Способ предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к противообледенительным системам летательного аппарата (ЛА), и может быть использовано в любых областях энергомашиностроения, где можно использовать скоростной напор окружающего воздуха. Способ заключается в том, что конструктивные элементы ЛА в подверженных опасности обледенения зонах поверхности нагревают до температуры таяния льда. Необходимую для нагрева тепловую энергию получают путем преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего воздуха. Полученную тепловую энергию передают в подверженные опасности обледенения зоны поверхности за счет аккумуляции тепла. Для преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего воздуха в тепловую по фронту лобовых частей конструктивных элементов ЛА могут быть установлены акустические резонаторы, изготовленные из высокотеплопроводного материала. Изобретение позволит увеличить дальность полета ЛА любого типа, исключить дополнительную нагрузку на бортовую энергетическую систему, снизить вес ЛА. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к противообледенительным системам летательного аппарата (ЛА), и может быть использовано для предотвращения образования льда на внешних поверхностях крыльев самолета, входных устройств газотурбинных двигателей ЛА, лопастях винтов вертолетов, лопастях воздушных винтов (движителей), ветряных электрогенераторов и т.д. То есть в любых областях энергомашиностроения, где можно использовать скоростной напор окружающего воздуха.

Известен способ механического разрушения льда на конструкциях летательного аппарата [Патент РФ №93053570, кл. B 64 D 15/16, опубл. 27.06.1996], заключающийся в создании в защищаемой обшивке и слое льда, находящемся на ней, повторяющихся импульсных деформаций, разделенных паузами. На внешней поверхности защищаемой обшивки в подверженных опасности обледенения зонах закрепляют упругий материал с запрессованными внутри последнего ферромагнитными пластинками и формируют электроимпульсным методом колебания упругого материала, при образовании на нем льда, посредством воздействия на ферромагнитные пластинки электромагнитным полем переменного знака, сконцентрированным в области последних.

К недостаткам этого изобретения относятся:

- высокая энергоемкость способа, ввиду того, что для формирования электромагнитного импульса используют бортовые источники электроэнергии;

- увеличение веса ЛА за счет необходимости установки дополнительного оборудования для создания импульсных деформаций в обшивке;

- уменьшение дальности полета ЛА и уменьшение расстояния до "точки возврата" при аварийных ситуациях вследствие дополнительного расхода топлива на формирование колебаний упругого материала обшивки;

- уменьшение эксплуатационного ресурса основных двигателей ЛА, что связано с дополнительными затратами электроэнергии на устранение льда;

- сложность конструкции из-за большого количества конструктивных элементов, используемых в способе, а именно упругих элементов обшивки, ферромагнитных вставок, распределительного устройства и проводов для подвода электроэнергии и т.д.;

- снижение ресурса обшивки вследствие повреждений от деформаций при создании электромагнитных импульсов;

- сложность осуществления способа, связанная с тем, что в аналоге происходит разрушение уже образовавшегося слоя льда, а не предотвращение его образования. Следовательно, необходимо осуществить дополнительные операции по активизации работы устройств, генерирующих колебания.

Известно изобретение “Элементы сопротивления для нагрева аэродинамической поверхности и устройства, включающие такие элементы” [Патент США №5971323, кл. B 64 D 15/00, B 64 L 01/02, опубл. 26.11.1999], заключающееся в том, что для удаления обледенения аэродинамическую поверхность нагревают, используя несколько элементов сопротивления, каждый из которых состоит из электропроводящих стекловолокон и расположен в аэродинамической поверхности в непосредственной близости к ее переднему фронту параллельно ему. На элементы сопротивления подают электрический ток, что вызывает их нагрев, связанный с эффектом Джоуля.

Недостатками этого известного изобретения являются:

- уменьшение дальности полета ЛА из-за необходимости расхода топлива на обогрев аэродинамических поверхностей;

- сложность конструкции ввиду необходимости наличия большого количества элементов сопротивления и входящих в их состав электропроводящих стекловолокон;

- увеличение веса ЛА в целом за счет увеличения массы топлива на борту для выработки электроэнергии, необходимой для обогрева;

- дополнительная нагрузка на энергоустановку ЛА вследствие отбора электроэнергии от основных двигателей на обогрев подверженных опасности обледенения поверхностей.

Известен метод и аппарат для использования нагретых топлив для удаления обледенения с самолета [Патент США №5558303, кл. B 64 D 15/02, опубл. 24.09.1996]. Метод заключается в том, что для удаления обледенения с аэродинамической поверхности ее нагревают до температур таяния льда, используя тепло от топлива, предварительно нагретого до температур, достаточно высоких для того, чтобы передать тепловую энергию через топливные баки, находящиеся в крыльях, к внешней области крыльев.

