KR20230170458A - Aircraft anti-icing or de-icing system and method making the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 탄소섬유 재질로 형성된 플라이를 여러 겹 적층한 탄소섬유스택 층; 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체; 발열체에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층;및 발열체에서 발생한 열을 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층으로 형성되는 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 및 시스템 제조 방법에 관한 발명이다.A carbon fiber stack layer in which several plies made of the carbon fiber material of the present invention are stacked; A heating element that supplies heat to remove ice that forms on the aircraft surface; The invention relates to an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing and a method of manufacturing the system, which is formed of a heat conductor layer that conducts heat generated from the heating element; and an insulating layer that prevents heat generated from the heating element from being conducted into the aircraft interior.
Description
본 발명은 항공기 방·제빙 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 항공기 주변에서 국소 기류 조건의 변화에 따라 항공기 표면에 형성되는 결빙현상을 막기 위해 CFRP, 알루미늄 호일 및 코르크 보드로 적층된 구조물 사이에 발열체가 형성되는 항공기 방·제빙 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aircraft anti-icing and de-icing system and a method of manufacturing the same, and more specifically, to prevent ice formation on the surface of the aircraft due to changes in local airflow conditions around the aircraft, using CFRP, aluminum foil and cork board. It relates to an aircraft anti-icing and de-icing system in which a heating element is formed between laminated structures and a method of manufacturing the same.
결빙은 항공기의 안정성 측면에서 매우 위협적인 요소로서, 대기 온도가 낮고 상대습도가 높은 영역에서 과냉각된 액적이 공기를 따라 이동하는 도중 항공기의 표면과 충돌하는 과정에서 발생하게 된다. 항공기 날개 표면에 발생한 결빙은 날개의 표면 형상을 변화시켜 양력 감소 등과 같은 공력 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 또한, 엔진 흡입구 주위에서 발생한 결빙은 유동박리 또는 흡입 공기 감소를 야기하여 엔진의 성능을 저하시킬 수 있다. Freezing is a very threatening factor in terms of aircraft stability. It occurs when supercooled liquid droplets collide with the surface of the aircraft while moving through the air in areas of low atmospheric temperature and high relative humidity. Ice that occurs on the surface of an aircraft wing can change the surface shape of the wing and become a factor that impairs aerodynamic characteristics such as reduced lift. Additionally, freezing that occurs around the engine intake can cause flow separation or intake air reduction, thereby reducing engine performance.
특히, 2009년 6월 1일에 발생한 에어프랑스 447편 추락 사고의 원인이 피토 프로브에 얼음 결정이 축적으로 밝혀져, 항공기 결빙 현상이 탑승객의 안전과 생명에 있어서도 매우 중요한 역할을 한다. In particular, it was revealed that the cause of the crash of Air France Flight 447, which occurred on June 1, 2009, was the accumulation of ice crystals on the pitot probe, so aircraft icing plays a very important role in the safety and life of passengers.
이러한 결빙으로 인해 발생하는 항공기의 성능 저하 및 대형 사고를 방지하기 위하여, 날개와 같이 결빙 가능성이 높은 구역에는 결빙을 방지하기 위한 다양한 장치(예: 터빈엔진의 고온 압축 공기, 공압부트 팽창, 구조진동임펄스 또는 변형 등)가 장착되어 있다. 상기 장치는 결빙 보호 시스템(Ice Protection System, IPS)이라 칭하며, IPS는 주로 항공기의 날개의 리딩 에지(leading edge)에 배치된다.In order to prevent aircraft performance deterioration and major accidents caused by icing, various devices to prevent icing (e.g. high-temperature compressed air from turbine engines, pneumatic boot expansion, structural vibration) are installed in areas with a high risk of icing, such as wings. impulse or deformation, etc.) is installed. The device is called an Ice Protection System (IPS), and the IPS is mainly placed on the leading edge of the aircraft's wing.
다만 고온 압축 공기 방식의 경우 열전도율이 낮고 고온에 취약한 CFRP 구조에는 적합하지 않고, 공압부트 팽창 및 구조 충격 방식은 날개부에 최소 두께의 얼음 축적이 필요하기 때문에 결빙 방지 기능이 제한적이다.However, the high-temperature compressed air method is not suitable for CFRP structures, which have low thermal conductivity and are vulnerable to high temperatures, and the pneumatic boot expansion and structural impact methods require a minimum thickness of ice accumulation on the wings, so the anti-icing function is limited.
항공기 구조에 탄소섬유강화폴리머(Carbon-fiber reinforced polymer;CFRP)가 널리 사용되면서, 열전도율이 상대적으로 낮고 기존 알루미늄보다 고열에 취약한 성질로 인해 IPS 설계 시 보다 신중하게 설계할 필요가 있다.As carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) is widely used in aircraft structures, it is necessary to be more careful when designing IPS due to its relatively low thermal conductivity and its vulnerability to high temperatures compared to existing aluminum.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 항공기 주변에서 국소 기류 조건의 변화에 따라 항공기 표면에 형성되는 결빙현상을 막기 위해 CFRP, 알루미늄 호일 및 코르크 보드로 적층된 구조물 사이에 발열체가 형성되는 항공기 방·제빙 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.In order to solve the above problem, the present invention is an aircraft room where a heating element is formed between structures laminated with CFRP, aluminum foil, and cork board to prevent ice formation on the surface of the aircraft due to changes in local airflow conditions around the aircraft. It relates to an ice-making system and a method of manufacturing the same.
본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템은 탄소섬유 재질로 형성된 플라이를 여러 겹 적층한 탄소섬유스택 층, 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체, 발열체에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층 및 발열체에서 발생한 열을 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층으로 형성될 수 있다.The anti-icing and de-icing system for the aircraft wing according to an embodiment of the present invention includes a carbon fiber stack layer in which several plies made of carbon fiber materials are laminated, a heating element that supplies heat to remove ice formed on the surface of the aircraft, and a heating element. It may be formed of a heat conductor layer that conducts heat generated and an insulation layer that prevents heat generated from the heating element from being conducted into the aircraft interior.
본 실시 예에 있어서, 탄소섬유스택 층은, 일면에 열전도체 층이 적층되고, 타면에 단열재 층이 적층되며, 단열재 층은 항공기와 접하며, 발열체는, 열전도체 층과 탄소섬유스택 층 사이, 탄소섬유 재질로 형성된 플라이의 여러 겹 사이, 또는 탄소섬유스택 층과 단열재 층 사이 중 적어도 어느 한 곳에 적층되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the carbon fiber stack layer has a heat conductor layer laminated on one side and an insulation layer on the other side, the insulation layer is in contact with the aircraft, and the heating element is between the heat conductor layer and the carbon fiber stack layer. It may be characterized as being laminated in at least one of several layers of plies made of a fiber material, or between a carbon fiber stack layer and an insulation layer.
