飛機除冰防冰液技術(shù)綜述

1飛機防冰/防冰液事件飛機在通航的同時，冬天停留在機場外，外部可以經(jīng)歷冰、雪、霜等。這會使飛機的外觀粗糙，增加阻力和升力。嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致飛機飼養(yǎng)狀態(tài)的控制，這對飛機安全構(gòu)成威脅，并且容易導(dǎo)致飛機事故。例如,1982年1月13日,一架波音737客機在華盛頓機場在雪中等待起飛50min,由于機體除冰不徹底,飛機失事,機上79人中74人死亡,地上4人死亡。類似的事故也發(fā)生在丹佛(1987年11月15日,DC-9客機,死亡28人)、克利夫蘭(1991年2月17日,DC-9客機,死亡2人)、紐約(1992年3月22日,F28-400客機,死亡27人)……。飛機除冰/防冰液主要用于寒冷氣候下,清除和防止停泊的飛機表面凝結(jié)的冰、雪、霜等沉積物,以保證飛機在冬季能夠安全起降;此外,氣熱、電熱等技術(shù)也大量用于飛機的防冰與除冰。本文主要介紹了飛機除冰/防冰液的四種類型及主要技術(shù)要求,包括材料組成與理化性能、穩(wěn)定性、使用性能、對飛機材料及機場跑道材料的影響、對生態(tài)環(huán)境的影響等,并簡述了飛機液體防冰技術(shù)、機械除冰技術(shù)和熱力防冰技術(shù)等幾大類除冰技術(shù)的發(fā)展情況。2增稠劑在防冰裝置中的應(yīng)用目前,國際航空普遍采用的飛機除冰/防冰液是以乙二醇、丙二醇等多元醇等為主要原料,這些醇可使冰點下降攝氏幾十度,起到溶解冰雪和防止結(jié)冰的效果,而除冰/防冰液中還有表面活性劑、緩蝕劑等成分,以滿足提高飛機表面疏水性、增稠、提高除冰效率、抑制金屬腐蝕等要求。目前,歐、美、日等國使用的除冰/防冰液主要有四種類型:Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。Ⅰ型為液態(tài)牛頓流體,冰點較低,除冰能力較強,但其防冰時間較短;而含有增稠劑的Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型為非牛頓流體,粘度較高、防冰保持時間較長。美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)AMS1424J《Deicing/Anti-icingfluid,Aircraft,SAETypeI》和ISO11075—2007《AircraftDeicing/antiicingfluids-ISOtypeⅠ》規(guī)定了Ⅰ型的技術(shù)要求,AMS1428F《Fluid,AircraftDeicing/Anti-icing,Nonnewtonian(Pseudoplastic),SAETypeⅡ、Ⅲ,andIV》和ISO11078—2007《AircraftDeicing/anti-icingfluids-ISOtypesⅡ,ⅢandⅣ》規(guī)定了Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型的技術(shù)要求。加拿大交通運輸部的《飛機地面結(jié)冰操作指南》以及歐洲航空聯(lián)合會推薦的飛機地面除冰防冰程序表明,使用具有更長防冰時間、含有增稠劑的飛機除冰/防冰液對飛行員和航空公司更為安全有利。目前,歐洲、日本和北美均已廣泛采用增稠型飛機除冰防冰液進行除冰防冰。中國民用航空總局第二研究所先后研制出了Ⅰ型和Ⅱ型的除冰/防冰液,并主持編制了Ⅰ型的民航標(biāo)準(zhǔn)MH6001—2000《飛機除冰/防冰液(ISOⅠ型)》,但國內(nèi)民航現(xiàn)在使用的除冰/防冰液仍以I型為主。2.1基本性能對比飛機除冰/防冰液組成與理化性能主要包括組成、外觀、閃點、密度、pH、折射率、表面張力、粘度、流變性等基本性能,Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型的性能要求差異主要體現(xiàn)在外觀、顏色、粘度和流變性。以下分別介紹各項性能要求及其檢測方法。(1)加劑后制備的防冰液應(yīng)含有冰點降低劑成分,其他組分由生產(chǎn)商自行決定。