CN111792039A - 一种用于飞机机翼的除冰装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于飞机机翼的除冰装置、系统及方法，其技术方案为：包括至少一个除冰单元，所述除冰单元包括若干组换能器，每组具有两个换能器；每组换能器外侧套设一个电磁线圈，所述电磁线圈并联并与精密脉冲产生器相连，且精密脉冲产生器连接控制器；所述控制器还连接温度传感器、厚度检测仪。本发明利用超磁致材料的高频振荡及产生的瞬间高额热量密度防冰除冰，能够实时有效地除去飞机飞行过程中机翼特定部位的冰层；在有效地保证了飞机飞行安全的同时，减少了除冰时间，大大降低了能量的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器除冰领域，尤其涉及一种用于飞机机翼的除冰装置、系统及方法。
背景技术
飞机在寒冷、潮湿的空气中飞行，如在云、湿雪、冻雨、雾以及气温在零摄氏度左右的高湿空气中飞行，机体表面、机翼前缘与飞机其他部位都可能有不同程度的结冰。大量的理论计算、风洞试验和飞行试验表明，如果飞机部件没有防/除冰措施，那么这些部件的结冰可导致飞机气动特性和操稳特性的严重恶化，并最终对飞行安全产生严重影响，如升力减小、阻力增大、失速迎角减小、使附面层提前分离等。
为了克服这些影响，各种防/除冰措施己经应用于结冰部件上以阻止飞机结冰或者除去飞机结冰表面的冰层。电脉冲除冰技术是目前广泛采用的防除冰技术，即在飞行过程中由释放静电能产生高能盘的电脉冲，作用在飞机部件待防护部位的蒙皮上，在弹性变形范围内使蒙皮快速鼓动，从而破除该蒙皮表面上冰层。发明人发现，这种防除冰技术虽然能在一定程度上防、除冰，但其除冰时间长，消耗能量大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于飞机机翼的除冰装置、系统及方法，利用超磁致材料的高频振荡及产生的瞬间高额热量密度防冰除冰，能够实时有效地除去飞机飞行过程中机翼特定部位的冰层；在有效地保证了飞机飞行安全的同时，减少了除冰时间，大大降低了能量的消耗。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种用于飞机机翼的除冰装置，包括至少一个除冰单元，所述除冰单元包括若干组换能器，每组具有两个换能器；每组换能器外侧套设一个电磁线圈，所述电磁线圈并联并与精密脉冲产生器相连，且精密脉冲产生器连接控制器；所述控制器还连接温度传感器、厚度检测仪。
作为进一步的实现方式，所述换能器呈双排多列布置。
作为进一步的实现方式，所述换能器的个数为6～14个，且为偶数个。
作为进一步的实现方式，所述换能器为超磁致伸缩换能器。
作为进一步的实现方式，所述电磁线圈并联后通过连接电缆与精密脉冲产生器相连，所述控制器连接电源。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于飞机机翼的除冰系统，包括所述的除冰装置。
作为进一步的实现方式，所述温度传感器、厚度检测仪安装于翼型外蒙皮外表面，除冰单元固定于翼型外蒙皮内表面。
作为进一步的实现方式，所述换能器的振荡频率与翼型外蒙皮的固有频率一致。
第三方面，本发明实施例还提供了一种用于飞机机翼的除冰方法，采用所述的除冰系统，包括：
温度传感器实时检测外界大气温度，控制器根据温度传感器传递的信号控制精密脉冲产生器的启停；
当大气温度至设定值时，控制器自动开启精密脉冲产生器，并根据厚度检测仪提供的结冰厚度信号改变精密脉冲产生器的功率以及除冰单元的工作数量；
在精密脉冲产生器的激励下，电磁线圈产生高频变化的磁场，使换能器产生高频振动，且换能器释放出热量；在热量与高频振动的作用下使冰层融化。
作为进一步的实现方式，在翼型外缘大气温度超过冰点以下5-10摄氏度时，控制器控制精密脉冲产生器开启。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式采用热量辅助高频振动防除冰，通过电磁线圈的磁场变化激励超磁致材料产生高频的机械振动，使得外蒙皮内部发生微变形，从而在外蒙皮与冰层的界面处瞬时产生巨大的剪切力，结合瞬间在蒙皮局部产生很高的热量密度对冰层的融化作用，从而快速有效地克服冰层与外蒙皮之间地粘结强度，粉碎冰层，使得冰层脱落；采用热量辅助高频振动防除冰，可以有效地防止防冰区外冰瘤的产生；
