CN109334998A - 一种梯度分布式等离子体防除冰装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器表面除冰领域，涉及一种梯度分布式等离子体防除冰装置，包括脉冲等离子体电源和开设在飞行器蒙皮上的凹槽，所述凹槽内固定设置有激励器，所述激励器包括绝缘层、裸露电极和埋置电极；所述裸露电极呈梯度式分布于所述飞行器蒙皮上，所述激励器的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次递减。打开脉冲等离子体电源，裸露电极将会放电，使得裸露电极与相邻裸露电极之间形成等离子体区域，因为等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用，使得飞行器的表面温度保持在0°以上，从而达到防冰的目的，且根据飞行器上各部位的结冰难易程度，合理设置激励器，使得能够充分合理的利用脉冲等离子体电源能量。

Description

一种梯度分布式等离子体防除冰装置及方法

技术领域

本发明涉及飞行器表面除冰领域，尤其涉及一种梯度分布式等离子体防除冰装置及方法。

背景技术

飞机结冰被广泛认为是航空飞行的重大危害之一。当飞行器穿越积冰气象条件的云层时，云层中的过冷水滴撞击在飞行器的迎风面，会导致飞行器迎风面部件，如飞行器、风挡玻璃、尾翼、发动机唇口、空速管等表面结冰，尤其是驻点附近，结冰更严重，而飞行器关键部件结冰会严重影响飞行器的气动性能，从而导致飞行器安全性能急速下降。比如飞行器和尾翼前缘结冰，会不同程度的改变飞行器的气动外形，违背飞行器设计准则，使升力迅速减小，阻力迅速增大，严重影响飞行器的操纵性能和稳定性能。因此，飞机易结冰部位必须装置防除冰装置，提高飞行器的安全性能。

授权公告号为CN104875894A的中国专利中公开了一种应用介质阻挡放电等离子体防结冰装置及方法，包括等离子体电源、上电极、下电极和绝缘层，所述绝缘层固定在飞行器易结冰部位蒙皮表面的凹槽内，所述上电极与所述下电极沿绝缘层两侧面交错分布粘接，所述上电极并联且通过导线与等离子体电源的正极连接，所述下电极并联通过导线与等离子体电源负极连接，当空气中含有一定量的过冷水时，打开等离子体电源，此时将会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，水膜在等离子体的作用下被带离辉光区域，达到防结冰的目的。

但是在上述技术方案中，上电极与所述下电极沿绝缘层两侧面交错分布粘接，即上电极的分布形式为均匀分布，既而，防结冰装置在飞行器各区域的作用效果是一致的，因此，可能出现：该防除冰装置在飞行器结冰难度较高的区域由于能量不够而无法达到完全除冰的效果，而在结冰难度较低的区域，则又无法充分利用等离子体电源的能量，而造成能源的浪费。

发明内容

本发明的目的一在于提供一种梯度分布式等离子体防除冰装置，具有能够根据结冰严重程度合理设置防除冰装置，以使得该梯度分布式防除冰装置能够充分合理利用脉冲等离子体电源能量、高效节能且防除冰效果明显的优点。

本发明的上述目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种梯度分布式等离子体防除冰装置，包括脉冲等离子体电源和开设在飞行器蒙皮上的凹槽，所述凹槽内固定设置有激励器，所述激励器包括绝缘层、裸露电极和埋置电极；所述绝缘层靠近所述凹槽底部的一面粘接有埋置电极、另一面粘接有裸露电极，所述裸露电极与所述脉冲等离子体电源的高压端连接，所述埋置电极与脉冲等离子体电源的低压端连接；所述裸露电极呈梯度式分布于所述飞行器蒙皮上，所述激励器的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次递减。

实施上述技术方案，若飞行器易结冰区域表面已结冰，打开脉冲等离子体电源，裸露电极将会放电，因为激励器的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次增大，则飞行器已结冰区域处的裸露电极将会放电剧烈，以将飞行器表面的冰层割开，然后被风吹走；该梯度分布式防除冰装置开始防冰时，裸露电极放电，使得裸露电极与相邻裸露电极之间形成等离子体区域，因为等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用，使得飞行器的表面温度保持在0°以上，所以分布有裸露电极的区域均不能结冰，从而达到防冰的目的；这样根据飞行器上各部位的结冰难易程度，合理设置激励器，使得该防除冰装置于飞行器上的不同部位更具有针对性，不仅使得该梯度分布式防除冰装置的防除冰效果明显、响应快，且该防除冰装置能够充分合理的利用脉冲等离子体电源能量，高效节能。