본 실시 예에서, 열전도체 층과 단열재 층은, 탄소섬유스택 층의 일면과 타면에 에폭시로 각각 접착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the heat conductor layer and the insulation layer may be respectively bonded to one side and the other side of the carbon fiber stack layer with epoxy.
본 실시 예에서, 탄소섬유스택 층은, 탄소섬유강화폴리머로 형성된 플라이로 여러 겹 적층된 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the carbon fiber stack layer may be characterized as being laminated in multiple layers of plies formed of carbon fiber reinforced polymer.
본 실시 예에 있어서, 발열체는 전열 발열요소와 전열 발열요소에서 형성된 전류를 외부와 절연하기 위해, 전열 발열요소의 외부를 감싸도록 형성되는 내열성의 고성능 플라스틱(High Performance Plastic)으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the heating element is characterized in that it is made of heat-resistant High Performance Plastic that is formed to surround the outside of the electric heating element and insulate the electric current generated in the electric heating element from the outside. You can.
본 실시 예에 있어서, 발열체는 항공기 날개부의 길이 방향을 따라 형성되고, 날개부의 폭 방향으로 다수 개가 일정한 간격으로 이격되어 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the heating element may be formed along the longitudinal direction of the aircraft wing, and may be provided in plural pieces spaced apart at regular intervals in the width direction of the wing.
본 실시 예에 있어서, 열전도체 층은 알루미늄 재질로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the heat conductor layer may be formed of aluminum.
본 실시 예에 있어서, 단열재 층은 코르크 재질로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In this embodiment, the insulation layer may be formed of cork material.
본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법은, 탄소섬유 재질로 형성된 플라이를 여러 겹 적층하여 탄소섬유스택 층을 형성하는 단계, 탄소섬유스택 층에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체를 부착하는 단계, 발열체가 부착된 탄소섬유스택 층에 에폭시를 삽입하여 경화하는 단계로 형성될 수 있다.A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a carbon fiber stack layer by stacking several plies made of carbon fiber material, and forming ice on the surface of the aircraft in the carbon fiber stack layer. It can be formed by attaching a heating element that supplies heat to remove , and inserting epoxy into the carbon fiber stack layer to which the heating element is attached and curing it.
본 실시 예에 있어서, 탄소섬유스택 층의 일면에 발열체에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, the step of laminating a heat conductor layer that conducts heat generated from the heating element on one surface of the carbon fiber stack layer may be further included.
본 실시 예에 있어서, 탄소섬유스택 층의 타면에 발열체에서 발생한 열을 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, the step of laminating an insulating material layer on the other side of the carbon fiber stack layer to prevent heat generated from the heating element from being conducted into the aircraft interior may be further included.
본 실시 예에 있어서, 열전도체 층과 단열재 층 중 적어도 어느 하나를 적층하고 에폭시를 사용하여 진공압력하에 접착하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, the step of laminating at least one of the heat conductor layer and the insulation layer and bonding them together under vacuum pressure using epoxy may be further included.
본 실시 예에 있어서, 탄소섬유스택 층에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체를 부착하는 단계에서, 발열체는 전열 발열요소와 전열 발열요소에서 형성된 전류를 외부와 절연하기 위해 전열 발열요소의 외부를 감싸도록 형성되는 내열성의 고성능 플라스틱(High Performance Plastic)으로 구성되고, 고성능 플라스틱의 표면을 플라즈마 표면처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, in the step of attaching a heating element that supplies heat to the carbon fiber stack layer to remove ice formed on the surface of the aircraft, the heating element is used to insulate the electric heating element and the electric current formed in the electric heating element from the outside. It is made of heat-resistant high-performance plastic formed to surround the exterior of the electrothermal heating element, and may further include the step of plasma surface treatment of the surface of the high-performance plastic.
본 발명은 CFRP를 사용하는 기존 항공기의 IPS구조에 보다 적합하다.The present invention is more suitable for the IPS structure of existing aircraft using CFRP.
또한, 항공기의 표면에 발생하는 결빙 현상을 발열체를 통해 보다 정밀하게 조절할 수 있다.Additionally, the icing phenomenon that occurs on the surface of the aircraft can be controlled more precisely through the heating element.
또한, 기존에 항공기에 설치된 부품을 활용할 수 있으므로 추가적인 비용의 부담이 적다.Additionally, since parts already installed on the aircraft can be used, the burden of additional costs is reduced.
또한, 항공기에 영향을 미치는 고온 또는 충격이 없어도 작동이 가능하므로 내구성이 뛰어나다. Additionally, it is highly durable as it can operate without high temperatures or shocks that affect the aircraft.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템의 재료 및 적층 순서를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서 발열체의 위치를 각각 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서 항공기 날개부의 길이 방향을 따라 형성되고, 날개부의 폭 방향으로 다수 개가 일정한 간격으로 이격되어 구비되어 있는 것을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템의 제조 방법을 도시한 블록이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서 재료의 존재여부, 적층 순서 및 발열체의 위치를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템의 실시 예와 비교 예에 따른 발열체가 위치한 표면에서의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템의 실시 예 및 비교 예의 패널에서 발열체의 중심을 기준으로 거리에 따른 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템의 실시 예 2와 3에 대한 정상 상태의 열 분포를 도시한 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서, 2mm간격으로 15개의 발열체로 형성된 기류 유선 및 결빙 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서, 50mm간격으로 5개의 발열체(30)로 형성된 기류 유선 및 결빙 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서, 2mm간격으로 15개의 발열체로 형성된 시뮬레이션 결과를, (a) 익형 단면 온도 등고선, (b) 받음각이 0°경우 표면 온도, (c) 받음각이 4° 경우 표면온도를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 방·제빙 시스템에서, 50mm간격으로 5개의 발열체(30)로 형성된 시뮬레이션 결과를, (a) 익형 단면 온도 등고선, (b) 받음각이 0°경우 표면 온도, (c) 받음각이 4° 경우 표면온도를 도시한 도면이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the materials and stacking sequence of an aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing the positions of heating elements in an aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing that the aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention is formed along the longitudinal direction of the aircraft wing and is provided with a plurality of units spaced apart at regular intervals in the width direction of the wing.