(2)本发明的一个或多个实施方式与电脉冲除冰技术相比，在降低了对控制器精度要求的同时无需融化大量的冰层，所需能量大幅减少，热损失大大降低，除冰效果好；
(3)本发明的一个或多个实施方式仅在蒙皮表面添加除冰单元、精密脉冲产生器、控制器，简单紧凑，重量更轻，不会影响飞机的气动外形，也不会额外增加飞机过多的重量；
(4)本发明的一个或多个实施方式的控制器根据温度传感器所反馈的温度信号控制精密脉冲产生器的运行\制停，同时根据结冰厚度检测器所反馈的冰层厚度信号调整精密脉冲产生器的功率以及除冰单元的运行数量，可快捷有效地根据机翼外蒙皮外表面附近大气温度变化，实时调整换能器的振动幅度及热量密度，保证系统安全可靠，除冰彻底的同时减小能耗；
(5)本发明的一个或多个实施方式采用稀土超磁致材料组成超磁致材料换能器，响应速度快，输出应变大，在产生极小形变的同时释放大量热量，可以有效地防冰除冰。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的除冰单元连接示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的除冰单元分布示意图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的换能器安装示意图；
其中，1、翼型外蒙皮，2、精密脉冲产生器，3、连接电缆，4、电磁线圈，5、换能器，6、控制器，7、温度传感器，8、厚度检测仪，9、电源，10、翼型内蒙皮。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
实施例一：
本发明的实施例提供了一种用于飞机机翼的除冰装置，如图1所示，包括至少一个除冰单元，还包括精密脉冲产生器2、温度传感器7、厚度检测仪8、控制器6、电源9，温度传感器7用于检测飞机翼型外缘附近大气温度，厚度检测仪8用于检测蒙皮外表面冰层厚度。
所述除冰单元通过连接电缆3连接精密脉冲产生器2，精密脉冲产生器2、温度传感器7、厚度检测仪8分别通过连接电缆3与控制器6相连，所述控制器6连接电源9。控制器6在根据温度传感器7所反馈的温度信号控制精密脉冲产生器2的运行\制停，同时根据厚度检测仪8所反馈的冰层厚度信号调整精密脉冲产生器2的功率以及除冰单元的运行数量。
进一步的，所述除冰单元包括换能器5、电磁线圈4，如图2所示，两个换能器5为一组；每组的两个换能器5形成一列，多组换能器5形成双排多列布置方式。
每一组的两个换能器5外侧套设一个电磁线圈4，使各换能器5均处于电磁线圈4所形成的变化磁场之中。电磁线圈4的两侧分别并联形成两条支路，并联后的电磁线圈4通过连接线缆3与精密脉冲产生器2相连。
在本实施例中，所述换能器的个数为6～14个，且为偶数个。所述换能器为超磁致伸缩换能器，超磁致伸缩换能器的振荡频率与翼型外蒙皮1的固有频率一致。进一步的，如图4所示，超磁致伸缩换能器为圆盘状，其材质为稀土超磁致伸缩材料。
超磁致伸缩材料(GMM)是一种在室温和低磁场条件下就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点。通过改变其周围磁场即可使超磁致伸缩材料产生高频振动，在它与其上黏附物质的接触面处产生巨大的剪切力的同时释放大量热量，使黏附物质破碎分离。
稀土超磁致伸缩材料主要是指稀土-铁系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102-103倍，它是在物理作用下应变值最高，能量最大的材料。
实施例二：
本实施例提供了一种用于飞机机翼的除冰系统，包括实施例一所述的除冰装置，如图1和图3所示，除冰单元固定于翼型外蒙皮1的内表面；其中，机翼外侧的蒙皮为翼型外蒙皮1，机翼内侧的蒙皮为翼型内蒙皮10。
