Акустический резонатор как устройство для предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к антиобледенительным системам летательных аппаратов (ЛА), и может быть применено в любых областях энергомашиностроения, где можно использовать скоростной напор окружающего воздуха, например на лопастях ветряных электрогенераторов. Для предотвращения обледенения в лобовой части поверхности конструктивных элементов ЛА устанавливают акустические резонаторы. Во время полета при контакте с набегающим потоком воздуха в резонаторах генерируются высокочастотные ударные волны, что приводит к необратимому преобразованию кинетической энергии в тепловую и разогреву резонаторов. Вследствие этого конструктивные элементы, в которых они установлены, разогреваются до температуры таяния льда. Это позволяет предотвратить обледенение поверхностей, подверженных ему. Применение акустического резонатора в качестве устройства для предотвращения обледенения конструктивных элементов ЛА позволяет исключить дополнительный расход топлива, уменьшить вес ЛА, упростить конструкцию и уменьшить затраты на изготовление антиобледенительного устройства.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к антиобледенительным системам летательных аппаратов, а также может быть применено в любых областях энергомашиностроения, где можно использовать скоростной напор окружающего воздуха, например, на лопастях ветряных электрогенераторов.

Известен способ механического разрушения льда на конструктивных элементах 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. На внешней поверхности защищаемой обшивки в зонах, подверженных опасности обледенения, закрепляют упругий материал с запрессованными внутри последнего ферромагнитными пластинками. Затем электроимпульсным методом формируют колебания упругого материала посредством воздействия на ферромагнитные пластинки электромагнитным полем переменного знака.

Недостатками этого способа являются:

- высокая энергоемкость, т.к. для формирования электромагнитного импульса необходимо дополнительно использовать бортовые источники электроэнергии;

- увеличение веса летательного аппарата (ЛА) за счет необходимости размещения упругого материала в подверженных опасности обледенения зонах обшивки, а также из-за дополнительного расхода топлива для питания бортовой энергосистемы при создании повторяющихся импульсных деформаций;

- снижение прочности обшивки конструктивных элементов летательных аппаратов вследствие механических вибраций.

Известен способ антитиобледенения и микроволновая антиобледенительная система самолета [Патент США, №5615849, кл. В 64 В 15/00, опубл. 01.04.1997], в котором нагрев конструктивных элементов летательного аппарата происходит за счет использования микроволновой энергии, которая преобразуется находящейся в предкрылке аэродинамической поверхности трубой в тепловую энергию. Расположенное на внутренней поверхности трубы покрытие, обладающее высокими абсорбционными свойствами, и зеркало-изолятор обеспечивают наиболее полное преобразование микроволновой энергии в тепловую. Тепловая энергия передается подверженным опасности обледенения участкам обшивки переднего фронта крыла, ротора или аэродинамической поверхности тепловыми трансферными рулями так, чтобы температура в этих участках поднималась выше температуры таяния льда, что позволяет предотвратить обледенение.

Недостатками данного изобретения являются достаточно большой вес, сложность конструкции и высокая стоимость изготовления антиобледенительной системы, а также увеличение нагрузки на бортовую энергетическую систему, т.к. для создания потока микроволновой энергии используют микроволновый генератор, требующий дополнительного расхода электроэнергии.

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]. Для удаления обледенения аэродинамическую поверхность нагревают, используя несколько элементов сопротивления, расположенных в аэродинамической поверхности в непосредственной близости к ее переднему фронту параллельно ему. Каждый элемент сопротивления состоит из электропроводящих стекловолокон. На элементы сопротивления подают электрический ток, что вызывает их нагрев, связанный с эффектом Джоуля.

Недостатками этого изобретения являются дополнительная нагрузка на энергоустановку и увеличение веса летательного аппарата из-за необходимости дополнительного расхода топлива для питания энергетической системы самолета, а также усложнение конструкции устройства антиобледенения и высокая стоимость его изготовления.

Общим недостатком рассмотренных аналогов относится также то, что их действие направлено на разрушение уже образовавшегося слоя льда, поскольку они работают только в случае необходимости, а не на протяжении всего времени полета.

Известным объектом, который предлагается использовать по новому назначению, является акустический резонатор.

В настоящее время акустический резонатор используется в конструкциях тепловых генераторов, работающих за счет механизма взаимодействия ударных волн в замкнутых полостях.

В известных устройствах газодинамических нагревателей [Патент РФ, №93040129, кл. F 23 G 13/00, опубл. 27.06.1996; патент РФ №2062953, кл. F 23 Q 13/00, опубл. 27.06.1996] акустический резонатор используется для воспламенения топливных газообразных смесей путем разогрева сжатого газа в полости резонатора у его глухого торца. Сжатый газ разгоняется в сверхзвуковом сопле и направляется в акустический резонатор, внутри которого возникают высокочастотные ударные волны. При этом глухой торец акустического резонатора за счет преобразования кинетической энергии высокочастотных ударных волн в тепловую разогревается до высокой температуры и воспламеняет горючую смесь.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача исключения дополнительного расхода топлива для предотвращения обледенения и, как следствие, снижения нагрузки на бортовую энергетическую систему самолета, снижения веса ЛА, упрощения конструкции антиобледенительного устройства, снижения затрат, связанных с изготовлением его конструктивных элементов.

