中国民用航空飞行学院何强教授/河南科技大学张彦斌教授：螺旋桨动态除冰技术的研究现状
2025-07-16 11:54:30
作者：本网发布 来源：高分子科学前沿
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螺旋桨是飞行器推进系统的关键部件，广泛应用于民用飞机、军用战机和无人机。它不仅提供飞行所需的推力和升力，还影响燃油效率、机动性和航程。然而，在低温高湿条件下，螺旋桨叶片易发生结冰，严重威胁飞行安全，甚至可能导致失速或结构失效。因此，研究其结冰特性并开发高效防冰/除冰技术尤为重要。目前常用的防冰/除冰方法包括热防冰、机械除冰和化学喷洒，虽具一定效果，但存在能效低、重量大、适应性差等问题。为应对现代飞行条件的复杂需求，动态防冰/除冰技术逐渐兴起，其核心在于通过改变螺旋桨表面与冰之间的相互作用，减少结冰并高效去冰，如构建超疏水或光热表面等。在此，中国民用航空飞行学院何强教授联合河南科技大学张彦斌教授介绍了螺旋桨动态除冰技术的研究现状。作者系统回顾了螺旋桨结冰机制，分析气象和飞行因素对结冰的影响及其对飞行性能的危害，并综述了当前主要的动态除冰技术，评估其原理、优劣与实际挑战。最后探讨未来发展趋势，如多技术融合、智能控制及先进材料应用，旨在为防冰技术的创新与工程应用提供理论支持与实践指导。相关成果以“Current research status of dynamic de-icing technology for propellers”为题发表在《Advances in Colloid and Interface Science》上。螺旋桨动态结冰是指在飞行过程中，由于空气中的水滴与螺旋桨叶片的相对运动而引发的结冰现象。螺旋桨的动态结冰过程从冰核的形成开始。飞行过程中，水滴会被气流带到螺旋桨表面，在低温环境下冻结成冰核。然而，与静态结冰不同，螺旋桨叶片的高速旋转会对冰核的形成产生重要影响。冰核形成后，水滴继续在螺旋桨表面附着并冻结，形成冰粒，螺旋桨的动态特性导致了冰粒附着和积累的过程更加复杂。在飞行过程中，螺旋桨叶片的旋转速度不断变化，空气流动方向也在不断变化，这使得水滴的动能、流向以及与叶片表面的接触方式都发生变化，导致冰粒的附着分布变得非常不均匀（图1）.
螺旋桨结冰对飞行安全影响显著，而其行为主要受外部气象条件控制，尤其是温度、液态水含量（LWC）、平均液滴体积（MVD）和风速（图2）。温度决定冰型（图2a）接近 0 °C 易形成致密透明的釉冰，而在 −15 °C 附近则易生成多孔的霜冰，改变气动外形。LWC 影响冰层致密度（图2b）低 LWC 下冰层松散、附着力弱；高 LWC 则形成致密冰层，难以脱落。MVD 决定冰层均匀性（图2c）小液滴（<20 µm）铺展均匀，形成均匀冰层；大液滴易在前缘局部积聚，增加失速风险。风速调节积冰速率（图2d）中等风速增强传热，加快结冰；但过高风速会加剧蒸发并剥离冰晶，反而抑制积冰。综上，气象因素通过多重机制协同影响螺旋桨结冰的速度与形貌，是制定防除冰策略的重要依据。螺旋桨结冰会显著影响其气动与机械性能，降低推力与效率，增加能耗，甚至威胁飞行安全。因此，深入了解结冰效应对螺旋桨性能的影响，对防冰设计至关重要（图3）。气动性能退化（图3a）结冰会改变螺旋桨表面轮廓和边界层状态，影响推力输出。釉冰在初期可能略微提升推力，但霜冰则易诱发气流分离，导致推力下降并带来较大波动性。