当除冰单元为多个时，沿翼型外蒙皮1的长度方向间隔排布。在本实施例中，除冰单元通过铆接或胶接的方式、根据飞机机翼的冰层厚度呈矩阵型排布在翼型外蒙皮1内表面的各个部位。所述温度传感器7、厚度检测仪8安装于翼型外蒙皮1的外表面。
实施例三：
本实施例还提供了一种用于飞机机翼的除冰方法，采用实施例二所述的除冰系统，包括：
温度传感器7实时检测外界大气温度，控制器6根据温度传感器7传递的信号控制精密脉冲产生器2的工作/制停。当翼型外缘附近大气温度超过冰点以下5-10摄氏度，控制器6就会自动开启精密脉冲产生器2，并根据厚度检测仪7提供的结冰厚度信号及时改变精密脉冲产生器2的功率以及除冰单元(包括电磁线圈4和换能器5)的工作数量。
精密脉冲产生器2通过连接电缆3与除冰单元相连接并提供与之相匹配的高频脉冲，在精密脉冲产生器2的激励下，电磁线圈4产生高频变化的磁场，促使换能器5产生高频振动，使得蒙皮内部部分位置发生微变形，从而在翼型外蒙皮1与冰层的黏合面处产生巨大的瞬间切应力。而且换能器5在很短的时间内将电能转化为机械能的过程中会释放可观的热量，产生较大的能量密度，从而更好的克服冰层与蒙皮外部之间的互相作用力，分离冰层与蒙皮，使冰层脱落。
本实施例采用热量辅助高频振动防除冰，通过电磁线圈4的磁场变化激励超磁致材料产生高频的机械振动，使得翼型外蒙皮1内部发生微变形，从而在翼型外蒙皮1与冰层的界面处瞬时产生巨大的剪切力。结合瞬间在蒙皮局部产生很高的热量密度对冰层的融化作用，从而快速有效地克服冰层与翼型外蒙皮1之间地粘结强度，粉碎冰层，使得冰层脱落。
采用热量辅助防除冰的方法，热量可融化冰层与外蒙皮界面的一层冰层，甚至不需融化，仅仅将冰层与外蒙皮的粘结强度降到除冰单元机械振动所能克服的粘结强度以下，即可达到有效防除冰的目的。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于飞机机翼的除冰装置，其特征在于，包括至少一个除冰单元，所述除冰单元包括若干组换能器，每组具有两个换能器；每组换能器外侧套设一个电磁线圈，所述电磁线圈并联并与精密脉冲产生器相连，且精密脉冲产生器连接控制器；所述控制器还连接温度传感器、厚度检测仪。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机机翼的除冰装置，其特征在于，所述换能器呈双排多列布置。
3.根据权利要求2所述的一种用于飞机机翼的除冰装置，其特征在于，所述换能器的个数为6～14个，且为偶数个。
4.根据权利要求1所述的一种用于飞机机翼的除冰装置，其特征在于，所述换能器为超磁致伸缩换能器。
5.根据权利要求1所述的一种用于飞机机翼的除冰装置，其特征在于，所述电磁线圈并联后通过连接电缆与精密脉冲产生器相连，所述控制器连接电源。
6.一种用于飞机机翼的除冰系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的除冰装置。
7.根据权利要求6所述的一种用于飞机机翼的除冰系统，其特征在于，所述温度传感器、厚度检测仪安装于翼型外蒙皮外表面，除冰单元固定于翼型外蒙皮内表面。
8.根据权利要求7所述的一种用于飞机机翼的除冰系统，其特征在于，所述换能器的振荡频率与翼型外蒙皮的固有频率一致。
9.一种用于飞机机翼的除冰方法，其特征在于，采用如权利要求6-8任一所述的除冰系统，包括：
温度传感器实时检测外界大气温度，控制器根据温度传感器传递的信号控制精密脉冲产生器的启停；
当大气温度至设定值时，控制器自动开启精密脉冲产生器，并根据厚度检测仪提供的结冰厚度信号改变精密脉冲产生器的功率以及除冰单元的工作数量；
在精密脉冲产生器的激励下，电磁线圈产生高频变化的磁场，使换能器产生高频振动，且换能器释放出热量；在热量与高频振动的作用下使冰层融化。
10.根据权利要求9所述的一种用于飞机机翼的除冰方法，其特征在于，在翼型外缘大气温度超过冰点以下5-10摄氏度时，控制器控制精密脉冲产生器开启。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201020 |