北约科技组织课题组“先进交通工具技术应用-299”（RTG AVT-299）研究活动的目标在于：

1）评估当前与新兴的结冰探测与防护技术，以应用于在寒冷潮湿环境中运行的军用飞机与舰船；以及

2）制定结冰防护方案的技术验证策略，通过实验测试、计算建模与仿真相结合的方式予以实现。

本报告呈现了由AVT-299技术团队成员在课题组导师Bjørnar Pettersen教授（挪威）指导下，于2017年1月至2020年12月期间所进行的研究。Ali Benmeddour博士（加拿大）和Ki-Han Kim博士（美国）担任AVT-299的共同主席。然而，由于2020年春季开始的新冠疫情，研究进展与最终报告的完成均有所延迟。本报告包含四个章节：

1）结冰探测技术；
2）结冰防护系统；
3）计算建模与仿真方法；以及
4）实验结冰设施。

在第1章中，评估了现有各种结冰探测方法与技术的成熟度。尽管相关研发活跃，但目前仅有少数技术能够可靠且准确地测量大气结冰条件及裸露结构的积冰情况，并已实现商业化。为在全天候环境下安全高效运行，海上与空中交通工具必须配备能够探测并分辨各种环境条件的新型传感器技术。无论是为满足当前还是未来飞机与船舶安全运行的需求，进一步开发用于直接结冰探测的技术都极为必要。此外，安全运行还需要快速、准确、可靠的天气预报，包括结冰条件的临近预报。当前，可供飞机和/或船舶操作员（其科学背景知识通常有限）使用的商业化技术与设备仍很缺乏，因此有必要开展更多研发工作。明确了两个需要改进技术的领域：

a）结构表面结冰的探测与厚度测量；以及
b）大气结冰条件的探测，以实现可靠、稳健的预测与临近预报。

在第2章，回顾了结冰防护技术与系统的现状，并重点指出了其优势与不足。目前，飞机和舰船上仅应用主动式结冰防护系统。其中部分系统（如气动除冰套、机电系统、热力系统和化学系统）性能可靠且应用广泛。压电与微波等创新的主动式结冰防护技术则需要提高效率、减轻重量并降低功耗，这对于无人机尤其重要，因为大多数无人机没有足够的可用功率来有效应对结冰问题。对轻量化、高能效及环保解决方案日益增长的需求，推动了对憎冰涂层等被动技术的兴趣。目前，尚无商用憎冰涂层能满足航空与海事行业的需求，尤其是在耐久性及对各种飞机和船舶材料（如铝、碳纤维与玻璃纤维增强聚合物、金属复合材料层压板）的附着力方面。学术界、工业界及政府实验室正在进行积极研发，以推动这些被动技术与系统走向成熟，实现实际应用。对于在极端严重结冰环境中运行的飞机，则需要结合主动与被动技术的混合系统，以减少主动系统运行所需的能量。

在第3章，回顾了结冰防护系统建模与仿真的现状。过去三十年，在主动式结冰防护系统（机械与热力式）的仿真模型与数值工具开发方面已取得显著进展。基于计算流体动力学（针对流体介质）和有限元方法（针对固体介质，如冰层裂纹扩展、基体变形）的商业现货结冰仿真工具，在航空工业中越来越多地用于结冰防护系统的设计、校准与优化。这些工具基于众所周知的、相对成熟的数值方法，其中模型主要基于宏观连续介质描述。被动式结冰防护系统（如憎冰涂层）的建模与仿真研究近期才兴起，主要基于分子动力学理论在微观尺度上进行。尽管这些方法为新型憎冰表面的设计带来了有希望的结果，但由于计算量巨大，且局限于极小的空间与时间尺度，目前主要用于在简化的学术构型中研究涂层或纹理表面的性能与行为。混合式主动与被动结冰防护系统的建模与仿真，由于涉及复杂的多尺度物理问题，带来了新的挑战。多尺度桥接与机器学习等新兴方法展现了巨大的潜力，带来了新的机遇。然而，仍需在该领域进行更多研究，以充分实现这些有前景的新兴数字技术的潜力。

在第4章，回顾了：a）结冰测试设施的基本功能，包括结冰风洞与飞行测试设施及其能力；以及b）针对结冰防护系统与飞机开发的结冰合格审定流程与规范，这些对结冰测试与设施的要求有重大影响。

美国联邦航空管理局与欧洲航空安全局近期制定了更严格的安全运行包线要求，作为合格审定流程的一部分。因此，测试设施必须提升其能力，以恰当模拟更危险的环境，包括冰晶和过冷大液滴环境（冻雨和冻毛毛雨）。尽管结冰风洞与飞行测试的能力持续改进，但在结冰风洞中精确测量液滴与冰形，以及为自然结冰条件下的飞行测试寻找理想结冰条件方面，仍存在挑战。最后，将西方世界的主要结冰风洞分为三类进行了评述：大型工业设施、发动机试车台和小型设施。描述了每个设施的独特能力与测试参数范围。对于飞行测试设施，简要回顾了主要的结冰空中测试平台，包括喷洒罐飞机，以及这些平台所使用的仪器设备。