CN208931660U - 采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置 - Google Patents

Abstract

提供一种采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，包括射频电源(101)、阻抗匹配电路(102)、防除冰器件(103)；射频电源(101)的输出端连接到阻抗匹配电路(102)的初级，阻抗匹配电路(102)的次级连接到防除冰器件(103)的正端；防除冰器件(103)用于产生等离子体(104)。本实用新型的装置机械可靠性强、无运动部件，可应用于进气道、尾桨、天线罩等具有类似防除冰控制需求的控制场合。本实用新型的装置还具有加热效率高、放电稳定、功率调节方便等优点，预计将在飞行器防除冰方面具有广泛的应用前景。

Description

采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体放电技术，具体涉及一种采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置。

背景技术

飞行器在结冰气象条件下飞行时，空气中的过冷水滴撞击飞行器表面，易在机翼、尾桨、进气道、天线罩等部件表面结冰。这将增加飞行器的重量，并破坏飞行器的气动外形，影响其空气动力特性，严重影响飞行安全，极端条件下可导致机毁人亡。因此，需要在飞行器上安装防除冰系统，降低结冰事故发生，保证飞行安全。

常用的机翼防除冰方法包括：化学式、机械式、电热式等。化学式防除冰方法污染严重、可靠性不高；机械式防除冰则会引起附加阻力，而且仅能除冰不能防冰。目前在飞机上主要采用的是电热式防除冰方法。然而，电热式防除冰方法存在能耗高、结构复杂等问题。近年来，采用等离子体激励进行防除冰的研究开始兴起。

电弧放电、射频放电、电晕放电、纳秒脉冲介质阻挡放电等均可以用来产生等离子体激励。与其他放电方式相比，射频放电具有加热效率高、功率调节方便等技术优势，是一种非常有前景的防除冰激励方式。

射频放电等离子体激励防除冰的基本原理为：通过射频放电手段产生等离子体，等离子体产生过程伴随着温升和压力升作用，形成射频放电等离子体激励，等离子体激励的温升和压力升作用于机翼、进气道等部件表面，可以防止机翼、进气道等部件结冰，或者去除这些部件表面的结冰。国内外研究机构尚未采用射频放电等离子体激励进行飞行器表面防除冰的研究。

实用新型内容

本实用新型提出一种采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，包括射频电源101、阻抗匹配电路102、防除冰器件103；其中射频电源101的输出端连接到阻抗匹配电路102的初级，阻抗匹配电路102的次级连接到防除冰器件103的正端，防除冰器件103的负端接地。防除冰器件103用于产生等离子体104；其中

射频电源101由信号发生电路和功率放大电路组成，工作频率连续可调，射频电源101的工作频率带宽为10kHz～10MHz；射频电源101的输出信号功率连续可调，其功率范围为0～1500W；

阻抗匹配电路102由高频变压线圈201和电容202组成，射频电源101的正端通过电容202与高频变压线圈201的初级线圈的正端相连，高频变压线圈201的初级线圈的负端与射频电源101的负端相连；线圈铁芯材料可选自镍-锌铁氧体或锰-锌铁氧体，磁导率为500-1500，线圈匝数比为1∶3-1∶10；电容202值范围为10pF-50pF；阻抗匹配电路102的实际功能并不仅限于减小射频电源101的反馈功率损耗，还能用于升高射频电源101电极两端的加载电压，从而实现不同气压下的射频放电；阻抗匹配电路102的次级线圈的正端与射频电源101的正端相连，阻抗匹配电路102的次级线圈的负端接地；

防除冰器件103被安装在金属或复合材料机翼表面的凹槽内，从翼根铺至翼尖，在翼展方向上贯穿整个或大部分机翼，安装后防除冰器件103必须与机翼相邻部分平齐，保证机翼表面平整无突起；防除冰器件103为一端开口、可以将机翼一个边缘的上、下表面包覆住的大致夹子的形状，因此，需要在机翼一个边缘的上、下表面形成凹槽，该凹槽可嵌入防除冰器件103。

