翼面前緣共形電熱除冰功能結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

唐超，謝文俊，袁培毓，謝宗蕻

中山大學(xué) 航空航天學(xué)院，深圳 518107

飛機(jī)穿過(guò)富集過(guò)冷水滴的云層時(shí)［1］翼面前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣等關(guān)鍵部位很容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，輕度結(jié)冰可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)飛行性能下降，嚴(yán)重結(jié)冰甚至?xí)?dǎo)致飛機(jī)失事［2-3］。為保證飛行安全，飛機(jī)上通常會(huì)安裝防/除冰系統(tǒng)，常用的防/除冰方式［4］包括化學(xué)液體防冰、熱氣防/除冰、機(jī)械防/除冰和電熱防/除冰，其中電熱除冰系統(tǒng)因易于控制等優(yōu)點(diǎn)成為使用最廣泛的防/除冰系統(tǒng)之一［5-6］。

電熱除冰是一種通過(guò)給加熱元件供電，使電能轉(zhuǎn)換成熱能從而達(dá)到防/除冰效果的方法。傳統(tǒng)電熱除冰結(jié)構(gòu)以金屬元件為主，存在能耗高、加熱效率較低、與機(jī)翼材料的相容性較差、結(jié)構(gòu)/功能難以一體化、損傷容限低等缺陷［7］，不能滿(mǎn)足新一代電熱除冰系統(tǒng)的需求。隨著功能復(fù)合材料與熱壓成型工藝的不斷發(fā)展［8-11］，輕質(zhì)、高效、低能耗、與機(jī)翼前緣共形的電熱除冰功能結(jié)構(gòu)成為新的研究熱點(diǎn)。石墨烯作為一種片面結(jié)構(gòu)的發(fā)熱材料，電子遷移率可達(dá)15 000 cm2·V-1·s-1，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5 000 W·m-1·K-1，具備良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在制成薄膜材料后與復(fù)合材料的貼合性較好，作為加熱元件時(shí)具備重量輕、熱響應(yīng)迅速、加熱穩(wěn)定均勻等優(yōu)點(diǎn)，是一種輕薄高效的加熱元件［12-14］。Vertuccio 等［15］以石墨烯薄膜為加熱元件，通過(guò)熱壓工藝將其與碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料固化成層壓板，證明了通過(guò)石墨烯復(fù)合材料加熱片除冰的可行性。Ba 等［16］制備了一種多層石墨烯復(fù)合材料，具備輕質(zhì)高效、熱響應(yīng)快、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)用到電熱除冰領(lǐng)域。Karpen等［17］基于導(dǎo)電油墨設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種集成電熱除冰結(jié)構(gòu)的小型無(wú)人機(jī)螺旋槳。馬莉婭等［18］針對(duì)碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼開(kāi)發(fā)了一種多層材料結(jié)構(gòu)的電熱除冰墊技術(shù)方案。田甜等［19］基于石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了電熱除冰實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱流密度為3 kW/m2時(shí)可較快完成除冰并降低能耗。彭蘭清等［20］將疏水涂層與石墨烯結(jié)合制備了一種新型電熱除冰結(jié)構(gòu)，可降低49%除冰能耗。英國(guó)GKN宇航公司［21］采取噴涂金屬沉積技術(shù)將金屬層置入碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成加熱墊，并將其應(yīng)用到波 音787 機(jī) 翼 前 緣。De Rosa 和Esposito［22］在 耐高溫復(fù)合材料機(jī)翼前緣中嵌入蛇形鎳合金金屬絲實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼前緣除冰功能。

通過(guò)上述調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)新型材料電熱防/除冰結(jié)構(gòu)的研究更多集中在除冰功能層及材料的改性與優(yōu)化上，對(duì)于將新型材料電熱除冰結(jié)構(gòu)與翼面蒙皮共形集成的研究較少。因此本文利用熱壓工藝研制一種輕質(zhì)、高效、低能耗、與翼面共形的新型電熱除冰功能結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證翼面前緣共形石墨烯復(fù)合材料加熱器的加熱均勻性和穩(wěn)定性；依托自行搭建的除冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用一種原位共形結(jié)冰方法在翼面前緣表面制備可控冰型并進(jìn)行除冰實(shí)驗(yàn)，研究不同功率密度下的除冰效果，并將其與傳統(tǒng)翼面前緣金屬絲共形電熱除冰結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 翼面前緣共形電熱除冰功能結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)

