一种用于复合材料机翼的表面结冰防护系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于复合材料机翼的表面结冰防护系统及其控温方法，对于小型飞机或者无人机，由于本身载荷较小，没有充足的发动机引来的热气，该类飞机难以携带现有的防除冰系统。而本发明提出的应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统使用石墨箔电加热材料作为新型表面式结冰防护系统的产热部件，使用电能、无需引气、功耗小。根据外缘控温传感器和结冰传感器产生信号，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率，实现低功耗、自适应地除去尾翼产生的冰。
【专利说明】一种用于复合材料机翼的表面结冰防护系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统，适用于小型无人机及直升机的机翼和尾翼的防冰和除冰。
【背景技术】
[0002]飞机结冰防护系统包括防冰系统和除冰系统两大类，主要应用于飞机关键部位，如机翼、尾翼、发动机进气道前缘、雷达天线罩等。防冰系统是将大部分的撞击水蒸发掉并保持表面温度一直高于冰点以防止飞机部件表面结冰的系统；除冰系统是指周期地将部件表面所结冰去除的系统，允许部件表面结少量的冰。防冰系统相对除冰系统所需要的能量高很多，多应用于特别重要的部件。目前结冰防护装置有很多种，有的已经达到了成熟应用，有的在设计研究，它们的适用范围及能量消耗有很大的差别。常用的防除冰方法主要包括机械除冰、化学液体防除冰、超疏水表面防冰以及热防除冰。这些防除冰方法在各种飞机、各种结冰部件上都有应用，其中用的最多的是热气与电热防除冰系统。但是随着飞机制造业的发展，飞机上越来越多的使用复合材料来降低飞机的重量，复合材料导热性较差的特点给防除冰系统带来了新问题。再者，对于小型飞机或者无人机来说，由于本身载荷较小，且没有充足的发动机引来的热气，该类飞机难以携带现有的防除冰系统。
[0003]由于石墨箔柔韧性好，其超薄型的层状结构使其重量轻，且容易安装于非常规机面，另外，由于可瞬间升温，要求的加热功率小。本项发明将提出基于石墨箔的新型表面式结冰防护系统，主要应用于采用复合材料的无人机及直升机的机翼防冰及尾翼除冰。但由于本发明面向复合材料机翼的防除冰，其控温方法将与常规的金属蒙皮机翼存在如下不同:
[0004](I)复合材料导热性差，必须将防除系统安装于机翼外侧；
[0005](2)复合材料导热性差，必须将控温传感器尽可能置于机翼外缘，以正确感知机翼表面加热温度；
[0006](3)由于气象条件的复杂性，对于表面机翼除冰量未知特点，必须建立新型的分区控温方法。
[0007]由于上述问题，本发明提出一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统及其控温方法，用于实现采用复合材料的无人机及直升机的机翼防冰及尾翼除冰。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，使用石墨箔电加热材料粘附于复合材料机翼，形成新型的面向复合材料机翼的表面式结冰防护系统。该新型的面向复合材料机翼的表面式结冰防护系统由于使用了石墨箔作为表面加热部分，具有柔韧性好、超薄层状结构、易于粘附于不规则外表面、重量轻的特点，另外，可瞬间升温、要求的加热功率小。
[0009]根据本发明的一个方面，将提出一种面向复合材料机翼的表面式结冰防护系统分区布置及分区温控方法。建立新型的分区布置及控温方法，解决复杂气象条件下表面机翼除冰量未知问题，根据外壁温度传感器或结冰传感器信号自适应地加热区域及加热量。
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统及其控温方法，适用于无人机及直升机采用复合材料的机翼防冰及尾翼除冰。本发明的特征在于包括:
[0011]基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件，用于无人机及直升机复合材料机翼防冰及复合材料尾翼除冰；
[0012]外缘控温传感器，由于复合材料机翼或尾翼导热性差，该控温传感器必须位于机翼外缘，用于最佳地感受机翼或尾翼外表面温度；
[0013]结冰传感器，用于感受飞机机翼或尾翼外表面是否结冰；