Figure 4 is a block showing a method of manufacturing an aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a cross-sectional view showing the presence or absence of materials, the stacking order, and the position of the heating element in the aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the temperature change on the surface where the heating element is located according to the embodiment and comparative example of the aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figures 7a and 7b are graphs showing temperature distribution according to distance from the center of the heating element in the panel of the example and comparative example of the aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the heat distribution in a steady state for Examples 2 and 3 of the aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 9a is a diagram showing the results of simulation of airflow streamlines and ice formation formed by 15 heating elements at 2 mm intervals in an aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention.
Figure 9b is a diagram showing airflow streamlines formed by five
Figure 10 shows simulation results formed by 15 heating elements spaced at 2 mm intervals in an aircraft anti-icing and de-icing system according to an embodiment of the present invention, (a) airfoil cross-section temperature contour, (b) surface temperature when the angle of attack is 0°, ( c) This is a diagram showing the surface temperature when the angle of attack is 4°.
Figure 11 shows simulation results formed by five
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly explained, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나","A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있음을 의미한다.When it is said that a part "includes" a certain element throughout the specification, this means that, unless specifically stated to the contrary, it does not exclude other elements but may further include other elements. Additionally, throughout the specification, “A or B,” “at least one of A and B,” “at least one of A or B,” “A, B, or C,” “at least one of A, B, and C,” and “ Each phrase such as "at least one of A, B, or C" means that it may include any one of the items listed together in that phrase, or any possible combination thereof.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present invention are described with reference to the attached drawings.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)으로, 탄소섬유스택 층(20), 발열체(30), 열전도체 층(10) 및 단열재 층(40)이 적층된 단면도에 해당한다. Referring to FIG. 1, the anti-icing and de-icing system 1 for the aircraft wing according to one embodiment includes a carbon
탄소섬유스택 층(20)은, 탄소섬유 재질로 형성된 플라이를 여러 겹으로 적층한 구조로 형성된다. 탄소 섬유는 높은 강성, 높은 인장강도, 중량에 비해 높은 강도, 높은 내화학성 및 고온 내성 등 많은 장점이 있는 재료로, 스포츠, 토목 공학과 같은 일반적인 영역뿐만 아니라 군사 및 항공 우주 분야에도 널리 쓰인다. The carbon
다만, 탄소섬유강화폴리머는 항공기 구조에 널이 쓰이는 재료이지만, 열전도율이 상대적으로 낮고 알루미늄보다 고열에 취약한 성질로 인해 방·제빙 시스템을 설계 시 특히 주의해야 할 필요가 있다.However, carbon fiber reinforced polymer is a material widely used in aircraft structures, but it has a relatively low thermal conductivity and is more vulnerable to high temperatures than aluminum, so special care needs to be taken when designing anti-icing and de-icing systems.
또한 일 실시 예로, 탄소섬유스택은 탄소섬유 재질로 이루어진 프리프레그(prepreg)인 플라이(ply)를 여러 겹 적층하여 형성될 수 있다. 여기서 탄소섬유는 탄소섬유강화폴리머(Carbon-fiber reinforced polymer;CFRP)를 사용할 수 있다. Additionally, as an example, a carbon fiber stack may be formed by stacking multiple plies, which are prepregs made of carbon fiber material. Here, carbon fiber can be used as carbon-fiber reinforced polymer (CFRP).
발열체(30)는, 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 소자로 형성된다. 종래의 IPS시스템에서 터빈엔진의 고온 공기를 이용하거나, 공압부트팽창 및 구조적으로 진동하거나 변형하는 경우, 고온에 취약한 CFRP와 최소의 얼음이 축적되어야 하는 문제들로 인해 설치에 제한이 있었다. The
발열체(30), 특히 전열(electrothermal)IPS는 줄 가열 원리를 기반으로 항공기 특정 표면을 정밀하게 가열하도록 제어될 수 있는 특징이 있다. 또한, 종래 기술들에 비해 설치가 용이하고 에너지 면에서도 효율적으로 작동할 수 있는 장점이 있다. The
또한, 발열체(30)는 전열 발열요소(31)와 고성능 플라스틱(32)으로 구성될 수 있다. 전열 발열요소(31)는 필름 형상(heating film)의 금속 호일로 형성되어 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)의 내부에서 구조적 일체성이 유지될 수 있다. 일 실시 예로 금속 호일은 얇은 금속 호일로 에칭된 것을 사용할 수 있다. 고성능 플라스틱(32)(High performance plastic)은 일반적인 플라스틱에 비해 기계적, 화학적 및 열적 안정성이 뛰어난 소재에 해당한다. 특히, 고성능 플라스틱(32) 중 폴리이미드(polyimide)로 형성된 경우 절연성 및 내열성이 우수하므로 전열 발열요소(31)에서 발생하는 전기의 누전을 막고 고온에서 형상을 유지할 수 있다. Additionally, the
