Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством



Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством
Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством
Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством
Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством
Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством

 


Владельцы патента RU 2602266:

ЭРБАС ДИФЕНС ЭНД СПЕЙС ГМБХ (DE)

Группа изобретений относится к летательному аппарату, устройству для устранения обледенения и предотвращению образования льда, профильному телу и способу устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата. Устройство для устранения обледенения содержит теплоотдающее устройство или гибридное устройство, деформирующее устройство, устройство обнаружения льда. Профильное тело содержит устройство для устранения обледенения, устройство для предотвращения образования льда, снижающее адгезию льда покрытие, деформирующее устройство. Для устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата, выполненного со снижающим адгезию льда свойством, вводят тепловую энергию на заданной определенным образом линии для последующего разлома льда путем деформации участка поверхности и удаления его с поверхности. Обеспечивается устранение льда с поверхности летательного аппарата и предотвращение его образования. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к устройству и способу устранения обледенения и/или предотвращения образования льда для летательного аппарата, с теплоотдающим устройством для отдачи тепла на участке поверхности летательного аппарата. Кроме того, изобретение относится к аэродинамическому профильному телу, оснащенному таким устройством, для летательного аппарата, например, такому как крыло или часть крыла, воздухозаборник двигателя или стабилизатор. Кроме того, изобретение относится к летательному аппарату с таким устройством и/или таким профильным телом. Наконец, изобретение относится к способу устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата и/или предотвращения образования льда на участке поверхности летательного аппарата за счет введения тепловой энергии на участке поверхности.

Лед образуется на незащищенных местах летательных аппаратов, таких как передние кромки крыльев, оперение, горизонтальные стабилизаторы или также воздухозаборники двигателя, когда летательный аппарат, такой как, например, летящий через облако, которое содержит переохлажденные капельки воды или капли/влага попадают на переохлажденную структуру летательного аппарата. При росте слоя льда последний отрицательно сказывается на протоке воздуха по соответствующей поверхности. Когда слой становится достаточно большим, то могут возникать, например, проблемы с несущей способностью или управляемостью летательного аппарата.

Сейчас в летательных аппаратах уже используются системы защиты от образования льда, чтобы предотвратить такое обледенение. Большинство систем защиты от образования льда выполнены как противообледенительные системы для предотвращения образования льда. Для этого, как правило, предусмотрены отопительные системы, интегрированные в структуру. Во время полета в условиях обледенения кромки крыльев обогреваются, например, горячим разветвляющимся воздухом или воздухом, отбираемым от нагнетателя, (так называемым bleed air) или электрическими нагревательными элементами в кромках крыльях. К тому же, прежде всего, в небольших самолетах используются пневматические устройства снятия льда, которые надувают встроенные на передней кромке крыла резиновые коврики или же резиновые шланги на регулярных расстояниях, за счет чего достигается отделение собравшегося льда.

При этом обычные меры по снятию льда связаны с высокими энергетическими затратами во время полета. В части энергетических затрат для освобождения поверхностей летального аппарата ото льда приходятся примерно 240-260 кВт мощности разветвляющегося воздуха или прим. 130-150 кВт электрической энергии нагрева для площади снимаемого льда в прим. 12-15 кв.м. Эти данные в случае разветвляющегося воздуха соответствуют поверхностям мощностям в прим. 18,5 кВт/м2 или же примерно 10 кВт/м2 при электрическом нагреве.

Известные системы или устройства для удаления собравшегося льда в полете на аэродинамически эффективных поверхностях, в принципе, можно разделить на пневматические, термические и механические системы снятия льда. Так, из ЕР 0658478 В1 известно устройство для пневматического снятия льда с поверхностей летательных аппаратов. Из US 6702233 В1 известно устройство для устранения обледенения или для предотвращения образования льда на участках поверхности летательных аппаратов с использованием теплого разветвляющегося воздуха из двигательной установки.

Из DE 102010045450 В4 известно устройство для устранения обледенения участка поверхности летательных аппаратов путем облучения участка поверхности лазером.

Другие устройства для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда используют термическое снятие льда с применением электронных нагревательных элементов. Прежде всего, известно предотвращение обледенения поверхности профиля крыла на основе подачи тепла по большой поверхности за счет электротермического нагревательного коврика. Пример подобной термической системы снятия льда описаны в ЕР 1017580 В1.

Далее, на основании представлений на фиг. 6 и 7 подробнее описывается принцип действия подобного известного устройства для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда для летательного аппарата, которое имеет признаки ограничительной части прилагаемого п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 6 и 7 показано аэродинамическое профильное тело 108, например, такое как крыло летательного аппарата, выполненного как самолет, с известным устройством 100 для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда, устройство 100 которого оснащено теплоотдающим устройством 102 для отдачи тепла на участок 104 поверхности летательного аппарата 106. Теплоотдающее устройство 102 имеет расположенный на большой площади участка 104 поверхности нагревательный коврик 110, который нагревает весь участок 104 поверхности. Так, например, весь расположенный вокруг передней кромки 112 или же вокруг линии 114 полного торможения потока участок 104 поверхности можно поддерживать свободным ото льда.

На фиг. 6 показана принципиальная схема приводимой полностью на пару, электротермической системы 116 снятия льда как пример для известного устройства 110 для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда, система 116 снятия льда которого оснащена нагревательным ковриком 110 в области передней кромки 112 крыла для полного предотвращения скапливания льда по большой поверхности из-за капель воды, возникающих на поверхности профиля крыла.

На основе подачи тепла по большой поверхности за счет электротермического нагревательного коврика 110 можно предотвратить обледенение поверхности профиля крыла посредством двух следующих возможностей. При этом исходят из того, что электротермическая система 116 снятия льда приводится постоянно:

- как показано на фиг. 6, возникающие на профиле крыла - профильном теле 108 - возникающие капли воды полностью испаряются в полностью испаряющем режиме снятия льда;

- как показано на фиг. 7, если прилипание и затвердевание капель воды превращается в скопление льда на передней кромке 112 профиля профильного тела 108, предотвращается за счет режима снятия льда "Running-wet".