进一步，所述裸露电极设置有多个，所述绝缘层与所述埋置电极均设置有一个，多个所述裸露电极呈梯度式分布于所述绝缘层上，所述裸露电极的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次递减。

实施上述技术方案，在飞行器准备穿越易结冰云层时，冷水滴将会撞击飞行器，尤其飞行器的迎风面部件，随着冷水滴的撞击容易结冰，此时打开脉冲等离子体电源，裸露电极将会放电，裸露电极与相邻裸露电极之间将形成等离子体区域，以进行防除冰，结构简单，绝缘层和埋置电极均设置有一个，不仅便于制作，且对应的，凹槽也设置有一个，这样更便于将激励器固定至凹槽内，且不易改变飞行器的气动外形；另一方面，需要增强某一区域的防除冰强度时，在绝缘层上加密裸露电极即可，不需要额外增加绝缘层和埋置电极，这样更加方便。

进一步，所述裸露电极设置有多种长度，不同长度的所述裸露电极间隔排布在所述绝缘层上且互相平行设置。

实施上述技术方案，打开脉冲等离子体电源，使得裸露电极之间形成等离子体区域，其中，同一个裸露电极能够分别与相邻的长度不一样的裸露电极之间同时形成等离子体区域以进行防除冰，这样使得每个裸露电极能够根据充分合理的利用脉冲等离子体电源能量，且需要增强某一域的防除冰强度时，在裸露电极之间将需要长度的裸露电极粘接至绝缘层上以进行加密即可，更加方便且科学合理。

进一步，所述凹槽的深度等于所述激励器的厚度。

实施上述技术方案，这样将激励器固定至凹槽内时，保证飞行器表面光滑，不影响飞行器气动外形。

进一步，所述裸露电极的宽度为1mm-10mm，厚度为0.06mm-0.2mm。

实施上述技术方案，这样在不影响放电的情况下，能够阻止裸露电极被击穿。

进一步，所述绝缘层的厚度为0.2mm-0.5mm。

实施上述技术方案，以保证绝缘层不会被击穿。

本发明的目的二在于提供一种梯度分布式等离子体防除冰方法，具有除冰效果好，响应快且能够充分利用脉冲等离子体电源能量的优点。

本发明的上述目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种梯度分布式等离子体防除冰方法，包括以下步骤：

S1：确定电极和绝缘层的材料及尺寸；

S2：粘接绝缘层；

S3：组装激励器，将裸露电极根据飞行器结冰难易程度粘接在绝缘层远离凹槽底部的一面，将埋置电极粘接在绝缘层靠近凹槽底部的一面，并将绝缘层固定在凹槽内，确保飞行器表面光滑平整，激励器与飞行器之间无气泡；

S4：将激励器与脉冲等离子体电源连接，通过导线将裸露电极与脉冲等离子体电源的高压端连接、埋置电极与脉冲等离子体电源的低压端连接；

S5：飞行器结冰或准备穿越易结冰云层时，打开脉冲等离子体电源，调节脉冲等离子体电源输出电压和放电频率，开始防除冰；

S6：飞行器飞出易结冰环境时，关闭脉冲等离子体电源。

实施上述技术方案，步骤S3中，将激励器安装在飞行器表面上位于蒙皮的凹槽内，以保证飞行器表面光滑，不影响飞行器气动外形；在步骤S5中，打开脉冲等离子体电源，裸露电极之间将会形成等离子体区域，而等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用，使得飞行器的表面温度保持在0°以上，这样在保证冷水滴不能在飞行器表面结冰以达到防冰目的的前提下，又科学合理的利用了脉冲等离子体电源的能量，使得该防除冰装置于飞行器上的不同部位更具有针对性，使得防除冰装置能够充分合理的利用脉冲等离子体电源能量，高效节能。

进一步，所述步骤S3中组装激励器时，裸露电极呈梯度分布式设置，裸露电极的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次递减。

实施上述技术方案，根据飞行器上各部位的结冰难易程度合理分布设置激励器，比如飞行器迎风面驻点附近易结冰，其他区域结冰情况稍弱，所以使得裸露电极在飞行器迎风面驻点处排布密集，然后依次递减，形成梯度分布式，这样能够根据结冰严重程度，科学合理加密防除冰装置，使得该防除冰装置不仅具有防除冰效果明显、响应快的优点，且该防除冰装置能够充分合理的利用脉冲等离子体电源能量，高效节能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

