螺旋槳是飛行器推進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于民用飛機、軍用戰(zhàn)機和無人機。它不僅提供飛行所需的推力和升力，還影響燃油效率、機動性和航程。然而，在低溫高濕條件下，螺旋槳葉片易發(fā)生結(jié)冰，嚴重威脅飛行安全，甚至可能導致失速或結(jié)構(gòu)失效。因此，研究其結(jié)冰特性并開發(fā)高效防冰/除冰技術(shù)尤為重要。

目前常用的防冰/除冰方法包括熱防冰、機械除冰和化學噴灑，雖具一定效果，但存在能效低、重量大、適應(yīng)性差等問題。為應(yīng)對現(xiàn)代飛行條件的復(fù)雜需求，動態(tài)防冰/除冰技術(shù)逐漸興起，其核心在于通過改變螺旋槳表面與冰之間的相互作用，減少結(jié)冰并高效去冰，如構(gòu)建超疏水或光熱表面等。

在此，中國民用航空飛行學院何強教授聯(lián)合河南科技大學張彥斌教授介紹了螺旋槳動態(tài)除冰技術(shù)的研究現(xiàn)狀。作者系統(tǒng)回顧了螺旋槳結(jié)冰機制，分析氣象和飛行因素對結(jié)冰的影響及其對飛行性能的危害，并綜述了當前主要的動態(tài)除冰技術(shù)，評估其原理、優(yōu)劣與實際挑戰(zhàn)。

最后探討未來發(fā)展趨勢，如多技術(shù)融合、智能控制及先進材料應(yīng)用，旨在為防冰技術(shù)的創(chuàng)新與工程應(yīng)用提供理論支持與實踐指導。相關(guān)成果以“Current research status of dynamic de-icing technology for propellers”為題發(fā)表在《Advances in Colloid and Interface Science》上。

螺旋槳動態(tài)結(jié)冰過程螺旋槳動態(tài)結(jié)冰是指在飛行過程中，由于空氣中的水滴與螺旋槳葉片的相對運動而引發(fā)的結(jié)冰現(xiàn)象。螺旋槳的動態(tài)結(jié)冰過程從冰核的形成開始。飛行過程中，水滴會被氣流帶到螺旋槳表面，在低溫環(huán)境下凍結(jié)成冰核。然而，與靜態(tài)結(jié)冰不同，螺旋槳葉片的高速旋轉(zhuǎn)會對冰核的形成產(chǎn)生重要影響。

冰核形成后，水滴繼續(xù)在螺旋槳表面附著并凍結(jié)，形成冰粒，螺旋槳的動態(tài)特性導致了冰粒附著和積累的過程更加復(fù)雜。在飛行過程中，螺旋槳葉片的旋轉(zhuǎn)速度不斷變化，空氣流動方向也在不斷變化，這使得水滴的動能、流向以及與葉片表面的接觸方式都發(fā)生變化，導致冰粒的附著分布變得非常不均勻（圖1）.

圖 1 螺旋槳動態(tài)結(jié)冰過程

螺旋槳結(jié)冰對飛行安全影響顯著，而其行為主要受外部氣象條件控制，尤其是溫度、液態(tài)水含量（LWC）、平均液滴體積（MVD）和風速（圖2）。溫度決定冰型（圖2a）接近 0°C 易形成致密透明的釉冰，而在 −15°C 附近則易生成多孔的霜冰，改變氣動外形。LWC 影響冰層致密度（圖2b）低 LWC 下冰層松散、附著力弱；高 LWC 則形成致密冰層，難以脫落。

MVD決定冰層均勻性（圖2c）小液滴（<20µm）鋪展均勻，形成均勻冰層；大液滴易在前緣局部積聚，增加失速風險。風速調(diào)節(jié)積冰速率（圖2d）中等風速增強傳熱，加快結(jié)冰；但過高風速會加劇蒸發(fā)并剝離冰晶，反而抑制積冰。綜上，氣象因素通過多重機制協(xié)同影響螺旋槳結(jié)冰的速度與形貌，是制定防除冰策略的重要依據(jù)。

圖 2氣象因素對螺旋槳結(jié)冰的影響

結(jié)冰對氣動性能的影響螺旋槳結(jié)冰會顯著影響其氣動與機械性能，降低推力與效率，增加能耗，甚至威脅飛行安全。因此，深入了解結(jié)冰效應(yīng)對螺旋槳性能的影響，對防冰設(shè)計至關(guān)重要（圖3）。氣動性能退化（圖3a）結(jié)冰會改變螺旋槳表面輪廓和邊界層狀態(tài)，影響推力輸出。釉冰在初期可能略微提升推力，但霜冰則易誘發(fā)氣流分離，導致推力下降并帶來較大波動性。效率降低與溫度相關(guān)（圖3b）在較低溫度（如−10?°C）下形成的霜冰更粗糙，導致推進效率下降更明顯。推力系數(shù)（Cp）和功率系數(shù)（Ct）均表現(xiàn)出明顯衰減。攻角變化引發(fā)不穩(wěn)定（圖3c）在懸停狀態(tài)下，結(jié)冰造成葉片攻角持續(xù)增大，可能引發(fā)局部失速和周期性載荷波動，增加機械磨損與結(jié)構(gòu)風險。

