飞机翅膀上的“雪融融”
正在运行的火车、飞机等交通工具上，在遇到低温环境时很容易结冰，结冰后会严重影响交通工具的运行安全。那么飞机在运行过程中如何结冰、在防止结冰方面又有哪些手段、有何技术突破呢？在下面的文章中一探究竟吧！
飞机为何结冰？如何防冰与除冰？
01
为何要防止飞机结冰
在《钢铁侠1》中，Tony为了击败Obadiah仿造的第一代铠甲，将对方引诱到万米高空中，使Obadiah因高空结冰而坠毁，而Tony改造后的红金经典款铠甲由于解决了高空结冰问题而获得了最终的胜利。在实际生活中，高空中飞行的飞机也像钢铁侠一样，常常遇到空中结冰这样的麻烦。飞机在飞行时一旦其机翼、螺旋桨等关键部位结冰，则会极大地改变飞机的流线型，影响飞机的升力系数。如果没有及时除冰，飞机最终将因失去升力而发生机毁人亡的惨剧。据报道，2021年3月江西吉安的一架气象机就因为高空作业时机翼结冰而直接导致坠机事故的发生，当场5人死亡。像这样的惨剧，全球每年都会重复。那么飞机究竟是如何结冰的？我们该如何避免飞机结冰带来的危害呢？
《钢铁侠1》图 Obadiah高空结冰而Tony解决了高空结冰
02
飞机结冰的成因与危害
冰的形成分为形核与长大两个过程，而形成稳定的形核核心是结冰的第一步，也是最为关键的一步。形核分为均质形核与异质形核两类。纯水在不受外界扰动的情况下，其形核接近均质形核，形核能量壁垒大，极难发生，可在零下40℃的温度下仍然保持液态。然而在实际的大多数情况下，水中杂质和环境扰动会为晶核的形成提供基底，使得形核的能量壁垒大幅度降低，促进形核的快速进行，在此状态下水的形核为异质形核，在0℃以下即可快速结冰。图1展示了均质形核和异质形核的过程。相较于图1（a）中均质形核的随机性和难形核性，图1（b）中异质形核则具有更为明显的取向性和易形核性。在手指的轻轻触动下，手指的扰动为水提供了大量的形核基底，使得杯中的过冷水可以在手指处迅速形核，并顺着手指的方向快速生长。
图1 均质形核（a）模拟结果[1]与异质形核（b）实物图
飞机在高空飞行时的结冰也是一种典型的异质形核和生长的过程。随着海拔的升高，温度不断降低，高空中的云层逐渐冷凝出大量的水分，形成过冷水。当飞机在空中飞行时，过冷水不断撞击到飞机表面，为水的异质形核提供了大量的形核基底，从而使得过冷水在飞机表面快速结冰。一旦飞机机翼、螺旋桨等关键部件结冰，其表面积累的冰层会严重破坏飞机表面的流线型，导致飞机升力系数的降低，如图2所示。此时若飞机表面的冰没有及时去除，冰层逐渐积累，最终会导致飞机因失去升力而发生坠机，造成严重的生命与财产损失。
图2 机翼结冰对流场分布的影响[2]
根据飞机表面积冰的形态与特点，可分为光冰、霜冰与混合冰三类。图3展示了三种冰型的外形特点。图3（a）为光冰，其主要形成于0℃至-10℃的中低空环境中。光冰表面没有气泡，结构更加致密、硬度较大，与飞机表面的结合力强，在结冰前缘易形成双角的形状，对飞机气动性能的影响十分严重；图3（b）为霜冰，多形成于-15℃至-20℃的环境中。相较于光冰，霜冰表面更加粗糙，但形态相对光冰更加规整，对于飞机形态影响较小。图3（c）为混合冰，形成于-10℃至-15℃的环境里，其同时具有光冰与霜冰的特点，表面较为粗糙，并且对于飞机形态影响较大。三种冰型中，光冰由于可以极大地改变飞机表面的流线型，降低飞机的升力系数，因此对于飞机的危害最大。
图3 三种冰型及其轮廓图：（a）光冰（b）霜冰（c）混合冰[3]
图4展示了不同海拔下存在的冰型以及各种冰型对飞机结冰的危害。在0℃至-20℃时（约7000m以下的中低空），空中的过冷水并未完全凝结，过冷水碰撞到飞机表面易形成光冰、霜冰与混合冰，冰与表面的结合力较大，从而导致飞机结冰风险较高。随着海拔的进一步提升，此时由于空中温度低于-20℃，大部分过冷水在撞击到飞机表面之前就已形成冰晶，高空中的过冷水含量较少，冰晶碰到飞机后会发生反弹，因此飞机结冰风险反而降低。当海拔升高到仅存在冰晶，不存在过冷水的-40℃高空时，此时飞机不会出现结冰问题。然而一旦冰晶飞到飞机的发动机舱等高温部件中，融化后的冰晶会高度粘附在叶片等重要部件表面，再次结冰后会更加直接地危害飞机的正常航行。因此实现飞机飞行时的防冰与除冰（简称为防除冰）意义十分重大。
图4 不同海拔下存在的冰型及其对飞机结冰的危害[4]
03
飞机防除冰技术
飞机的防除冰技术整体可分为三大类：主动防除冰、被动防除冰与主/被动复合防除冰，如图5所示。
图5 飞机防除冰技术
04
主动防除冰与被动防除冰手段
（1）主动防除冰