Поверхностная температура передней кромки 112, которая возникает из нагрева посредством этого режима снятия льда, меньше, чем в полностью испаряющем режиме снятия льда. За счет этого предотвращается затвердевание возникающих капель воды в лед сначала на нагреваемой передней кромке 112 крыла. Капли воды бегут по профилю крыла профильного тела 108 вдоль направления задней кромки профиля и затвердевают на менее критических, не нагреваемых участках на профиле крыла в лед 118.

Поэтому в известных электротермических системах 116 должна применяться либо очень высокая энергия, чтобы выполнить полностью испаряющий режим снятия льда, либо происходит меньшее введение энергии для образования льда на менее критичных, не нагреваемых участках.

Кроме того, также известны устройства для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда, которые используют в качестве гибридных устройство несколько возможностей для устранения обледенения, прежде всего, такие как использование термической энергии и механические деформации. Примеры известных гибридных систем снятия льда известны из следующих источников литературы:

- G. Fortin, М. Adomou, J. Perron, "Experimental Study of Hybrid Anti-Icing Systems Combining Thermoelectric and Hydrophobic Coatings", SAE International, Warrendale, Pa, 2011: Эта публикация посвящена электротермической противообледенительной системе в комбинации с отталкивающими лед покрытиями поверхностей для снижения потребности в энергии при снятии льда. Подача тепла в этой системе происходит по большой площади, чтобы защитить всю поверхность, которую затрагивает нарастание льда. Тем самым недостатком этой системы является тот факт, что за счет постоянной эксплуатации наносимой по большой поверхности противообледенительной системы в области всей передней кромки крыла дополнительно возникает высокое потребление энергии.

US 5921502 и US 2012/0091276 А1 и К. Al-Khalil, Т. Ferguson, D. Phillips, "A Hybrid Anti-icing Ice Protection System", AIAA 97-0302 (1997): Эти публикации посвящены гибридной системе снятия льда фирмы Сох & Company, Inc., которая складывается из термической противооблединительной подсистемы "Running-wet» и подсистемы на основе электро-механических экспульсивных исполнительных элементов (EMEDS). Термическая подсистема покрывает участок образования капель на передней кромке крыла по большой площади либо частично, либо также полностью. Тем самым для термической подсистемы можно привести тот недостаток, что должна нагреваться относительно большая доля площади участка передней кромки крыла, чтобы транспортировать капли воды дальше против направления потока. Там затвердевшие в собравшийся лед капли можно периодически удалять посредством исполнительных элементов EMEDS. К тому же еще одним недостатком известной гибридной системы является размер исполнительных элементов EMEDS. Особо отрицательно реализованная с исполнительными элементами EMEDS система снятия льда сказывается на электромагнитной совместимости с другими системами и компонентами летательного аппарата, поскольку для возбуждения импульсов исполнительных элементов кратковременно необходимы очень высокие токи. Кроме того, эти кратковременно необходимые очень высокие токи требуют так называемого «Energy Storage Bank» (ESB), вес которых сказывается крайне отрицательно на весе летательного аппарата, с которого должен быть снят лед.

- Также в случае известной из US 6283411 В1 системы снятия льда термический нагревательный элемент большой площади комбинируется с объемным и тяжелым механическим исполнительным элементом.

Кроме того, для технологической фоновой информации дается ссылка на следующие документы [1] и [2]:

[1] К. Al-Khalil, Effect of Mixed Icing Conditions on Thermal Ice Protection Systems, [April 15, 2013], http://www.coxandco.com/files/pdf/FAA-D9688.pdf.

[2] K. Al-Khalil, Thermo-Mechanical Expulsion Deicing System - TMEDS, [April 15, 2013], http://www.coxandco.com/files/pdf/AIAA-2007-0692.pdf.

В принципе, во всех известных системах необходимо достаточно высокое использование энергии для устранения обледенения или для предотвращения образования льда.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания устройства и способа устранения обледенения и/или предотвращения образования льда, тем самым возможно снятие льда и/или предотвращение образования льда с меньшими затратами энергии.

Согласно одному аспекту изобретение предлагает признаки независимого п. 1 формулы изобретения. Снабженное подобным устройством аэродинамическое профильное тело, например, такое как часть несущей поверхности или стабилизатора или части воздухозаборника двигателя летательного аппарата, а также снабженный подобным устройством или подобным профильным телом летательный аппарат являются предметом дополнительных пунктов формулы изобретения.

Согласно еще одному аспекту изобретение предлагает способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда для летательного аппарата с шагами еще одного дополнительного пункта формулы изобретения.

Преимущественные формы осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Преимущество изобретения заключается в том, что устройство и способ устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата и/или предотвращения образования льда на участке поверхности летательного аппарата создаются за счет целенаправленного введения тепловой энергии на определенном участке поверхности.

Особое преимущество предпочтительных форм осуществления изобретения заключается в том, что создается устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда, тем самым возможно снятие льда и/или предотвращение образования льда, которое гарантирует электромагнитную совместимость устройства снятия льда и систем летательного аппарата. Существенное преимущество подобных форм осуществления по сравнению с известными системами заключается в том, чтобы обойтись без кратковременно высоких токов для возбуждения импульсов поверхности профильного тела, с которого снимается лед.

Согласно первому аспекту изобретение создает устройство для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда для летательного аппарата, с теплоотдающим устройством для целенаправленной отдачи тепла на определенном участке поверхности летательного аппарата, причем теплоотдающее устройство выполнено для линиеобразной теплоотдачи с целью создания заданного места разлома или заданной линии разлома в собирающемся на участке поверхности льде.

