飛機外表面防除冰專利技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

鄭 碩 倪芳原

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

飛機外表面防除冰專利技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

鄭 碩 倪芳原

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

隨著國家“十一五”大飛機項目確定，與之相關的一系列關鍵技術的研究也開始提上日程，其中，防除冰技術就是大飛機研制中不可跨越的一項關鍵技術。飛機結冰是飛行事故最重要的原因之一，因此，進一步增加在飛機外表面防除冰技術的研究投入，對提高飛行安全具有廣泛且深遠的意義。

防除冰；專利技術；飛機外表面

飛機結冰是指飛機機體表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象，它主要由云中過冷水滴或降雨中的過冷雨碰到飛機機體后凝固形成的，也可由水汽直接在機體表面凝華而成。只要有適當?shù)目諝鉂穸?，?℃時就會產生結冰現(xiàn)象。飛行結冰是一種嚴重危害，它破壞了飛機表面的光滑流場，增加飛行阻力，降低了飛行控制的可靠性及飛機的升力。因此，研究飛機防除冰對飛機尤其是大型運輸機研制、飛行安全具有重要意義。

1 飛機外表面除防冰概述

1.1 飛行器外表面防除冰的主要部位

為保證飛行安全，降低結冰事故的發(fā)生，通常會在飛機上安裝冰防護系統(tǒng)。以C-130多用途戰(zhàn)術運輸機為例，大型飛機的防除冰部位主要包括：機翼和水平尾翼、垂直尾翼前緣、發(fā)動機進氣道、整流罩等氣動面、風擋、艙蓋等透明面以及空速管等大氣數(shù)據(jù)探測裝置的表面（見圖1）。對于大型運輸機，安裝在機頭或機身腹部、側部、上部及機翼翼尖等位置處的各種天線罩也是需要重點進行防除冰的部位［1］。根據(jù)不同防除冰的位置和類型，使用的除冰方式也各不相同。

圖1 大飛機的主要防除冰部位示意圖

1.2 飛機外表面防除冰國內外發(fā)展概況

1.2.1 全球及國內專利申請隨年代變化趨勢。飛機外表面防除冰技術領域的全球及在華相關專利申請隨年代變化趨勢如圖2所示。

隨著航空業(yè)的發(fā)展，全球對飛機外表面防除冰方向的研究越來越重視，相關專利申請數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢。20世紀90年代以前，全球對該領域的研究仍較少，技術尚處于起步時期。隨后的近十年內，技術產出的絕對數(shù)量不多。自2000年以來，全球專利申請量保持著快速增長的態(tài)勢，顯示了全球在飛機表面防除冰方向的快速發(fā)展及當前大環(huán)境下愈來愈激烈的市場競爭。特別是2009年以后，專利申請量保持較高水平。相較于本領域在全球整體的發(fā)展狀況而言，我國在此領域的研究起步較晚，現(xiàn)在處于蓬勃發(fā)展期，還有較大的發(fā)展空間。

飛機外表面防除冰自飛機誕生以來就貫穿飛機的研制過程，但直到20世紀80年代才將飛機外表面防除冰寫進飛機適航法規(guī)中，成為適航取證必不可少的部分，系統(tǒng)的技術支持成形。而國內在20世紀90年代初開始了運十飛機的研制，這是該階段有少量的國外申請進入中國的原因。

圖2 全球及國內專利申請隨年代變化趨勢

1.2.2 飛機外表面防除冰方向國外概況。在基礎科學的支持下，美國和歐洲主要國家在飛機外表面防除冰方向上一直處于領先發(fā)展地位（見圖3）。飛機研制和制造的代表美國的波音公司、貝爾直升機，以及歐洲的空客公司在飛機外表面防除冰從早期的技術研發(fā)，已形成比較成熟的技術且達到實用階段。飛機維修等服務代表如美國的谷德里奇公司等老牌的航空服務公司在進行飛機維修和提供其他解決方案過程中，掌握著解決飛機維修中遇到的具體問題的核心技術是其在全球范圍內飛機外表面防除冰技術領先的原因。

圖3 全球專利申請重要申請人

1.2.3 飛機外表面防除冰方向國內概況。筆者對國內重要申請人進行梳理和分析，如圖4所示。從國內重要申請人排名情況來看，國內申請人主要集中在高校和科研院所，少量集中在航空企業(yè)。高校申請還停留在理論分析階段，短時間內難以做到產學結合。而科研院所的相關申請主要是為了解決當時飛機型號設計和應用過程中遇到的具體問題，和國外重要申請相比，防除冰研究還存在一定差距。而對航空企業(yè)而言，防除冰研究需要較大的試驗和試飛成本，我國目前除了武漢航空儀表廠用于航空儀表試驗的小型結冰風洞外，沒有可以進行翼型乃至全機全尺寸試驗的結冰風洞。可見，我國在結冰理論研究和試驗研究方面長期落后于西方發(fā)達國家。即便是進行硬件起點要求比較低的數(shù)值模擬，在結冰機理和結冰模型的建立方面長期以來也不得不依靠外國的研究成果。

盡管隨著企業(yè)自主知識產權意識的增強，國內企業(yè)在技術研發(fā)路線、技術研發(fā)模式及專利合作方式等方面已有一定突破，但上述差異仍表明：國內申請人在專利保護方面比較薄弱，專利布局意識不強，難以有效支撐產業(yè)競爭。

