唐超，謝文俊，袁培毓，謝宗蕻

中山大學 航空航天學院，深圳 518107

飛機穿過富集過冷水滴的云層時［1］翼面前緣、發(fā)動機進氣道前緣等關(guān)鍵部位很容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，輕度結(jié)冰可能會導致飛機飛行性能下降，嚴重結(jié)冰甚至會導致飛機失事［2-3］。為保證飛行安全，飛機上通常會安裝防/除冰系統(tǒng)，常用的防/除冰方式［4］包括化學液體防冰、熱氣防/除冰、機械防/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給加熱元件供電，使電能轉(zhuǎn)換成熱能從而達到防/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］，不能滿足新一代電熱除冰系統(tǒng)的需求。隨著功能復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、與機翼前緣共形的電熱除冰功能結(jié)構(gòu)成為新的研究熱點。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15 000 cm2·V-1·s-1，導熱系數(shù)可達5 000 W·m-1·K-1，具備良好的導電性和導熱性，在制成薄膜材料后與復合材料的貼合性較好，作為加熱元件時具備重量輕、熱響應(yīng)迅速、加熱穩(wěn)定均勻等優(yōu)點，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，通過熱壓工藝將其與碳纖維增強樹脂基復合材料固化成層壓板，證明了通過石墨烯復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合材料，具備輕質(zhì)高效、熱響應(yīng)快、低能耗等優(yōu)點，可有效應(yīng)用到電熱除冰領(lǐng)域。Karpen等［17］基于導電油墨設(shè)計并開發(fā)了一種集成電熱除冰結(jié)構(gòu)的小型無人機螺旋槳。馬莉婭等［18］針對碳纖維復合材料機翼開發(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］基于石墨烯復合材料進行了電熱除冰實驗，發(fā)現(xiàn)熱流密度為3 kW/m2時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合材料結(jié)構(gòu)形成加熱墊，并將其應(yīng)用到波 音787 機 翼 前 緣。De Rosa 和Esposito［22］在 耐高溫復合材料機翼前緣中嵌入蛇形鎳合金金屬絲實現(xiàn)了機翼前緣除冰功能。

通過上述調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前針對新型材料電熱防/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)。通過實驗驗證翼面前緣共形石墨烯復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驗臺，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行除冰實驗，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)進行對比分析。

1 翼面前緣共形電熱除冰功能結(jié)構(gòu)的開發(fā)

1. 1 翼面前緣電熱除冰功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)文獻［23］中算例計算結(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)計指標如下：① 電加熱結(jié)構(gòu)與機翼前緣共形集成區(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合材料共形加熱器（簡稱共形加熱器）。參考傳統(tǒng)電熱除冰結(jié)構(gòu)［18］設(shè)計共形加熱器的結(jié)構(gòu)，包括外表層、導熱層、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)氧樹脂預浸料，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，用來替代傳統(tǒng)金屬加熱元件；導熱層則選擇熱導率高的石墨烯導熱膜，具備快速均溫作用，保護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)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural design of conformal heater

機翼的結(jié)冰區(qū)域主要為前緣弦長前10%長度投影的表面區(qū)域［23］，加熱層尺寸按該表面區(qū)域大小設(shè)計，見圖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、寬度和長度。通常先采用四探針法測量薄膜方阻，再通過式（2）獲得薄膜線性電阻，此時石墨烯薄膜的功率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）可知當加熱層尺寸確定后可通過調(diào)節(jié)電壓或方阻控制功率輸出，進而調(diào)整后續(xù)實驗功率密度。

為驗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)前封裝為石墨烯復合材料加熱組件并進行電熱性能測試。玻璃纖維具備耐高溫、絕緣性能好、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，可作為良好的封裝材料。測試選取玻璃纖維織物/環(huán)氧樹脂預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合材料加熱組件并測試。

圖3 為石墨烯復合材料加熱組件功率和表面溫度曲線。實驗在常溫（25 ℃）下進行，通電后加熱組件功率首先達到52 W，10 s 后穩(wěn)定到43 W直到實驗結(jié)束；由此可見加熱元件電阻率比較穩(wěn)定，受溫度變化影響小。