Недостатками этого изобретения являются:

- ограниченность в использовании на самолетах различных марок, связанная с необходимостью обязательного расположения топливного бака в крыле ЛА;

- большие эксплуатационные затраты вследствие необходимости наличия на аэродромах специального оборудования для предварительного нагрева топлива.

Известно изобретение “Предкрылок самолета с воздушным обогревом” [Патент РФ №2083441, кл. B 64 D 15/04, опубл. 10.07.1997], заключающееся в том, что для нагрева подверженных обледенению конструктивных элементов используют трубу воздушного обогрева, устанавливаемую в предкрылке аэродинамической поверхности на опорный элемент, выполненный в виде колодки. Колодка закреплена на диафрагме и подпружинена относительно нее плоской гофрированной пружиной. Труба воздушного обогрева расположена в носке предкрылка и прикреплена с помощью хомута к продольной диафрагме, а хомут закреплен со стороны от носка предкрылка с возможностью фиксированного ослабления натяжения.

Недостатками данного изобретения являются:

- увеличение веса ЛА;

- увеличение нагрузки на бортовую энергетическую систему ЛА;

- сложность конструкции, дороговизна изготовления и монтажа противообледенительного устройства на борту ЛА;

- большие габаритные размеры конструктивных элементов, входящих в состав антиобледенительного устройства, в частности трубы воздушного обогрева.

Из известных способов наиболее близким к изобретению по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа, является способ противообледенения и микроволновая антиобледенительная система самолета [Патент США №5615849, кл. В 64 D 15/00, опубл. 01.04.1997], в которой конструктивные элементы ЛА в подверженных опасности обледенения зонах поверхности нагревают до температур таяния льда t>0°С. Микроволновая энергия, получаемая от микроволнового генератора, поглощается специальной тепловой поглощающей трубкой, находящейся в предкрылке аэродинамической поверхности. Затем полученную микроволновую энергию преобразуют в тепловую посредством той же поглощающей трубки. Для наиболее эффективного преобразования микроволновой энергии в тепловую на внутреннюю поверхность трубки наносят специальное покрытие, обладающее высокими абсорбционными свойствами, и устанавливают зеркало-изолятор. Затем тепловыми трансферными рулями тепловую энергию передают к конструктивным элементам ЛА, например к обшивке переднего фронта крыла, или к другой аэродинамической поверхности, ротору ЛА и т.д. Температуру этих элементов поддерживают на постоянном уровне так, чтобы она была существенно выше температуры замерзания. Таким образом, осуществляют нагрев конструктивных элементов ЛА, позволяя предотвратить их обледенение.

Недостатками данного изобретения являются:

- уменьшение дальности полета ЛА и уменьшение расстояния до "точки возврата" вследствие необходимости дополнительного расхода топлива на обогрев подверженных опасности обледенения поверхностей;

- большая нагрузка на бортовую энергетическую систему, связанная с тем, что поток микроволновой энергии получают посредством микроволнового генератора, использующего электроэнергию от бортовой сети ЛА для создания этого потока;

- увеличение веса ЛА вследствие того, что в состав системы предотвращения обледенения входит большое количество конструктивных элементов, а именно микроволновый генератор, радиальные трансферные рули, тепловая поглощающая трубка. Поэтому в совокупности с установочными элементами антиобледенительная система представляет собой весьма сложную конструкцию и занимает значительную часть объема внутреннего пространства аэродинамической поверхности ЛА.

К недостаткам применения данного изобретения также относится высокая стоимость изготовления конструктивных элементов системы антиобледенения в связи с тем, что для изготовления микроволнового генератора и поглощающей трубки используют дорогостоящее оборудование и материалы.

Таким образом, в настоящее время используется три основных метода для удаления или предотвращения образования льда на внешних поверхностях ЛА, а именно:

- путем подачи нагретых газов или жидкостей по трубопроводу;

- путем электронагрева;

- механическими средствами, например вибрационными сетками или колодками, прикрепляемыми к поверхности ЛА или встроенными в нее.

Очевидно, что использование всех этих известных методов приводит к усложнению конструкции ЛА в целом, требует дополнительного расхода электроэнергии на обогрев, а следовательно, к уменьшению дальности полета и к увеличению веса ЛА.

Также нужно отметить тот факт, что все рассмотренные выше способы и устройства для их осуществления не задействованы в течение всего времени полета ЛА, то есть направлены на разрушение уже образовавшегося слоя льда, а не на предотвращение его образования. В случае же, если осуществлять эти способы или использовать такие устройства непрерывно, затраты электроэнергии, а следовательно, расход топлива на получение этой энергии будут недопустимыми с точки зрения условий эксплуатации ЛА.