一、该防除冰装置于飞行器上的不同部位更具有针对性，使得该梯度分布式防除冰装置的防除冰效果明显、响应快;

二、该防除冰装置能够充分合理的利用脉冲等离子体电源能量，高效节能；

三、需要增强飞行器蒙皮上某一域的防除冰强度时，在裸露电极之间将需要长度的裸露电极粘接至绝缘层上以进行加密即可，更加方便且科学合理。

附图说明

图1是本发明实施例的防除冰装置电路图；

图2是本发明实施例的飞行器部分结构剖视图；

图3是本发明实施例的裸露电极分布形式的结构示意图；

图4是本发明实施例的流程图。

附图标记：1、激励器；11、裸露电极；12、埋置电极；13、绝缘层；131、聚酰亚胺胶带；2、脉冲等离子体电源；3、飞行器；31、凹槽；4、一级梯度；5、二级梯度；6、三级梯度。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例的技术方案进行描述。

如图1所示，一种梯度分布式等离子体防除冰装置，包括开设在飞行器3蒙皮上的凹槽31、激励器1和脉冲等离子体电源2，其中，激励器1包括裸露电极11、绝缘层13和埋置电极12，裸露电极11与脉冲等离子体电源2的高压端连接，埋置电极12与脉冲等离子体电源2的低压端连接，绝缘层13的一侧与裸露电极11连接、另一侧与埋置电极12连接以组成防除冰装置，用于安装至飞行器3的迎风面部件上，如飞行器3的风挡玻璃、尾翼、发动机唇口、空速管或驻点附近，以进行防除冰。

如图2所示，裸露电极11呈条状并设置有多种长度，绝缘层13与埋置电极12均设置有一个，其中，不同长度的裸露电极11间隔排布在绝缘层13上且互相平行设置，裸露电极11的排布密度由飞行器3易结冰区域至难结冰区域依次递减，如飞行器3机翼前缘易结冰，所以裸露电极11于机翼前缘至靠近飞行器3机身处的排布密度将会依次递减，这样根据飞行器3上各部位的结冰难易程度，合理设置激励器1，使得该防除冰装置于飞行器3上的不同部位更具有针对性，不仅使得该梯度分布式防除冰装置的防除冰效果明显、响应快，且需要增强某一区域的防除冰强度时，在绝缘层13上加密裸露电极11即可，不需要额外增加绝缘层13和埋置电极12，这样更加方便。

如图1所示，绝缘层13由不少于3层的聚酰亚胺胶带131或其它高粘接组成，绝缘层13的总厚度为0.2mm-0.5mm,以防止在防除冰的工程中，阻止绝缘层13被击穿。

裸露电极11与埋置电极12均为铜箔,裸露电极11的宽度为1mm-10mm、厚度为0.06mm-0.2mm，埋置电极12的厚度为0.06mm-0.2mm，以防止裸露电极11和埋置电极12不易被击穿。

如图2所示，激励器1固定连接在凹槽31内，同时，确保飞行器3表面的蒙皮、埋置电极12、绝缘层13以及裸露电极11之间无气泡，激励器1无褶皱，且凹槽31的深度等于激励器1的厚度，以保证飞行器3表面光滑，不影响飞行器3气动外形。

如图3所示，激励器1安装在飞行器3上时，裸露电极11呈梯度分布式设置且排布密度由飞行器3易结冰区域至难结冰区域依次递减；分为一级梯度4、二级梯度5、三级梯度6，其中，一级梯度4裸露电极11之间间距为5mm，二级梯度5的裸露电极11之间间距为10mm，三级梯度6的裸露电极11之间间距为20mm。

工作过程：在飞行器3准备穿越易结冰云层时，冷水滴将会撞击飞行器3，当飞行器3表面已经结冰时，打开脉冲等离子体电源2，使得一级梯度区域4的裸露电极11放电剧烈，此时开始除冰，当飞行器3表面结冰，则飞行器3表面的冰层被一级梯度4区域等离子体割开，然后被风吹走；然后梯度分布式等离子体防除冰装置开始防冰时，裸露电极11间隙形成等离子体区域，等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用，使得过冷水滴撞击到梯度分布式等离子体防除冰装置一级梯度4位置时，一级梯度4位置能量满足交换并保证飞行器壁面温度在0℃以上，使在该区域不能结冰；同时二级梯度5和三级梯6度结冰难度稍弱，同样满足能量交换，保证壁面温度在0℃以上，使该区域不能结冰,这样在保证冷水滴不能在飞行器3表面结冰以达到防冰目的的前提下，又科学合理的利用了脉冲等离子体电源2的能量，高效节能。

