郑 硕 倪芳原

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430070）

飞机外表面防除冰专利技术发展现状分析

郑 硕 倪芳原

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430070）

随着国家“十一五”大飞机项目确定，与之相关的一系列关键技术的研究也开始提上日程，其中，防除冰技术就是大飞机研制中不可跨越的一项关键技术。飞机结冰是飞行事故最重要的原因之一，因此，进一步增加在飞机外表面防除冰技术的研究投入，对提高飞行安全具有广泛且深远的意义。

防除冰；专利技术；飞机外表面

飞机结冰是指飞机机体表面某些部位聚集冰层的现象，它主要由云中过冷水滴或降雨中的过冷雨碰到飞机机体后凝固形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。只要有适当的空气湿度，在5℃时就会产生结冰现象。飞行结冰是一种严重危害，它破坏了飞机表面的光滑流场，增加飞行阻力，降低了飞行控制的可靠性及飞机的升力。因此，研究飞机防除冰对飞机尤其是大型运输机研制、飞行安全具有重要意义。

1 飞机外表面除防冰概述

1.1 飞行器外表面防除冰的主要部位

为保证飞行安全，降低结冰事故的发生，通常会在飞机上安装冰防护系统。以C-130多用途战术运输机为例，大型飞机的防除冰部位主要包括：机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道、整流罩等气动面、风挡、舱盖等透明面以及空速管等大气数据探测装置的表面（见图1）。对于大型运输机，安装在机头或机身腹部、侧部、上部及机翼翼尖等位置处的各种天线罩也是需要重点进行防除冰的部位［1］。根据不同防除冰的位置和类型，使用的除冰方式也各不相同。

图1 大飞机的主要防除冰部位示意图

1.2 飞机外表面防除冰国内外发展概况

1.2.1 全球及国内专利申请随年代变化趋势。飞机外表面防除冰技术领域的全球及在华相关专利申请随年代变化趋势如图2所示。

随着航空业的发展，全球对飞机外表面防除冰方向的研究越来越重视，相关专利申请数量呈现稳定上升的趋势。20世纪90年代以前，全球对该领域的研究仍较少，技术尚处于起步时期。随后的近十年内，技术产出的绝对数量不多。自2000年以来，全球专利申请量保持着快速增长的态势，显示了全球在飞机表面防除冰方向的快速发展及当前大环境下愈来愈激烈的市场竞争。特别是2009年以后，专利申请量保持较高水平。相较于本领域在全球整体的发展状况而言，我国在此领域的研究起步较晚，现在处于蓬勃发展期，还有较大的发展空间。

飞机外表面防除冰自飞机诞生以来就贯穿飞机的研制过程，但直到20世纪80年代才将飞机外表面防除冰写进飞机适航法规中，成为适航取证必不可少的部分，系统的技术支持成形。而国内在20世纪90年代初开始了运十飞机的研制，这是该阶段有少量的国外申请进入中国的原因。

图2 全球及国内专利申请随年代变化趋势

1.2.2 飞机外表面防除冰方向国外概况。在基础科学的支持下，美国和欧洲主要国家在飞机外表面防除冰方向上一直处于领先发展地位（见图3）。飞机研制和制造的代表美国的波音公司、贝尔直升机，以及欧洲的空客公司在飞机外表面防除冰从早期的技术研发，已形成比较成熟的技术且达到实用阶段。飞机维修等服务代表如美国的谷德里奇公司等老牌的航空服务公司在进行飞机维修和提供其他解决方案过程中，掌握着解决飞机维修中遇到的具体问题的核心技术是其在全球范围内飞机外表面防除冰技术领先的原因。

图3 全球专利申请重要申请人

1.2.3 飞机外表面防除冰方向国内概况。笔者对国内重要申请人进行梳理和分析，如图4所示。从国内重要申请人排名情况来看，国内申请人主要集中在高校和科研院所，少量集中在航空企业。高校申请还停留在理论分析阶段，短时间内难以做到产学结合。而科研院所的相关申请主要是为了解决当时飞机型号设计和应用过程中遇到的具体问题，和国外重要申请相比，防除冰研究还存在一定差距。而对航空企业而言，防除冰研究需要较大的试验和试飞成本，我国目前除了武汉航空仪表厂用于航空仪表试验的小型结冰风洞外，没有可以进行翼型乃至全机全尺寸试验的结冰风洞。可见，我国在结冰理论研究和试验研究方面长期落后于西方发达国家。即便是进行硬件起点要求比较低的数值模拟，在结冰机理和结冰模型的建立方面长期以来也不得不依靠外国的研究成果。

尽管随着企业自主知识产权意识的增强，国内企业在技术研发路线、技术研发模式及专利合作方式等方面已有一定突破，但上述差异仍表明：国内申请人在专利保护方面比较薄弱，专利布局意识不强，难以有效支撑产业竞争。