1. 1 翼面前緣電熱除冰功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［23］中算例計(jì)算結(jié)果及其結(jié)冰程度可確定新型電熱除冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：① 電加熱結(jié)構(gòu)與機(jī)翼前緣共形集成區(qū)域的厚度≤1 mm；② 融除2 mm 厚冰層的時(shí)間≤40 s。依據(jù)材料與結(jié)構(gòu)特征，將新型的電熱除冰結(jié)構(gòu)命名為翼面前緣石墨烯復(fù)合材料共形加熱器（簡(jiǎn)稱(chēng)共形加熱器）。參考傳統(tǒng)電熱除冰結(jié)構(gòu)［18］設(shè)計(jì)共形加熱器的結(jié)構(gòu)，包括外表層、導(dǎo)熱層、絕緣層、加熱層（含電極）和膠接層，共形加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1 所示。外表層、絕緣層及膠接層均為玻璃纖維織物/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，具備優(yōu)異的貼合性與相容性；加熱層選擇電熱轉(zhuǎn)化效率高、熱響應(yīng)迅速及加熱性能穩(wěn)定的石墨烯加熱膜，用來(lái)替代傳統(tǒng)金屬加熱元件；導(dǎo)熱層則選擇熱導(dǎo)率高的石墨烯導(dǎo)熱膜，具備快速均溫作用，保護(hù)共形加熱器和翼面前緣，避免出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象。選用的具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 共形加熱器制備材料Table 1 Conformal heater fabrication materials

圖1 共形加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural design of conformal heater

機(jī)翼的結(jié)冰區(qū)域主要為前緣弦長(zhǎng)前10%長(zhǎng)度投影的表面區(qū)域［23］，加熱層尺寸按該表面區(qū)域大小設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2。

圖2 加熱層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating layer structure

石墨烯薄膜的方阻Rs和電阻Rl為

式中：ρ 為材料的電阻率；d、a 和b 分別為石墨烯薄膜的厚度、寬度和長(zhǎng)度。通常先采用四探針?lè)y(cè)量薄膜方阻，再通過(guò)式（2）獲得薄膜線(xiàn)性電阻，此時(shí)石墨烯薄膜的功率P 和功率密度q 為

式中：U 和I 分別為通電電壓和電流。由式（3）、式（4）可知當(dāng)加熱層尺寸確定后可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或方阻控制功率輸出，進(jìn)而調(diào)整后續(xù)實(shí)驗(yàn)功率密度。

為驗(yàn)證加熱元件電阻率的穩(wěn)定性，需在形成翼面前緣電熱除冰功能結(jié)構(gòu)前封裝為石墨烯復(fù)合材料加熱組件并進(jìn)行電熱性能測(cè)試。玻璃纖維具備耐高溫、絕緣性能好、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，可作為良好的封裝材料。測(cè)試選取玻璃纖維織物/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料為加熱元件的封裝材料。加熱組件包括上、下封裝層及加熱層，依據(jù)熱壓工藝制備石墨烯復(fù)合材料加熱組件并測(cè)試。

圖3 為石墨烯復(fù)合材料加熱組件功率和表面溫度曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)在常溫（25 ℃）下進(jìn)行，通電后加熱組件功率首先達(dá)到52 W，10 s 后穩(wěn)定到43 W直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束；由此可見(jiàn)加熱元件電阻率比較穩(wěn)定，受溫度變化影響小。

圖3 石墨烯復(fù)合材料加熱組件功率和表面溫度曲線(xiàn)Fig.3 Power and surface temperature curves of graphene composite heating component

1. 2 翼面前緣電熱除冰功能結(jié)構(gòu)的制造

通過(guò)真空袋熱壓工藝在長(zhǎng)300 mm、高180 mm、壁厚1 mm 的復(fù)合材料機(jī)翼前緣上進(jìn)行共形加熱器的原位鋪貼與固化。機(jī)翼翼型參考NACA0018。根據(jù)該機(jī)翼前緣大小可將共形加熱器的尺寸確定為200 mm×100 mm，其中加熱層尺寸確定為180 mm×80 mm。