열전도체 층(10)은, 발열체(30)에서 발생한 열을 항공기 표면에 전도하는 층에 해당한다. 즉, 탄소섬유강화폴리머의 경우 열전도성이 낮으므로 발열체(30)에서 발생한 열이 항공기 표면에 발생하는 결빙현상을 막기 위해서는 항공기 표면에 고르게 전달해야 할 필요가 있다. 특히 발열체(30)가 일정한 간격으로 위치하는 경우 발열체(30)가 위치하지 않는 부분의 온도 강하를 줄이기 위해 더욱 필요하다.The
또한, 열전도체 층(10)은 알루미늄 재질인 알루미늄 호일로 형성될 수 있다. 알루미늄 호일은 탄소섬유강화폴리머보다 열전도성이 뛰어나고, 항공기 표면에 부착되는 경우 부식을 방지하는 역할까지 수행할 수 있다. Additionally, the
단열재 층(40)은, 발열체(30)에서 발생한 열을 항공기 내부로 전도되는 것을 막기 위한 구조로 형성된다. 발열체(30)에서 발생한 열이 항공기 표면에 효과적으로 전달되기 위해서는 항공기 내부로 전달되는 것을 차단할 필요가 있다. 또한, 발열체(30)를 일정한 간격으로 항공기 표면에 위치하는 경우, 발열체(30)가 위치하지 않은 부분 역시 결빙되지 않도록 온도 강하를 줄이는 것이 필요하다.The
또한, 단열재 층(40)은 코르크 재질로 형성되는 코르크 보드를 사용할 수 있다. 코르크는 열전도도가 낮고 밀도가 낮으므로 단열에 적합하고 무게가 적게 나가는 장점이 있다. Additionally, the
도 1 및 도 2를 참조하면 일 실시 예에 따라, 탄소섬유스택 층(20)은 일면에 열전도체 층(10)이 적층되고 타면에 단열재 층(40)이 적층되며, 단열재 층(40)은 항공기와 접하며, 발열체(30)는 열전도체 층(10)과 탄소섬유스택 층(20) 사이, 탄소섬유 재질로 형성된 플라이의 여러 겹 사이, 또는 탄소섬유스택 층(20)과 단열재 층(40) 사이 중 적어도 어느 한 곳에 적층될 수 있다. 즉, 열전도체 층(10) - 탄소섬유스택 층(20) - 단열재 층(40) 순서로 적층되고, 발열체(30)는 도 2의 (a) 내지 (c)와 마찬가지로 열전도체 층(10)과 단열재 층(40) 사이에 위치할 수 있다. 발열체(30)는 탄소섬유스택 층(20)의 일면, 타면 또는 탄소섬유 재질로 형성된 플라이의 여러 겹 사이에 위치할 수 있는데, 이는 탄소섬유스택을 발열체(30)의 크기만큼 잘라내어 그 부분에 설치되거나 혹은 탄소섬유스택 층(20)에 부착하여 설치할 수 있다. Referring to Figures 1 and 2, according to one embodiment, the carbon
또한, 도 2를 참조하면 열전도체 층(10)과 단열재 층(40)은 탄소섬유스택 층(20)의 일면과 타면에 에폭시(50)로 각각 접착될 수 있다. 탄소섬유스택과 열전도체 및 단열재는 이종 소재에 해당하므로 서로 다른 열적 특성으로 접합이 용이하지 않다. 특히 항공기 표면에 부착되는 경우 열적 안정성과 물리적 특성이 증가해야 하므로 에폭시(50) 수지(Epoxy resin)로 각각의 소재를 접합할 수 있다. Additionally, referring to FIG. 2, the
도 1 내지 도 3을 참조하면 일 실시 예에 따라, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)상에 위치하는 발열체(30)를 도시한다. 발열체(30)의 위치, 간격 및 개수는 항공기 날개부의 방·제빙의 효율을 위해 특히 중요하다. 1 to 3 show a
특히 도 2를 참조하면, 탄소섬유강화폴리머에 비해 열전도체인 알루미늄 호일의 열전도도가 더 높으므로 어느 층에 위치함에 따라 시스템의 효율이 상이할 수 있다. 또한, 발열체(30)가 열전도체에 가까울수록 항공기 표면에 전달되는 열이 많아 열적 이점이 많으나, 발열체(30)가 알루미늄 호일에 각인되는 것을 방지하기 위해 발열체(30)와 알루미늄 호일의 접착 본드 라인을 얇게 유지해야 함에 유의해야 한다. In particular, referring to Figure 2, since the thermal conductivity of aluminum foil, which is a heat conductor, is higher than that of carbon fiber reinforced polymer, the efficiency of the system may vary depending on which layer it is located. In addition, the closer the
또한 도 3을 참조하면, 발열체(30)는 항공기 날개부의 길이 방향(x축)을 따라 형성되고, 날개부의 폭 방향(y축)으로 다수 개가 일정한 간격으로 이격되어 구비될 수 있다. 항공기 날개부 전체 면에 발열체(30)를 설치할 수 있으나, 항공기 날개의 경우 형상에 따라 국부적으로 기류가 형성되어 열이 전달되는 방법이 위치마다 상이하므로 각각 제어하는 것이 에너지 효율을 개선할 수 있으므로, 날개의 형상 및 크기에 따라 적절하게 발열체(30)를 장착할 수 있다. 다만, 발열체(30)가 항공기 날개부에 일정한 간격으로 위치하는 경우, 발열체(30)가 위치하지 않은 부분에 온도 강하에 따라 결빙현상이 발생할 수 있으므로 발열체의 크기 및 간격 등을 유의해야 한다. Also, referring to FIG. 3, the
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1) 제조 방법(S1)으로, 탄소섬유 재질로 형성된 플라이를 여러 겹 적층하여 탄소섬유스택 층(20)을 형성하는 단계(S10), 탄소섬유스택 층(20)에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체(30)를 부착하는 단계(S20) 및 발열체(30)가 부착된 탄소섬유스택 층(20)에 에폭시(50)를 삽입하여 경화하는 단계(S30)로 제조될 수 있다. Referring to FIG. 4, the manufacturing method (S1) of the anti-icing and de-icing system 1 for the aircraft wing according to one embodiment includes the step of forming a carbon
특히 탄소섬유스택 층(20)에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체(30)를 부착하는 단계(S20)에서, 앞서 설명한 것과 마찬가지로 발열체(30)는 탄소섬유스택 층(20)의 일면, 타면 또는 탄소섬유 재질로 형성된 플라이의 여러 겹 사이에 위치할 수 있고, 이는 탄소섬유스택을 발열체(30)의 크기만큼 잘라내어 그 부분에 설치되거나 혹은 탄소섬유스택 층(20)에 부착하여 설치할 수 있다. In particular, in the step (S20) of attaching the
발열체(30)가 부착된 탄소섬유스택 층(20)에 에폭시(50)를 삽입하여 경화하는 단계(S30)는, 탄소섬유스택과 발열체(30)가 서로 다른 특성으로 인해 접합이 용이하지 않으므로 효율적으로 접합하기 위해 에폭시(50) 수지를 주입하여 접합할 수 있다. 일 실시 예로, 탄소섬유스택과 발열체(30)는 진공 백에 밀봉하고 6기압에서 최대 120℃의 오토클레이브 오븐에서 경화할 수 있다.The step (S30) of inserting and curing
또한, 탄소섬유스택 층(20)의 일면에 발열체(30)에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층(10)을 적층하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 발열체(30)를 외부로 노출시키기 않고 발열체(30)에서 발생한 열을 항공기 표면에 효율적으로 전달하여 결빙을 보호하며, 부식을 방지하기 위해 탄소섬유스택 층(20)의 상부에 적층할 수 있다. 일 실시 예로, 열전도체 층(10)은 아세톤으로 세척한 후, 탄소섬유스택 층(20)과 공동 경화할 수 있다. In addition, a step (S40) of laminating a
또한, 탄소섬유스택 층(20)의 타면에 발열체(30)에서 발생한 열을 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층(40)을 적층하는 단계(S50)를 더 포함할 수 있다. 단열재 층(40)은 앞서 설명한 것과 마찬가지로, 발열체(30)에서 발생한 열을 항공기 내부로 전달되는 것을 차단하고 발열체(30)가 위치하지 않은 부분에 온도 강하로 인한 결빙을 방지하기 위해 설치된다. In addition, a step (S50) of laminating an
또한 일 실시 예로, 열전도체 층(10)과 단열재 층(40)을 탄소섬유스택 층(20)에 부착하기 위해, 실온 경화형 에폭시(50) 접착제 페이스트를 사용하여 진공압력 하에 접착할 수 있다. 탄소섬유스택 층(20)과 발열체(30)를 부착한 후 열전도체 층(10)과 단열재 층(40)을 부착하는 것은, 단열재의 초기 두께를 유지하고 비대칭 적층으로 인한 잔류 래핑(Residual Wrapping)을 방지하기 위함이다. Also, in one embodiment, in order to attach the