圖 3結(jié)冰對螺旋槳的氣動性能、機械性能及飛行安全性的影響

相比傳統(tǒng)螺旋槳，集成電加熱系統(tǒng)的螺旋槳具備快速除冰和節(jié)能優(yōu)勢，能有效提升低溫環(huán)境下的工作效率與安全性（圖4a）。原理與結(jié)構(gòu)（圖4b, 4c）電加熱系統(tǒng)通過嵌入或表面電熱元件加熱葉片，利用電阻發(fā)熱防止結(jié)冰或融化已有冰層。系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境動態(tài)調(diào)節(jié)功率，具備防冰與除冰雙重功能。新型結(jié)構(gòu)采用多層功能材料，如碳墨發(fā)熱層和銅微電極網(wǎng)絡(luò)，提升熱效與可靠性（圖4c）。性能表現(xiàn)（圖4d）在−5?°C 和−10?°C下，加熱螺旋槳效率顯著優(yōu)于未加熱狀態(tài)，驗證了其有效除冰能力。材料進展（圖4e）復(fù)合材料如ACMC&Ag納米復(fù)合紙通過多種納米結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，進一步提升導熱性與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖 4 電熱除冰技術(shù)

被動除冰技術(shù)超疏水涂層除冰通過在螺旋槳葉片表面構(gòu)建極低表面能界面，有效降低水滴附著與結(jié)冰概率（圖5a）。其表面通常具備微納結(jié)構(gòu)，形成類似蓮葉的“山脊-谷地”形貌，使水滴呈球狀并快速滾落，避免冰霜在表面積聚。

當前研究重點集中在材料優(yōu)化、耐久性增強及環(huán)境適應(yīng)性提升。圖5b展示了一種基于F-SiO?@PDMS的超疏水涂層，其在多輪結(jié)冰/除冰循環(huán)后仍保持較低冰黏附強度，明顯優(yōu)于未處理表面。圖5c則為不同超疏水表面結(jié)構(gòu)的SEM圖像，反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計對涂層性能的關(guān)鍵影響?？傮w來看，超疏水涂層為螺旋槳提供了一種被動、高效的防除冰策略，具備應(yīng)用前景，但仍需在耐久性與復(fù)雜氣候適應(yīng)性方面進一步突破。

圖 5超疏水表面防除冰

如今，螺旋槳除冰技術(shù)越來越受到關(guān)注，然而，即使已有多種除冰方法，其在能耗、結(jié)構(gòu)影響、環(huán)境適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性方面仍存在不足，難以在復(fù)雜飛行條件下實現(xiàn)高效、可靠的防除冰效果。以下幾個方面介紹了未來需要解決的挑戰(zhàn)。

螺旋槳除冰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，當前的除冰方法通常涉及多個部件和復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這不僅增加了系統(tǒng)的重量，還導致了維修和維護成本的提升。

未來的發(fā)展方向應(yīng)聚焦于簡化除冰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的可靠性和降低成本。采用微波與電磁能技術(shù)可能成為一種可行的解決方案，通過微波或電磁波的熱效應(yīng)，可以在不增加過多額外部件的情況下，快速有效地對螺旋槳進行除冰。

智能化低能耗防除冰系統(tǒng)的研究至關(guān)重要。目前的除冰系統(tǒng)往往需要持續(xù)高功率運行，這不僅增加了能量消耗，還可能影響飛行性能。未來研究應(yīng)優(yōu)化能量管理，動態(tài)分配除冰功率，避免不必要能耗。結(jié)合智能傳感檢測系統(tǒng)和智能控制算法實時監(jiān)測冰層厚度與生長速率，自適應(yīng)調(diào)整除冰模式，實現(xiàn)精準除冰，降低能耗并提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，以適應(yīng)復(fù)雜飛行條件。

除冰材料的性能優(yōu)化仍是關(guān)鍵問題。高效、低能耗的除冰材料，如石墨烯電熱膜、智能變形材料和相變材料等，能夠提升除冰效率并減少能源消耗。然而，這些材料在復(fù)雜飛行環(huán)境中的長期穩(wěn)定性、耐久性及環(huán)境適應(yīng)性仍需進一步研究。因此，未來研究方向應(yīng)包括基于實驗與仿真的材料性能優(yōu)化，提升導熱性、響應(yīng)速度以及低溫環(huán)境下的可靠性，以確保其在嚴苛條件下的持續(xù)高效工作。

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