共形加熱器制備流程見(jiàn)圖4。首先使用蘸取酒精的脫脂棉球擦拭機(jī)翼前緣，確保機(jī)翼前緣干凈無(wú)其他雜質(zhì)，按共形加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖依次鋪上加熱復(fù)合材料鋪層，按壓平整，見(jiàn)圖4（a）；然后鋪設(shè)透氣材料、脫膜材料、隔離材料和硅膠柔性加熱器輔助抽真空，見(jiàn)圖4（b）；再通過(guò)真空袋和密封膠進(jìn)行覆蓋與密封，見(jiàn)圖4（c）；最后確保氣密性后抽真空，真空壓力不低于80 kPa，參照玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料固化工藝曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5）使用自研開(kāi)發(fā)的熱壓成型設(shè)備在120 ℃下固化90 min，制件熱壓成型結(jié)束后冷卻脫模，見(jiàn)圖4（d）。檢查制件成型質(zhì)量可見(jiàn)共形加熱器與機(jī)翼前緣緊密貼合，厚度為0.75 mm，面密度為0.082 7 g/cm2，達(dá)到了輕質(zhì)共形的效果。

圖4 共形加熱器制備流程Fig.4 Conformal heater production process

圖5 玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料固化工藝曲線(xiàn)Fig.5 Glass fiber/epoxy resin prepreg curing process curve

2 翼面前緣共形加熱器性能測(cè)試

為驗(yàn)證共形加熱器的穩(wěn)定性和加熱過(guò)程中加熱器表面溫度的均勻性，自行搭建電熱除冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比常溫和低溫環(huán)境下加熱過(guò)程中共形加熱器表面溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程；同時(shí)研究低溫環(huán)境下不同功率密度共形加熱器表面溫度變化情況，為除冰實(shí)驗(yàn)中功率密度的選取提供參考。

2. 1 實(shí)驗(yàn)裝置

電熱除冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由電源系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、共形加熱器和低溫環(huán)境箱4 部分構(gòu)成，如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)采用的電源系統(tǒng)為大功率穩(wěn)壓直流電源CSYJ400-18，能提供0～400 V 的輸出電壓。溫度測(cè)量系統(tǒng)主要包括自研溫度記錄儀和UTi260B 紅外熱成像儀，溫度記錄儀主要是通過(guò)熱電偶采集除冰實(shí)驗(yàn)時(shí)翼面前緣上的表面溫度；紅外熱成像儀能更直觀(guān)地觀(guān)察到加熱器表面的溫升情況和加熱均勻性，可采集加熱器表面溫度的空間分布。電熱除冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)錄像系統(tǒng)采用WSD-2902-V1.0 攝像頭，具備低溫除霧功能，可在低溫環(huán)境對(duì)除冰過(guò)程進(jìn)行錄像。除冰實(shí)驗(yàn)在低溫環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)壓縮機(jī)制冷調(diào)節(jié)所需的溫度。

圖6 翼面前緣共形電熱除冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Conformal airfoil leading edge electrothermal deicing test bench

2. 2 共形加熱器加熱性能測(cè)試

通常情況下機(jī)翼除冰的功率密度［7，22］為16～30 kW/m2。實(shí)驗(yàn)選用的功率密度為15 kW/m2，通電加熱至100 ℃后斷電，測(cè)試時(shí)間為10 min，在加熱器表面等間距地布置3 個(gè)熱電偶，實(shí)時(shí)記錄共形加熱器的熱成像圖與溫度變化曲線(xiàn)。表面加熱至不同溫度時(shí)的熱成像圖見(jiàn)圖7，圖中T 為溫度，可觀(guān)察到共形加熱器表面從開(kāi)始通電到加熱至50 ℃前，表面溫度分布較為均勻；達(dá)60 ℃以上時(shí)共形加熱器在中間位置出現(xiàn)極值點(diǎn)，并在極值點(diǎn)沿四周方向出現(xiàn)一個(gè)較高溫度的均勻溫度區(qū)，占共形加熱器表面的2/3 以上。圖8 為常溫環(huán)境下共形加熱器表面溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)位于共形加熱器中間的測(cè)溫點(diǎn)2 的溫度略高于兩邊的測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)3，總體上看3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)基本重合。依據(jù)共形加熱器的熱成像圖與溫度變化曲線(xiàn)可知共形加熱器具有良好的加熱均勻性。