圖3 石墨烯復合材料加熱組件功率和表面溫度曲線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

通過真空袋熱壓工藝在長300 mm、高180 mm、壁厚1 mm 的復合材料機翼前緣上進行共形加熱器的原位鋪貼與固化。機翼翼型參考NACA0018。根據(jù)該機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圖4。首先使用蘸取酒精的脫脂棉球擦拭機翼前緣，確保機翼前緣干凈無其他雜質(zhì)，按共形加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖依次鋪上加熱復合材料鋪層，按壓平整，見圖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，見圖4（b）；再通過真空袋和密封膠進行覆蓋與密封，見圖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)氧樹脂預浸料固化工藝曲線（見圖5）使用自研開發(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，見圖4（d）。檢查制件成型質(zhì)量可見共形加熱器與機翼前緣緊密貼合，厚度為0.75 mm，面密度為0.082 7 g/cm2，達到了輕質(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)氧樹脂預浸料固化工藝曲線Fig.5 Glass fiber/epoxy resin prepreg curing process curve

2 翼面前緣共形加熱器性能測試

為驗證共形加熱器的穩(wěn)定性和加熱過程中加熱器表面溫度的均勻性，自行搭建電熱除冰實驗臺，通過實驗對比常溫和低溫環(huán)境下加熱過程中共形加熱器表面溫度隨時間的變化過程；同時研究低溫環(huán)境下不同功率密度共形加熱器表面溫度變化情況，為除冰實驗中功率密度的選取提供參考。

2. 1 實驗裝置

電熱除冰實驗臺主要由電源系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、共形加熱器和低溫環(huán)境箱4 部分構(gòu)成，如圖6 所示。實驗采用的電源系統(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熱電偶采集除冰實驗時翼面前緣上的表面溫度；紅外熱成像儀能更直觀地觀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。電熱除冰實驗臺錄像系統(tǒng)采用WSD-2902-V1.0 攝像頭，具備低溫除霧功能，可在低溫環(huán)境對除冰過程進行錄像。除冰實驗在低溫環(huán)境箱內(nèi)進行，通過壓縮機制冷調(diào)節(jié)所需的溫度。

圖6 翼面前緣共形電熱除冰實驗臺Fig.6 Conformal airfoil leading edge electrothermal deicing test bench

2. 2 共形加熱器加熱性能測試

通常情況下機翼除冰的功率密度［7，22］為16～30 kW/m2。實驗選用的功率密度為15 kW/m2，通電加熱至100 ℃后斷電，測試時間為10 min，在加熱器表面等間距地布置3 個熱電偶，實時記錄共形加熱器的熱成像圖與溫度變化曲線。表面加熱至不同溫度時的熱成像圖見圖7，圖中T 為溫度，可觀察到共形加熱器表面從開始通電到加熱至50 ℃前，表面溫度分布較為均勻；達60 ℃以上時共形加熱器在中間位置出現(xiàn)極值點，并在極值點沿四周方向出現(xiàn)一個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間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)位于共形加熱器中間的測溫點2 的溫度略高于兩邊的測溫點1和測溫點3，總體上看3 個測溫點的溫度變化曲線基本重合。依據(jù)共形加熱器的熱成像圖與溫度變化曲線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Fig.8 Conformal heater temperature curves in roomtemperature environment

圖9為功率密度15 kW/m2時常溫（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間變化的溫升曲線?？芍残渭訜崞骷訜岱磻?yīng)迅速，常溫空載情況下，10 s 時從21.50 ℃上升至63.57 ℃，19 s 時上升至101.03 ℃，溫升區(qū)間分別為42.07 ℃和79.53 ℃；低溫空載情況下，10 s 時從-20.20 ℃上升至25.47 ℃，19 s 時上升至63.20 ℃，31 s 時上升至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間段的溫升區(qū)間可見兩者區(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。可見共形加熱器熱響應(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。實驗選取3、6、12、15 kW/m2的功率密度測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溫點為監(jiān)測點，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，為除冰實驗中功率密度的選取提供參考。將加熱目標溫度設(shè)定為80 ℃，進行不同功率密度下低溫空載加熱測試，測試結(jié)果見圖10。