Предпочтительным образом, теплоотдающее устройство выполнено таким образом, что оно отдает тепло на определенном участке линиеобразной теплоотдачи с шириной линии в диапазоне от 0,2 мм до 4 мм, предпочтительным образом от 0,5 мм до 1,5 мм и наиболее предпочтительно примерно 1,0 мм или примерно 0,8 мм или в диапазоне от примерно 0,8 мм до примерно 1,0 мм.

Предпочтительным образом, участок линиеобразной теплоотдачи проходит своим продольным направлением вдоль линии критических точек профильного тела летательного аппарата, с которого должен быть снят лед или который должен поддерживаться свободным ото льда. Предпочтительным образом, линия критических точек расположена по существу по центру внутри участка линиеобразной теплоотдачи.

Предпочтительно, что присоединение теплоотдающего устройства на внутренней стороне поверхности профильного тела выполнено за счет неразъемного соединения, прежде всего, клеевого соединения. В предпочтительной форме осуществления соединение, такое как, прежде всего, клеевое соединение, имеет вокруг критической точки профильного тела длину в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм, и в очень хорошей форме осуществления - длину в 0,8 мм. Толщина клеевого соединения в предпочтительной форме осуществления 0,2 мм.

Предпочтительно, чтобы теплоотдающее устройство имело, предпочтительным образом, линиеобразный источник тепла. Предпочтительно, чтобы источник тепла находился в изоляционной оболочке, чтобы уменьшить или предотвратить излучение тепла во внутреннюю область профильного тела. В предпочтительной форме осуществления изоляционная оболочка выполнена, например, из каптона, который имеет низкую теплопроводность и, тем самым, хорошее изолирующее действие. В альтернативной форме осуществления изоляционная оболочка также может быть выполнена из другого сильно теплоизолирующего материала или нескольких материалов с различной степенью теплоизоляции. Кроме того, за счет изоляционной оболочки теплоисточника достигается фокусировка теплоотдачи внутри оболочки, за счет чего тепло может вносится линиеобразно в поверхность профильного тела. Созданный за счет этого эффект накопления тепла дополнительно приносит с собой снижение энергии. Изоляционная оболочка, предпочтительным образом, имеет линиеобразную выемку для образования теплоотдающей линии.

Предпочтительно, что устройство выполнено в виде гибридного устройства для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда за счет термической и механической энергии.

Предпочтительное осуществление устройства включает в себя деформирующее устройство для деформации по меньшей мере одной части поверхности участка поверхности.

Предпочтительно, что теплоотдающее устройство имеет по меньшей мере один, предпочтительным образом, удлиненный источник тепла и изоляционную оболочку для источника тепла для предотвращения теплового излучения на ином, чем теплоотдающая линия, участке.

Предпочтительно, что деформирующее устройство имеет по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент или структуру пьезоэлектрических исполнительных элементов для деформации поверхности участка поверхности.

В еще одной предпочтительной форме осуществления деформирующее устройство может иметь по меньшей мере один генератор инерционной силы или осциллятор инерционной массы. Генератор инерционной силы или же осциллятор инерционной массы может быть предусмотрен дополнительно по меньшей мере к одному пьезоэлектрическому исполнительному элементу или в качестве альтернативы по меньшей мере одного пьезоэлектрического исполнительного элемента.

Предпочтительно, что теплоотдающее устройство содержит изоляционную оболочку, которая предотвращает направленную по всей поверхности теплоотдачу через источник тепла, например, такой как нагревательная проволока, в поверхность профильного тела.

Предпочтительно, что теплоотдающее устройство содержит изоляционную оболочку, которая предотвращает излучение теплоотдачи через нагревательную проволоку во внутреннюю область профильного тела, чтобы создать накопление тепла, которое линиеобразно вводится в поверхность профильного тела.

Предпочтительно, что предусмотрено устройство обнаружения льда, которое выполнено для обнаружения накопления льда на основании информации, полученной посредством теплоотдающего устройства и/или по меньшей мере одного исполнительного элемента.

Предпочтительно, что по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент выполнен в виде d33 - исполнительного элемента с (т.н.) продольным эффектом.

Предпочтительным образом, направление удлинения по меньшей мере одного исполнительного элемента, прежде всего по меньшей мере одного пьезоэлектрического исполнительного элемента, при применении на профиле крыла направлено в направлении размаха крыла. Прежде всего, направление удлинения направлено с помощью по меньшей мере одного направляющего компонента в направлении теплоотдающей линии.

Предпочтительно, что исполнительные пьезоэлементы и/или нагревательная проволока или же нагревательный элемент могут использоваться для обнаружения скоплений льда на поверхности. Для этого предусмотрено, прежде всего, обнаруживающее устройство, которое может на основании параметров, полученных от этих элементов, регистрировать наличие или отсутствие скопления льда.

Теплоотдающее устройство предлагаемого устройства выполнено для линиеобразной теплоотдачи, чтобы таким образом создать заданное место разлома или заданную линию разлома льда, скапливающегося на участке поверхности. Теплоотдающее устройство, тем самым, выполнено для теплоотдачи вдоль теплоотдающей линии. В зависимости от использованной энергии вдоль теплоотдающей линии образуется ослабление находящегося на ней льда, в результате чего лед может вскрыться, или вдоль теплоотдающей линии вообще не образуется лед, в результате чего в любом случае лед может образовываться на отрезках участка поверхности, отделенных теплоотдающей линией. Теплоотдающая линия при этом, предпочтительным образом, имеет максимально малую протяженность в направлении ширины. Ширина линии должна составлять максимум 5 мм, предпочтительна теплоотдающая линия, которая будет существенно уже, - в диапазоне от 0,2 мм до 3 мм, еще более предпочтительно в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм и наиболее примерно 0,8 мм. Тепло целенаправленно отдается линиеобразно с минимальной протяженностью по ширине. Достаточно разламывания льда, остающиеся части льда можно энергоэффективно удалить механически.