效率降低与温度相关（图3b）在较低温度（如−10 °C）下形成的霜冰更粗糙，导致推进效率下降更明显。推力系数（Cp）和功率系数（Ct）均表现出明显衰减。攻角变化引发不稳定（图3c）在悬停状态下，结冰造成叶片攻角持续增大，可能引发局部失速和周期性载荷波动，增加机械磨损与结构风险。图 3结冰对螺旋桨的气动性能、机械性能及飞行安全性的影响相比传统螺旋桨，集成电加热系统的螺旋桨具备快速除冰和节能优势，能有效提升低温环境下的工作效率与安全性（图4a）。原理与结构（图4b, 4c）电加热系统通过嵌入或表面电热元件加热叶片，利用电阻发热防止结冰或融化已有冰层。系统可根据环境动态调节功率，具备防冰与除冰双重功能。新型结构采用多层功能材料，如碳墨发热层和铜微电极网络，提升热效与可靠性（图4c）。性能表现（图4d）在−5 °C 和−10 °C下，加热螺旋桨效率显著优于未加热状态，验证了其有效除冰能力。材料进展（图4e）复合材料如ACMC&Ag纳米复合纸通过多种纳米结构协同作用，进一步提升导热性与系统稳定性。超疏水涂层除冰通过在螺旋桨叶片表面构建极低表面能界面，有效降低水滴附着与结冰概率（图5a）。其表面通常具备微纳结构，形成类似莲叶的“山脊-谷地”形貌，使水滴呈球状并快速滚落，避免冰霜在表面积聚。性能提升方向
当前研究重点集中在材料优化、耐久性增强及环境适应性提升。图5b展示了一种基于F-SiO₂@PDMS的超疏水涂层，其在多轮结冰/除冰循环后仍保持较低冰黏附强度，明显优于未处理表面。图5c则为不同超疏水表面结构的SEM图像，反映出结构设计对涂层性能的关键影响。总体来看，超疏水涂层为螺旋桨提供了一种被动、高效的防除冰策略，具备应用前景，但仍需在耐久性与复杂气候适应性方面进一步突破。如今，螺旋桨除冰技术越来越受到关注，然而，即使已有多种除冰方法，其在能耗、结构影响、环境适应性和长期稳定性方面仍存在不足，难以在复杂飞行条件下实现高效、可靠的防除冰效果。以下几个方面介绍了未来需要解决的挑战。螺旋桨除冰系统的结构相对复杂，当前的除冰方法通常涉及多个部件和复杂的控制系统，这不仅增加了系统的重量，还导致了维修和维护成本的提升。未来的发展方向应聚焦于简化除冰系统的结构，以提高系统的可靠性和降低成本。采用微波与电磁能技术可能成为一种可行的解决方案，通过微波或电磁波的热效应，可以在不增加过多额外部件的情况下，快速有效地对螺旋桨进行除冰。智能化低能耗防除冰系统的研究至关重要。目前的除冰系统往往需要持续高功率运行，这不仅增加了能量消耗，还可能影响飞行性能。未来研究应优化能量管理，动态分配除冰功率，避免不必要能耗。结合智能传感检测系统和智能控制算法实时监测冰层厚度与生长速率，自适应调整除冰模式，实现精准除冰，降低能耗并提升系统稳定性，以适应复杂飞行条件。除冰材料的性能优化仍是关键问题。高效、低能耗的除冰材料，如石墨烯电热膜、智能变形材料和相变材料等，能够提升除冰效率并减少能源消耗。然而，这些材料在复杂飞行环境中的长期稳定性、耐久性及环境适应性仍需进一步研究。因此，未来研究方向应包括基于实验与仿真的材料性能优化，提升导热性、响应速度以及低温环境下的可靠性，以确保其在严苛条件下的持续高效工作。该论文的第一作者是本课题组硕士研究生王晓森，主要从事螺旋桨防除冰相关研究。本文通讯作者为中国民用航空飞行学院何强教授和河南科技大学张彦斌教授。共同作者包括河南科技大学博士研究生王继文、李康帅、许泽华等。
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