또한, 탄소섬유스택 층(20)에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체(30)를 부착하는 단계(S20)에서, 발열체(30)는 전열 발열요소(31)와 전열 발열요소(31)에서 형성된 전류를 외부와 절연하기 위해 전열 발열요소(31)의 외부를 감싸도록 형성되는 내열성의 고성능 플라스틱(32)으로 구성되고, 고성능 플라스틱(32)의 표면을 플라즈마 표면처리하는 단계(S21)를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 표면처리는 방오기능(Antifouling), 접착능력 향상, 표면패턴을 소형화하는 마이크로 패터닝, 지문방지 표면처리 등에 사용되는 방법으로, 고성능 플라스틱(32) 표면을 플라즈마 표면처리하는 경우 에폭시(50)와의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. In addition, in the step (S20) of attaching the
항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)에서 각 소재의 종류, 특징, 치수 및 배치 간격 등은 항공기의 날개 형상, 치수, 항공기 운항 위치 및 속도 등에 따라 다양하게 변경이 가능하다. 또한 본 발명인 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)은 일반 여객기나 전투기와 같은 고정익기 뿐만 아니라, 헬리콥터, 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle: UAV), 도심항공운송수단(Urban Air Mobility: UAM) 등과 같은 장치에도 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 효과는 이하 실제 제작을 통한 실시 예와 비교 예를 통해 판단할 수 있다.In the aircraft wing part anti-icing and de-icing system (1), the type, characteristics, dimensions, and arrangement intervals of each material can be changed in various ways depending on the aircraft's wing shape, dimensions, aircraft operating position and speed, etc. In addition, the aircraft wing part de-icing and de-icing system (1) of the present invention is used not only for fixed-wing aircraft such as general passenger aircraft or fighter jets, but also for helicopters, unmanned aerial vehicles (UAVs), urban air mobility (UAM), etc. It can also be applied to devices. The effect according to the present invention can be judged through actual manufacturing examples and comparative examples below.
[항공기 날개부의 방·제빙 시스템의 제작 및 열 반응][Manufacture and thermal response of the anti-icing and de-icing system of the aircraft wing]
실시 예Example
본 발명은 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)에서, 매개변수를 설정하여 효과적인 결빙제거를 위해 실험하였다. 여기서 매개변수는 소재가 다른 층의 존재 여부, 각 소재의 적층 순서, 발열체의 위치 및 수에 해당한다. The present invention was tested for effective ice removal by setting parameters in the anti-icing and de-icing system (1) of the aircraft wing according to one embodiment. Here, the parameters correspond to the presence or absence of layers with different materials, the stacking order of each material, and the location and number of heating elements.
실험에 사용한 탄소섬유(CFRP)는 탄소/에폭시 단방향 라미나 프리프레그(USN125-B, SK chemicals), 열전도체는 알루미늄 호일(1100-H19 합금), 단열재는 코르크 보드를 사용하였다. 또한 열전도체와 단열재를 접착하기 위해 사용되는 에폭시는 에폭시 접착 페이스트(Loctite EA 9394 AERO, Henkel Corporation Aerospace)를 사용하였다. The carbon fiber (CFRP) used in the experiment was carbon/epoxy unidirectional lamina prepreg (USN125-B, SK chemicals), the heat conductor was aluminum foil (1100-H19 alloy), and the insulation was cork board. Additionally, epoxy adhesive paste (Loctite EA 9394 AERO, Henkel Corporation Aerospace) was used to bond the heat conductor and the insulation material.
실험에 사용한 단열시스템의 치수는 330mm x 330mm, 탄소섬유스택 층(20)은 0.12mm 두께의 플라이를 8겹 적층하여 0.96mm의 공칭 두께를 형성하였다. 발열체(30)는 2개의 폴리이미드 층 사이에 얇은 에칭 금속 호일로 형성된 전열 발열필름(31)(model KHA-112/10, OMEGA Engineering)으로, 폭 25mm, 길이 305mm, 두께 0.114mm로 형성하였다. The dimensions of the insulation system used in the experiment were 330mm The
도 5를 참조하면, 실시 예 1의 시스템을 형성하는 패널은 0.1mm의 알루미늄 호일, 0.96mm의 CFRP, 4.6mm의 코르크보드를 순서대로 적층하고, 알루미늄 호일과 코르크보드를 실온 경화형 에폭시 접착 페이스트를 사용하여 접착하였다. 발열체(30)는 CFRP와 코르크보드 사이에 위치하고, 발열체(30)간 간격을 50mm로 위치하였다. 전열 발열요소(31)는 직류전원 공급장치를 통해 전압을 인가하였다.Referring to Figure 5, the panel forming the system of Example 1 is made by sequentially stacking 0.1 mm aluminum foil, 0.96 mm CFRP, and 4.6 mm cork board, and applying room temperature curing epoxy adhesive paste to the aluminum foil and cork board. It was glued using. The
비교 예Comparison example
본 발명은 비교 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 비교 예 1 내지 4에서는 발열체(30)가 CFRP층 중 위에서 두 번째 층에 위치한다. 비교 예2 내지 4는 0.1mm 두께의 알루미늄 호일을 적층하고, 비교 예 3과 4에는 4.6mm의 코르크 보드를 적층하였다, (다만, 비교 예 3과 4에서 전체 소재를 공동경화하였을 때 경화 주기로 인해 코르크 보드가 1.7mm 두께로 영구 붕괴됨을 관찰하였다.) 비교 예 4에서는 발열체(30)의 간격을 75mm로 설정하였다.The present invention presents an anti-icing and de-icing system (1) for aircraft wings according to a comparative example. Referring to Figure 5, in Comparative Examples 1 to 4, the
이 이외의 구성은 실시 예와 동일하게 구성하였다.Other than this, the configuration was the same as in the embodiment.