Поставленная задача решается тем, что предлагается использовать акустический резонатор в качестве устройства для предотвращения обледенения конструктивных элементов ЛА.

Акустические резонаторы, количество которых определено расчетным путем, устанавливаются в подверженных опасности обледенения зонах поверхности так, чтобы встречный поток воздуха попадал в полости резонаторов. Во время полета поток окружающего воздуха набегает на лобовые поверхности конструктивных элементов ЛА или воздушных винтов (движителей) с установленными в них акустическими резонаторами. При этом в резонаторах генерируются высокочастотные ударные волны, что приводит к необратимому преобразованию кинетической энергии в тепловую и разогреву резонаторов. Тепловая энергия передается к поверхности конструктивных элементов за счет аккумуляции тепла для повышения ее температуры до температуры таяния льда. Это дает возможность предотвратить обледенение поверхностей, подверженных ему.

Применение изобретения дает возможность исключить дополнительный расход топлива, поскольку для работы предлагаемого устройства антиобледенения используется энергия скоростного напора окружающего воздуха. Вследствие этого снижается нагрузка на бортовую энергосистему. Уменьшается вес антиобледенительного устройства, поскольку оно состоит лишь из определенного числа акустических резонаторов, которые имеют небольшие габариты и вес. Уменьшается вес ЛА, что дает возможность увеличить дальность полета. Кроме того, упрощается конструкция антиобледенительного устройства, так как акустические резонаторы имеют простую конструкцию, состоящую из одной детали (корпуса). Уменьшаются также затраты на изготовление конструктивных элементов антиобледенительного устройства, так как акустический резонатор имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из одной детали (корпуса), и не требует специального дорогостоящего оборудования для его изготовления. Все элементы конструкции заявляемого изобретения изготавливаются из легкодоступных материалов, стоимость которых существенно ниже стоимости материалов конструктивных элементов аналогов.

Положительной особенностью использования изобретения является то, что предлагаемое устройство может быть легко адаптировано для установки на ЛА любого типа, что обеспечивает его универсальность.

Благодаря применению изобретения за счет снижения веса устройства антиобледенения, а также исключенния необходимости дополнительного расхода топлива на энергообеспечение его работы достигается снижение веса ЛА в целом, что дает возможность увеличить дальность полета.

Изобретение может быть использовано в любых областях энергомашиностроения, где можно использовать скоростной напор окружающего воздуха (например, на лопастях ветряных электрогенераторов).

Акустические резонаторы, количество которых определено расчетным путем, устанавливаются в подверженных опасности обледенения поверхностях (например, в лобовой поверхности крыла самолета) так, чтобы набегающий поток воздуха попадал в полость резонаторов вдоль оси.

Устройство работает следующим образом. Во время полета поток окружающего воздуха набегает на лобовые поверхности конструктивных элементов ЛА или воздушных винтов (движителей) с установленными в них акустическими резонаторами. При этом в резонаторах генерируются высокочастотные ударные волны, что приводит к необратимому преобразованию кинетической энергии в тепловую и нагреву резонатора. Тепловая энергия передается к обшивке конструктивных элементов ЛА для повышения ее температуры до температуры таяния льда за счет аккумуляции тепла. Это позволяет предотвратить образование льда на поверхности конструктивных элементов.

Таким образом, во-первых, достигается снижение нагрузки на бортовую энергетическую систему, так как работа предлагаемого устройства основана на преобразовании энергии окружающей среды и не требует каких-либо затрат энергии от бортовой сети летательного аппарата, а следовательно, исключается дополнительный расход топлива.

Во-вторых, снижается вес антиобледенительного устройства, за счет того, что оно состоит лишь из акустических резонаторов, имеющих небольшие габариты и вес.

Кроме того, достигается упрощение конструкции антиобледенительного устройства благодаря тому, что устройство антиобледенения состоит из небольшого количества элементов, а именно акустических резонаторов.

Уменьшаются также затраты на изготовление антиобледенительного устройства, так как акустические резонаторы изготавливаются из легкодоступных недорогих материалов, стоимость которых существенно ниже стоимости материалов конструктивных элементов аналогов, и не требуют в процессе изготовления применения специального дорогостоящего оборудования.

Следует отметить, что данное устройство может быть легко адаптировано к установке на ЛА любого типа, что обеспечивает его универсальность.

Формула изобретения

Применение акустического резонатора в качестве устройства для предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов.