CN108016622B - 一种主动式飞行器防冰方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动式飞行器防冰方法及装置，由防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器构成装置；防冰传感器遇到结冰环境发出防冰信号至波形生成装置，波形生成装置输出高频率低功率的方波、正弦波等复杂波形，该波形经过功率放大装置处理成为较高功率的高频脉动电流，该脉动电流驱动高压包输出高频高压交流电，该高频高压交流电施加在阵列式网格激励器上，在阵列式网格激励器的掩埋电极上方产生等离子体射流团，该等离子体射流团通过碰撞和电离两种效应隔绝过冷水滴与基体表面接触，同时阵列式网格激励器的裸露电极电加热使撞击到其表面的过冷水滴蒸发，达到防冰目的。本发明结合等离子体射流团和电加热两种作用实现全面防冰，遇结冰环境能够迅速做出反应，具备实用价值。
Description
技术领域
本发明属于航空航天防除冰技术领域，具体涉及一种对飞行器进行主动式防冰的方法及装置，特别是一种阵列式等离子体射流团与电加热相结合的主动式防冰方法及装置。
背景技术
飞行器在高空中穿过富含过冷水滴的云层时，对其空气动力性能有重大影响的发动机进气道前缘、叶片、进口支板以及机翼前缘等部位容易发生结冰现象，导致升力降低、阻力提高，甚至会发生空中停车等严重事故，因而对这些关键部位进行防冰就显得尤为重要。
传统的电加热和热气防冰等主动式防冰方法，其基本原理都是通过热交换来提升目标部位的温度以达到防冰目的。中国专利文献号CN104875894A记载了一种应用介质阻挡放电等离子体防结冰装置及方法。该装置的方案如图1所示，由等离子体电源1和上电极2、下电极3、绝缘层4组成，绝缘层4采用多层(4层以上)聚酰亚胺胶带叠加粘接，绝缘层4固定在飞行器机翼易结冰部位蒙皮表面凹槽内。上电极2与下电极3沿绝缘层4两侧面交错分布粘接，等离子体电源1的正极与并联排布的上电极2通过导线连接，等离子体电源1的负极与并联排布的下电极3通过导线连接。上电极和下电极均为长条形，厚度为0.035mm，上电极的宽度为1到5mm，下电极宽度为8到15mm。当空气中含有一定量的过冷水时，打开等离子体电源1，在电极的上方形成等离子体辉光区域，过冷水滴撞击到物面后破碎形成水膜，水膜在等离子体作用下被带离辉光区域，达到防结冰的目的。其安装方法如图2所示，将上电极2、下电极3与绝缘层4粘接后，固定粘接在飞行器易结冰部位蒙皮表面凹槽内，且与飞行器蒙皮5表面光滑平整，确保绝缘层4与下电极3间无空气泡。
上述方案的缺陷和不足之处在于只实现了局部防冰。该装置的防冰机理为：过冷水滴撞击到等离子体区域不能发生相变结冰并被带离该区域。其设计和安装方法决定了只能在负极上方产生等离子体，而正极上方仍然会结冰，随着正极上方的结冰厚度增大，慢慢会扩展到负极上方，无法达到整体防冰的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动式飞行器防冰方法及装置，结合等离子体射流团和电加热两种作用实现全面防冰，以解决上述背景技术中提出的传统的电加热和热气防冰等主动式防冰方法仅能实现局部防冰的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的技术方案之一提供一种主动式飞行器防冰方法，搭建由防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器构成的等离子体射流团发生器；所述防冰传感器遇到结冰环境发出防冰信号至所述波形生成装置，所述波形生成装置输出高频率低功率的包括方波、正弦波在内的复杂波形，所述波形经过所述功率放大装置处理成为高功率的高频脉动电流，所述脉动电流驱动所述高压包输出高频高压交流电，所述高频高压交流电施加在所述阵列式网格激励器上，在所述阵列式网格激励器的掩埋电极上方产生等离子体射流团，所述等离子体射流团通过碰撞和电离两种效应隔绝过冷水滴与基体表面接触，同时所述阵列式网格激励器的裸露电极电加热使撞击到其表面的过冷水滴蒸发。