도 6을 참조하면, 시간에 따른 발열체(30)가 위치한 상부면에서의 온도 변화를 도시한 그래프이다. 실시 예는, 비교예 1에 비해 낮은 온도로 유지되나, 비교예 2 내지 4 보다는 높은 온도를 유지한다. 이는 알루미늄 호일과 코르크보드의 존재로 발열체(30)에서 발생한 열을 동일한 전력으로 알루미늄 호일을 통해 항공기 표면의 온도를 높게 유지할 수 있음을 나타낸다. Referring to FIG. 6, it is a graph showing the temperature change at the upper surface where the
[항공기 날개부의 방·제빙 시스템의 정상 상태에서의 다중 물리 방빙 시뮬레이션][Multiphysics anti-icing simulation in the normal state of the anti-icing and de-icing system of the aircraft wing]
실시 예 및 비교 예Examples and comparative examples
본 발명은 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)에서, 실시 예 및 비교 예의 정상상태 열 유한 요소 모델링(FEM)을 통한 시스템의 열 특성을 실험한 비교를 나타낸다.The present invention presents an experimental comparison of the thermal characteristics of the system through steady-state thermal finite element modeling (FEM) of the embodiment and comparative example in the anti-icing and de-icing system 1 of the aircraft wing according to an embodiment.
본 시뮬레이션에서는, 실시 예 1, 실시 예 1의 적층구조에서 시스템의 치수를 600mm로 확장하고 50mm간격으로 8개 위치한 실시 예 2, 및 실시 예 1의 적층구조에서 발열체(30)를 표면 근처인 알루미늄 호일과 CFRP 사이에 위치한 실시 예 3을 추가로 실험하였다.In this simulation, the dimensions of the system in the stacked structure of Example 1 and Example 1 are expanded to 600 mm, and the
도 7a 및 7b는, 실시 예 및 비교 예의 패널의 발열체의 중심을 기준으로 거리에 따른 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 7a에서 볼 수 있듯이, 비교 예 2와 3의 경우 비교 예 1에 비해 온도 강하가 적다. 이는 열 전도율이 높은 알루미늄 호일로 인한 효과로 볼 수 있다. 또한, 비교 예 3에서 코르크 보드를 추가한 것이 비교 예 2 보다 표면온도가 약간 증가한 것을 볼 수 있다.7A and 7B are graphs showing temperature distribution according to distance from the center of the heating element of the panel of the example and comparative example. As can be seen in Figure 7a, the temperature drop in Comparative Examples 2 and 3 is less than that in Comparative Example 1. This can be seen as an effect due to aluminum foil, which has high thermal conductivity. Additionally, it can be seen that the addition of cork board in Comparative Example 3 slightly increased the surface temperature compared to Comparative Example 2.
도 7b의 경우, 비교 예4, 실시 예 1내지 3에 대한 패널의 발열체의 중심을 기준으로 거리에 따른 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 실시 예 1과 비교 예 4의 경우, CFRP와 코르크 보드 사이에 발열체(30)가 위치하는 것이 CFRP층 중 위에서 두 번째 층에 위치하는 것보다 더 높은 표면온도를 형성하고 발열체 사이의 온도 강하가 적은 것을 확인할 수 있다. Figure 7b is a graph showing the temperature distribution according to the distance from the center of the heating element of the panel for Comparative Example 4 and Examples 1 to 3. In the case of Example 1 and Comparative Example 4, the
실시 예 1에서 발열체(30)의 수를 늘린 실시 예 2의 경우에는 표면온도가 실시 예 1에 비해 상승한 것으로 볼 수 있는데, 이는 인접한 가열 필름의 누적 열로 인해 최대 표면 온도가 증가한 것으로 판단된다. 또한 발열체(30)를 표면 근처에 위치한 실시 예 3의 경우, 표면 온도가 실시 예 1에 비해 상승한 것으로 볼 수 있다. 또한, 이는 도 8의 실시 예 2와 3에 대한 정상 상태의 열 분포를 통해 확인할 수 있다.In the case of Example 2, in which the number of
[항공기 날개부의 방·제빙 시스템의 유약 얼음 조건에서의 다중 물리 방빙 시뮬레이션][Multiphysics anti-icing simulation under glaze ice conditions of the anti-icing and de-icing system of the aircraft wing]
실시 예Example
본 발명은 일 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)에서, 유약 얼음 조건(glaze icr condition)에서의 열 유한 요소 모델링(FEM)을 통한 시스템의 열 특성을 실험한 비교를 나타낸다. 이는 건조 기류에서 실험한 앞선 실험과는 달리, 동적 기류의 결빙 조건을 고려하여 습한(wet)기류에서의 시뮬레이션 결과에 해당한다.The present invention presents an experimental comparison of the thermal characteristics of the system through thermal finite element modeling (FEM) in a glaze ice condition in the anti-icing and de-icing system 1 of the aircraft wing according to an embodiment. Unlike the previous experiment conducted in a dry airflow, this corresponds to the simulation result in a wet airflow considering the freezing conditions of the dynamic airflow.
또한, 열 유한 요소 모델링(FEM)을 통한 시스템에서 비행 조건의 기류 속도는 102m/sec, 기온 -6.65℃로 형성하였다.In addition, in the system using thermal finite element modeling (FEM), the airflow speed under flight conditions was set to 102 m/sec and the temperature was -6.65°C.
실시 예는, 앞서 설명한 실시 예 1의 적층 구조를 기준으로 1m 길이의 날개에 2mm간격으로 15개의 발열체(30)(너비: 25mm)를 형성하는 시스템이다.The embodiment is a system that forms 15 heating elements 30 (width: 25 mm) at 2 mm intervals on a 1 m long wing based on the laminated structure of Example 1 described above.
이러한 조건에서, 받음각(Angle of attack, AOA)을 0° 와 4°, 열유속(heat plux)을 2.5, 5.0, 7.5 및 10.0 kW/m2으로 각각 설정하여 실험하였다. Under these conditions, the Angle of Attack (AOA) was set to 0° and 4°, and the heat flux was set to 2.5, 5.0, 7.5, and 10.0 kW/m2, respectively.