В особо предпочтительной форме осуществления предлагаемого устройства деформирующее устройство имеет на первом отрезке участка поверхности первый деформирующий узел и второй деформирующий узел на втором участке поверхности, отделенным теплоотдающей линией от первого отрезка.

Предпочтительным образом, деформирующее устройство имеет первый деформирующий узел на первой стороне от теплоотдающей линии теплоотдающего устройства для деформации находящегося на первой стороне первого отрезка участка поверхности и второй деформирующий узел на второй стороне от теплоотдающей линии для деформации находящегося на второй стороне второго отрезка участка поверхности.

В особо предпочтительной форме осуществления устройство имеет снижающее силы адгезии льда покрытие поверхности для участка поверхности.

Предпочтительно, что теплоотдающее устройство имеет в качестве линиеобразного источника тепла по меньшей мере одну нагревательную проволоку и/или по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент, который выполнен и настроен таким образом, что он способен осуществлять линиеобразную теплоотдачу.

Предпочтительно, чтобы источник тепла теплоотдающего устройства находился в изоляционной оболочке, чтобы уменьшить или предотвратить излучение тепла во внутреннюю область профильного тела и/или создать накопление тепла, за счет которого в поверхность профильного тела можно линиеобразно внести тепло.

Согласно еще одному аспекту изобретение создает аэродинамическое тело для летательного аппарата, включающее в себя устройство для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда согласно изобретению или его преимущественным формам осуществления.

Предпочтительная форма осуществления профильного тела, предпочтительным образом, отличается тем, что теплоотдающее устройство выполнено для линиеобразной теплоотдачи с целью создания заданного места разлома или заданной линии разлома вдоль или рядом с линией полного торможения потока профильного тела и/или вдоль передней кромки профильного тела.

Также в случае профильного тела предпочтительно, чтобы было предусмотрено деформирующее устройство, посредством которого по меньшей мере одна часть включающего линию полного торможения потока и/или переднюю кромку профильного тела участка поверхности профильного тела является деформируемой для удаления льда.

Особо предпочтительным образом, деформирующее устройство имеет первый деформирующий узел для деформации первого отрезка и второй деформирующий узел для деформации второго отрезка участка поверхности, причем отрезки, предпочтительным образом, отделены друг от друга линией полного торможения потока и/или передней кромкой профильного тела.

Предпочтительно, что включающий линию полного торможения потока и/или переднюю кромку профильного тела участок поверхности снабжен снижающим силы адгезии льда покрытием поверхности.

Предпочтительно, что участок поверхности снабжен наноструктурированной поверхностью и/или гидрофобной поверхностью, прежде всего супергидрофобной поверхностью.

Согласно еще одному аспекту создают летательный аппарат с устройством согласно изобретению или его преимущественным формам осуществления или же с аэродинамическим профильным телом согласно еще одному аспекту изобретения или его преимущественным формам осуществления.

Согласно еще одному аспекту изобретение создает способ устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата и/или предотвращения образования льда на участке поверхности летательного аппарата за счет введения тепловой энергии на участке поверхности, отличающееся введением тепла вдоль линии на участке поверхности, чтобы образовать заданную линию разлома или линию отрыва в собирающемся на участке поверхности льде или же собирающихся там скоплений капель воды.

Предпочтительным образом, способ устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата и/или предотвращения образования льда на участке поверхности летательного аппарата, за счет целенаправленного введения тепловой энергии на определенном участке поверхности, отличающееся введением тепла вдоль линии на участке поверхности, чтобы образовать заданную линию разлома или линию отрыва в собирающемся на участке поверхности льде или же собирающихся на участке поверхности скоплениях капель воды.

Кроме того, предпочтительная форма осуществления способа включает в себя шаг:

- деформация участка поверхности, прежде всего посредством исполнительных пьезоэлементов, чтобы взломать лед вдоль заданной линии разлома и/или удалить взломанный вдоль заданной линии разлома лед и/или собравшиеся капли воды.

Еще одна предпочтительная форма осуществления способа включает в себя еще один шаг:

- снабжение или выполнение участка поверхности со снижающим силы адгезии льда покрытием поверхности и/или снижающим силы адгезии льда свойством поверхности.

В основу изобретения положена идея отдавать тепло вдоль теплоотдающей линии участку поверхности, с которого должен быть снят лед или который следует поддерживать свободным ото льда. Предпочтительным образом, тепло отдается вдоль или рядом с линией полного торможения потока или линией критических точек. За счет этого и в особо предпочтительной форме осуществления за счет изолирующей оболочки источника тепла выполненное для линиеобразной теплоотдачи теплоотдающее устройство может с относительно малым введением энергии создать заданную линию разлома или линию отрыва между тем не менее собирающимися скоплениями капель воды или скоплениями льда. Соответственно запускаемые с другой стороны теплоотдающей линии скопления льда таким образом можно удалить проще.

Особо предпочтительным образом устройство выполнено как гибридная система снятия льда. Выполненное как гибридная система снятия льда обеспечивает особо энергоэффективное снятие скопившегося во время полета льда.

В предпочтительной форме осуществления устройства гибридизацию достигается за счет:

а) целенаправленного использования термической энергии, прежде всего, за счет нагревательной проволоки, в большей степени за счет нагревательной проволоки, заключенной в изоляционную оболочку (по большей части, с исключением выемки для образования теплоотдающей линии), или иного подходящего для линиеобразной теплоотдачи источника тепла, в связи с

б) деформацией поверхности, с которой должен быть снять лед, предпочтительным образом за счет одного или несколько пьезоэлектрических исполнительных элементов и/или одного или нескольких генераторов силы трения или осцилляторов инерционной массы, особо предпочтительным образом также в комбинации с

в) снижающим силы адгезии льда покрытием поверхности, например посредством наноструктурированной, супергидрофобной поверхности, например, такой как Hydrobead.