在本实用新型的一个实施例中，射频电源101的工作频率带宽为2kHz～6MHz；射频电源101的输出信号功率范围为0～500W。

在本实用新型的一个具体实施例中，射频电源101的工作频率为1.20MHz；射频电源101的输出信号功率为300W。

在本实用新型的一个具体实施例中，高频变压线圈201铁芯的优选材料为镍-锌铁氧体，优选磁导率为200；线圈的优选匝数比为1∶5，电容202的优选值为20pF。

防除冰器件103由内绝缘/隔热层301和介质阻挡放电激励器302组成；

内绝缘/隔热层301为长方形的平板，长度为100mm-3000mm，等于或略短于机翼的展长，宽度为100mm-1000mm，约为机翼弦长的一半，厚度2mm-10mm；内绝缘/隔热层301的材料选择云母或聚酰亚胺；

介质阻挡放电激励器302由绝缘介质板401、片状电极402和条状电极403构成；绝缘介质板401为长方形的平板，长度为100mm-3000mm，等于或略短于机翼的展长，宽度为100mm-1000mm，约为机翼弦长的一半，厚度0.2mm-10mm；绝缘介质板401的材料采用聚酰亚胺或陶瓷基复合材料；

片状电极402为长方形的薄片，长度、宽度均与绝缘介质板401相等，长度、宽度分别为100mm-3000mm、100mm-1000mm，厚度为10μm-100μm；片状电极402敷设于绝缘介质板401下表面，其边缘与绝缘介质板401平齐，片状电极402被绝缘介质板401完全覆盖；片状电极402的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍；

条状电极403敷设于绝缘介质板401的上表面，布置成梳状，一条展向电极布置于机翼前缘附近，展向电极长度为80mm-2800mm；其余多条弦向电极沿机翼展向均匀分布，相邻弦向电极之间的间距为10mm-100mm，弦向电极条数范围为3-30条，弦向电极长度为80mm-960mm；条状电极403的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍；展向电极和弦向电极的宽度为1mm-10mm，厚度为10μm-100μm。

在本实用新型的一个具体实施例中，内绝缘/隔热层301的长度为机翼的展长，宽度为机翼弦长的一半，厚度为5mm；内绝缘/隔热层301的材料选择云母。

在本实用新型的一个具体实施例中，绝缘介质板401的长度为机翼的展长，宽度为机翼弦长的一半，厚度为0.35mm，采用陶瓷基复合材料。

在本实用新型的一个具体实施例中，片状电极402的长度为220mm，宽度为150mm，厚度为35μm，所选材料为钨镀镍。

在本实用新型的一个具体实施例中，条状电极403采用钨镀镍，展向电极和弦向电极的宽度为2mm，厚度为35μm；展向电极长度为180mm；弦向电极为5根，长度为130mm，第1根和第5根分别距离机翼左、右边缘相同距离，相邻弦向电极的间距为35mm。

本实用新型采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，通过射频放电等离子体产生的温升和压力升作用，防止撞击到机翼蒙皮表面的水滴发生冻结；蒸发机翼蒙皮表面收集到的水；融化机翼蒙皮表面已冻结的冰，破坏冰层和蒙皮间的粘附力，使融化的冰块在气动力或离心力的作用下被吹走或甩走；从而达到机翼防除冰的目的。该装置机械可靠性强、无运动部件，除机翼外，还可应用于进气道、尾桨、天线罩等具有类似防除冰需求的部位。此外，该装置具有加热效率高、放电稳定、功率调节方便等优点，预计将在飞行器防除冰方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置组成示意图；

图2是阻抗匹配电路102的结构示意图；

图3是布置在机翼前缘处的防除冰器件103的结构示意图；

图4是介质阻挡放电激励器302的电极布置示意图；

图5是利用射频放电等离子体激励进行防除冰的效果图，其中图5(a)示出未施加等离子体激励的情况，图5(b)示出施加等离子体激励2min之后的情况。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的基本原理，是利用射频放电等离子体的热效应和气动效应，来防止机翼表面结冰或者去除机翼表面已经形成的冰。

采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置示意图如图1所示，包括射频电源101、阻抗匹配电路102、防除冰器件103；其中射频电源101的输出端连接到阻抗匹配电路102的初级，阻抗匹配电路102的次级连接到防除冰器件103的正端，防除冰器件103的负端接地。防除冰器件103用于产生等离子体104。