圖7 共形加熱器表面熱成像圖Fig.7 Thermal images of conformal heater surfaces

圖8 常溫環(huán)境下共形加熱器溫度曲線(xiàn)Fig.8 Conformal heater temperature curves in roomtemperature environment

圖9為功率密度15 kW/m2時(shí)常溫（T=21.5 ℃）環(huán)境和低溫（T=-20.2 ℃）環(huán)境下共形加熱器表面的溫度隨時(shí)間變化的溫升曲線(xiàn)?？芍残渭訜崞骷訜岱磻?yīng)迅速，常溫空載情況下，10 s 時(shí)從21.50 ℃上升至63.57 ℃，19 s 時(shí)上升至101.03 ℃，溫升區(qū)間分別為42.07 ℃和79.53 ℃；低溫空載情況下，10 s 時(shí)從-20.20 ℃上升至25.47 ℃，19 s 時(shí)上升至63.20 ℃，31 s 時(shí)上升至100.93 ℃，溫升區(qū)間分別為45.67、83.40、121.13 ℃。比較常溫和低溫下相同時(shí)間段的溫升區(qū)間可見(jiàn)兩者區(qū)間溫差約在3～4 ℃；常溫和低溫條件下共形加熱器熱均響應(yīng)迅速，升溫速率基本一致，約為4 ℃/s?？梢?jiàn)共形加熱器熱響應(yīng)迅速，加熱性能比較穩(wěn)定，受環(huán)境溫度影響較小。

圖9 常溫環(huán)境和低溫環(huán)境共形加熱器典型溫升曲線(xiàn)Fig.9 Typical temperature rise curves of conformal heaters in room-temperature and low-temperature environment

2. 3 不同功率密度下的共形加熱器表面溫度變化

功率密度是影響電熱除冰系統(tǒng)效果的重要因素。實(shí)驗(yàn)選取3、6、12、15 kW/m2的功率密度測(cè)試共形加熱器的加熱性能。由2.2 節(jié)可知在常溫和低溫下共形加熱器的加熱性能都能保持穩(wěn)定，且表面溫度分布均勻，因此選取加熱器表面中間測(cè)溫點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在低溫環(huán)境下研究不同功率密度的共形加熱器表面溫度變化情況，為除冰實(shí)驗(yàn)中功率密度的選取提供參考。將加熱目標(biāo)溫度設(shè)定為80 ℃，進(jìn)行不同功率密度下低溫空載加熱測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 低溫環(huán)境下共形加熱器溫升曲線(xiàn)Fig.10 Temperature rise curves of conformal heaters in low-temperature environment

由圖10 可知低溫空載測(cè)試中功率密度為3 kW/m2時(shí)無(wú)法加熱至80 ℃；功率密度為6、12、15 kW/m2時(shí)升溫至80 ℃用時(shí)分別為94、40、24 s。對(duì)比不同功率密度低溫下的加熱情況，發(fā)現(xiàn)功率密度為3 kW/m2時(shí)共形加熱器的功率低、升溫慢，難以滿(mǎn)足使用要求；其余功率密度在低溫環(huán)境下升溫迅速，加熱性能穩(wěn)定。因此選用6、12、15 kW/m2的功率密度進(jìn)行后續(xù)除冰實(shí)驗(yàn)。

3 翼面前緣共形加熱器除冰實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3. 1 翼面前緣原位制備共形可控冰層

共形加熱器的結(jié)冰和除冰實(shí)驗(yàn)均在-20 ℃低溫環(huán)境箱中進(jìn)行。結(jié)冰采用一種在翼面前緣原位制備共形可控冰層的方法，首先根據(jù)機(jī)翼前緣結(jié)冰區(qū)域所需尺寸和形狀裁剪密封膠條若干和隔離膜一張，如圖11 所示，沿結(jié)冰區(qū)域邊緣貼緊密封膠條并不斷按壓密封條，達(dá)設(shè)定的冰型厚度后鋪上隔離膜，在注水口處接入水源，注滿(mǎn)后封住注水口，將試驗(yàn)件置于-20 ℃低溫環(huán)境箱內(nèi)2 h 獲得結(jié)冰尺寸為180 mm×80 mm、冰層平均厚度為2 mm 的翼面前緣共形冰型。共形可控冰型及尺寸見(jiàn)圖12。

圖11 共形可控冰型的制備Fig.11 Preparation of conformal controllable ice shape

圖12 共形可控冰型及尺寸Fig.12 Conformally controllable ice shape and size

3. 2 不同加熱功率密度下的除冰實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)給共形加熱器施加6、12、15 kW/m2的功率密度各進(jìn)行3 次除冰實(shí)驗(yàn)，記錄除冰過(guò)程中的表面溫度變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖13 所示。功率密度q 為6 kW/m2的實(shí)驗(yàn)組中，冰層從通電到掉落用時(shí)分別為129、180、194 s；功率密度為12 kW/m2的實(shí)驗(yàn)組中，冰層從通電到掉落用時(shí)分別為68、70、90 s；功率密度為15 kW/m2的實(shí)驗(yàn)組中，冰層從通電到掉落用時(shí)分別為42、52、49 s。可發(fā)現(xiàn)功率密度的增加明顯加快了冰層的掉落速度，但由于除冰過(guò)程中冰層融水的流動(dòng)具有隨機(jī)性，冰層質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致在同一功率密度條件下由自身重力作用導(dǎo)致的冰層掉落時(shí)間不一致。因此實(shí)驗(yàn)需重點(diǎn)關(guān)注共形加熱器通電到冰層底部界面實(shí)現(xiàn)完全融化的過(guò)程，以探究不同功率密度對(duì)共形加熱器除冰的影響。

圖13 不同功率密度下共形加熱器溫升曲線(xiàn)Fig.13 Temperature rise curves of conformal heaters under different power densities

由圖13 可知，冰層從低于熔點(diǎn)的溫度開(kāi)始受熱，溫度上升至熔點(diǎn)，溫度曲線(xiàn)達(dá)第1 個(gè)拐點(diǎn)后上升趨勢(shì)放緩、斜率減小，此時(shí)冰層開(kāi)始出現(xiàn)融化情況，即為初熔；冰層持續(xù)受熱并完全融化，溫度曲線(xiàn)來(lái)到第2 個(gè)拐點(diǎn)，曲線(xiàn)上升、斜率增加，即為終熔；初熔與終熔之間的較平緩的溫度平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度則被稱(chēng)為熔程。熔程的出現(xiàn)是因?yàn)楸鶎邮軣崛诨^(guò)程中部分熱量需克服融化過(guò)程中的潛熱，而在非熔程階段，冰層吸收的熱量絕大部分都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，具體表現(xiàn)為溫度的快速上升［7］。觀(guān)察除冰錄像可發(fā)現(xiàn)除冰過(guò)程中初熔、終熔出現(xiàn)的時(shí)間及除冰結(jié)束后除冰表面與冰層的情況，如圖14 所示。圖14（a）為初始階段，共形加熱器開(kāi)始通電加熱；圖14（b）為初熔階段，共形加熱器與冰層的界面開(kāi)始出現(xiàn)融化現(xiàn)象，表現(xiàn)為小塊白色區(qū)域；圖14（c）為終熔階段，共形加熱器與冰層的界面完全融化，白色區(qū)域充斥整個(gè)冰層底部界面，有小部分冰層融水受重力作用聚集在共形加熱器與冰層界面的下半部分；圖14（d）為冰層掉落后的除冰表面，共形加熱器表面除了有少量冰層融水外沒(méi)有殘留其他碎冰，翼面前緣的氣動(dòng)表面恢復(fù)光順。

圖14 除冰過(guò)程Fig.14 De-icing process

結(jié)合錄像對(duì)除冰過(guò)程中的初熔點(diǎn)、終熔點(diǎn)和熔程進(jìn)行歸納總結(jié)，見(jiàn)表2 和圖15。3 組功率密度下達(dá)到初熔點(diǎn)所用時(shí)間分別為52、30、19 s，達(dá)終熔點(diǎn)所用的時(shí)間分別為88、51、32 s，熔程分別為36、21、13 s，可見(jiàn)功率密度越大熔程越短、除冰越快，當(dāng)共形加熱器功率密度為15 kW/m2時(shí)可在40 s 內(nèi)完全融化底部冰層。