主动防除冰主要采用外界参与干涉的方法来实现防除冰，其又可分为热力防冰、液体防冰与机械除冰三类，如图6所示。其中热力防冰包含气热和电热两种方法，气热防冰主要通过管道将发动机的热气传输到机翼前缘等易于结冰的部位，以起到加热表面，预防结冰的效果，目前主要应用于大型飞机的机翼防冰系统中（图6（a））；而电热防冰则采用施加电加热片加热的方法，通过设置电加热片的工作时间，可以分别实现防冰（一直加热）与除冰（间歇式加热），既可用于大型飞机，又可用于直升机等中小型航空器。《钢铁侠》中Tony改良后的铠甲也正是采用电热技术来实现高空除冰。液体除冰则是在飞机起飞前采用一些冰点很低的防冻液（图6（b）），喷涂到结冰的机身表面，以起到快速融冰与除冰的作用。机械除冰主要采用气动带、电脉冲及等离子束等手段实现表面冰的破碎（图6（c））。
图6 主动式防除冰技术：（a）气热除冰；（b）防冻液防冰；（c）气动带除冰（来源：航空百科）
这三类方法虽然都可以从一定程度上起到飞机防除冰的效果，但又不可避免地具有能耗大、效率低、环境不友好等一系列问题，并且在恶劣的极端环境中，此类方法无法完全消除结冰的危害。尤其针对战斗机、气象机等体量较小的小型机型，此类需要外界能量辅助的主动式防除冰手段难以实现真正的应用。
（2）被动防除冰
受到荷叶“出淤泥而不染”特性的启发，人们想到了采用超疏水表面来实现被动式的防除冰。在超疏水表面上液滴呈现出接触角大于150°，滚动角小于10°的不浸润状态，滴落在表面的液滴在极小的倾角下即可滚落。要想实现类似荷叶的这种超疏水特性，表面需要同时具有丰富的微纳米结构和较低的表面能。
然而超疏水性并无法保证表面具有良好的防除冰性。通常而言，液滴在超疏水表面上往往存在两种截然相反状态：像荷叶一样的不沾水、低黏附状态（学术上称Cassie状态）和像玫瑰花瓣一样的高黏附状态（学术上称Wenzel状态），如图7所示。当液滴处于“荷叶状态”时，表面底部成百上千的微纳米结构之间包围形成大量的小气囊，液滴被底部的小气囊所支撑，与固体表面的接触面积很小，从而使得液滴在表面可以像在荷叶表面一样自由的滚落。在此状态下，超疏水表面具有不易结冰、少结冰和易除冰等正面的作用。
图7 超疏水表面特点及液滴在超疏水表面的两种状态[5]
但是，在温度降低、振动及压力等外界条件的影响下，超疏水表面的小气囊极易被破坏，使得气囊中的空气从微纳结构中被挤出，大量的液滴渗入到微纳米结构里，进而发生从荷叶表面低黏附态到玫瑰花表面高黏附态的转变。在此状态下，液滴深入到表面微纳结构内部，固液接触面积急剧增大，从而导致此时的超疏水表面具有快速结冰及因冰钉扎而导致难以除冰等负面作用。因此，要想实现超疏水表面有效的被动防除冰，液滴需要在超疏水表面上处于低黏附的Cassie态，而不是高黏附的Wenzel态。然而在以往的相关研究表明，随着温度的降低，超疏水表面的液滴会不可避免地从低黏附的Cassie态转变为高黏附的Wenzel态，并且即使在升温过程中，液滴由于系统能垒的限制，也无法自发地恢复到初始的低黏附Cassie态。这一问题也成为了超疏水表面难以用于被动防除冰的主要挑战之一。
目前诸多学者针对此问题开展了大量的研究。我们课题组近期的工作发现在特殊结构的超疏水表面上，可以实现融化时液滴自发地从高黏附的Wenzel状态转变为低黏附的Cassie态（如图8所示），并提出了三类表面设计准则用以指导超疏水防除冰表面设计。这一工作一定程度地促进了超疏水防除冰表面的设计与应用。但受到超疏水表面本身结构特点的局限，结构优化后的超疏水表面是否可以实现完全的被动防除冰，仍需进一步的研究和实验验证。
图8 超疏水表面上冰滴的融化过程[6]
（2）主动被动结合防除冰
纯主动和纯被动的防除冰技术在实际应用中均具有一定的局限性，因此主/被动复合防除冰技术应运而生。采用超疏水表面与电热、气热等主动式防除冰方法结合的方式，既可以显著地降低主动防除冰的能耗，同时又保证了超疏水表面在低温环境中的被动防除冰效果，因此该方法目前也被认为最具有应用前景的防除冰手段之一。
德累斯顿工业大学的研究者曾对该技术进行了大量的实验测试。图9展示了主/被动复合防除冰与主动防除冰的对比图。在速度65m/s，温度-10℃的风洞实验中，采用主/被动复合防除冰技术的超疏水表面上几乎没有残留的冰层，而采用单一主动防除冰的普通表面上则形成一层较厚的冰层。同时，在超疏水表面的作用下，飞机表面的除冰功率和除冰时间可以得到大幅度的改善。在54W的功率下，10s内超疏水表面即可除去表面所有的冰，而在普通表面上采用相同的功率除冰则至少需要40s。此外研究者还将所制备的超疏水表面直接用在客机A350飞机机翼上进行真实航行测试，图8（c）和（d）展示了超疏水表面安装的示意图与实物图。
虽然主/被动复合防除冰技术相对于单一的主动防除冰与被动防除冰，具有更大的应用前景，但目前相关的研究仍处于初步阶段，在实际应用中仍存在大量的问题。譬如哪种微纳结构的超疏水表面具有最优的复合防除冰性能？如何保证超疏水表面在恶劣环境中仍具有良好的耐久性？以及加热装置与超疏水表面如何安装与连接等。仍需进一步开展相关的研究工作。