도 9a는 2mm간격으로 15개의 발열체(30)로 형성된 기류 유선 및 결빙 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.Figure 9a is a diagram showing airflow streamlines formed by 15
도 9a를 참조하면, 시스템이 작동하지 않은 경우 받음각과 무관하게 많은 양의 얼음이 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고 열유속이 2.5kW/m2와 5.0kW/m2의 경우, 발열체에서 발생하는 열로 인해 부분적으로 얼음이 제거된 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 9a, it can be seen that a large amount of ice was formed regardless of the angle of attack when the system was not operating. And in the case of heat fluxes of 2.5 kW/m2 and 5.0 kW/m2, it can be seen that the ice was partially removed due to the heat generated from the heating element.
특히 열유속이 2.5kW/m2에서 받음각이 0° 경우, 런백 아이스(Run-back Ice; 제빙 시스템에 의해 용융된 물이 후방으로 흘러 들어가 제빙 시스템이 없는 곳에서 다시 결빙되는 현상)가 발견된다. 대신, 받음각이 4° 경우 런백 아이스가 형성되지 않으나, 열유속이 낮은 경우 상당한 높이의 얼음뿔이 형성된다. 이는 상부 표면의 국부적 흐름 가속으로 인한 것으로 볼 수 있다.In particular, when the heat flux is 2.5kW/m2 and the angle of attack is 0°, run-back ice (a phenomenon in which water melted by the ice-making system flows backwards and refreezes in areas without an ice-making system) is found. Instead, no runback ice is formed at an angle of attack of 4°, but ice cones of considerable height are formed at low heat fluxes. This can be attributed to local flow acceleration on the upper surface.
반면, 열유속이 7.5kW/m2의 경우 받음각과 무관하게 날개부에 형성된 얼음이 전부 제거된 것을 확인할 수 있다. On the other hand, when the heat flux is 7.5 kW/m2, it can be seen that all ice formed on the wing was removed regardless of the angle of attack.
또한, 도 10은 2mm간격으로 15개의 발열체(30)로 형성된 시뮬레이션 결과를, (a) 익형 단면 온도 등고선, (b) 받음각이 0°경우 표면 온도, (c) 받음각이 4° 경우 표면온도를 도시한 도면이다.In addition, Figure 10 shows the simulation results formed by 15
도 10을 참조하면, 실시 예의 구성에 따른 항공기 날개부의 표면 온도 분포 이미지를 나타낸다. 도 10(a)에는 날개부의 표면 온도가 상하부 모두 전체적으로 균일한 것을 확인할 수 있다. 또한 도 10(b)와 10(c)에는 날개부의 표면 온도가 0~13℃분포로, 전 영역에서 0℃이상으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한 전 영역에서의 발열체 사이의 온도 강하가 2~3℃이므로 런백 아이스를 형성할 가능성도 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, an image of the surface temperature distribution of the aircraft wing according to the configuration of the embodiment is shown. In Figure 10(a), it can be seen that the surface temperature of the wing portion is uniform throughout both the upper and lower portions. In addition, in Figures 10(b) and 10(c), it can be seen that the surface temperature of the wing portion is distributed between 0 and 13°C, and is above 0°C in the entire area. Additionally, it can be seen that the temperature drop between heating elements in all areas is 2~3℃, so the possibility of forming runback ice is low.
비교 예Comparison example
본 발명은 비교 실시 예에 따른 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)을 나타낸다.The present invention presents an anti-icing and de-icing system (1) for aircraft wings according to a comparative example.
비교 예는 앞서 설명한 실시 예 1의 적층 구조를 기준으로 1m 길이의 날개에 50mm간격으로 5개의 발열체(30)(너비: 25mm)를 형성하는 시스템이다The comparative example is a system that forms five heating elements 30 (width: 25 mm) at 50 mm intervals on a 1 m long wing based on the laminated structure of Example 1 described above.
이 이외의 구성은 실시 예와 동일하게 구성하였다.Other than this, the configuration was the same as that of the embodiment.
도 9b는 50mm간격으로 5개의 발열체(30)로 형성된 기류 유선 및 결빙 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.Figure 9b is a diagram showing airflow streamlines formed by five
도 9b를 참조하면, 열유속을 10.0kW/m2까지 증가시켰음에도 날개부에 얼음이 부분적으로만 제거된 것을 확인할 수 있다. 이것은 부분적으로 녹은 얼음의 역류 및 발열체(30) 사이의 간격에 의해 발생한 것으로 볼 수 있다. Referring to Figure 9b, it can be seen that even though the heat flux was increased to 10.0 kW/m2, the ice was only partially removed from the wing portion. This can be seen to be caused by the backflow of partially melted ice and the gap between the
즉, 실시 예와 비교해볼 때, 발열체(30) 사이의 거리가 멀 수록 시스템에 의해 녹은 물이 후미로 이동한 후 발열체(30)가 부착되지 않은 부분에서 차가운 표면 온도와 만나 다시 얼어붙어 런백 아이스가 더 쉽게 형성된 것을 확인할 수 있다.That is, compared to the embodiment, as the distance between the
또한, 도 11은 50mm간격으로 5개의 발열체(30)로 형성된 시뮬레이션 결과를, (a) 익형 단면 온도 등고선, (b) 받음각이 0°경우 표면 온도, (c) 받음각이 4° 경우 표면온도를 도시한 도면이다.In addition, Figure 11 shows the simulation results formed by five
도 11를 참조하면, 실시 예의 구성에 따른 항공기 날개부의 표면 온도 분포 이미지를 나타낸다. 도 11(a)에는 발열체(30) 사이에서 온도 강하가 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 얼음이 형성된 부분 역시 온도 강하가 큰 부분인 것 역시 확인할 수 있다. Referring to FIG. 11, an image of the surface temperature distribution of the aircraft wing according to the configuration of the embodiment is shown. In Figure 11(a), it can be seen that the temperature drop is large between the
특히 도 11(b)와 도 11(c)를 참조하면, 열유속을 10.0kW/m2까지 증가시켰음에도 발열체(30) 사이에서 0°이하로 형성된 부분과, 발열체 사이의 온도 강하가 10° 이상으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. In particular, referring to FIGS. 11(b) and 11(c), even though the heat flux was increased to 10.0 kW/m2, the temperature drop between the portion formed at 0° or less between the
결과적으로, 발열체(30) 사이의 간격을 최대한 줄이고 발열체(30)의 위치를 날개부의 표면에 최대한 가깝게 위치하는 구성이 발열체(30)사이의 온도 강하를 줄일 수 있으므로, 본 발명의 항공기 날개부의 방·제빙 시스템(1)에서 열유속에 따른 결빙 방지 효과가 가장 바람직한 것을 확인할 수 있다. As a result, the configuration of reducing the gap between the
앞에서 설명되고 도면에 도시된 항공기 날개부의 방·제빙 시스템은, 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.The anti-icing and de-icing system of the aircraft wing described above and shown in the drawings is only an example for carrying out the present invention, and should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. Embodiments that have been improved and changed without departing from the gist of the present invention will be said to fall within the scope of protection of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains.