圖4 國內專利申請重要申請人

2 飛機外表面防除冰關鍵技術

根據(jù)作用機理不同，飛機外表面防除冰技術主要分為飛機外表面防除冰的方式、飛機外表面結冰探測以及從飛機外表面結構本身所進行的防除冰改進。

三大關鍵技術國內外專利申請趨勢比較如圖5、圖6、圖7所示。從圖中可以看出，雖然三大關鍵技術的相關專利申請量隨年代都呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的發(fā)展態(tài)勢，但其中飛機防除冰方式這一關鍵技術專利申請數(shù)量較多，技術發(fā)展相對成熟，也是目前國內、外主要的研究方向。飛機防除冰方式是飛機外表面防除冰技術領域的核心技術，也是發(fā)展最早、發(fā)展路線最復雜的技術分支；而從飛機角度對飛機結構本身進行防除冰的改進是全新技術進展，其對技術復雜程度要求較高，因此僅限一些國際先進的高校和科研院所；結冰探測器能給出飛機航行中結冰的信息，高性能結冰探測器還能定量給出結冰嚴重程度的信息，配合機載防除冰裝置，其起步較早，不斷發(fā)展出新的探測方式。

圖5 飛機防除冰方式專利申請趨勢

圖6 飛機結構改進專利申請趨勢

圖7 結冰探測專利申請趨勢

2.1 飛機外表面防除冰方式

目前，飛機外表面防除冰的研究主要涉及以下三種方式。通過輸送熱氣體或液體是發(fā)展較早的防除冰方式。通過輸送熱氣體防除冰本質上是利用熱空氣加熱飛機部件的待防護表面，這種技術目前被應用在Boeing 737/747/757，Airbus 319/320/340等系列大型客機以及CJ130等大型運輸機上。

電熱防除冰方式是通過輸送熱氣體或液體除冰方式中申請最活躍的技術分支。電熱防除冰方式是利用電阻升溫防止表面結冰。在實際應用中，由于能耗及安裝等原因，主要應用于風擋及空速管等部位。

機械防除冰方式是最早的防除冰方式。始于20世紀三四十年代的氣動帶除冰技術，曾在飛機上有較多應用，但因膨脹管充氣時對飛機空氣動力學的影響較大，目前已使用得不多［2］。進一步改進的機械防除冰方式包括電脈沖、超聲波和壓電防除冰技術。

2.2 飛機結構自身改進

傳統(tǒng)的防除冰方式需要攝取外界能量，或者影響飛機的氣動外形，或者增加飛機的結構重量。飛機表面結構自身進行改進的關鍵技術起步晚，且屬于前沿科學，申請量并不大。該關鍵技術的突破口是飛機外表面材料，國際先進的科研單位如麻省理工學院對熱翼技術和多孔表面液體滑移技術有較多研究成果，該技術不需要過多攝取外界能量，且基本上不影響飛機的氣動外形即可實現(xiàn)較好的防除冰效果，是未來飛機防除冰系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是國內研究人員需要認真研究和學習的防除冰方法［3］。

2.3 飛機外表面結冰探測

結冰探測器對飛行器安全飛行非常重要。但我國此類關鍵技術起步晚，且在2006年后才得到迅速發(fā)展。目前，技術發(fā)展相對活躍，處于技術發(fā)展期，國內專利申請態(tài)勢與全球態(tài)勢保持基本一致，值得國內企業(yè)及高校等科研機構重點關注。

3 國內飛機外表面防除冰領域發(fā)展建議

國內外的發(fā)展側重點具有明顯不同。飛機結構自身改進和飛機結冰探測兩大關鍵技術，將是現(xiàn)代飛機防冰與除冰技術發(fā)展的主流。目前，飛機結構自身改進技術，國內外都處于研究階段，這是國內申請人在飛機外表面防除冰技術中最大突破口。

隨著我國大飛機事業(yè)進入適航審定的關鍵時期，國內飛機外表面防除冰技術領域勢必需要較大發(fā)展和提升，我國應該從以下方面加強飛機外表面防除冰領域發(fā)展。

①國家從政策層面制定相關規(guī)章制度，鼓勵行業(yè)發(fā)展；加大對飛機設計和研發(fā)單位的投入，建設必要的實驗硬件，提高對結冰理論研究和試驗方面的研究。

②相關單位之間可以采取合作資源共享共同開發(fā)的模式，特別在技術和硬件設施上進行聯(lián)合研究，也可嘗試消化利用國外的先進技術，或者通過專利運營的方式進行自己的技術創(chuàng)新。

③可以考慮將飛機外表面防除冰的不同細分支的交叉點作為研發(fā)重點，進而合理避開國外航空企業(yè)較為發(fā)達技術分支的發(fā)展壁壘。

［1］常士楠.大型飛機的防/除冰問題［C］.中國航空學會2007年學術年會，2013.

［2］王毅等.飛機機翼防除冰系統(tǒng)研究進展［J］.河南科學，2012（9）：1246-1250.

［3］李清英.電脈沖除冰系統(tǒng)的實驗、理論與設計研究［D］.南京：南京航空航天大學，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

鄭碩（1989-），女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，研究方向：動力機械的發(fā)明專利實質審查工作；倪芳原（1989-），女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，研究方向：動力機械的發(fā)明專利實質審查。（等同第一作者）