优选的，所述阵列式网格激励器的安装方法包括以下步骤：步骤一，在待防冰部位贴绝缘介质；步骤二，贴掩埋电极；步骤三，贴两层绝缘介质；步骤四，贴裸露电极；所述阵列式网格激励器的安装具体位置为飞行器上下表面极限撞击点到驻点。
本发明的技术方案之二提供一种主动式飞行器防冰装置，包括依次通过电性连接的防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器；所述阵列式网格激励器包括绝缘介质、设置于绝缘介质上表面的裸露电极和内置于绝缘介质中部的掩埋电极，所述裸露电极为网格状薄膜，所述掩埋电极由正方形薄膜串联而成，所述阵列式网格激励器延展并铺满飞行器易结冰部位。
优选的，所述裸露电极和掩埋电极的宽长比均小于1/2。
优选的，所述裸露电极的材料包括但不限于电阻率高的康铜、镍铬合金，厚度小于0.5mm，所述掩埋电极的材料包括但不限于导电性能高的黄铜、紫铜、银，厚度小于0.5mm，所述绝缘介质的材料包括但不限于硅胶、聚酰亚胺，厚度小于1mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过阵列式网格等离子体激励器在掩埋电极上方形成等离子体射流团，阻碍过冷水滴与基体表面接触，同时，裸露电极通电加热使撞击到其表面的过冷水滴蒸发，两种作用共同达到主动式全面防冰。
本发明所提出的防冰方法和装置相比现有技术有以下四点优势：一是功率能耗相比传统方法大为降低；二是瞬时响应，反应速度快；三是可实现多参数控制，波形、占空比、电压等都可以作为控制参数；四是网格状激励器薄且无附加负载，不改变机翼形状，可操作性高。主要应用于飞行器的机翼、发动机叶片、进口支板等易结冰部位，经过冰风洞验证，防冰效果极好，未来有可能会大规模实际应用。
附图说明
图1为背景技术中所提到的现有防结冰装置的结构示意图。
图2为背景技术中所提到的现有防结冰装置的安装示意图。
图3为本发明的原理图。
图4为阵列式网格激励器的示意图。
图5为阵列式网格激励器的截面示意图。
图6为裸露电极的示意图。
图7为掩埋电极的示意图。
图8为阵列式网格激励器的安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，本发明提供以下技术方案：一种等离子体射流团和电加热相结合的主动式飞行器防冰方法，设计了基于阵列式网格激励器的等离子体射流团发生器，该等离子体射流团发生器整套系统主要由防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器五部分构成。工作原理如图3所示，防冰传感器遇到结冰环境发出防冰信号至波形生成装置，波形生成装置输出高频率但功率较低的方波、正弦波或者其它复杂波形，该波形经过功率放大装置处理，成为较高功率的高频脉动电流，该脉动电流足以驱动高压包，输出高达万伏的高频高压交流电，该高频高压交流电施加在本发明的阵列式网格激励器上，在阵列式网格激励器的掩埋电极上方产生等离子体射流团，等离子体射流团通过碰撞和电离两种效应隔绝了过冷水滴与基体表面的接触而达到防冰目的，同时，阵列式网格激励器的裸露电极由于采用电阻率较高的金属材料，且为特殊的网格状结构，通电后单位面积发热量大，足以使过冷液水滴蒸发，两种效应共同作用实现了全面防冰。
本发明所提出的波形生成装置输出的高频波形，频率在800Hz以上，波形为方波、正弦波、三角波或者其它复杂波形，占空比50％，高电平不超过5V，低电平为0V，高压包升压比超过1:300。
本发明所提出的阵列式网格激励器示意图如图4所示，此网格可以无限延展，铺满飞行器机翼等易结冰部位。裸露电极为网格状薄膜，掩埋电极由正方形薄膜串联而成。阵列式网格激励器截面如图5所示，A为裸露电极，材料为电阻率较高的康铜、镍铬合金等，厚度小于0.5mm，B为掩埋电极，材料为导电性能较高的黄铜、紫铜、银等,厚度小于0.5mm，C为绝缘介质，材料为硅胶、聚酰亚胺等，厚度小于1mm，裸露电极和掩埋电极的主要特点是宽:长比例小于1/2，如此能够在满足电加热功率的条件下形成较强的等离子体射流团。
本发明中的防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包均为已经公开的广泛应用于日常生活中的市售商品。