В особо предпочтительной форме осуществления устройство для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда образовано за счет гибридной системы, которая образована за счет комбинации из трех подсистем - из электротермической системы, механической системы и покрытия поверхности. Комбинация всех трех мер показала себя как особо энергоэффективная и как самое эффективное решение.

Но также и комбинация линиеобразной теплоотдачи с только одной из дальнейших подсистем - механической деформацией или покрытием поверхности - предлагает существенные энергетические преимущества относительно известных систем снятия льда.

Также интересно и использование линиеобразной теплоотдачи вдоль предопределенной теплоотдающей линии уже саму по себе для устранения обледенения.

Особо предпочтительным образом для деформации участка поверхности в целях механического удаления скопившегося льда предусмотрены исполнительные пьезоэлементы.

Особо интересна комбинация линиеобразно отдающего тепло теплоотдающего устройства, как, прежде всего, с помощью нагревательной проволоки, которая в особо предпочтительной форме осуществления покрыта изоляционной оболочкой, с соответствующей деформацией поверхности, как, прежде всего, за счет исполнительных пьезоэлементов. Подобная комбинация позволяет, что механически отделенный от поверхности лед не прижимается дальше аэродинамическими силами потока к поверхности, а, прежде всего, полностью удаляется за счет введенного термически в критической точке, точечного заданного места разлома (при двухмерном рассмотрении) или же за счет введенного термически по линии критических точек, линиеобразного заданного места разлома в направлении размаха крыла (при трехмерном рассмотрении).

Другими преимуществами предлагаемого устройства, прежде всего в форме осуществления в качестве гибридной системы, являются малое конструктивное пространство и снижение веса устройства.

Прежде всего, если устройство структурно встраивается в профильное тело, например, такое как профиль крыла летательного аппарата, нет никаких подвижных деталей, за счет чего можно достичь длительного срока службы.

Кроме того, предпочтительно использование нагревательной проволоки. Она имеет преимущества также и в отношении сенсорики. Имеющаяся нагревательная проволока может использоваться как температурный датчик.

Кроме того, можно обнаружить образование льда на поверхности профильного тела, например, такого как профиль крыла, также посредством пьезоэлектрических исполнительных элементов, которые имеются для деформации поверхности, например, за счет смещений резонансной частоты или же за счет измененных режим колебаний.

В этом отношении в качестве датчиков также могут применяться использованные нагревательные элементы и исполнительные элементы. Тем самым от дополнительных датчиков можно отказаться, и на весе можно сэкономить еще больше.

Примеры осуществления изобретения далее подробно объясняются на примере прилагаемых чертежей. На чертежах показаны:

Фиг. 1 - схематическое, отчасти подрезанное представление летательного аппарата на примере самолета, причем передние кромки аэродинамических профильных тел летательного аппарата как, прежде всего, несущие поверхности крыльев и стабилизаторы снабжены устройством для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда.

Фиг. 2 - схематическое, отчасти перспективное представление, отчасти в разрезе представление аэродинамического профильного тела, например, для образования несущей поверхности крыла летательного аппарата согласно фиг. 1, показанное в разрезе по линии II-II фиг. 1, причем профильное тело снабжено устройством для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда.

Фиг. 3 - в схематическом представлении в разрезе сечения передней кромки профильного тела согласно фиг. 2, с устройством для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда без эксплуатации теплоотдающего устройства.

Фиг. 4 - представление как на фиг. 3 при эксплуатации теплоотдающего устройства.

Фиг. 5 - подробный фрагмент согласно фиг. 3 или, прежде всего, фиг. 4 при эксплуатации теплоотдающего устройства, которое находится в изоляционной оболочке, чтобы предотвратить теплоотдачу во внутреннюю область профильного тела и, прежде всего, чтобы создать скопление тепла внутри оболочки для целенаправленно линиеобразно направляемой в поверхность профильного тела теплоотдачи.

Фиг. 6 - передняя кромка профильного тела с известным устройством для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда в первом режиме работы.

Фиг. 7 - представление аналогичное фиг. 6, причем известное устройство эксплуатируется в еще одном режиме работы.

Далее устройство 10 для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда на участке 14 поверхности летательного аппарата 16 подробнее разъясняется на примере представления согласно фиг. 1 и 2.

Представления согласно фиг. 1 и 2 представляют собой только примеры осуществления. Возможно множество других отличающихся форм осуществления устройства 10.

На фиг. 1 показан летательный аппарат 16 в форме самолета 20. Самолет 20 имеет соответственно образованные профильными телами 18 крылья 22, стабилизаторы 24 и воздухозаборники 25 двигателя. В области вокруг передних кромок 26 профильных тел крыльев 22 и стабилизаторов 24 и воздухозаборников 25 двигателя находится участок 14 поверхности, на котором во время полета может собираться лед.

Для противодействия этому летательный аппарат 16 имеет устройство 10 для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда на соответствующем участке 14 поверхности. Устройство 10 имеет теплоотдающее устройство 12 для отдачи тепла участку 14 поверхности.

Однако, в отличие от показанного, например, на фиг. 6 и 7 уровня техники теплоотдающее устройство 12 выполнено не для теплоотдачи по большой поверхности, а для линиеобразной теплоотдачи вдоль теплоотдающей линии 28. За счет линиеобразной выдачи вдоль теплоотдающей линии 28 можно линиеобразно ослабить скопившийся на участке 14 поверхности лед 30 и отделить вдоль теплоотдающей линии 28. В этом отношении теплоотдающее устройство 12 выполнено для образования заданного места разлома или же заданной линии 32 разлома для льда 30.

