一、引言
当前多旋翼无人机在电力巡检中的应用越来越普遍及重要，冬季山区输电线路覆冰情况巡检更加离不开无人机的参与，而低温凝冻气象条件不仅会使输电线路快速覆冰引起的导线舞动、倒塔断线等生产事故，严重影响电网的正常运行，因此更需要无人机进行覆冰情况快速巡查，以便采取相应的除冰措施，确保电网安全运行。而凝冻气象条件不仅会使输电线路快速覆冰，也极易在无人机空中飞行过程中使无人机多部位发生空中结冰，从而影响无人机飞行状态，引发飞行事故或设备故障无法完成巡查任务，只能投入极大的人力物力进行人工巡查以确保输电线路的运行安全，低效费时、人员劳动强度极大。因此，针对无人机空中结冰的成因与特点，研究不同的空中结冰防范清除手段，确保无人机冬季凝冻气象条件下正常作业，对凝冻多发地区输电线路覆冰快速巡查与清除有重要的意义。
二、无人机空中结冰的成因及特点
暖空气比冷空气密度低，因此当暖锋迫近时，低于冰点的冷空气会被困于最底层的区域，空气在它的上方流动。而在暖锋的上方的高空，还是冷空气的天下，于是在这片区域就产生了冷空气-暖空气-冷空气的垂直温度分层。如果没有暖气流的影响，高空寒冷云层中的冰晶会在飘落的过程中，形成雪花；若是在高层的大气中遭遇到暖湿气流，冰晶会融化变成雨滴，当雨滴继续下落，它又会在下方寒冷空气中重新凝结起来形成冰粒，与那些还没来得及凝结的雨水一起落到地面，形成雨夹雪；如果暖空气下方的冷空气层比较弱或比较薄，雨滴的温度已经降到了零下，但还没来得及凝结就落到了地面，形成冻雨；而如果顶层冷空气湿度较低，无法形成降水或降雪，而低层冷空气湿度较大又受限于上层暖空气无法上升形成降水，大量过冷或低温水汽形成雾滴，遇到物体（低温物体）凝结成核就形成了凝冻，凝冻气象一般伴随有雾，空气湿度较大。（图2-1）
图2-1
由于凝冻气象可由过冷雾滴遇核凝结，也可由低温雾滴遇过冷（低于零度）物体快速凝结，因此，无人机在凝冻气象条件下飞行便给雾滴凝结提供了机会，在极短的条件下就会在机身各部形成空中结冰，带来飞行安全和任务作业带来极大的安全影响。多旋翼无人机空中结冰一般有以下特点：
1、螺旋桨的空中结冰：由于螺旋浆高速旋转的特性，飞行中桨叶因空气流动而降温低于零度，因此，不论是过冷雾滴还是低温雾滴均易在桨叶上形成凝结成冰，跟据桨叶由根到尖离心力的不同，螺旋桨结冰易于在桨根堆积，而桨尖结冰则会因离心力脱离桨叶。螺旋桨结冰会降低桨叶效率；改变桨叶重心，增大机体振动；从桨尖脱离的冰块也会撞击无人机自身；从而使无人机升力下降、飞控丧失控制引发飞行事故，是多旋翼无人机空中结冰首要危害。（图2-2）
图2-2
2、机身部件的空中结冰：由于机身不同结构件导热能力不同，金属件在飞行中极易因空气散热而低于零度；受螺旋桨下洗流影响，处于螺旋桨下洗流中的机体部件也将处于低温状态，大量过冷雾滴或低温雾滴将在这些区域凝结成冰，并形成积冰，增大无人机自重，影响无人机飞行品质。但由于无人机飞控等关键设备在使用中自身发热不易结冰，且多旋翼无人机一次飞行时长也较短，一般不到30分钟，因此，机身结冰总体并不会严重危及飞行安全。
3、航拍任务设备空中结冰：多旋翼无人机巡检常用航拍设备，如光学、红外相机云台等，含有大量金属构件，极易在飞行中降温导致结冰失能；而镜头等光学器件的结冰积冰也将使得航拍图像模糊无法使用。因此，航拍任务设备空中结冰是仅次于螺旋桨结冰的重要危害。（图2-3）
图2-3
三、无人机空中结冰的防范原理与特点