图9 主/被动复合防除冰技术：（a）风洞实验中普通表面与超疏水表面对比图；（b）普通表面与超疏水表面除冰时间与能耗的相图；（c）和（d）超疏水表面连接到机翼表面的示意图和实物图[7]
05
总结与展望
飞机在实际飞行时所处的环境十分复杂。低温、高压等环境因素都为实现飞机表面有效的防除冰效果带来了极大的难度。传统的主动式防除冰技术虽然能较好地在飞机表面上起到防冰与除冰的作用，但同时也会带来能耗大、效率低、环境污染等危害。受荷叶超疏水特性的启发，新兴的超疏水被动防除冰技术为实现低能耗的有效防除冰提供了思路。但在低温等外界环境的干扰下，过冷水会不可避免地渗入到超疏水表面的微纳结构中，形成高黏附的钉扎状态，进而导致超疏水表面防除冰性能的失效。为此，兼具主动防除冰与被动防除冰特性的主/被动复合防除冰技术则具有更大的应用前景。然而其在实际应用中仍然存在大量的科学与工程问题，这些问题也使得该技术距离真正的实际应用仍存在一定的距离。
此外，主/被动复合防除冰表面仍然需要外界能量的输入。要想实现完全的“零能耗”防除冰，则仍需从新型防除冰表面的研发与设计着手。结合实际航空中的恶劣环境，新型防除冰表面的研发重点可归为以下三个方向：
（1）设计与优化超疏水表面微纳结构，降低冰钉扎。影响超疏水表面防除冰应用的两个关键的因素是表面的疏水性和表面抵抗冰在微纳结构中钉扎的能力，然而表面的疏水性与抗钉扎能力在一定程度上处于是相互矛盾的。通过设计与优化表面的微纳结构，实现两者的平衡，对于促进超疏水表面被动防除冰应用具有重大意义；
（2）研制具有高度耐久性的超滑防除冰表面。实现表面超滑不需要表面具有丰富的微纳米结构，从而直接避免了超疏水表面微纳米结构所带来的冰钉扎影响。然而超滑表面在防除冰应用中所呈现出的低寿命和低耐久性一直以来被人诟病，因此研制并实现高耐久的超滑表面是实现被动防除冰应用的一个重要方向；
（3）将环境中固有的外场与超疏水特性进行复合，设计智能超疏水表面。将飞机飞行时环境中固有的光能、风能等能源转变为超疏水表面自身的热能，从而实现低温下良好的被动防冰与除冰效果。
作者简介
王立众，清华大学材料学院 2020级博士研究生，主要研究方向为超疏水抗结冰表面设计与应用。
参考文献
[1] M. Matsumoto, S. Saito, and I. Ohmine, Nature 416, 409 (2002).
[2] Khadak A , Subeshan B , Asmatulu R . Studies on de-icing and anti-icing of carbon fiber-reinforced composites for aircraft surfaces using commercial multifunctional permanent superhydrophobic coatings[J]. Journal of Materials Science, 2021, 56(4):3078-3094.
[3] NASA Icing Branch, Aerodynamics of Icing - Performance Effects, In-Flight Icing, 2016.
[4] B. of M. Australian Government, Aircraft Icing, 2010. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.35.101101.161217.
[5] Latthe S S , Sutar R S , Bhosale A K , et al. Recent developments in air-trapped superhydrophobic and liquid-infused slippery surfaces for anti-icing application[J]. Progress in Organic Coatings, 2019, 137:105373.
[6] Wang, L., Tian, Z., Jiang, G. et al. Spontaneous dewetting transitions of droplets during icing & melting cycle. Nat Commun 13, 378 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28036-x.
[7] Vercillo V . Durable Laser Patterned Metal Surfaces with Enhanced Icephobic Properties for Aerospace Applications. 2020.
文稿 | 王立众
编辑 | 张开元
审核 | 陈星安 李波 蔡世杰