В предпочтительной форме осуществления теплоотдающее устройство 12 выполнено таким образом, что тепло линиеобразно отдается вдоль самой крайней передней кромки 26 и, прежде всего, вдоль линии 34 полного торможения потока соответствующего аэродинамического профиля 36 соответствующего профильного тела 18. Линия 34 полного торможения потока - это линия, которая соединяет между собой критические точки аэродинамического профиля 36, или, иными словами, та линия на аэродинамическом профиле 36, по которой при соответствующем притоке воздуха - на фиг. 3 и 4 показан стрелкой и вектором v скорости - потоки разделяются по двум сторонам или же вверх и вниз. Вдоль линии 34 полного торможения потока в полете нарастает максимальное давление.

В предпочтительной форме осуществления теплоотдающее устройство 12 имеет удлиненный источник 13 тепла. В еще одной предпочтительной форме осуществления источник 13 тепла находится в изоляционной оболочке 15, которая предотвращает теплоотдачу во внутреннюю область профильного тела 18 и к тому же создает скопление тепла внутри изоляционной оболочки 15, в результате чего теплоотдача в поверхность профильного тела 18 может быть целенаправленно линиеобразной.

Устройство 10 также имеет устройства для удаления льда и/или для предотвращения скопления льда в или на отделенных теплоотдающей линией 28 или же линией 34 полного торможения потока отрезках 38, 39 участка 14 поверхности.

В одной возможной форме осуществления предусмотрено деформирующее устройство 40 для деформации соответствующих частей или отрезков 38, 39 участка 14 поверхности.

В другой возможной форме осуществления на участке 14 поверхности предусмотрено покрытие 42 поверхности для предотвращения сил адгезии льда.

Особо предпочтительным образом предусмотрены как деформирующее устройство 40, так и снижающее силы адгезии льда покрытие 42 поверхности, как это показано в форме осуществления на фиг. 2.

Устройство 10 выполнено согласно предпочтительной форме осуществления как гибридная система 44 снятия льда, которая выполняет удаление льда или предотвращение образования льда с использованием по меньшей мере двух принципов.

Теплоотдающее устройство 12 предпочтительным образом выполнено за счет электротермической системы 46, которая выполнена как подсистема гибридной системы 44 снятия льда.

Теплоотдающее устройство 12 в предпочтительной форме осуществления имеет в качестве источника 13 тепла нагревательную проволоку 48 для определенного образования заданного места разлома по линии 34 полного торможения потока профиля 36.

Как показано, прежде всего, на фиг. 2, для этого для надстраивания устройства 10 в области передней кромки 26 профильного тела 18, который служит, например, для образования крыла 22 или для образования стабилизаторов 24, вдоль линии 34 полного торможения потока профиля 36 встроена электротермическая нагревательная проволока 48. В предпочтительной форме осуществления нагревательная проволока 48 утапливается в матрицу из крепежного материала, например, такую как матрица 50 из эпоксидной смолы. Вместо применения матрицы для утапливания можно закрепить нагревательную проволоку 48 также посредством тонкой липкой ленты на внутренней стороне профиля 36. В качестве предпочтительной нагревательной проволоки 48 использован одножильный нагреватель оболочки с узким, круглым сечением. В качестве альтернативы, также в качестве нагревательного элемента можно использовать кордшнур из углеводородного волокна (не показан). Он может быть, например, пропитан эпоксидной смолой и обмотан, например, стекловолокном для электрической изоляции.

Как, прежде всего, видно на фиг. 5, нагревательная проволока 48 находится в изоляционной оболочке 15. В предпочтительной форме осуществления изоляционная оболочка 15 реализована из изолирующего материала, а в очень предпочтительной форме оболочка выполняется из каптона. Выемка в изоляционной оболочке выполняется только в области склейки - клеевого соединения 49, которое неразъемным способом соединяет нагревательную проволоку 48 с внутренней стороной поверхности профильного тела.

В соответствии с этим изоляционная оболочка 15 охватывает источник 13 тепла по всему его периметру за исключением узкого участка, на котором источник 13 тепла предпочтительным образом неразъемным способом соединен с внутренней стороной профильного тела 18. На этом участке соединения в изоляционной оболочке выполнена выемка в форме шлица.

Как видно дальше на фиг. 5, в предпочтительной форме осуществления клеевое соединение имеет вокруг критической точки - линии 34 полного торможения потока - профильного тела 18 длину 1 в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм, и в очень хорошей форме осуществления - длину примерно в 0,8 мм. Толщина d клеевого соединения 49 в предпочтительной форме осуществления равна 0,2 мм.

За счет выполнения выемки в изоляционной оболочке 15 и предусмотренного здесь клеевого соединения определяется и ограничивается участок линиеобразной теплоотдачи - теплоотдающая линия 28. Так можно достичь ограниченной теплоотдачи на очень узком участка менее 5 мм, предпочтительным образом от 0,2 мм до 4 мм, более предпочтительным образом от 0,5 мм до 1,5 мм и наиболее предпочтительным образом от примерно 0,8 мм до примерно 1,0 мм.

Но вместо нагревательной проволоки 48 теплоотдающее устройство 12 также может использовать исполнительный пьезоэлемент, который, например, приводится за счет высокой частоты и, тем самым, отдает как термическую, так и механическую энергию. Такой исполнительный пьезоэлемент не показанной здесь подробнее еще одной формы осуществления без нагревательной проволоки 48 должен быть выполнен так, чтобы он отдавал тепло вдоль теплоотдающей линии 28 таким образом, что образуется заданная линия разлома. Также и здесь предусмотрена определенная теплоотдача, ограниченная теплоотдающей линией с указанной выше предпочтительной шириной (соответствует длине 1 клеевого соединения 49).