[0014]自适应加热控制器，根据外缘控温传感器和结冰传感器信号，按照控制规律控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是现有技术的飞机电脉冲防除冰原理示意图，
[0016]图2用于说明根据本发明的一个实施例，说明一种新型表面式复合材料机翼防冰系统及其控温的原理，用于无人机及直升机复合材料机翼防冰，
[0017]图3用于说明根据本发明的一个实施例，说明一种新型表面式复合材料尾翼除冰系统及其控温的原理，用于无人机及直升机复合材料尾翼除冰，
[0018]图4用于说明根据本发明的一个实施例，说明一种新型表面式复合材料尾翼除冰系统间歇加热控温方法。
【具体实施方式】
[0019]本发明的一个目的是建立一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统，可实现柔韧性好、超薄层状结构、易于粘附于不规则外表面、重量轻的表面式结冰防护结构，以及瞬间升温、加热功率小的低能耗目的。
[0020]本发明建立的一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统包括了两类系统，即一种新型表面式复合材料机翼防冰系统和一种新型表面式复合材料尾翼除冰系统。针对新型表面式复合材料尾翼除冰系统，建立新型的分区布置及控温方法，根据外壁温度传感器或结冰传感器信号自适应地加热区域及加热量，解决复杂气象条件下表面机翼除冰量未知问题。
[0021]目前现有技术提到的电加热结冰防护系统，如图1所示是电脉冲结冰防护系统，主要由飞机蒙皮301、线圈I (302)、增强装置303、线圈2 (304)、线圈支撑305、电容器306、触发器307、可控硅308组成。现有技术提到的电加热结冰防护系统主要存在的问题是:(I)对于复合材料机翼或尾翼，导热性较差，内置式的电脉防除冰系统无法将电能转化成的热能传输到机翼外缘，因此给防除冰系统带来新问题；(2)对于小型飞机或者无人机，由于本身载荷较小，且没有充足的发动机引来的热气，该类飞机难以携带现有的热气或电脉冲防除冰系统。
[0022]本发明提出一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统及其控温方法，主要应用于采用复合材料的无人机及直升机的机翼防冰及尾翼除冰目的。本发明包括了两种类系统，一种新型表面式复合材料机翼防冰系统和一种新型表面式复合材料尾翼除冰系统。
[0023]根据本发明的一个具体实施例，提供了一种新型表面式复合材料机翼防冰系统及其控温方法，如图2所示。根据本发明的一个实施例的新型表面式复合材料机翼防冰系统包括:复合材料机翼102，用于形成飞机升力的良好气流组织；基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件101，用于将电能转化为热能，提高复合材料机翼表面温度，从而防止冰产生或除去产生的冰；外缘控温传感器103，该控温传感器位于机翼外缘，用于感受机翼外表面温度；结冰传感器107，用于感受飞机机翼外表面是否结冰；自适应加热控制器106，根据外缘控温传感器103和结冰传感器107产生的温度信号104和结冰信号108，按照控制规律产生加热量控制信号105，控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率。
[0024]根据本发明的一个具体实施例，提供了一种新型表面式复合材料尾翼除冰系统及其控温方法，如图3所示。根据本发明的一个实施例的新型表面式复合材料机翼除冰系统包括:复合材料尾翼201，用于保持飞机良好升力气流；基于柔性石墨箔的新型表面式分区结冰防护部件2021?2025，用于将电能转化为热能，提高复合材料尾翼表面温度，从而间断地除去尾翼表面产生的冰，由于尾翼面积较大，如大面积加热尾翼表面，将非常耗能，对于表面尾翼除冰量未知特点，基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件2021?2025采用了分区布置方式，根据温度信号205和结冰信号207，按间歇加热控温方法(图4)，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率；外缘控温传感器2031?2035，位于机翼外缘，每块表面式结冰防护部件设置一个温度传感器，用于感受尾翼不同区域外表面温度；结冰传感器204，用于感受飞机尾翼外表面是否结冰；自适应加热控制器206，根据外缘控温传感器2031?2035和结冰传感器204产生的温度信号205和结冰信号207，按照按间歇加热控温方法(图4)产生加热量控制信号208，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率。