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

由圖10 可知低溫空載測試中功率密度為3 kW/m2時無法加熱至80 ℃；功率密度為6、12、15 kW/m2時升溫至80 ℃用時分別為94、40、24 s。對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時共形加熱器的功率低、升溫慢，難以滿足使用要求；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的功率密度進行后續(xù)除冰實驗。

3 翼面前緣共形加熱器除冰實驗及結(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)冰和除冰實驗均在-20 ℃低溫環(huán)境箱中進行。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，注滿后封住注水口，將試驗件置于-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驗與分析

通過給共形加熱器施加6、12、15 kW/m2的功率密度各進行3 次除冰實驗，記錄除冰過程中的表面溫度變化情況，測試結(jié)果如圖13 所示。功率密度q 為6 kW/m2的實驗組中，冰層從通電到掉落用時分別為129、180、194 s；功率密度為12 kW/m2的實驗組中，冰層從通電到掉落用時分別為68、70、90 s；功率密度為15 kW/m2的實驗組中，冰層從通電到掉落用時分別為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，但由于除冰過程中冰層融水的流動具有隨機性，冰層質(zhì)量分布不均，導致在同一功率密度條件下由自身重力作用導致的冰層掉落時間不一致。因此實驗需重點關(guān)注共形加熱器通電到冰層底部界面實現(xiàn)完全融化的過程，以探究不同功率密度對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Fig.13 Temperature rise curves of conformal heaters under different power densities

由圖13 可知，冰層從低于熔點的溫度開始受熱，溫度上升至熔點，溫度曲線達第1 個拐點后上升趨勢放緩、斜率減小，此時冰層開始出現(xiàn)融化情況，即為初熔；冰層持續(xù)受熱并完全融化，溫度曲線來到第2 個拐點，曲線上升、斜率增加，即為終熔；初熔與終熔之間的較平緩的溫度平臺區(qū)長度則被稱為熔程。熔程的出現(xiàn)是因為冰層受熱融化過程中部分熱量需克服融化過程中的潛熱，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］。觀察除冰錄像可發(fā)現(xiàn)除冰過程中初熔、終熔出現(xiàn)的時間及除冰結(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有殘留其他碎冰，翼面前緣的氣動表面恢復光順。

圖14 除冰過程Fig.14 De-icing process

結(jié)合錄像對除冰過程中的初熔點、終熔點和熔程進行歸納總結(jié)，見表2 和圖15。3 組功率密度下達到初熔點所用時間分別為52、30、19 s，達終熔點所用的時間分別為88、51、32 s，熔程分別為36、21、13 s，可見功率密度越大熔程越短、除冰越快，當共形加熱器功率密度為15 kW/m2時可在40 s 內(nèi)完全融化底部冰層。

表2 典型除冰過程中初熔、終熔時間和熔程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，不會因加熱元件受損導致共形加熱器失效；加熱均勻性更好；易與機翼前緣實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)共形一體化，降低了結(jié)構(gòu)的復雜性，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)對比見圖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［22］采取蛇形鎳合金金屬絲作為加熱元件，將其嵌入耐高溫復合材料機翼前緣形成共形加熱器，見圖17［22］。由于加熱元件為蛇形金屬絲，需通過均熱層導熱至機翼前緣表面，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時已可保持機翼前緣表面光順。因此在達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)備在飛機翼面前緣原位膠接固化了石墨烯復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，實現(xiàn)了加熱器輕質(zhì)、共形的效果。

2）通過實驗比較常溫下共形加熱器的熱成像圖和溫度曲線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；同時對比常溫和低溫下共形加熱器功率密度為15 kW/m2時的溫升曲線可知其熱響應(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，通過施加不同功率密度進行除冰驗證并針對除冰過程中界面冰層的融化過程進行分析，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時能實現(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、易于與機翼前緣實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)共形一體化等優(yōu)點。在達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）針對翼面前緣石墨烯復合材料電熱除冰結(jié)構(gòu)的驗證實驗未考慮風速影響，屬于靜態(tài)除冰驗證實驗。因此在未來的工作中將開展動態(tài)除冰驗證實驗，研究風速對新型電熱除冰結(jié)構(gòu)除冰效果的影響。