2013-05-28 | 编辑：文\先进制造部 

最近，数学与先进制造学部何煦、何元珍、李晓冬和于丹等人在防覆冰涂层冰风洞实验设计方面取得进展。

如何提高飞行器的防覆冰能力一直是航空界所关注的重要问题。防覆冰涂料具有简单有效、减重、价格低廉等特点，是飞行器防覆冰的关键技术之一。国家纳米科学中心相关学者提出在飞行器复合材料表面涂覆一层含有烷烃小分子的高分子涂层，利用小分子和纳米技术相结合的方法进行防冰。该涂层的特点是：涂层中的烷烃在冰点附近发生相变并迁移到高分子涂层表面；由于烷烃薄膜与覆冰之间的低附着力，覆冰在自重、自然界风力、飞行振动等条件下很容易从高分子表面脱落，从而达到防覆冰的目的。烷烃分子在高分子中的迁移是可逆的，即在温度高于其熔点时烷烃小分子重新渗透到高分子本体之中，从而能够减少烷烃的损耗并延长防覆冰涂层的寿命。另外，向高分子涂层中加入纳米颗粒，在补强高分子涂层的同时能够缓释烷烃小分子，以便进一步延长防覆冰涂层的寿命。

本项研究已经取得了一些前期进展，包括在实验室中利用离心及拉伸仪器对于不同种类和含量的小分子涂层与冰之间的附着力进行测量和比较，在中国空气动力学研究与发展中心小型结冰风洞中模拟飞行器实际飞行环境对涂层的覆冰量进行考察等。前期冰风洞试验已经确认了一种小分子配方（记为B1）与纯铝（记为B0）相比可以降低覆冰量30％以上。进一步的研究旨在更加明确气象条件，飞机振动以及纳米粒子的添加对于涂层防覆冰效果以及寿命的影响。

冰风洞试验与实验室静态试验相比，可以更为真实地反映涂层的防覆冰能力并直接考察涂层的防覆冰效果。但是，冰风洞试验中影响因子众多，单次冰风洞试验又价格昂贵（约1万元/次），所以必须对于冰风洞试验进行科学的实验设计，以期以尽量少的时间和成本对于研究目标进行综合和有效地考察。

为了在可行的范围内尽量节省成本，冰风洞涂层样件上可以安排两个实验位置（如图1所示），因此单次实验，可以对两个目标的覆冰量进行比较。由于对于小分子种类和含量仍在通过实验室离心实验进行探索，冰风洞实验中还会考察另一种小分子配方（记为B2）。由上面的讨论可知，在小分子析出并除冰的过程中，部分小分子可能随着冰脱落，从而造成涂层的防覆冰能力降低。为了考查这一因素对于涂层寿命的影响，本次冰风洞实验拟采取重复试验，即在首次试验除冰后对于用过的涂层进行重复使用。除此之外，本次风洞试验还将考察冰风洞温度、风速这两个环境因子、是否振动以及是否加入纳米粒子对于涂层防覆冰效果和寿命的影响。具体因素及其水平如下：

 材料种类（F1）：B0, B1, B2

 纳米粒子添加与否（F2）：是（＋），否（－）

 温度（F3）：高温（＋，零下7度左右），低温（－， 零下11度左右）

 风速（F4）：30m/s（＋），20m/s（－）

 振动与否（F5）：是（＋），否（－）

 顺序（F6）：第一次实验（－），第二次实验（＋）。

如此多的因子，完全实验需要96次试验，即使考虑到单次试验可以安排两种不同配方，也至少需要48次试验，这仍然不在研究成本范围内。另外，本项研究的实验设计还存在几个难点。第一，本次冰风洞试验由于加入了纳米粒子这一因子，使得材料选择与是否加入纳米粒子之间存在嵌套关系。由于纯铝中不需要添加纳米粒子，因此，纳米粒子添加与否只对B1和B2适用。第二，前期试验已经对于B0B1-（B0代表纯铝，因此涉及是否加入纳米粒子；B1-代表B1材料不加入纳米粒子）这种组合在不同环境条件下不加振动进行了首次和重复试验。但是本次冰风洞试验加入了纳米粒子以及振动这两个之前试验没有考查的因子。如何充分利用前期试验设计及其结果并巧妙地把前期试验安排进本次的实验设计是一个待研究的问题。第三，由于冰风洞实验样件上可以安排两个考查对象，因此单次试验可以视为一个区组。在两个位置中，可供选择的有B0，B1-，B1+，B2-，B2+，因此存在不完全区组设计的问题。

何煦从F1至F5的完全因析设计出发，总结出在8种不同环境因子和振动条件组合下，待考察的材料组合为B0两次，B1-，B1+，B2-，B2+各一次。接下来，根据前期试验的嵌入情况以及关于纳米粒子效应和不同小分子种类效应的直接对比,区组安排可以得以确定。再根据均衡准则以及前期试验的嵌入情况，把不同样件分配给第一次或第二次实验，具体实验方案如下：

上述实验设计方案满足高度的正交性，为主效应以及感兴趣的交互效应的估计提供了方便。而且，可以证明上述设计方案在随机区组效应存在时也兼有一定的平衡优良性，从而为后续的分析打下了基础。目前，正在准备按照此实验方案进行实际冰风洞试验。