В основу изобретения поставлена задача увеличения дальности полета ЛА, снижения нагрузки на бортовую энергетическую систему и, как следствие, исключения дополнительного расхода топлива на обогрев подверженных опасности обледенения поверхностей, а также снижение веса ЛА.

Поставленная задача решается тем, что способ предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов заключается в том, что конструктивные элементы летательного аппарата в подверженных опасности обледенения зонах поверхности нагревают до температур таяния льда t>0С°. Согласно изобретению необходимую для нагрева тепловую энергию получают путем преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего со скоростью М≥0,4 воздуха. Затем полученную тепловую энергию передают в подверженные опасности обледенения зоны поверхности за счет аккумуляции тепла.

Для преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего воздуха в тепловую в лобовых частях конструктивных элементов ЛА, например в лобовой части крыла, устанавливают акустические резонаторы. Затем в них генерируют высокочастотные ударные волны, после чего нагревают глухие концы резонаторов для аккумуляции тепла.

В отдельных случаях, для наиболее эффективного использования энергии скоростного напора набегающего воздуха, акустические резонаторы устанавливают по фронту лобовых частей конструктивных элементов летательного аппарата.

Чтобы обеспечить аккумуляцию тепла для нагрева поверхностей конструктивных элементов летательного аппарата акустические резонаторы изготавливают из высокотеплопроводного материала, после чего отделяют друг от друга разделительными элементами.

В заявляемом изобретении обеспечивается увеличение дальности полета ЛА и увеличение расстояния до "точки возврата" благодаря исключению необходимости дополнительного расхода топлива на обогрев подверженных опасности обледенения поверхностей. Это достигается благодаря тому, что нагрев поверхностей конструктивных элементов ЛА происходит за счет аккумуляции тепла. То есть в акустических резонаторах генерируют высокочастотные ударные волны и нагревают глухие концы, а полученная тепловая энергия постепенно распространяется от глухого конца резонатора по всему конструктивному элементу. То есть после выхода устройства на режим температура по всей длине резонатора будет постоянной. В том числе, в обшивке конструктивного элемента ЛА она повысится от температуры окружающей среды до температуры таяния льда. Таким образом, в изобретении достигается предотвращение образования льда в подверженных опасности обледенения зонах поверхности конструктивных элементов ЛА.

В изобретении достигается исключение дополнительной нагрузки на бортовую энергетическую систему благодаря тому, что для борьбы с обледенением кромок конструктивных элементов ЛА используют акустические резонаторы. Работа акустического резонатора, в данном случае, основана на преобразовании энергии окружающей среды, следовательно, не требуется затрат электроэнергии от бортового источника.

В заявляемом изобретении достигается снижение веса ЛА благодаря тому, что в лобовых частях конструктивных элементов ЛА устанавливают акустические резонаторы. Вся система предотвращения обледенения состоит из небольшого количества деталей, а именно совокупности акустических резонаторов, которые сами по себе имеют достаточно простую конструкцию. Известно, что акустический резонатор представляет собой корпус с глухим концом и имеет небольшие габариты и вес.

Положительной особенностью применения изобретения является снижение затрат на изготовление конструктивных элементов антиобледенительного устройства, так как акустический резонатор имеет достаточно простую конструкцию и не требует наличия специального дорогостоящего оборудования для его изготовления. Все элементы конструкции изготовлены из доступных материалов, стоимость которых существенно ниже стоимости материалов элементов системы наиболее близкого аналога.

На Фиг. 1 показан график изменения температуры глухого конца резонатора с изменением числа Маха М; на Фиг. 2 - схема распространения тепловой энергии от глухого конца резонатора к обшивке конструктивного элемента в подверженной опасности обледенения зоне.

Предлагаемый способ предотвращения обледенения конструктивных элементов летательного аппарата заключается в том, что:

- получают необходимую для нагрева тепловую энергию путем преобразования кинетической энергии скоростного напора, набегающего со скоростью М≥0,4 воздуха (см. Фиг. 1);

- передают полученную тепловую энергию в подверженные опасности обледенения зоны поверхности за счет аккумуляции тепла;

- нагревают конструктивные элементы летательного аппарата в подверженных опасности обледенения зонах поверхности до температур таяния льда t>0С°.

Преобразование кинетической энергии скоростного напора набегающего воздуха в тепловую осуществляют следующим образом:

- устанавливают акустические резонаторы в лобовых частях конструктивных элементов летательного аппарата, например в лобовой части крыла;

- генерируют в акустических резонаторах высокочастотные ударные волны;

- нагревают глухие концы резонаторов для аккумуляции тепла.