一种梯度分布式等离子体防除冰方法，如图4所示包括以下步骤：

S1：确定电极和绝缘层的材料及尺寸，裸露电极与埋置电极均为铜箔,且裸露电极的宽度为5mm、厚度为0.15mm，埋置电极的厚度为0.15mm；

S2：粘接绝缘层，使用厚度为0.067mm的聚酰亚胺胶带粘接3层以制成绝缘层；

S3：组装激励器，将裸露电极根据飞行器结冰难易程度粘接在绝缘层远离凹槽底部的一面，将埋置电极粘接在绝缘层靠近凹槽底部的一面，并将绝缘层固定在凹槽内，确保飞行器表面光滑平整，激励器与飞行器之间无气泡；

S4：将激励器与脉冲等离子体电源连接，通过导线将裸露电极并联并使得裸露电极与脉冲等离子体电源的高压端连接、埋置电极与脉冲等离子体电源的低压端连接；

S5：飞行器结冰或准备穿越易结冰云层时，打开脉冲等离子体电源，调节脉冲等离子体电源电压为10kV，调节放电频率为4kHz-20khz；

S6：飞行器飞出易结冰环境时，关闭脉冲等离子体电源。

Claims (8)

1.一种梯度分布式等离子体防除冰装置，包括脉冲等离子体电源（2）和开设在飞行器（3）蒙皮上的凹槽（31），其特征在于，所述凹槽（31）内固定设置有激励器（1），所述激励器（1）包括绝缘层（13）、裸露电极（11）和埋置电极（12）；

所述绝缘层（13）靠近所述凹槽（31）底部的一面粘接有埋置电极（12）、另一面粘接有裸露电极（11），所述裸露电极（11）与所述脉冲等离子体电源（2）的高压端连接，所述埋置电极（12）与脉冲等离子体电源（2）的低压端连接；

所述裸露电极（11）呈梯度式分布于所述飞行器（3）蒙皮上，所述激励器（1）的排布密度由飞行器（3）易结冰区域至难结冰区域依次递减。

2.根据权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置，其特征在于，所述裸露电极（11）设置有多个，所述绝缘层（13）与所述埋置电极（12）均设置有一个，多个所述裸露电极（11）呈梯度式分布于所述绝缘层（13）上，所述裸露电极（11）的排布密度由飞行器（3）易结冰区域至难结冰区域依次递减。

3.根据权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置，其特征在于，所述裸露电极（11）设置有多种长度，不同长度的所述裸露电极（11）间隔排布在所述绝缘层（13）上且互相平行设置。

4.根据权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置，其特征在于，所述凹槽（31）的深度等于所述激励器（1）厚度。

5.根据权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置，其特征在于，所述裸露电极（11）的宽度为1mm-10mm，厚度为0.06mm-0.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置，其特征在于，所述绝缘层（13）的厚度为0.2mm-0.5mm。

7.基于权利要求1所述的一种梯度分布式等离子体防除冰装置的防除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定电极和绝缘层的材料及尺寸；

S2：粘接绝缘层；

S3：组装激励器，将裸露电极根据飞行器结冰难易程度粘接在绝缘层远离凹槽底部的一面，将埋置电极粘接在绝缘层靠近凹槽底部的一面，并将绝缘层固定在凹槽内，确保飞行器表面光滑平整，激励器与飞行器之间无气泡；

S4：将激励器与脉冲等离子体电源连接，通过导线将裸露电极与脉冲等离子体电源的高压端连接、埋置电极与脉冲等离子体电源的低压端连接；

S5：飞行器结冰或准备穿越易结冰云层时，打开脉冲等离子体电源，调节脉冲等离子体电源输出电压和放电频率，开始防除冰；

S6：飞行器飞出易结冰环境时，关闭脉冲等离子体电源。

8.根据权利要求7所述的一种新型梯度分布式等离子体防除冰方法，其特征在于，所述步骤S3中组装激励器时，裸露电极呈梯度分布式设置，裸露电极的排布密度由飞行器易结冰区域至难结冰区域依次递减。