射频电源101由信号发生电路和功率放大电路组成，工作频率连续可调，在本实用新型的一个实施例中，射频电源101的工作频率带宽为2kHz～6MHz，但并不限于该带宽范围，在其它实施例中可采用其它工作频率，例如10kHz～10MHz，优选的工作频率为1.20MHz。射频电源101的输出信号功率连续可调，在本实用新型的一个实施例中，其功率范围为0～500W，但并不限于该功率范围，在其它的实施例中可根据气压、电极间隙等条件采用其它输出功率范围，例如0～1500W，射频电源101的优选输出功率为300W；射频电源101的工作频率、输出功率等参数可通过串口或其它方式进行实时调整。在本实用新型的一个具体实施例中，射频电源101可采用美国T&C公司的AG1024型射频功率放大器，其具体结构不再详述。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，阻抗匹配电路102由高频变压线圈201和电容202组成，射频电源101的正端通过电容202与高频变压线圈201的初级线圈的正端相连，高频变压线圈201的初级线圈的负端与射频电源101的负端相连。高频变压线圈201形状可选柱形、工字形或者帽形，线圈铁芯材料可选镍-锌铁氧体或锰-锌铁氧体，磁导率为500-1500，线圈匝数比为1∶3-1∶10；电容202值范围为10pF-50pF。阻抗匹配电路102的实际功能并不仅限于减小射频电源101的反馈功率损耗，还能用于升高射频电源101电极两端的加载电压，从而实现不同气压下的射频放电。图2中，阻抗匹配电路102的次级线圈(右边的线圈)的正端与射频电源101的正端相连，阻抗匹配电路102的次级线圈的负端接地。其中高频变压线圈201铁芯的优选材料为镍-锌铁氧体，优选磁导率为200；线圈的优选匝数比为1∶5，电容202的优选值为20pF。

防除冰器件103是本实用新型的核心部件，将防除冰器件103安装在金属或复合材料机翼表面的凹槽内，为了达到良好的除冰效果，防除冰器件103大致是从翼根铺至翼尖，在翼展方向上贯穿整个机翼(当然也可以适当缩短长度)，安装后防除冰器件103必须与机翼相邻部分平齐，保证机翼表面平整无突起，从而不影响机翼的气动特性。图1和图3所示出的防除冰器件103为一端开口、可以将机翼一个边缘的上、下表面包覆住的大致夹子的形状，因此，需要在机翼一个边缘的上、下表面形成凹槽，该凹槽可嵌入防除冰器件103。在实际操作中，可以用整块的防除冰器件103直接贴到机翼上。

如图3所示，防除冰器件103由内绝缘/隔热层301和介质阻挡放电激励器302组成。

内绝缘/隔热层301为长方形的平板，长度为100mm-3000mm(等于或略短于机翼的展长)，宽度为100mm-1000mm(约等于机翼弦长的一半)，厚度2mm-10mm；内绝缘/隔热层301的材料选择云母、聚酰亚胺等。其中内绝缘/隔热层301的优选长度为机翼的展长，例如220mm，宽度为机翼弦长的一半，例如150mm，厚度为5mm；内绝缘/隔热层301的优选材料选择云母。

如图3和图4所示，介质阻挡放电激励器302由绝缘介质板401、片状电极402和条状电极403构成。绝缘介质板401为长方形的平板，长度为100mm-3000mm(等于或略短于机翼的展长)，宽度为100mm-1000mm(约等于机翼弦长的一半)，厚度0.2mm-10mm；绝缘介质板401的材料采用聚酰亚胺或陶瓷基复合材料。绝缘介质板401的优选长度为机翼的展长，例如220mm，宽度为机翼弦长的一半，例如150mm，厚度为0.35mm，优先采用陶瓷基复合材料。

片状电极402为长方形的薄片，长度、宽度均与绝缘介质板401相等，分别为100mm-3000mm、100mm-1000mm，厚度为10μm-100μm；片状电极402敷设于绝缘介质板401下表面，其边缘与绝缘介质板401平齐，片状电极402被绝缘介质板401完全覆盖；片状电极402的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍。片状电极402的优选长度为220mm，宽度为150mm，厚度为35μm，优选材料为钨镀镍。