В еще одной предпочтительной форме осуществления устройство 10 наряду с теплоотдающим устройством 12 имеет также электромеханическую систему 52 снятия льда в качестве дополнительной подсистемы гибридной системы 44 снятия льда. Электромеханическая система 52 снятия льда может рассматриваться как пример деформирующего устройства 40. Предпочтительным образом, электромеханическая система 52 снятия льда имеет по меньшей мере один исполнительный пьезоэлемент 54.

Особо предпочтительным образом деформирующее устройство 40 и его электромеханическая система 52 снятия льда имеет первый деформирующий узел 56 и второй деформирующий узел. Первый деформирующий узел 56 служит для деформации первого отрезка 38 участка 14 поверхности на первой стороне теплоотдающей линии 28. В представленном на фиг. 2 примере, в котором профильное тело 18 является частью крыла 22, первый отрезок 38 является, например, расположенным над линией 34 полного торможения потока отрезком охватывающего переднюю кромку участка 14 поверхности. Соответственно второй отрезок 39, который должен деформироваться вторым деформирующим узлом 57, в показанном примере является расположенным под линией 34 полного торможения потока отрезком участка 14 поверхности передней кромки.

Соответственно электромеханическая система 52 снятия льда предпочтительным образом имеет по меньшей мере два исполнительных пьезоэлемента 54, 55, а именно по меньшей мере один первый исполнительный пьезоэлемент 54 для первого деформирующего узла 56 и по меньшей мере один второй исполнительный пьезоэлемент 55 для второго деформирующего узла 57.

Соответственно, например, для создания электромеханической системы 52 снятия льда предусмотрена установка по меньшей мере двух исполнительных пьезоэлементов 54, 55 в области передней кромки аэродинамического профиля 36, например, такого как профильное тело 18 крыла 22, стабилизатора или воздухозаборника 25 двигателя. Исполнительные пьезоэлементы 54, 55 расположены по направлению потока за определенным нагревательной проволокой 48 участком линиеобразной теплоотдачи - теплоотдающей линией 28. Тем самым они служат для удаления скоплений льда за критической точкой профиля 36 и для удаления скоплений льда из катящихся назад и затвердевающих капель посредством электротермической системы 46.

В качестве исполнительных пьезоэлементов могут использоваться, прежде всего, исполнительные элементы D33, например, длиной ок. 30 мм, шириной ок. 10 мм и высотой ок. 2 мм. Для более детальных описаний относительно конструкции и возможного расположения исполнительных пьезоэлементов дается однозначная ссылка на WO 2007/071231 А1.

Для обеспечения максимально эффективного механического ввода в структуру следует предусмотреть для предпочтительных, например прямоугольных, исполнительных пьезоэлементов 54, 55 ровные поверхности для нанесения на внутреннюю сторону профиля 36. Предпочтительные, например прямоугольные, исполнительные пьезоэлементы 54, 55 преимущественны, прежде всего, потому, что они предлагаются как недорогие стандартные конструктивные элементы. В качестве альтернативы, также могут использоваться исполнительные пьезоэлементы соотнесенной формы, которые имеют тот же изогнутый контур, что и профиль 36, чтобы обеспечить максимально эффективный механический ввод в структуру.

Устройство 10 для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда имеет в предпочтительной форме осуществления в качестве гибридной системы 44 снятия льда предпочтительным образом также устройство для уменьшения адгезии льда на участке 14 поверхности. Это устройство может рассматриваться как еще одна подсистема для устранения обледенения. Это устройство имеет, прежде всего, покрытие 42 поверхности.

В предпочтительной форме осуществления на участок 14 поверхности вокруг передней кромки 26 аэродинамического профиля 36 или, например, на весь участок поверхности профильного тела 18, например, крыла 22, наносится покрытие и/или выполняется его структуризация таким образом, что поверхность имеет минимальные адгезионные свойства между льдом (или водой) и поверхностью профиля. Например, в качестве профильного тела 18 предусмотрен алюминиевый профиль крыла NACA-0012 с наноструктурированной, супергидрофобной структурой поверхности или покрытием 42 поверхности в области передней кромки 26 (например, Hydrobead).

Например, применяется следующий способ для подгонки ультрагладкой поверхности с наноструктурированной гидрофобной морфологией, который можно разделить на три шага:

1) полировка выполненной из алюминиевого сплава структуры до зеркального блеска;

2) выполнение нанопористого слоя оксида алюминия за счет анодирования фосфорной кислотой/серной кислотой (PSA);

3) гидрофобизация поверхности.

На шаге 1) поверхности из алюминиевого сплава полируются до тех пор, пока они не образуют ультрагладкую поверхность. Способ PSA выполняется, например, с напряжением в диапазоне от 16 до 26 Вольт и три температурах от 18 до 35°С. На шаге 3) оставленные при анодировании пики нанопористой поверхности оксида алюминия обрабатываются средством гидрофобизации. Например, здесь используются промышленные средства, такие, как, например, раствор ″Episurf″ от Surfactis Technologies в погружном способе, или также химикалии, например, такие как трихлоро(1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктил)силаны от Sigma Aldrich, которые в предпочтительном варианте осуществления осаживаются на полированную наноструктурированную алюминиевую поверхность в эксикаторе. Способ для производства и применения полированной наноструктурированной металлической поверхности с отталкивающими воду и лед свойствами описан в патентной заявке P700750-DE-NP.

Согласно этому на фиг. 2 показана предпочтительная форма осуществления устройства 10 со снабженным нагревательной проволокой 48 вдоль линии 34 полного торможения потока теплоотдающим устройством 12 в качестве электротермической системы 46, с выполненными с исполнительными пьезоэлементами 54, 55 первым и вторым деформирующими узлами 56, 57 для деформации первого отрезка и второго отрезка 38, 39 участка 14 поверхности, образующими деформирующее устройство 40 в качестве электромеханической системы 52 снятия льда с покрытием 42 поверхности в качестве еще одной подсистемы гибридной системы 44 снятия льда.

