋翼桨叶上凝结成冰,这叫防冰。之二是除冰措施,在除冰过程中允许结一定厚度的冰,然后除冰。

飞机防冰除冰技术种类很多,但旋翼防冰除冰与飞机机翼、机体表面、进气道和气动舵面等其他部位相比,有其特殊性,因为旋翼是一个具有大表面积的转动部件,同时向旋翼输电有技术困难。因此能应用在旋翼上的防冰除冰技术从目前来看主要包括电热防冰除冰技术,气热防冰技术,气动带除冰技术和液体防冰技术。

电热防冰除冰技术:该技术的原理是将电能转变为热能,加热部件的待防护表面,使其不结冰。电热防冰系统一般由电源、选择开关、过热保护装置,及电加热元件等组成。选择开关有“手动”、“自动”等位置,当位于“自动”位置时,飞机结冰传感器感受结冰电讯号,自动接通或断开系统电源。过热保护装置(包括温度传感头和继电器)用来防止部件表面蒙皮过热而变形。电加热元件将电能转变为热能,对部件表面加热、除冰。以美国“黑鹰”直升机为例,它在四片主桨叶上设置了4个电加热区,通过在桨叶上敷设电阻丝来进行加热,这些电阻丝编制成加热垫,装在主旋翼和尾桨表面下方,放在一个经过稳固化处理的织物存放装置内。“黑鹰”的电加热系统,有半自动、自动等模式,飞行员可以根据环境进行选择,在更易结冰的地区飞行,就选择加热时间更长,间隔时间更短的模式,这样就可以更有效防止结冰。

图注:UH-60A“黑鹰”直升机旋翼防冰除冰系统结构示意图

气热防冰技术:气热防冰是利用热空气加热飞机部件的待防护表面。活塞式发动机的飞机,多用汽油加温器等加热冲压空气作热气源;喷气发动机的飞机包括直升机在内,一般从发动机压气机内引气作热气源。被引出的热压缩空气流过流量限制器、单向活门、防冰控制阀,输入表面加热器,对部件表面加热以防冰。

气动带除冰技术:该技术又称“膨胀管除冰技术”。它的原理是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用,使其外表面冰层破碎而脱落的机械除冰技术。该技术系统由空气泵、控制阀、卸压阀、输气管及膨胀管等组成。膨胀管常由涂胶的织物制成。用于旋翼、尾桨前缘的膨胀管通常有展向、弦向两种形式。周期地使膨胀管充气而膨胀,卸压而收缩,从而使冰层破裂,脱离表面,然后被气流吹去。

液体防冰技术:液体防冰就是向部件防护表面喷射防冻液,与撞击在蒙皮表面上的过冷水滴混合,使液体凝固点低于蒙皮表面温度而不结冰。通常采用连续喷射防冻液的防护方式,有时也用周期性喷液的方式。液体防冰系统一般由贮液箱、泵、过滤器、控制装置、输液管及液体分配器等组成。常用乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇、甲醇等低凝固点的液体作防冻液。在泵的压力作用下,防冻液经液体分配器被均匀地送至部件表面。直升机旋翼所采用的液体防冰技术与固定翼飞机相比显得与众不同,它是在旋翼根部设置防冰液喷孔,然后利用直升机旋翼旋转产生的离心力将防冰液甩到桨叶、旋翼前缘表面。

从当前情况看,气动带除冰和液体防冰技术始于20世纪三、四十年代,属于最早期的防冰除冰技术,但因膨胀管充气时对飞机气动性能影响较大,目前已很少使用。而最晚兴起的电热防冰技术,已成为现代直升机旋翼防冰除冰技术发展的主流。


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在严寒状态下,一般直升机的旋翼部件肯定会结冰的。想要让直升机避免这种情况,一方面在直升机设计之初就需要考虑到严寒执行任务的能力和需求,根据这个需求特别设计或者加装专业除冰设备。

另一方面则是做好后勤维护工作,飞行员也需要熟悉飞机的情况,在寒冷天气出任务的时候,控制在什么海拔高度,飞行时间控制在什么时间范围以内。做好了这些工作,即使直升机的旋翼结冰,也不一定会造成人员伤亡和飞机损失。

旋翼结冰的危害是很大的,它会改变飞机正常的空气动力学特性。相比于固定翼飞机,旋翼飞机对空气的依赖程度更高,抗扰流的能力也更弱。旋翼结冰后,旋翼的重量增大,配重也发生变化。飞行中和空气接触后,就会产生无法预测的各种空气小漩涡,影响飞机的稳定性。