Нагрев поверхностей конструктивных элементов ЛА происходит за счет аккумуляции тепла. Тепловая энергия постепенно распространяется от глухого конца резонатора по всему конструктивному элементу (см. Фиг. 1).

При набегании потока окружающей среды на лобовую часть конструктивного элемента ЛА со скоростью М≥0,4 отношение Θ_r температуры глухого конца резонатора к температуре на входе в резонатор постепенно возрастает.

где Θ_r - отношение температуры глухого конца резонатора к температуре на входе в резонатор;

Т_гк - температура глухого конца резонатора;

Т_вх - температура на входе в резонатор.

При М=0, то есть, при отсутствии набегания потока окружающей среды: Θ_r=1.

Во время полета поток окружающего воздуха набегает с определенной скоростью на лобовые части (передние кромки) конструктивных элементов ЛА с установленными в них акустическими резонаторами. При этом в резонаторах генерируются высокочастотные ударные волны, что приводит к необратимому преобразованию кинетической энергии в тепловую, то есть к нагреву глухого конца резонатора.

Проведенные эксперименты показали, что при 0<М<0,4 применение акустического резонатора неэффективно, так как возрастание температуры глухой стенки резонатора недостаточно для нагрева подверженной опасности обледенения поверхности. То есть Т_гк незначительно отличается от температуры окружающей среды.

При скорости набегающего потока воздуха М=0,4 возрастание отношения Θ_r будет достаточным для предотвращения обледенения конструктивных элементов ЛА (см. Фиг. 1).

В начальный момент времени τ_о температура на входе в резонатор Т_вх равна температуре окружающей среды Т_н (см. Фиг. 2). Постепенно за счет аккумуляции тепла в течение времени выхода устройства на режим (τ₁, τ₂,...) тепловая энергия от глухого конца резонатора распространяется по всей его длине, а также по всей лобовой части обшивки конструктивного элемента ЛА.

После выхода устройства на режим в течение всего времени полета ЛА τ∞ температура по всей длине резонатора будет постоянной. В том числе, в обшивке конструктивного элемента температура повысится от температуры окружающей среды Т_н до температуры таяния льда Т_общ.∞:

T_общ.∞>T_общ.2>T_общ.1>T_н.

Таким образом, в изобретении достигается предотвращение образования льда в подверженных опасности обледенения зонах конструктивных элементов ЛА.

В отдельных случаях для наиболее эффективного использования энергии скоростного напора набегающего воздуха, акустические резонаторы устанавливают по фронту лобовых частей конструктивных элементов ЛА.

Чтобы обеспечить аккумуляцию тепла для нагрева поверхностей конструктивных элементов ЛА акустические резонаторы изготавливают из высокотеплопроводного материала, после чего отделяют друг от друга разделительными элементами.

Применение заявляемого способа предотвращения обледенения позволит обеспечить увеличение дальности полета ЛА благодаря исключению необходимости дополнительного расхода топлива на обогрев подверженных опасности обледенения поверхностей ЛА.

Изобретение позволит исключить дополнительную нагрузку на бортовую энергетическую систему ЛА благодаря применению акустического резонатора, работа которого не требует затрат электроэнергии от бортового источника. В заявляемом изобретении достигается снижение веса ЛА благодаря тому, что вся система предотвращения обледенения состоит из небольшого количества деталей, а именно совокупности акустических резонаторов, которые сами по себе имеют достаточно простую конструкцию. Кроме того, следует отметить, что данный способ является универсальным, то есть может быть применен на ЛА любого типа, так как не требует использования какого-либо специального дополнительного оборудования.

Формула изобретения

1. Способ предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов, в котором конструктивные элементы летательного аппарата в подверженных опасности обледенения зонах поверхности нагревают до температуры таяния льда t>0°С, отличающийся тем, что необходимую для нагрева тепловую энергию получают путем преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего со скоростью М≥0,4 воздуха, а затем полученную тепловую энергию передают в подверженные опасности обледенения зоны поверхности за счет аккумуляции тепла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для преобразования кинетической энергии скоростного напора набегающего воздуха в тепловую в лобовых частях конструктивных элементов летательного аппарата, например в лобовой части крыла, устанавливают акустические резонаторы, в которых затем генерируют высокочастотные ударные волны, после чего нагревают глухие концы резонаторов для аккумуляции тепла.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что акустические резонаторы устанавливают по фронту лобовых частей конструктивных элементов летательного аппарата.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что акустические резонаторы изготавливают из высокотеплопроводного материала, после чего отделяют друг от друга разделительными элементами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2