本发明的一个具体实施例如下：防冰信号手动发出，波形生成装置采用Arduino开源电子原型平台，C语言编程，输出高电平5V、低电平0V、频率3kHz、占空比50％的方波；功率放大器峰值电压50V，峰值功率600W；高压包升压比1:500；施加在阵列式网格激励器上的峰值电压约为8000V；阵列式网格激励器如图4、图5所示，裸露电极(图6)为宽0.5mm、厚0.02mm的康铜箔组成的总长50.5mm，总宽15.5mm的网格，掩埋电极(图7)由边长4.5mm的正方形黄铜箔串联而成，厚度0.02mm，正好能配合上裸露电极的网格；绝缘介质(图8)材料为聚酰亚胺，厚0.24mm。
本实施例的阵列式网格激励器具体的安装步骤为：
第一步：在NACA0012翼形(弦长150mm，展向15.5mm，材料为亚克力)上贴一层厚0.08mm聚酰亚胺薄膜；
第二步：贴掩埋电极；
第三步：贴两层聚酰亚胺薄膜；
第四步：贴裸露电极。
粘贴的具体位置为上下表面极限撞击点到驻点，总长约为50.5mm，如图8所示。
本发明的使用方法为：当遇到结冰环境，防冰传感器发出防冰需求信号，系统开始工作，流程如图3所示，阵列式网格激励器在掩埋电极上方产生等离子体射流团向上方冲，与过冷液滴发生碰撞，放电过程电离一部分过冷液滴，同时，康铜、镍铬合金制作的网格状裸露电极通电发热，使撞击到其上的过冷液滴蒸发，实现所覆盖机翼的完全防冰。
本发明的工作原理：阵列式网格等离子体激励器工作时，在掩埋电极上方形成等离子体射流团(由于激励器布置形式为阵列式网格状，等离子体射流沿网格中心法线向上形成射流团)，与过冷液滴发生碰撞，同时放电过程也会电离一部分过冷液滴，阻碍过冷水滴与基体表面的接触达到防冰的效果。同时，而康铜制作的网格状裸露电极通电发热，相当于加热膜，使撞击到其表面的过冷水滴受热蒸发，两方面共同作用达到主动式防冰的目的，实现所覆盖机翼的完全防冰。主要应用于飞行器的机翼、发动机叶片、进口支板等易结冰部位。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种主动式飞行器防冰方法，其特征在于：搭建由防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器构成的等离子体射流团发生器；所述防冰传感器遇到结冰环境发出防冰信号至所述波形生成装置，所述波形生成装置输出高频率低功率的包括方波、正弦波在内的复杂波形，所述波形经过所述功率放大装置处理成为高功率的高频脉动电流，所述脉动电流驱动所述高压包输出高频高压交流电，所述高频高压交流电施加在所述阵列式网格激励器上，在所述阵列式网格激励器的掩埋电极上方产生等离子体射流团，所述等离子体射流团通过碰撞和电离两种效应隔绝过冷水滴与基体表面接触，同时所述阵列式网格激励器的裸露电极电加热使撞击到其表面的过冷水滴蒸发。
2.根据权利要求1所述的一种主动式飞行器防冰方法，其特征在于：所述阵列式网格激励器的安装方法包括以下步骤：步骤一，在待防冰部位贴绝缘介质；步骤二，贴掩埋电极；步骤三，贴两层绝缘介质；步骤四，贴裸露电极；所述阵列式网格激励器的安装具体位置为飞行器上下表面极限撞击点到驻点。
3.一种主动式飞行器防冰装置，其特征在于：包括依次通过电性连接的防冰传感器、波形生成装置、功率放大装置、高压包和阵列式网格激励器；所述阵列式网格激励器包括绝缘介质、设置于绝缘介质上表面的裸露电极和内置于绝缘介质中部的掩埋电极，所述裸露电极为网格状薄膜，所述掩埋电极由正方形薄膜串联而成，所述阵列式网格激励器延展并铺满飞行器易结冰部位。
4.根据权利要求3所述的一种主动式飞行器防冰装置，其特征在于：所述裸露电极和掩埋电极的宽长比均小于1/2。
5.根据权利要求3所述的一种主动式飞行器防冰装置，其特征在于：所述裸露电极的材料包括但不限于电阻率高的康铜、镍铬合金，厚度小于0.5mm，所述掩埋电极的材料包括但不限于导电性能高的黄铜、紫铜、银，厚度小于0.5mm，所述绝缘介质的材料包括但不限于硅胶、聚酰亚胺，厚度小于1mm。
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