[0025]本发明提出一种应用于复合材料机翼的新型表面式结冰防护系统及其控温方法，与现存的飞机热气与电热结冰防护装置相比，本发明的优点在于:
[0026]本发明使用石墨箔电加热材料作为新型表面式结冰防护部件，具有柔韧性好、超薄层状结构、易于粘附于不规则外表面、重量轻的特点，代偿损失小；
[0027]本发明使用石墨箔电加热材料作为新型表面式结冰防护部件，可瞬间升温、要求的加热功率小，更利于节能；
[0028]本发明使用石墨箔电加热材料作为新型表面式结冰防护部件，可粘附于复合材料机翼或尾翼外表面，很好地解决了复合材料导热性较差给防除冰系统带来的新问题；
[0029]对于小型飞机或者无人机，由于本身载荷较小，没有充足的发动机引来的热气，该类飞机难以携带现有的防除冰系统，而本发明提出的结冰防护系统使用电能、无需引气，且功耗小；
[0030]本发明提出将外缘控温传感器安置于复合材料机翼或尾翼外缘，能更好地感知机翼表面加热温度，防止加热过热；
[0031]本发明提出间歇分区域加热控温方法，能很好地适应复杂气象飞行环境，根据外缘控温传感器和结冰传感器产生信号，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率，实现低功耗、自适应地除去尾翼产生的冰。本发明使用石墨箔电加热材料作为新型表面式结冰防护部件，可粘附于复合材料机翼或尾翼外表面，很好地解决了复合材料导热性较差给防除冰系统带来的新问题，具有柔韧性好、超薄层状结构、易于粘附于不规则外表面、重量轻的特点，代偿损失小；
[0032]对于小型飞机或者无人机，由于本身载荷较小，没有充足的发动机引来的热气，该类飞机难以携带现有的防除冰系统，而本发明提出的结冰防护系统使用电能、无需引气，可瞬间升温、要求的加热功率小，更利于节能且电耗小；本发明提出将外缘控温传感器安置于复合材料机翼或尾翼外缘，能更好地感知机翼表面加热温度，防止加热过热；且由于采用了间歇分区域加热控温方法，能很好地适应复杂气象飞行环境，根据外缘控温传感器和结冰传感器产生信号，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率，实现低功耗、自适应地除去尾翼产生的冰。
【权利要求】
1.一种用于复合材料机翼的表面结冰防护系统，其特征在于:包括 基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件(101)，用于将电能转化为热能，提高复合材料机翼表面温度，从而防止冰产生或除去产生的冰； 外缘控温传感器(103)，该控温传感器位于机翼外缘，用于检测机翼外表面温度； 自适应加热控制器(106)，根据外缘控温传感器产生的信号，按照控制规律产生加热量，控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件的加热功率。
2.一种用于复合材料尾翼的除冰系统，其特征在于:包括 外缘控温传感器(2031?2035)，位于尾翼外缘，每块表面式结冰防护部件设置一个温度传感器，用于感受尾翼不同区域外表面温度； 自适应加热控制器(206)，按照按间歇加热控温方法产生加热量控制信号，分区域地控制基于柔性石墨箔的表面式结冰防护部件加热功率； 基于柔性石墨箔的表面式分区结冰防护部件(2021?2025)，将电能转化为热能，提高复合材料尾翼表面温度，基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件(2021?2025)采用了分区布置方式，根据温度信号和结冰信号，按间歇加热控温方法，从而间断地除去尾翼表面产生的冰，分区域地控制基于柔性石墨箔的新型表面式结冰防护部件加热功率。
【文档编号】B64D15/12GK104443396SQ201410752695
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】周月 申请人:中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心