CN116176843A - 一种基于超声空化的飞机防除冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防除冰技术领域，具体公开了一种基于超声空化的飞机防除冰系统，该系统包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；所述机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成；所述蒙皮与超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与蒙皮接触的一侧开有通孔；所述空化腔以及蒙皮的多孔结构内充盈有液态介质。本发明通过超声波空化效应产生的振动和热量、高压对蒙皮外的冰层进行清除。相对于现有的机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰等方法，其除冰效率高，起效速度快，结构简单可靠。

Description

一种基于超声空化的飞机防除冰系统

技术领域

本发明涉及航空防除冰技术领域，具体涉及一种利用超声空化原理进行飞机防除冰的系统。

背景技术

飞机结冰问题一直是影响飞机飞行安全的重要因素，开发新型飞机的防除冰方法是保障飞行安全的重点工作。飞机结冰现象主要发生在迎风部件表面，升力部件表面、发动机进气道、风挡玻璃以及各类传感器等。

目前常用防除冰方法主要可以分为机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰三类，这几类技术在不同的飞机或者不同的部位均有一定的应用。机械除冰的原理是在机翼表面产生机械力以破坏积冰结构；液体防/除冰主要是在飞机表面喷涂冰点抑制剂或者防冰液，冰点抑制剂和防冰液与撞击飞机表面的过冷水滴混合，导致表面温度升高实现防冰；热防/除冰主要有气热和电热两种，通过发动机引气或者电加热使飞机表面达到一定的温度从而实现防除冰。

上述除冰方法存在起效慢、效率低、结构复杂可靠性不足等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声空化的飞机防除冰系统，通过超声波空化效应产生的剧烈震动除冰。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种基于超声空化的飞机防除冰系统，包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；所述飞机机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成，且所述蒙皮内设置有支撑结构；所述蒙皮与超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与蒙皮接触的一侧开有通孔，使得所述空化腔与所述多孔结构相连通形成超声空化腔；并且，所述空化腔以及蒙皮孔内充盈有液态介质。

其中，所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括可与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。

超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的力，将液体分子拉裂成空洞。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。

当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象。

空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。

本发明对蒙皮外表面覆盖冰层清除的原理在于利用超声波空化效应产生的高频振动、释放的热能以及密闭空化腔内空化效应产生的高压。

作为一种改进，所述多孔介质材料的孔隙率为50%~70%，并且其孔径为1μm~1000μm。

作为一种改进，所述空化腔的厚度为2mm~10mm，和/或，所述蒙皮的厚度为1mm~5mm。

作为一种改进，所述超声波换能器阵列包括若干超声波换能器；所述超声波换能器的超声波激励端与空化腔紧密接触，有利于超声波的传导。

作为一种改进，所述空化腔由金属材料围成，其内部为空腔；所述超声波换能器利用贯穿空化腔底壁的紧固螺栓与空化腔连接，并利用胶水粘接。通过紧固螺栓和胶水的双重固定，保证超声波换能器与空化腔底壁的紧密连接。

作为一种改进，所述紧固螺栓上位于空化腔底壁两侧均套有密封垫片，避免螺孔处漏液。

作为一种改进，所述超声波换能器内设置有用于激励超声波的正极饵片和负极饵片。

作为一种改进，所述空化腔内外壁均进行光滑处理。进一步保证超声波换能器与空化腔的紧密接触。

作为一种改进，所述多孔介质材料为金属，其内部具有相互贯通的多孔结构。多孔结构能够使得空化效应最大程度的接近冰层，使得空化效应产生的振动衰减更小，除冰效果更好。

作为一种改进，所述蒙皮的外表面具有疏水性处理，以增大水滴接触角大于90°甚至达到130°或更大，使得待结冰基底表面保持疏水性，使得冰层脱离更加容易。

作为一种改进，所述液态介质的冰点低于-30℃（也即低于飞机通常会遭遇最低温度-30℃），避免其结冰。

作为一种改进，所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括可与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。用于感知空化腔内是否有气泡产生，从而判断是否漏液。漏液发生后需要通过补液系统向空化腔补充液态介质，从而保证空化腔和蒙皮内的多孔结构充盈。