表2 典型除冰過(guò)程中初熔、終熔時(shí)間和熔程Table 2 Initial melting， final melting times and melting ranges during a typical deicing process

圖15 不同功率密度下的典型除冰溫度曲線(xiàn)Fig.15 Typical deicing temperature profiles for different power densities

3. 3 與傳統(tǒng)共形電熱除冰結(jié)構(gòu)的對(duì)比和分析

與傳統(tǒng)金屬絲加熱技術(shù)［22］相比采用的石墨烯薄膜加熱技術(shù)損傷容限高，不會(huì)因加熱元件受損導(dǎo)致共形加熱器失效；加熱均勻性更好；易與機(jī)翼前緣實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)共形一體化，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。傳統(tǒng)金屬絲加熱技術(shù)與石墨烯薄膜加熱技術(shù)對(duì)比見(jiàn)圖16。

圖16 傳統(tǒng)金屬絲加熱技術(shù)和石墨烯薄膜加熱技術(shù)Fig.16 Traditional wire heating technology and graphene film heating technology

文獻(xiàn)［22］采取蛇形鎳合金金屬絲作為加熱元件，將其嵌入耐高溫復(fù)合材料機(jī)翼前緣形成共形加熱器，見(jiàn)圖17［22］。由于加熱元件為蛇形金屬絲，需通過(guò)均熱層導(dǎo)熱至機(jī)翼前緣表面，所以為保證除冰后翼面前緣光順，需將功率密度提升至27 kW/m2。而由圖14 可知研制的翼面前緣共形加熱器在功率密度為15 kW/m2時(shí)已可保持機(jī)翼前緣表面光順。因此在達(dá)到相同除冰效果的前提下，相較于傳統(tǒng)翼面前緣金屬絲電熱除冰結(jié)構(gòu)，翼面前緣石墨烯復(fù)合材料電熱除冰結(jié)構(gòu)所需功率密度明顯更低。

圖17 傳統(tǒng)翼面前緣金屬絲電熱除冰結(jié)構(gòu)［22］Fig.17 Traditional airfoil leading edge wire electric deicing structure［22］

4 結(jié) 論

1）采用自研熱壓成型設(shè)備在飛機(jī)翼面前緣原位膠接固化了石墨烯復(fù)合材料共形加熱器功能結(jié)構(gòu)，厚度為0.75 mm，面密度為0.082 7 g/cm2，實(shí)現(xiàn)了加熱器輕質(zhì)、共形的效果。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較常溫下共形加熱器的熱成像圖和溫度曲線(xiàn)可知共形加熱器表面溫度分布均勻，擁有良好的電加熱性能；同時(shí)對(duì)比常溫和低溫下共形加熱器功率密度為15 kW/m2時(shí)的溫升曲線(xiàn)可知其熱響應(yīng)迅速，升溫速率均為4 ℃/s，共形加熱器性能穩(wěn)定。

3）在低溫環(huán)境下，通過(guò)施加不同功率密度進(jìn)行除冰驗(yàn)證并針對(duì)除冰過(guò)程中界面冰層的融化過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明增大共形加熱器的功率密度可明顯加快除冰速率；共形加熱器功率密度為15 kW/m2時(shí)能實(shí)現(xiàn)40 s 內(nèi)完全融化底部界面冰層的效果。

4）與傳統(tǒng)翼面前緣金屬絲電熱除冰結(jié)構(gòu)相比，翼面前緣石墨烯復(fù)合材料電熱除冰結(jié)構(gòu)具備損傷容限高、加熱均勻性更好、易于與機(jī)翼前緣實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)共形一體化等優(yōu)點(diǎn)。在達(dá)相同除冰效果的前提下新型電熱除冰結(jié)構(gòu)所需功率密度明顯更低。

5）針對(duì)翼面前緣石墨烯復(fù)合材料電熱除冰結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)未考慮風(fēng)速影響，屬于靜態(tài)除冰驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。因此在未來(lái)的工作中將開(kāi)展動(dòng)態(tài)除冰驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究風(fēng)速對(duì)新型電熱除冰結(jié)構(gòu)除冰效果的影響。