肖春华，胡站伟，桂业伟，林贵平，张 晖

(1.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川绵阳 621000；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083；3.中国科学院国家纳米科学中心，北京 100083)

0 引言

当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机表面，结冰现象就很容易在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩和仪表传感器等部件表面发生［1］。结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降和稳定性能降低［2］，对飞行安全造成很大的威胁，因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡［3-5］。

目前，飞机常用的防冰方法有两种［6-7］：一是主动防冰，比如热防冰、化学防冰等；二是被动防冰，比如疏水表面防冰，这是通过改变表面的物理化学性质，降低水滴在表面的粘附力，从而达到防冰效果的方法。由于疏水表面防冰具有污染小、能耗低的特点，因此成为目前防冰研究的热点之一［7］。

一直以来，发达国家都非常重视飞机防除冰的能耗问题。超疏水涂层通过降低表面结冰和壁面之间的粘附力，从而降低结冰的产生、减少除冰所需的能耗。所以，研究结冰气象条件下超疏水表面对结冰特性的影响规律，这对于节约飞机燃油消耗和保障飞行安全均有着现实的意义。David等分别针对静态和撞击条件下的结冰，采用实验方法对具有较低粘附力涂层的防冰性能进行了研究［8］。Rachid等在寒冷气候条件下对风力机叶片表面的憎冰涂层进行了实验研究，研究发现，良好性能的憎冰涂层可以大大降低冰与固体表面之间的剪切强度［9］。Victor等人［10］在不同结冰条件下，采用低压直流电对涂层表面的覆冰进行电解，研究发现，电解可以有效降低或消除冰层和表面间的粘附力。

国内在疏水表面防冰研究上也取得了一些进展，主要是针对高压输电线路的防冰问题进行研究，而关于飞机疏水表面防冰的研究比较少。2008年我国南方雪灾造成了多个省份经济和财产的严重损失，尤其是高压输电线路的结冰问题，造成了很多导线的断裂和塔架的倒塌，由此我国开始重视输电导线的防冰问题。研究人员针对超疏水涂层良好的物理化学特性［11-16］，将超疏水涂层涂覆在输电导线表面，应用于高压线路的防冰，取得了较好的防冰效果。研究发现，超疏水涂层可以改变覆冰的性质，降低冰层和基体的粘附力。

综上所述，虽然国内外在疏水涂层表面防冰的研究上取得了一定的进展，但是目前还比较缺乏表面疏水性参数与结冰特性之间量化关系的研究工作，特别是结冰风洞实验研究工作。因此有必要建立疏水表面对飞机结冰特性的影响实验方法及量化评估方法，以加快我国在飞机结冰机理和防除冰应用研究的进度，为飞机防除冰系统的自主研制奠定理论、计算和实验基础。

通过结冰风洞实验，从宏观角度对疏水涂层表面的防冰效果进行初步探索和研究，比较不同涂层表面的结冰速率和结冰强度，获得不同疏水涂层表面的结冰外形，建立综合考虑结冰外形、结冰速率和结冰强度等量化参数的防冰效果评估方法。这对于防冰方法的研究和发展具有现实意义，同时也为微观角度研究疏水表面的防冰机理奠定了实验基础。

1 实验设备和模型

1.1 实验设备

实验在0.3m×0.2m小型结冰风洞第二实验段内进行。0.3m×0.2m结冰风洞是一座回流式、闭口、串列双实验段的小型风洞［17］，风洞第一实验段尺寸0.48m×0.32m×0.9m(宽×高 ×长)，最大风速25m/s；第二实验段尺寸0.3m×0.2m×0.65m(宽×高×长)，最大风速60m/s，由于第二实验段流场品质优于第一实验段，因此实验选择在第二实验段内进行。

图1 结冰风洞第二实验段照片Fig.1 Photo of primary test segment of icing wind tunnel

冰型测绘装置由高温受热的薄刀片、带刻度的硬纸板、游标卡尺和铅笔组成，用于对模型表面的结冰外形进行切割和测绘。

采用电子计数天平对结冰前后的模型进行称重，电子天平的型号是JM系列，量程0～2000g，精度0.01g。

采用数码相机对结冰过程进行拍摄和记录，相机的型号是Canon550D，最高分辨率5184×3456，有效像素1800万，焦距18～55mm，快门速度30～1/4000s。