进一步地，可预先在该空化腔内设置液位传感器，从而使得控制器可从该液位控制器中获取到空化腔内的液位情况（由于多孔结构与空化腔是连通的，因此，控制器内的液位也同时说明了多孔结构内的液位情况），并控制输液系统向空化腔内补充液体介质的量（具体地，根据当前液位数据（例如，液面高度），以及空化腔和多孔结构内孔隙的总体积即可计算得到，或者，直接根据初始液位（即还未开始防除冰作业时，充盈在空化腔和多孔结构内的液体介质的液位）和当前液位数据计算得到）。

作为一种改进，所述蒙皮内设置有支撑结构，用于提高蒙皮的强度。

本发明的有益之处在于：

本发明通过超声波空化效应在被冰层所密封的超声空化腔内产生的振动和热量以及高压对蒙皮外的冰层进行清除。相对于现有的机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰等方法，其除冰效率高，起效速度快，结构简单可靠。同时，本发明中创造性的采用多孔介质材料来制作机翼蒙皮，并且，该蒙皮内的多孔结构与空化腔连通，从而使得该空化腔和蒙皮整体形成一个更大的“超声空化腔”（当其内没有液体介质，且基底外侧也没有结冰时，该超声空化腔通过该多孔结构可与外界连通，而当基底外侧结冰时，该超声空化腔形成一个密封空间），因此，在进行超声波除冰时，超声空化现象不仅可在空化腔内产生，还可在蒙皮内部多孔结构中产生，并且由于待防除冰基底外侧粘附有冰层，使得该空化腔和多孔结构形成一个较大的密闭空间，从而使得整个“超声空化腔”内压力增大，并直接作用在多孔介质材料与冰层接触面上，进而降低冰层的粘附力；同时，多孔结构内液体介质发生空化效应形成的气泡溃灭瞬间产生的振动和释放的热量（即热效应）也将直接作用于多孔介质材料与冰层接触面，进一步降低了冰层与多孔介质材料表面的粘附力，也即使得振动和热效应到达冰层的距离更短，衰减更少，从而大大的提高了除冰效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的细节放大图；

图3为补液系统示意图；

图4为超声波换能器的结构示意图；

图5为多孔介质材料的微观结构图。

图中标记：1冰层、2蒙皮、3空化腔、4超声波换能器、5气泡、6气泡监测传感器、7液体输运管道、8气泡；201多孔结构、202蒙皮外表面、203支撑结构；301补液系统控制器、302电机泵、303、液体箱、304单向止回阀；401正极饵片、402负极饵片、403密封垫圈、404固定螺栓、405空化腔外壳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

多孔结构：本文中“多孔结构”是指采用粉末冶金和熔铸技术等，对蒙皮原材料进行烧结、熔铸、热处理等，制备出具有不同孔径分布、孔隙率的多孔结构。例如，所述多孔介质的孔隙率50%~70%，孔径分布为1μm~1mm。

中国专利CN201910708093.6公开了一种利用超声水力空化防除冰的机翼及飞行装置，包括机翼本体，机翼本体的前缘位置处设有包板，包板与机翼本体的内衬蒙皮构成水力空化腔体，水力空化腔体内能够填充液体，水力空化腔体的两侧腔壁分别设有多个喷嘴，两侧的喷嘴分别与供气机构连接，供气机构能够通过喷嘴向水力空化腔内喷入气体，在水力空化腔内填充的液体中形成气泡，水力空化腔体与超声机构连接，超声机构用于诱导水力空化腔体内的气泡产生空化作用。

在实际飞行过程中，冰层结于包板外侧，而超声波空化现象产生在包板与内衬蒙皮构成的水利空化腔体内。空化现象产生的振动和热量必须穿透整个包板才能作用在包板外侧的冰层上。而包板的厚度较大，使得上述振动和热量在传递到外侧后都有较大的衰减，从而使得除冰效率也随之降低。