1: 항공기 날개부의 방·제빙 시스템
10: 열전도체 층
20: 탄소섬유스택 층
30: 발열체
31: 전열 발열요소
32: 고성능 플라스틱
40: 단열재 층
50: 에폭시1: Aircraft wing anti-icing and de-icing system
10: heat conductor layer
20: Carbon fiber stack layer
30: heating element
31: Electric heating element
32: High-performance plastic
40: insulation layer
50: Epoxy
Claims (13)
항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체;
상기 발열체에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층;및
상기 발열체에서 발생한 열을 상기 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층;으로 형성되는 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
A carbon fiber stack layer in which several plies made of carbon fiber materials are laminated;
A heating element that supplies heat to remove ice that forms on the aircraft surface;
A heat conductor layer that conducts heat generated from the heating element; And
An anti-icing and de-icing system for an aircraft wing portion formed of an insulating material layer that prevents heat generated from the heating element from being conducted into the interior of the aircraft.
상기 탄소섬유스택 층은, 일면에 상기 열전도체 층이 적층되고, 타면에 상기 단열재 층이 적층되며,
상기 단열재 층은 상기 항공기와 접하며,
상기 발열체는, 상기 열전도체 층과 탄소섬유스택 층 사이, 상기 탄소섬유 재질로 형성된 플라이의 여러 겹 사이, 또는 상기 탄소섬유스택 층과 상기 단열재 층 사이 중 적어도 어느 한 곳에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
In the carbon fiber stack layer, the heat conductor layer is laminated on one side, and the insulation layer is laminated on the other side,
The insulation layer is in contact with the aircraft,
The heating element is characterized in that it is laminated at least one of between the heat conductor layer and the carbon fiber stack layer, between several layers of plies formed of the carbon fiber material, or between the carbon fiber stack layer and the insulation layer. Anti-icing and de-icing system for aircraft wings.
상기 열전도체 층과 단열재 층은,
상기 탄소섬유스택 층의 일면과 타면에 에폭시로 각각 접착되어 있는 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 2,
The heat conductor layer and the insulation layer are,
An anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, characterized in that one side and the other side of the carbon fiber stack layer are respectively bonded to each other with epoxy.
상기 탄소섬유스택 층은,
탄소섬유강화폴리머로 형성된 플라이로 여러 겹 적층된 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
The carbon fiber stack layer is,
An anti-icing and de-icing system for aircraft wings, characterized by multiple layers of plies formed of carbon fiber-reinforced polymer.
상기 발열체는,
전열 발열요소와,
상기 전열 발열요소에서 형성된 전류를 외부와 절연하기 위해, 상기 전열 발열요소의 외부를 감싸도록 형성되는 내열성의 고성능 플라스틱(High Performance Plastic)으로 구성된 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
The heating element is,
An electric heating element,
An anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, characterized in that it is made of heat-resistant, high-performance plastic formed to surround the exterior of the electrothermal heating element in order to insulate the electric current generated in the electrothermal heating element from the outside.
상기 발열체는,
상기 항공기 날개부의 길이 방향을 따라 형성되고,
상기 날개부의 폭 방향으로 다수 개가 일정한 간격으로 이격되어 구비된 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
The heating element is,
Formed along the longitudinal direction of the aircraft wing,
An anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, characterized in that a plurality of units are provided spaced apart at regular intervals in the width direction of the wing.
상기 열전도체 층은,
알루미늄 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
The heat conductor layer is,
An anti-icing and de-icing system for aircraft wings, characterized in that it is made of aluminum.
상기 단열재 층은,
코르크 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템.
According to paragraph 1,
The insulation layer is,
An anti-icing and de-icing system for aircraft wings, characterized in that it is made of cork material.
상기 탄소섬유스택 층에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체를 부착하는 단계;및
상기 발열체가 부착된 상기 탄소섬유스택 층에 에폭시를 삽입하여 경화하는 단계;로 형성되는 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법.
Forming a carbon fiber stack layer by stacking several plies made of carbon fiber material;
Attaching a heating element that supplies heat to the carbon fiber stack layer to remove ice formed on the surface of the aircraft; And
A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing formed by inserting and curing epoxy into the carbon fiber stack layer to which the heating element is attached.
상기 탄소섬유스택 층의 일면에, 상기 발열체에서 발생한 열을 전도하는 열전도체 층을 적층하는 단계를 더 포함하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, further comprising laminating a heat conductor layer that conducts heat generated from the heating element on one surface of the carbon fiber stack layer.
상기 탄소섬유스택 층의 타면에, 상기 발열체에서 발생한 열을 상기 항공기 내부로 전도되는 것을 막는 단열재 층을 적층하는 단계를 더 포함하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, further comprising laminating an insulation layer on the other surface of the carbon fiber stack layer to prevent heat generated from the heating element from being conducted into the interior of the aircraft.
상기 열전도체 층과 단열재 층 중 적어도 어느 하나를 적층하고,
에폭시를 사용하여 진공압력하에 접착하는 단계를 더 포함하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법.
According to claim 10 or 11,
Laminating at least one of the heat conductor layer and the insulation layer,
A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, further comprising bonding under vacuum pressure using epoxy.
상기 탄소섬유스택 층에 항공기 표면에 형성되는 결빙을 제거하기 위해 열을 공급하는 발열체를 부착하는 단계에서,
상기 발열체는, 전열 발열요소와, 상기 전열 발열요소에서 형성된 전류를 외부와 절연하기 위해 상기 전열 발열요소의 외부를 감싸도록 형성되는 내열성의 고성능 플라스틱(High Performance Plastic)으로 구성되고,
상기 고성능 플라스틱의 표면을 플라즈마 표면처리하는 단계를 더 포함하는, 항공기 날개부의 방·제빙 시스템 제조 방법.According to clause 9,
In the step of attaching a heating element that supplies heat to the carbon fiber stack layer to remove ice formed on the surface of the aircraft,
The heating element is composed of an electrothermal heating element and heat-resistant High Performance Plastic formed to surround the outside of the electrothermal heating element to insulate the electric current generated in the electrothermal heating element from the outside,
A method of manufacturing an anti-icing and de-icing system for an aircraft wing, further comprising the step of plasma surface treatment of the surface of the high-performance plastic.
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E902 | Notification of reason for refusal |