但加入其他添加劑后制成的除冰/防冰液應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如用乙二醇作為冰點降低劑,則應(yīng)加入一種添加劑,這樣當(dāng)乙二醇水溶液與不活潑金屬電極在直流電下發(fā)生作用時,這種添加劑可將導(dǎo)致火災(zāi)的可能性降到最低。(2)液體液體目視檢測。應(yīng)是完全均一的、澄清的液體,無肉眼可見的雜質(zhì)存在。Ⅰ型(如有顏色)應(yīng)為橙色,Ⅱ為水白色或淺草黃色,Ⅲ型為亮黃色,Ⅳ型為綠色。(3)點0按照ASTMD93或ASTMD3278方法檢測,(閉口)閃點應(yīng)不低于100℃。(4)東南角內(nèi)防冰液標(biāo)準(zhǔn)值的確定按照ASTMD891方法檢測,比重應(yīng)在標(biāo)稱值的±0.015以內(nèi)(標(biāo)稱值是指符合標(biāo)準(zhǔn)的除冰/防冰液在符合性試驗中所測得的值)。按照ASTME70方法檢測,pH應(yīng)在標(biāo)稱值的±0.5以內(nèi)。(6)折射按照ASTMD1747方法檢測,20℃時的折射率應(yīng)在標(biāo)稱值的±0.0015以內(nèi)。(7)表面張力的測定按照ASTMASTMD1331方法檢測,表面張力應(yīng)在標(biāo)稱值的±10%以內(nèi)。(MH6001-2000規(guī)定:20℃時的表面張力不應(yīng)大于40×10-3N/m)(8)粘度的測定按照ASTMD445方法檢測,在20℃、0℃、-10℃和-20℃下,粘度應(yīng)在標(biāo)稱值的±5%以內(nèi)(MH6001-2000規(guī)定:粘度應(yīng)在標(biāo)稱值的±10%以內(nèi))。(9)流變性僅為按照AMS1428F中3.2.3條方法檢測,粘稠液體屬于非牛頓、假塑性流體,在充分的剪切應(yīng)力誘導(dǎo)下確保膜層能流動。2.2穩(wěn)定的性飛機除冰/防冰液對穩(wěn)定性能要求較高,儲存穩(wěn)定性、低溫存貯穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性主要考察產(chǎn)品在高、低溫等環(huán)境下長期儲存是否產(chǎn)生變化,硬水穩(wěn)定性則考察用自來水稀釋時的影響,剪切穩(wěn)定性考察液體從除冰車加熱后噴射出來的過程是否影響其防冰效果,泡沫穩(wěn)定性則考察除冰/防冰液形成的泡沫是否能在飛機表面存在一定時間,使其有利于延長除冰/防冰的時間。(1)不同ph值的液體Ⅰ型:經(jīng)ASTMF1105加速儲存后,與存儲前測試值相比,液體粘度值差值在10%與-20%以內(nèi);pH的差值應(yīng)在±0.5以內(nèi);一部分液體用ASTMD1193的IV型水以1∶1體積比稀釋,不出現(xiàn)分層、沉淀或不溶物。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:經(jīng)ASTMF1105加速儲存,但試樣不經(jīng)UV光照射,試樣粘度值與存儲前測試值一致。且加速試驗前后的粘度值均在產(chǎn)品規(guī)定的合格范圍內(nèi)。(2)根據(jù)未失效單位的不同管道設(shè)計的液體實際有效存儲液02、10Ⅰ型:原液經(jīng)(80±2)℃的30天儲存,無分層、沉淀或不溶物;再經(jīng)(20±2)℃上下翻轉(zhuǎn),無分層、沉淀或不溶物;測試液體折射率如超過室溫儲存的0.0020,則為失效;如未失效,則用ASTMD1193的IV型水以1∶1體積比稀釋,試驗前后pH差值應(yīng)不超過1.0單位。(如本身為稀釋液則無需稀釋)Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:經(jīng)(70±2)℃的30天儲存,無分層、沉淀或不溶物;再經(jīng)(20±2)℃上下翻轉(zhuǎn),無分層、沉淀或不溶物;測試液體折射率如超過室溫儲存的0.0020,則為失效;如未失效,則測試(0±2)℃時的粘度和pH;經(jīng)加溫的試樣粘度不能小于室溫儲存試樣的20%,也不能高于10%;pH差值應(yīng)不超過1.0單位。