疏水涂层采用4种复合高分子材料，分别为硅橡胶1#、硅橡胶2#、硅橡胶-16烷3#、硅橡胶-16烷4#。硅橡胶1#和2#的主要区别是配方不同，而硅橡胶-16烷3#和4#的主要区别是添加的小分子数量不同。均由中国科学院国家纳米科学中心提供。

1.2 实验模型

实验模型为圆柱，材料为铝合金。模型直径为Φ30mm，长200mm，两端连接头直径为 Φ10mm，长10mm。实验模型安装在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段中心位置，与第二实验段上、下壁面垂直连接，如图2所示。

2 实验方法和步骤

2.1 实验方法

实验前，对结冰风洞进行流场校测，主要是实验段气流速度和温度。对喷雾系统进行调试，主要是调节实验所需要的水压、气压和温度。对实验模型进行称重，记录结冰前的模型重量。实验时，在一定的来流和结冰云雾参数条件下进行结冰风洞实验，利用数码相机记录圆柱模型表面结冰外形的变化过程。实验后，取下结冰后的模型，再对模型进行称重，记录结冰后模型的重量。利用冰型测绘装置对圆柱中央横截面的结冰外形进行测绘，首先用高温受热的薄刀片垂直切割模型表面的冰，然后将带刻度的硬纸板插入切割缝隙内，用铅笔手工描绘结冰的外形，最后将结冰外形的轮廓进行数字化处理后存储于计算机中。

图2 实验模型照片Fig.2 Photo of test model

建立综合考虑结冰外形、结冰速率和结冰强度等量化参数的防冰效果评估方法。定量的实验数据主要由3部分组成：一是实验模型表面的结冰外形，即模型对应横截面位置的结冰外形，可以通过冰型测绘装置获得；二是结冰速率，是指飞机部件表面上形成冰的速度，即实验前后模型的重量差与结冰时间的比值(g/s)，如公式(1)所示；三是结冰强度［5］，是指单位结冰时间内飞机部件表面结冰的厚度(mm/s)，如公式(2)所示。

其中，I、J、t、m1、m2、h1、h2分别代表结冰速率、结冰强度、结冰时间、初始模型重量、结冰模型重量、初始结冰厚度和最终结冰厚度。

2.2 实验条件

实验的主要目的是研究不同疏水涂层对模型表面结冰特性的影响及防冰效果，根据实验目的和要求，确定实验风速30m/s，结冰环境温度约-10℃，结冰时间5min，平均水滴直径40μm，液态水含量约0.7g/m3。每种涂层的结冰实验重复3次，共计12次结冰风洞实验，实验条件见表1。

表1 实验条件和实验数据Table 1 Test condition and data

2.3 实验步骤

①开启风洞和制冷系统，建立并稳定所需要的流场(如来流速度、温度等)；

②使模型表面温度和流场环境温度达到平衡；

③调节所需要的结冰云雾参数(如液态水含量和水滴平均直径等)，开启喷雾装置；

④允许结冰到规定时间(如5min)；

⑤关闭喷雾装置；

⑥拍摄和测绘结冰外形；

⑦清理模型表面剩余的冰渣和水膜，重复①进行下一次实验。

3 疏水表面防冰原理

硅橡胶以聚有机硅氧烷为基本成分，白炭黑为补强填料，添加氢氧化铝和其它助剂制成胶料，经硫化得到的成品，具有较好的疏水性和疏水迁移性。硅橡胶-16烷是在硅橡胶材料内添加16烷小分子。其主要的防冰原理：大量的16烷小分子被添加到硅橡胶材料中，从而在硅橡胶表面形成很多洞穴。该小分子具有在低温环境下逸出洞穴、在环境温度升高后又回归洞穴的特性，通常沉积在硅橡胶涂层表面的洞穴内，当环境温度降低后，小分子浮在涂层表面形成一种微纳结构，从而起到憎水和防冰的作用(图3)。

图3 硅橡胶-16烷的防冰原理示意图Fig.3 Schematic of anti-icing principle of silicone rubber-cetane