中国专利CN201910941644.3公开可一种水力空化原理的飞机防除冰装置及飞机机翼，其通过在内外蒙皮之间设置多层间隔布置的空化多孔蒙皮，以形成多级空化机构，水流依次经由各水力空化多孔蒙皮的通孔的过程中，会产生水力空化，由多层水力空化多孔蒙皮可形成多级水力空化，利用水力空化产生的热量对飞机机翼外蒙皮进行防除冰。

上述专利的原理是设置圆锥孔，增大水流流速，水流压力减小，当压力降至水的饱和蒸汽压以下，发生空化形成空泡。其水力空化的阈值很低，产生的空泡尺寸很大，形成水力空化云的能量有限，其防除冰效率较低。

为了解决该问题，如图1~图2所示，本发明中提供一种基于超声空化的飞机防除冰系统，包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；所述机翼的蒙皮2由具有多孔结构201的多孔介质材料制成；所述蒙皮2与超声波换能器阵列之间设置有空化腔3；所述空化腔3与蒙皮2接触的一侧开有通孔；所述空化腔3以及蒙皮2多孔结构201内充盈有液态介质，其冰点低于-30℃。

如图5所示，本发明中，多孔介质材料为金属，其内部具有相互贯通的多孔结构201，这使得空化现象可在蒙皮2内部产生，从而使得气泡8破裂时产生的振动和热量几乎直接作用于冰层1底部，从而使得冰层1底部快速融化并从蒙皮外侧脱落。本发明中，所述多孔介质材料的孔隙率为50%~70%，并且其孔径为微米级别，从1μm~1000μm均可。

本发明中，蒙皮2本身就具备多孔的特性，相当于整个待防除冰基底材料内部形成贯通的多孔结构。而现有技术中是在内外蒙皮之间设置多层多孔蒙皮，使得空化现象远离冰层，削减了除冰效果。

本发明中，多孔结构的作用包括：

1、其内部填充有液体介质，多孔结构所形成的腔体也是空化腔的一部分，即作为空化腔的延伸，以与空化腔整体形成一个超声空化腔；

2、由于冰层的覆盖，使得超声空化腔形成一个密闭空间，因此，产生空化效应后，整个超声空化腔（包括多孔结构）内压力增大，并直接作用在多孔介质材料与冰层接触面上（也即直接作用在超声空化腔表面的冰层，并通过多孔结构直接作用于冰层上），降低冰的粘附力；

3、多孔介质内部液体发生空化效应，气泡溃灭瞬间形成的振动与热效应，降低冰层与多孔介质材料表面的粘附力。

多孔介质材料相较于一般的蒙皮2在强度上可能会有一定程度的下降，因此为了解决该问题，本发明中，在蒙皮2内设置有有支撑结构203，例如加强筋等等。

另外，为了加速冰层的脱落，在一些实施例中，所述蒙皮2的外表面202具有疏水性处理，以增大水滴接触角大于90°甚至达到130°或更大，使得待结冰基底表面保持疏水性，使得冰层1脱离更加容易。

为了让空化效果顺利的产生，本发明中，在蒙皮2和超声波换能器阵列之间设置有空化腔3；空化腔3相较于蒙皮2内部的多孔结构201，其空间更加充裕，能够产生更多的气泡，使得空化效应充分发生。

本发明中，空化腔3由金属材料围成，其内部为空腔，其内外壁均进行光滑处理。空化腔3的厚度为毫米级别，2~10mm均可，能够保证空化效应的产生即可。而蒙皮在满足强度的前提下其厚度可尽可能的小。另外可以预见的是，空化腔3应当尽量布满蒙皮2内侧，保证蒙皮2内所有位置都能够发生空化效应。

如图4所示，本发明中，超声波换能器阵列包括若干与超声波发生系统连接的超声波换能器4；超声波换能器4内设置有用于激励超声波的正极饵片41和负极饵片42。超声波换能器4激励频率为10k~1MHz，其功率小于300W，可根据实际情况选择。所述超声波换能器4的超声波激励端与空化腔3紧密接触，有利于超声波的传导。具体地，超声波换能器4利用贯穿空化腔3底壁的紧固螺栓6与空化腔3连接，并利用胶水粘接。通过紧固螺栓6和胶水的双重固定，保证超声波换能器4与空化腔3底壁的紧密连接。紧固螺栓6上位于空化腔3底壁两侧均套有密封垫片7，避免螺孔处漏液。

另外，为了避免漏液带来的损害，本发明中，在空化腔3内设置了若干气泡监测传感器5。当除冰装置停止工作时，通过气泡监测传感器5检测空化腔3内是否有气泡产生。若有气泡则认为有漏液现象，从而需要对空化腔进行补液处理。如果空化腔3和多孔结构201内不充盈液体介质的话，会减少空化效应的产生，从而降低除冰的效率。其具体的结构如图3所示，所述空化腔3内设置有气泡监测传感器6，还包括可与所述气泡监测传感器6和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器301，以及与所述补液系统控制器进301行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔3连通。补液系统具体又包括液体箱303、通过液体输送管道7将液态介质输送到空化腔3的电机泵302，为了防止液态介质倒流，液体输送管道7上还可以设置单向止回阀304。

为了使得气泡监测传感器6对气泡产生监测得更加精准，气泡监测传感器6可设置在空化腔3的顶部，其原因在于气泡较轻会集聚与空化腔3的顶部。

需要解释的是，空化腔以及多孔介质中的液体在压力的情况是可以通过蒙皮外表面202流出，在平常情况下，由于液体自身张力的作用，不会自发外溢，仅可在高压作用下向外溢出。而外蒙皮结冰情况下具有了密闭性，此时，空化效应产生气泡、气泡的溃灭、温度的升高，会使得空化腔内压力增大，降低覆冰与蒙皮之间的粘附力，这也是除冰原理之一。

本发明还提供一种基于超声空化的机翼防除冰方法，基于上述基于超声空化的飞机除冰系统，包括：

S1在机翼蒙皮内设置多孔结构。本发明中，利用金属的多孔介质材料来制作机翼的蒙皮从而使得蒙皮内具有相互连通的多孔结构。

S2向蒙皮的多孔结构内充盈液体介质；液体介质密闭在蒙皮内的多孔结构内，用于传导超声波并产生空化效应。

S3激励超声波，并利用液体介质向蒙皮内的多孔结构进行传导，使得蒙皮内产生超声波空化效应。充盈在多孔结构内的液态介质在超声波作用下产生大量的气泡，气泡在破裂时产生高频振动和释放大量的热量用于去除蒙皮外表面的冰层。

为了让空化效应进行更加充分，可在机翼蒙皮与用于激励超声波的超声波换能器阵列之间设置空化腔，并将空化腔与蒙皮内的多孔结构连通；通过激励超声波，使得空化腔内产生空化效应后再向蒙皮内的多孔结构传导。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；飞机机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成，且所述蒙皮内设置有支撑结构；所述蒙皮与所述超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与所述蒙皮接触的一侧开有通孔，使得所述空化腔与所述多孔结构相连通形成超声空化腔；并且，所述空化腔以及所述蒙皮的所述多孔结构内充盈有液态介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述多孔介质材料的孔隙率为50%~70%，并且其孔径为1μm~1000μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述空化腔由金属材料围成，其内部为空腔；所述超声波换能器利用贯穿空化腔底壁的紧固螺栓与空化腔连接，并利用胶水粘接。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述紧固螺栓上位于空化腔底壁两侧均套有密封垫片。

6.根据权利要求3所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述超声波换能器内设置有用于激励超声波的正极饵片和负极饵片。

7.根据权利要求3所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述空化腔内外壁均进行光滑处理。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述多孔介质材料为金属，其内部具有相互贯通的多孔结构。

9.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述蒙皮的外表面具有疏水性处理。

10.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述液态介质的冰点低于-30℃。

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