条状电极403敷设于绝缘介质板401的上表面，可以布置成梳状，一条展向电极布置于机翼前缘附近，展向电极长度为80mm-2800mm；其余多条弦向电极沿机翼展向均匀分布，相邻弦向电极之间的间距为10mm-100mm，弦向电极条数范围为3-30条，弦向电极长度为80mm-960mm。条状电极403的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍。条状电极403优选采用钨镀镍，展向电极和弦向电极的宽度为1mm-10mm，厚度为10μm-100μm，优选宽度为2mm，厚度为35μm。展向电极长度优选为180mm。弦向电极优选为5根，优选长度为130mm，沿展向均匀分布于机翼上，第1根和第5根分别距离机翼左、右边缘相同距离(例如15mm)，相邻弦向电极的间距为35mm。

为了使施加到防除冰器件103电极上的电压或功率最大，实验时通过调整射频电源101的工作频率，使射频电源101、阻抗匹配电路102、防除冰器件103处于谐振状态。

本实用新型还提供一种采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的方法，包括下列步骤：

(a)在防除冰器件103的电极两端施加射频电压，电压范围为500V-3000V，优选值为2000V，调整射频电源101的工作频率，使射频电源101、阻抗匹配电路102、防除冰器件103处于谐振状态；

在本实用新型的一个实施例中，阻抗匹配电路102的升压比为1∶4，谐振频率约为1.20MHz。

(b)采用射频放电方式在防除冰器件103上产生等离子体104，等离子体产生过程伴随着温升和压力升作用，形成射频放电等离子体激励，等离子体激励的温升和压力升作用于机翼，防止结冰或除去机翼表面已经形成的冰。

(c)改变射频电源101的输出功率，研究其对防除冰效果的影响，选择最优输出功率，其中，可施加功率范围是0-500W，优选范围输出功率为300W；

(d)改变射频电源101的工作频率，研究其对防除冰效果的影响，选择最优工作频率，其中，工作频率的可选范围是100kHz～6MHz，优选工作频率为1.20MHz；

(e)改变射频电源101的脉冲宽度和脉冲周期，即改变防除冰器件的占空比，从而减少机翼表面溢流水的存在，减少冰瘤的发生。其中，脉冲宽度的可选调节范围是1-500μs，优选范围为脉冲宽度为500μs，脉冲周期的可选调节范围是1-50ms，优选脉冲周期为5ms。

图5所示为施加射频放电等离子体激励前后的结冰图。图5(a)示出未施加等离子体激励的情况，图5(b)示出施加等离子体激励2min之后，上半部分产生等离子体的部分没有结冰，下半部分距离远处，未产生等离子体，有冰晶存在对比两图可以发现，施加激励后机翼上的冰融化，从而起到了除冰的效果。

本实用新型采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的方法，通过射频放电等离子体产生的温升作用，防止撞击到机翼蒙皮表面的水滴发生冻结；蒸发机翼蒙皮表面收集到的水；融化机翼蒙皮表面已冻结的冰，破坏冰层和蒙皮间的粘附力，使融化的冰块在气动力或离心力的作用下被吹走或甩走；从而达到机翼防除冰的目的；该方法机械可靠性强、无运动部件，可应用于进气道、尾桨、天线罩等具有类似防除冰控制需求的控制场合；此外，该方法还具有加热效率高、放电稳定、功率调节方便等优点，预计将在飞行器防除冰方面具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，包括射频电源(101)、阻抗匹配电路(102)、防除冰器件(103)；其中射频电源(101)的输出端连接到阻抗匹配电路(102)的初级，阻抗匹配电路(102)的次级连接到防除冰器件(103)的正端，防除冰器件(103)的负端接地；防除冰器件(103)用于产生等离子体(104)；其中

射频电源(101)由信号发生电路和功率放大电路组成，工作频率连续可调，射频电源(101)的工作频率带宽为10kHz～10MHz；射频电源(101)的输出信号功率连续可调，其功率范围为0～1500W；

阻抗匹配电路(102)由高频变压线圈(201)和电容(202)组成，射频电源(101)的正端通过电容(202)与高频变压线圈(201)的初级线圈的正端相连，高频变压线圈(201)的初级线圈的负端与射频电源(101)的负端相连；线圈铁芯材料可选自镍-锌铁氧体或锰-锌铁氧体，磁导率为500-1500，线圈匝数比为1∶3-1∶10；电容(202)值范围为10pF-50pF；阻抗匹配电路(102)的实际功能并不仅限于减小射频电源(101)的反馈功率损耗，还能用于升高射频电源(101)电极两端的加载电压，从而实现不同气压下的射频放电；阻抗匹配电路(102)的次级线圈的正端与射频电源(101)的正端相连，阻抗匹配电路(102)的次级线圈的负端接地；

防除冰器件(103)被安装在金属或复合材料机翼表面的凹槽内，从翼根铺至翼尖，在翼展方向上贯穿整个或大部分机翼，安装后防除冰器件(103)必须与机翼相邻部分平齐，保证机翼表面平整无突起；防除冰器件(103)为一端开口、可以将机翼一个边缘的上、下表面包覆住的大致夹子的形状，因此，需要在机翼一个边缘的上、下表面形成凹槽，该凹槽可嵌入防除冰器件(103)。

2.如权利要求1所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中射频电源(101)的工作频率带宽为2kHz～6MHz；射频电源(101)的输出信号功率范围为0～500W。

3.如权利要求2所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中射频电源(101)的工作频率为1.20MHz；射频电源(101)的输出信号功率为300W。

4.如权利要求1所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中高频变压线圈(201)铁芯的优选材料为镍-锌铁氧体，优选磁导率为200；线圈的优选匝数比为1∶5，电容(202)的优选值为20pF。

5.如权利要求1所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，防除冰器件(103)由内绝缘/隔热层(301)和介质阻挡放电激励器(302)组成；

内绝缘/隔热层(301)为长方形的平板，长度为100mm-3000mm，等于或略短于机翼的展长，宽度为100mm-1000mm，约为机翼弦长的一半，厚度2mm-10mm；内绝缘/隔热层(301)的材料选择云母或聚酰亚胺；

介质阻挡放电激励器(302)由绝缘介质板(401)、片状电极(402)和条状电极(403)构成；绝缘介质板(401)为长方形的平板，长度为100mm-3000mm，等于或略短于机翼的展长，宽度为100mm-1000mm，约为机翼弦长的一半，厚度0.2mm-10mm；绝缘介质板(401)的材料采用聚酰亚胺或陶瓷基复合材料；

片状电极(402)为长方形的薄片，长度、宽度均与绝缘介质板(401)相等，长度、宽度分别为100mm-3000mm、100mm-1000mm，厚度为10μm-100μm；片状电极(402)敷设于绝缘介质板(401)下表面，其边缘与绝缘介质板(401)平齐，片状电极(402)被绝缘介质板(401)完全覆盖；片状电极(402)的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍；

条状电极(403)敷设于绝缘介质板(401)的上表面，布置成梳状，一条展向电极布置于机翼前缘附近，展向电极长度为80mm-2800mm；其余多条弦向电极沿机翼展向均匀分布，相邻弦向电极之间的间距为10mm-100mm，弦向电极条数范围为3-30条，弦向电极长度为80mm-960mm；条状电极(403)的材料采用铜、铜镀锡或钨镀镍；展向电极和弦向电极的宽度为1mm-10mm，厚度为10μm-100μm。

6.如权利要求5所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中内绝缘/隔热层(301)的长度为机翼的展长，宽度为机翼弦长的一半，厚度为5mm；内绝缘/隔热层(301)的材料选择云母。

7.如权利要求5所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中绝缘介质板(401)的长度为机翼的展长，宽度为机翼弦长的一半，厚度为0.35mm，采用陶瓷基复合材料。

8.如权利要求5所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中片状电极(402)的长度为220mm，宽度为150mm，厚度为35μm，所选材料为钨镀镍。

9.如权利要求5所述的采用射频放电等离子体激励进行机翼防除冰的装置，其中条状电极(403)采用钨镀镍，展向电极和弦向电极的宽度为2mm，厚度为35μm；展向电极长度为180mm；弦向电极为5根，长度为130mm，第1根和第5根分别距离机翼左、右边缘相同距离，相邻弦向电极的间距为35mm。