4 实验结果和分析

4.1 结冰外形

图4是不同疏水涂层表面的结冰外形照片，其中包括无涂层模型表面的结冰外形照片。由照片可以看出，在规定的实验时间内，与无疏水涂层表面相比，硅橡胶涂层表面的结冰外形相差不大，结冰量也非常大，说明硅橡胶的防冰效果并不明显。而相比之下，两种硅橡胶-16烷涂层表面的结冰明显要少于硅橡胶涂层表面的结冰。因此，从实验获得的照片可以定性说明，硅橡胶-16烷涂层的防冰效果要比硅橡胶涂层的好。

图5～8是不同疏水涂层表面3次重复性实验获得的结冰外形比较。由图可知，在3次相同的结冰风洞实验条件下，同种疏水涂层表面的结冰外形均比较接近，说明结冰风洞实验具有一定的重复性，可以作为结冰外形定量比较的依据之一。

图4 不同涂层表面结冰比较Fig.4 Photos of icing on different coatings

图5 硅橡胶1#涂层表面3次结冰外形Fig.5 Three ice shapes on silicone rubber 1#

图6 硅橡胶2#涂层表面3次结冰外形Fig.6 Three ice shapes on silicone rubber 2#

图7 硅橡胶-16烷3#涂层表面3次结冰外形Fig.7 Three ice shapes on silicone rubber-cetane 3#

图8 硅橡胶-16烷4#涂层表面3次结冰外形Fig.8 Three ice shapes on silicone rubber-cetane 4#

图9 是相同结冰条件下不同疏水涂层表面结冰外形的比较。由图可以明显看出，在相同的结冰风洞实验条件下，硅橡胶1#和2#涂层表面的结冰外形均远远大于另外两种硅橡胶-16烷涂层表面的结冰外形。因此，实验结果定量地说明，后者的防冰效果明显要好于前者。

4.2 结冰速率和强度

从表1中可以看出不同疏水涂层表面的结冰速率和结冰强度。小型结冰风洞实验段的环境温度控制在-12.2℃～-9.3℃之间，属于混合冰的冻结温度范围，图4中硅橡胶2#涂层的结冰照片也正好显示出该结冰是霜冰和明冰的混合体。从表中的实验数据可以看出，硅橡胶1#涂层表面的结冰速率最大(0.401g/s)，而硅橡胶-16烷3#涂层表面的结冰速率最低(0.032g/s)。硅橡胶2#涂层的结冰速率与1#涂层的基本相当，而硅橡胶-16烷4#涂层的结冰速率与3#涂层的属于同一个量级。几种疏水涂层表面的结冰速率呈现出较好的规律性，实验数据的规律与图4中结冰外形的规律是非常吻合的。但值得注意的是，几种涂层表面的结冰强度规律却出现了一点差异。其中，硅橡胶2#涂层表面的结冰强度最大(0.076mm/s)，而1#涂层表面的结冰强度其次(0.073mm/s)，这与结冰速率的规律存在差异。通常最大结冰厚度发生在前缘，只能反映局部位置的结冰强度，而无法综合反映整个结冰的效果，因此根据结冰厚度计算的结冰强度是值得商榷的，是一个比较片面的衡量参数。而本文采用的结冰速率可以较好的反映结冰的综合效果。综合考虑结冰速率和结冰强度这两个指标，可以定量地说明，硅橡胶-16烷涂层的防冰效果要好于硅橡胶涂层。

图9 不同涂层表面结冰外形比较Fig.9 Comparison of ice shapes on different coatings

5 结论

采用结冰风洞实验的研究方法，从宏观的角度对几种不同疏水涂层表面的防冰效果进行了实验研究，获得如下结论：

(1)和光滑模型相比，硅橡胶的防冰效果并不明显。但是添加16烷的硅橡胶却显示出更好的防冰效果。

(2)仅仅依靠疏水涂层，无法完全杜绝材料表面的结冰现象，只能降低结冰速率。

(3)防冰效果的评估必须综合考虑结冰外形、结冰速率和结冰强度等量化参数，实验研究证明这种方法是可行的。

(4)在高分子涂层中添加小分子材料，是一种值得探索的防冰涂层研究方向。

总而言之，高分子复合材料的疏水涂层具有一定的防冰效果，但是都无法完全杜绝材料表面的结冰现象，必须对其配方和形成机理进行更深入的研究，才可能获得更好的防冰效果，下一步打算从更小的尺度对疏水涂层表面的防冰机理进行研究。

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