98直升机旋翼结冰问题研究综述-欧阳龙春

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机旋翼结冰问题研究综述欧阳龙春余衰炎周君贺朱坤（中国人民解放军61902部队装备处,宜宾644000）摘要：直升机旋翼结冰问题主要研究结冰对桨叶气动特性和直升机飞行性能的影响规律，对直升机在执行任务期间遭遇云层结冰时的飞行安全预测或危险预警有重要技术指导意义。根据直升机旋翼结冰研究现状，概述旋翼结冰机理和影响因素，重点分析旋翼结冰的研究方法，讨论旋翼结冰后的直升机飞行动力学问题，供相关研究人员参考。关键词：直升机；旋翼结冰；飞行动力学；结冰实验；飞行性能0引言直升机飞行高度多处于6000m以下，在此高度范围内，经常会遇到雨雪冰霜等恶劣天气

2、，当大气中的液态水含量较高时，会使直升机在执行任务期间遭遇云层结冰的危险。其中，旋翼部件的结冰主要引起桨叶气动特性的变化（降低桨叶翼型升力系数，并使桨叶翼型阻力系数增大），从而降低直升机的飞行性能，使飞行品质等级下降，严重威胁飞行安全。而旋翼结冰问题的研究可为结冰条件下的直升机飞行安全提供一定的技术指导，是直升机飞行安全研究的重要内容之一。早期的旋翼结冰研究主要从翼型结冰问题出发，基于对固定翼飞机和螺旋桨飞行器结冰研究经验的理解，进一步研究旋翼结冰问题以及结冰后的直升机飞行动力学问题。本文根据直升机旋翼结冰的研究历史和现状，概述旋翼结冰机理和影响因素，分析旋翼结冰问题的研究方法，讨

3、论结冰后的直升机飞行动力学问题。1旋翼结冰概述1.1旋翼结冰机理结冰是指物体表面某些部位积聚冰层的现象。对于旋翼结冰来说，通常是直升机在飞行过程中，当环境温度低于0℃，相对湿度大于100%时，大气中温度低于0℃的过冷水滴由于自身的不稳定性而在桨叶表面局部温度低于0℃时与桨叶表面碰撞冻结并逐渐积聚形成。按照结冰环境温度的高低与冻结过程的快慢，可以将桨叶表面积冰的冰形大致分为霜冰（Rimeice）、明冰（Glazeice）及混合冰（Mixedice），如图1所示。霜冰是由大量颗粒状冰晶组成的粗糙且不透明的积冰。通常直升机在环境温度为-20℃左右或更低的条件下飞行时，极有可能遭遇此种类型

4、的积冰。明冰是一种光滑透明、结构致密的积冰，通常直升机在环境温度为-10℃左右的条件下飞行时，极有可能遭遇此种类型的积冰。明冰还可以分为楔形冰（Beakice）和槽形冰（Double-hornedice）等。混合冰是霜冰和明冰的混合体，其表面粗糙、不透明、色泽类似白瓷且冻结较为牢固，通常在-10℃至-20℃的云层中飞行时极有可能会遭遇此种类型的积冰。混合冰兼有大、小水滴冻结的特征，有时还会夹杂冰晶一起冻结，形成粗糙、不透明的牢固积冰，因而对旋翼桨叶气动性能的破坏较为严重，且不易清除，对直升机飞行安全危害较大。1347实际上，由于桨叶来流速度由桨根至桨尖逐渐增大，桨叶表面局部温度逐渐

5、增高，桨叶表面积冰的冰形沿径向也有变化。冰风洞实验研究显示，在一定的结冰环境下，沿桨叶根部至桨尖，桨叶表面积冰冰形由霜冰变化至混合冰，最后过渡至明冰。这是直升机旋翼结冰与固定翼飞行器结冰的显著区别之一。此外，由于旋翼旋转对桨叶表面积冰产生离心力作用，当离心力大于附着积冰与桨叶表面之间的粘附力时，桨叶表面部分积冰发生脱落。这一现象也使得旋翼结冰进一步区别于固定翼飞行器的结冰。图1典型冰形示意图1.2旋翼结冰的影响因素旋翼结冰机理和飞行实践表明，影响旋翼结冰的因素主要有：环境温度、液态水含量、水滴直径、结冰时间、飞行状态以及云层条件等。根据资料统计，直升机在0℃至-30℃的环境温度范围

6、内，都有积冰的可能。云层中的液态水含量指单位体积的云体中所含液态水的质量，是影响积冰的重要参数之一。一般来说，液态水含量越高，则在一定时间内撞击在桨叶表面上的水量越多，积冰越严重。它与云层的形成和发展条件有关，随环境温度的变化很大。不同形式的云层，甚至同一云层中的不同位置，它们也有较大的变化。水滴直径表示云层中水滴的大小。一般采用平均有效直径作为研究依据。它是指由每种尺寸的水滴构成的各种液态水含量中，具有最大水含量所对应的那个水滴直径。由于水滴直径的大小决定了其惯性和所受气动力的大小，从而决定了水滴在流场中的运动轨迹和在桨叶表面的撞击特性，因此水滴直径主要影响水滴撞击特性和桨叶结冰

7、区域的大小。一般来说，直升机在飞行中旋翼结冰的时间越长，桨叶表面的结冰量越多，对飞行的影响越严重。然而，由于旋翼旋转对附着冰产生的离心力作用，结冰时间过长，还可能会使桨叶附着冰层发生脱落，从而能够从某种程度上减缓飞行性能下降的趋势。但是这种减缓并不能阻止飞行性能的下降，而且脱落的冰层可能会打坏直升机的其他结构部件，严重时甚至对直升机飞行安全造成严重的影响。影响旋翼结冰的飞行状态主要包括直升机的飞行高度、飞行速度和飞行姿态。由于旋翼结冰与大气中的液态水含量有很大关系，而