图4 国内专利申请重要申请人

2 飞机外表面防除冰关键技术

根据作用机理不同，飞机外表面防除冰技术主要分为飞机外表面防除冰的方式、飞机外表面结冰探测以及从飞机外表面结构本身所进行的防除冰改进。

三大关键技术国内外专利申请趋势比较如图5、图6、图7所示。从图中可以看出，虽然三大关键技术的相关专利申请量随年代都呈现出稳步增长的发展态势，但其中飞机防除冰方式这一关键技术专利申请数量较多，技术发展相对成熟，也是目前国内、外主要的研究方向。飞机防除冰方式是飞机外表面防除冰技术领域的核心技术，也是发展最早、发展路线最复杂的技术分支；而从飞机角度对飞机结构本身进行防除冰的改进是全新技术进展，其对技术复杂程度要求较高，因此仅限一些国际先进的高校和科研院所；结冰探测器能给出飞机航行中结冰的信息，高性能结冰探测器还能定量给出结冰严重程度的信息，配合机载防除冰装置，其起步较早，不断发展出新的探测方式。

图5 飞机防除冰方式专利申请趋势

图6 飞机结构改进专利申请趋势

图7 结冰探测专利申请趋势

2.1 飞机外表面防除冰方式

目前，飞机外表面防除冰的研究主要涉及以下三种方式。通过输送热气体或液体是发展较早的防除冰方式。通过输送热气体防除冰本质上是利用热空气加热飞机部件的待防护表面，这种技术目前被应用在Boeing 737/747/757，Airbus 319/320/340等系列大型客机以及CJ130等大型运输机上。

电热防除冰方式是通过输送热气体或液体除冰方式中申请最活跃的技术分支。电热防除冰方式是利用电阻升温防止表面结冰。在实际应用中，由于能耗及安装等原因，主要应用于风挡及空速管等部位。

机械防除冰方式是最早的防除冰方式。始于20世纪三四十年代的气动带除冰技术，曾在飞机上有较多应用，但因膨胀管充气时对飞机空气动力学的影响较大，目前已使用得不多［2］。进一步改进的机械防除冰方式包括电脉冲、超声波和压电防除冰技术。

2.2 飞机结构自身改进

传统的防除冰方式需要摄取外界能量，或者影响飞机的气动外形，或者增加飞机的结构重量。飞机表面结构自身进行改进的关键技术起步晚，且属于前沿科学，申请量并不大。该关键技术的突破口是飞机外表面材料，国际先进的科研单位如麻省理工学院对热翼技术和多孔表面液体滑移技术有较多研究成果，该技术不需要过多摄取外界能量，且基本上不影响飞机的气动外形即可实现较好的防除冰效果，是未来飞机防除冰系统发展的主要方向，也是国内研究人员需要认真研究和学习的防除冰方法［3］。

2.3 飞机外表面结冰探测

结冰探测器对飞行器安全飞行非常重要。但我国此类关键技术起步晚，且在2006年后才得到迅速发展。目前，技术发展相对活跃，处于技术发展期，国内专利申请态势与全球态势保持基本一致，值得国内企业及高校等科研机构重点关注。

3 国内飞机外表面防除冰领域发展建议

国内外的发展侧重点具有明显不同。飞机结构自身改进和飞机结冰探测两大关键技术，将是现代飞机防冰与除冰技术发展的主流。目前，飞机结构自身改进技术，国内外都处于研究阶段，这是国内申请人在飞机外表面防除冰技术中最大突破口。

随着我国大飞机事业进入适航审定的关键时期，国内飞机外表面防除冰技术领域势必需要较大发展和提升，我国应该从以下方面加强飞机外表面防除冰领域发展。

①国家从政策层面制定相关规章制度，鼓励行业发展；加大对飞机设计和研发单位的投入，建设必要的实验硬件，提高对结冰理论研究和试验方面的研究。

②相关单位之间可以采取合作资源共享共同开发的模式，特别在技术和硬件设施上进行联合研究，也可尝试消化利用国外的先进技术，或者通过专利运营的方式进行自己的技术创新。

③可以考虑将飞机外表面防除冰的不同细分支的交叉点作为研发重点，进而合理避开国外航空企业较为发达技术分支的发展壁垒。

［1］常士楠.大型飞机的防/除冰问题［C］.中国航空学会2007年学术年会，2013.

［2］王毅等.飞机机翼防除冰系统研究进展［J］.河南科学，2012（9）：1246-1250.

［3］李清英.电脉冲除冰系统的实验、理论与设计研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012.

Analysis of the Patent Development of Ice Protection of Aircraft Outer Surface

Zheng Shuo Ni Fangyuan
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office,SIPO，Wuhan Hubei 430070）

With the establishment or the national 11th Five-Year large aircraft project,the related key technology research becomes rapid,ice protection is an important technological problem in large aircraft development.Aircraft icing is one of the most important reason for accident.Therefore,further research on the prevention and control of ice on the outer surface of aircraft has extensive and far-reaching significance for improving the safety of flight.

ice control；patented technology；outer surface of aircraft

G306

A

1003-5168（2017）07-0126-03

2017-06-01

郑硕（1989-），女，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，研究方向：动力机械的发明专利实质审查工作；倪芳原（1989-），女，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，研究方向：动力机械的发明专利实质审查。（等同第一作者）