(3)分層沉淀或不溶物功能測試Ⅰ型:原液用1∶1體積比硬水稀釋,測試折射率和pH;然后將該溶液經(jīng)(95±2)℃的30天儲存,無分層、沉淀或不溶物;再經(jīng)(20±2)℃上下翻轉(zhuǎn),無分層、沉淀或不溶物;測試折射率如超過未加熱時的0.0020,pH超過0.5單位,則為失效。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:用1∶1體積比硬水稀釋,測試折射率;然后將該溶液經(jīng)(95±2)℃的30天儲存,無分層、沉淀或不溶物;再經(jīng)(20±2)℃上下翻轉(zhuǎn),無分層、沉淀或不溶物;測試折射率如超過未加熱時的0.0020,則為失效。(4)防冰性能試驗Ⅰ型:按AMS1424J中3.3.4.1條進行剪切試驗后的2h內(nèi),(但不應(yīng)是剪切試驗后的最初20min),防冰液能通過防冰性能試驗。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:按AMS1428F中3.2.2.7.1條進行剪切試驗后的2h內(nèi),(但不應(yīng)是剪切試驗后的最初20min),防冰液能通過防冰性能試驗。(5)低溫試板上泡沫的覆蓋Ⅰ型:按AMS1424J中3.3.5試驗,測試經(jīng)加熱并劇烈攪拌產(chǎn)生泡沫的防冰液,在低溫試板上泡沫的覆蓋情況。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:用戶在選擇產(chǎn)品時,制造尚應(yīng)說明在防冰液加熱到使用溫度,通過專用的除冰設(shè)備以正常的壓力和流速噴施到飛機平或曲的表面,如機翼或水平穩(wěn)定器表面,不會造成泡沫的快速消失,且防冰液表面沒有出現(xiàn)冰雪。(6)防冰液循環(huán)試驗按AMS1428F中3.2.2.10對防冰液進行-20℃/24h~20℃/24h循環(huán)試驗,持續(xù)10天;對比試驗前后防冰液的pH、折射率、粘度。2.3除冰/防冰液冰面區(qū)域飛機除冰/防冰液的使用性能主要包括冰點、防冰能力和對飛機空氣動力學(xué)的影響。除冰/防冰液冰點應(yīng)較低,在寒冷氣候使用時不結(jié)冰;四種類型的除冰/防冰液防冰能力不同,ⅣV型防冰時間最長,Ⅱ型和Ⅲ型次之,Ⅰ型時間最短;除冰/防冰液在飛機表面使用,不能造成表面粗糙,影響飛機的空氣動力學(xué)性能。(1)點時,把未固結(jié)巖中的巖液比水采用11222222232310510105.Ⅰ型:按ASTMD1177測試,冰點應(yīng)在標(biāo)稱值的±3℃以內(nèi)。如果供應(yīng)商提供產(chǎn)品為濃縮液,測定冰點時,將原液與ASTMD1193的Ⅳ型水以1∶1體積比稀釋測定,冰點應(yīng)在標(biāo)稱值的±3℃以內(nèi)(MH6001—2000中規(guī)定冰點應(yīng)不高于-20℃)。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型:按ASTMD1177測試,原液冰點應(yīng)不高于-32℃,將原液與ASTMD1193的Ⅳ型水以1∶1體積比稀釋,冰點應(yīng)不高于-10℃(2)防冰液與水的配比對防冰效果的影響Ⅰ型:將防冰液與人造硬水分別以體積比1∶1和3∶1、比例配制,按AS5901進行水噴霧試驗(WSET),至少3min不結(jié)冰;進行高濕度試驗(WSET),至少20min不結(jié)冰。Ⅱ型:將防冰液與水分別以體積比1∶0、3∶1、1∶1比例配制,按AS5901進行水噴霧試驗(WSET)防冰時間分別不低于30min、20min、5min,高濕度試驗(WSET)防冰時間不低于4h、2h、0.5h。Ⅲ型:將防冰液原液按AS5901進行水噴霧試驗(WSET)防冰時間分別不低于20min;高濕度試驗(WSET)防冰時間不低于2h。Ⅳ型:將防冰液與水分別以體積比1∶0、3∶1、1∶1比例配制,按AS5901進行水噴霧試驗(WSET)防冰時間分別不低于80min、20min、5min,高濕度試驗(WSET)防冰時間不低于8h、2h、0.5h。