通过对无人机空中结冰成因与特点的研究与分析，无人机空中结冰主要产生于低温和雾滴凝结堆积，因此无人机空中结冰防范可有两种机制，一种是提高易结冰部件温度，使雾滴失去低温条件而免于凝结；另一种是采用超疏水涂层，降低雾滴冰点和附着力，免于凝结或凝结后的堆积，从而实现防止空中结冰的目的。
采用升温法防范无人机空中结冰，对于机身及机内设备较为有效，机身结构有利于升温装置的放置与安装，不仅可布置用于直接升温的聚酰亚胺、石墨稀柔性加热膜，还可以布置风暧加热系统，实现局部或整体加热防冰除冰，但也因此带来额外的耗电和增重，结构变化也不利于轻微型无人机改造使用；同时升温法对于螺旋桨结冰的处理极为复杂，不仅需要增加大量设备，高速旋转的螺旋桨也不利于升温防除冰；因此多旋翼无人机除舱内设备外，一般不采用升温法进行抗低温防除冰。
采用涂层法防范无人机空中结冰，利用特种涂料的物理化学作用，降低冰点或减小冰与基材表面的亲和力，使基材不易覆冰或积冰。目前主流的防覆冰涂层一般有两种：1、从涂层中挥发出超低冰点的有机小分子降低界面的冰点，该涂层主要用于降低水雾冰点，使水雾在低于零度一定范围内无法凝结成冰，从而实现防冰除冰的目的，涂层具有一定消耗性，使用一定时间后需重新喷涂。2、利用涂层的低表面能减小与冰的亲和力。低表面能疏水涂层具有防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀、自清洁以及防止电流传导等重要特点，当前主流的超疏水涂层，是一种具有特殊表面性质的新型涂层，该固体涂膜的水接触角大于150°且水接触角滞后小于5°，由于水雾在涂层上形成极易滑落的近球形，因此无论此时是过冷水雾还是低温水雾，均难以在涂层上稳定积附，从而实现较好的防除冰能力。
由于涂层法重量轻，无需设备改造，防除冰较果与无人机自身设备及能源无任何联系，因此对重量极为敏感的轻微型无人机防范空中结冰有极高的应用价值，特别是螺旋桨防冰，通过浸润涂层后其高速旋转特性极利于其空中结冰的防范与清除。
四、无人机空中结冰防范的应用与限制
由于电力巡检无人机任务种类多样，而冬季输电线路覆冰巡检多需快速及时，因此无人机空中结冰的防范需针对无人机自身条件及防除冰方式的特点结合应用，充分发挥防除冰方式的特色，才能更好的实现高效安全的冬季凝冰气象条件下的输电线路巡检工作。针对舱内或外置固定设备，升温法不仅可有效防止设备空中结冰，还能提高设备抗低温能力，对于一些有较高使用温度要求的装置设备，采用升温法有一举两得的便利；而对于轻微型无人机螺旋桨及机身等部件，采用环氧树脂为基材的超疏水涂层，不仅防除冰效果明显，使用时效也较长，具有极高的应用价值；而针对镜头等玻璃光学设备，低冰点防水雾涂层在防止表面结冰的同时还能保证相应的光学条件，防止结冰水雾引起的照片模糊等导致任务失败。针对不同类型的无人机及任务设备，应在多方试验及测试的前提下，选择不同的防冰方式，以免防冰方式对正常飞行或高温天气下的飞行产生不良影响，采用涂层法时还需注意涂层工艺对无人机表面光洁度、重心等的影响，特别是螺旋桨涂层，更需严格注意动平衡的变化。
五、结论
电力巡检无人机空中结冰防范是冬季凝冻气象条件下输电线路快速巡检的重要支撑。通过对凝冻气象条件下无人机空中结冰的成因的研究，结合升温法与涂层法不同的应用，结合电力巡检无人机自身条件，选择合适的空中结冰防范方式，可快速便捷的提高巡检无人机冬季凝冻气象条件下的飞行安全及作业能力，保障输电线路覆冰及相关巡检的效率和效果，是冬季电网安全运行的重要助力。