而且值得说明的是,直升机旋翼要结冰不一定是零下多少度。即使是在零上十几度的较凉爽天气,如果天气状况不佳,有大雾大雨或者大雪。直升机的旋翼在飞行中运转速度极快,会逐步的把气体里的尘埃,液体,颗粒物都积聚起来。因此即使在十几度的情况下,也有可能出现凝固和结冰。

飞机结冰后就需要快速进行除冰作业。由于冰遇到水和热量都会化解,所以除冰手段主要就是电热除冰,气热除冰,气体带动和特殊液体防冻技术。

由于直升机是一种具备悬停功能的飞行器,它在飞行中产生的热量很大,需要散热。在寒冷环境里,又需要加热。所以说很多直升机在设计时,会考虑把热能的相关设备设计成循环式的。如果旋翼结冰,铺设在直升机相关部位的电阻会加热旋翼,实现除冰作用。

旋翼结冰会严重影响飞机的机械稳定性,损耗飞机的寿命,因此需谨慎处理。


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直升机的旋翼系统较为复杂

你好,长安小师爷头条号作者为您回答这个问题,作为空中的一款飞行器,尤其是旋翼机更会碰到空中飞行时结冰的问题,所以这个问题可以很肯定的回答会的。直升机空中若发生旋翼结冰的问题,其处理难度要比固定翼飞机相对麻烦得多,并且它的处理手段比起固定翼飞机也要少很多。

按照飞机飞行都是前向飞行的原理,直升机的主旋翼由于旋转的关系,其旋翼前缘一样会和固定翼飞机的前缘在迎风面上产生结冰的现象,若不及时处理,冰层不但越结越厚,也会顺着整个机翼前缘的横向产生结冰现象,而直升机的旋翼在结冰原理上是一致的,所以若不及时处理,只会越来越厚越来越多的结冰面,最终导致机毁人亡。

直升机结冰实验

要说到如何处理直升机旋翼的结冰问题,最早有在旋翼上涂上防冻液除冰剂的,但效果山不高并不是很好,后来在旋翼上加了电热阻丝,以及其它配套设备,但由于它不像固定翼飞机那样,是依靠喷气式发动机的推力来提供动力,而是依靠发动机推动旋翼转动来进行飞行,所以在技术难度上更大,并且也不会像固定翼飞机前缘那样对于加温条件相对苛刻。

虽然未来的直升机的主流除冰技术还是向电加温这个方向靠拢,但不得不还是要克服旋翼机所固有的一些技术难点,毕竟拿防冻液除冰剂来降低飞机旋翼结冰的问题,相对还是本末倒置的手段,就算是美军现役的几款直升机中有电加温旋翼的设计,也有对于易结冰飞行区域的诸多限制,这不仅体现在飞行空域上,还有着飞行时长的很大制约。

高寒地区的飞行对于直升机而言还是有着诸多限制


长安小师爷


直升机旋翼在飞行中是会结冰的。

Adverse Environment Rotor Test Stand (恶劣环境转子试验台)

这种情况主要发生在-4~-20度的雨雾等气象条件下,且除旋翼外,包括空速管、机身、发动机进气口等部位都会出现结冰现象。具体来看,若机体出现结冰情况,会导致直升机气动外形出现变化,引发升力下降、操控性降低等情况;旋翼结冰则同样会破话气动特性,引起旋翼震动,甚至发生机械损伤。

CH-53E

以美军为例,如在MD 500、CH-46E的飞行手册中就规定,是禁止进入结冰空域或该空域中飞行的;对于 AH-1G 则规定,不推荐在轻微结冰条件下连续飞行;对CH-53E则要求其在轻微结冰条件的飞行时间不得超过30分钟。

另有统计显示,在1985~2000年间,美国陆军直升机发生约160起与结冰有关的飞行事故,其中多数都属轻微事件,但也有1起造成5人死亡;在美陆军中结冰事故的发生率则约为每1000飞行小时2.5次左右。由此也能看到,直升机结冰虽很少能导致直升机坠毁,但这种飞行风险是需要主动规避的。

CH-47为AW139直升机喷洒除冰液

至于旋翼结冰的应对方式,当前直升机多使用电加热的方式,简单说就是通过加热旋翼中的“电热片”使冰层融化,然后通过旋翼的离心力将其甩出去。另外,对于一些没有配备除冰装置的直升机,若是其需要短暂经过结冰空域,那就要进行除冰液的喷洒,且若是出现结冰,还必须尽快降落。


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