(3)力學(xué)影響因素防冰液按AS5900進行高速滑行或低速滑行的實驗以測試對空氣動力學(xué)影響。高速滑行試驗用于大型噴氣運輸機的空氣動力學(xué),低速滑行試驗用于低速起飛的螺旋槳通勤飛機的空氣動力學(xué),防冰液對大型噴氣運輸機和螺旋槳通勤飛機的空氣動力學(xué)影響應(yīng)滿足AS5900的要求。2.4非金屬材料接觸飛機除冰/防冰液在使用過程中,既與飛機上鋁合金、鎂合金、高強度鋼、鈦合金等金屬材料接觸,也直接接觸與防護涂層及座艙有機玻璃等非金屬材料接觸,同時也會接觸機場跑道的混凝土材料,以下各項目全方位考察判定除冰/防冰液是否導(dǎo)致飛機金屬材料產(chǎn)生腐蝕、氫脆,是否導(dǎo)致飛機上涂層、座艙玻璃以及機場跑道混凝土等非金屬材料失效。(1)內(nèi)部侵蝕按ASTMF1110進行試驗,除冰/防冰液對任一鋁合金試樣的腐蝕不應(yīng)超過蒸餾水對照試樣。(2)積的失重值按ASTMF483進行試驗,除冰/防冰液不應(yīng)使試樣產(chǎn)生明顯腐蝕痕跡,試樣單位面積的失重值(mg/cm2·24h):2024鋁合金、2024包鋁合金、7075包鋁合金均應(yīng)不大于0.3,AMS4376鎂合金(按AMS2475重鉻酸處理)應(yīng)不大于0.2,AMS4911鈦合金應(yīng)不大于0.1,AMS5045碳鋼應(yīng)不大于0.8。(3)去除鎘腐蝕按ASTMF1111進行試驗,除冰/防冰液使低脆性鍍鎘試樣的質(zhì)量變化應(yīng)不大于0.3mg/cm2·24h。(4)應(yīng)力腐蝕按ASTMF945中方法A進行試驗,除冰/防冰液不應(yīng)使鈦合金試樣出現(xiàn)裂紋。(5)氫脆按ASTMF519進行試驗,使用1a,1c或2a型低脆性鍍鎘試樣,按要求載荷加載后浸入除冰/防冰液,150h不失效。(6)聚丙烯酸酯塑料對聚丙烯酸酯塑料影響:除冰/防冰液加熱到(65±2)℃,按ASTMF484試驗不應(yīng)使MIL-PRF-25690規(guī)定的聚丙烯酸酯塑料產(chǎn)生裂紋、污點或變色。對聚碳酸酯塑料的影響:除冰/防冰液加熱到(65±2)℃,按ASTMF484試驗,加載了外部應(yīng)力13.8MPa(2000psi)持續(xù)30min的AMS-P-83310聚碳酸酯塑料試樣,不應(yīng)產(chǎn)生裂紋、污點或變色。(7)的除冰/防冰液對322的除冰/防冰液對涂層的影響按ASTMF502試驗,將加熱到(65±2)℃的除冰/防冰液用于(22±2)℃的涂漆表面時,不應(yīng)使涂層產(chǎn)生任何條紋、脫色或起泡現(xiàn)象,且不應(yīng)使涂層鉛筆硬度值下降超過兩個單位。(8)影響非涂層表面按ASTMF485試驗,除冰/防冰液不應(yīng)使試樣產(chǎn)生需拋光才能去除的條紋、斑點或殘留物。(9)機場跑道材料的抗?jié)B透性除冰/防冰液與自來水按1∶3配制,按ASTMC672試驗并判斷除冰/防冰液與機場跑道混凝土材料的相容性。2.5直接排放社會,影響機場生態(tài)環(huán)境飛機除冰/防冰液含大量有機物,在使用過程中直接排放到機場地面,對機場周邊的生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生不良影響。制造商應(yīng)提供該產(chǎn)品在毒性和對生態(tài)環(huán)境方面的說明書,包含以下的各項內(nèi)容。(1)毒性使用者應(yīng)確保除冰/防冰液符合國家和地方有關(guān)部門對產(chǎn)品毒性的要求。使用者應(yīng)要求生產(chǎn)商提供產(chǎn)品毒性符合國家和地方有關(guān)部門要求的資料。(2)生物耗氧量bod按APHA“水及廢水的檢測標(biāo)準(zhǔn)方法”,分別測試除冰/防冰液在5℃和20℃時從5天到28天的BOD。(3)總消耗氧tod和總化學(xué)消耗氧cod按APHA“水及廢水的檢測標(biāo)準(zhǔn)方法”,測試除冰/防冰液的TOD和COD,按千克液體的需氧千克數(shù)計。(4)生物降解性按APHA“水及廢水的檢測標(biāo)準(zhǔn)方法”,由BOD和COD的比率可