Далее подробнее объясняется принцип действия подобной гибридной системы 44 снятия льда на основании представлений на фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 показана принципиальная схема аэродинамического профиля 36 на примере профиля крыла 22 с полностью покрытой льдом 30 передней кромкой 26. Намеченная нагревательная проволока 48, которая приклеена на внутренней стороне профиля 36 на высоте линии 34 полного торможения потока, в этом примере ни разу не нагревалась электротермически. Даже если теперь за счет включения намеченных исполнительных пьезоэлементов 54, 55 будет сломана связь в пограничном слое между льдом и поверхностью на участке 14 поверхности профиля 36, то охватывающий переднюю кромку 26 профиля 36 слоя льда тем не менее останется на том же месте, потому что аэродинамические силы потока - показаны вектором v скорости - будут по-прежнему прижимать слой льда к передней кромке 26 профиля 36.

Напротив, на фиг. 4 показана принципиальная схема профиля 36, например, образующего крыло 22 профильного тела 18, с - например, постоянно работающей нагревательной проволокой 48, которая приклеена на внутренней стороне профиля 36 на высоте линии 34 полного торможения потока. При двухмерном рассмотрении точечное или же при двухмерном рассмотрении - линиеобразныое введение термической энергии создает заданное место разлома или же заданную линию 32 разлома, которая служит цели разбиения на части или же разделения накопления льда 30 на линии 34 полного торможения потока профиля 36 крыла 22 в верхней части 60 и в нижней части 61 слоя льда. При более общем рассмотрении лед 30 разделяется по заданной линии 32 разлома на одну первую часть 60 и на одну вторую часть 61. За счет этого можно удалить обе части 60, 61 льда за счет намеченных исполнительных пьезоэлементов 54, 55.

Как видно на фиг. 4 и 5, теплоотдающее устройство 12 имеет удлиненный источник 13 тепла, такой как, прежде всего, нагревательная проволока 48 и изоляционная оболочка для источника 13 тепла. Источник 13 тепла заключен в изоляционную оболочку 15, за счет чего предотвращается теплоотдача вне теплоотдающей линии 28. Прежде всего, предотвращается теплоотдача во внутреннюю область профильного тела 18 и к тому же создается накопление тепла внутри изоляционной оболочки. Тем самым теплоотдача может направляться целенаправленно в поверхность профильного тела 18. По существу, вся термическая энергия линиеобразно отдается по теплоотдающей линии 28, чтобы таким образом создать заданное место разлома или же заданную линию 32 разлома и разделить лед. За счет этого требуется очень малое количество термической энергии.

При этом достаточно, если лед будет вскрыт в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм. В особо предпочтительной форме осуществления вскрытие происходит вдоль заданной линии 32 разлома с шириной линии примерно 1 мм. Затем оба разделенных части льда можно механически удалить за счет деформации поверхности профильного тела 18.

Согласно этому видимый на фиг. 3 и 4 принцип работы гибридной системы 44 снятия льда еще будет в более подробных деталях разъяснен на примере возможного примера осуществления - например, выполняемого с помощью устройства 10 - способа устранения обледенения или для предотвращения образования льда на летательных аппаратах.

За счет использования, например, нагревательной проволоки 48 по линии 34 полного торможения потока профиля 36 крыла 22, стабилизатора, воздухозаборника двигателя или тому подобного элемента, нагревательная проволока 48 которого наклеена на внутреннюю сторону профиля 36, термическая энергия линиеобразно передается на профиль 36 в направлении размаха крыла. Более общим образом, теплоотдача теплоотдающего устройства 12 при трехмерном рассмотрении происходит линиеобразно или точечно при двухмерном рассмотрении как на фиг. 4. Это обуславливает надрезание охватывающего переднюю кромку 26 слоя льда 30 и может рассматриваться как осознанное введение заданного места разлома или заданной линии 32 разлома, которое служит цели разбиения накопившегося льда на первую и вторую половину льда, например, на одну верхнюю половину льда и одну нижнюю половину льда.

Особо преимущественным является совместное использование нагревательной проволоки 48 для образования гибридной системы 44 снятия льда в комбинации с деформацией участка 14 поверхности профиля 36 за счет пьезоэлектрических исполнительных элементов 54, 55.

Если отказаться от использования нагревательной проволоки 48, то пьезоэлектрические исполнительные элементы 54, 55 хотя и могут деформировать поверхность профиля 36 крыла 22 и, тем самым, разрывать связь между пограничным слоем льда и поверхностью. Но отсоединившийся от поверхности лед 30 по-прежнему прижимается за счет аэродинамического давления подпора притока к профилю 36 крыла 22. Тем самым участок 14 поверхности не освобождается окончательно от накопления льда - см. фиг. 3. За счет разделения на несколько отрезков или частей 60, 61, например, на одну верхнюю и одну нижнюю половину льда, с помощью теплоотдающего устройства 12, например, посредством нагревательной проволоки 48, обходят возможную проблему прижимания льда 30 к профилю 36 - см. об этом фиг. 4 - и дополнительно можно использовать эффект аэродинамического притока профиля 36 и воздействующих за счет этого на лед 30 сил.

Тем самым нагревательная проволока 48 - в отличие от электротермических систем или теплоотдающих устройств 102, которые работают с нагревательными ковриками 110 - не служит для термического удаления с большой площади скоплений льда на аэродинамическом профиле 36, например, таком как крыло 22, а для линиеобразного взламывания слоя льда.

Соответственно выполнимый, например, с помощью устройства 10 способ устранения обледенения участка 14 поверхности летательного аппарата 16 и/или для предотвращения образования льда на участке 14 поверхности летательного аппарата 16 с шагом введения тепла вдоль линии на участке 14 поверхности, чтобы образовать заданную линию 32 разлома в собирающемся на участке 14 поверхности льде 30 или линию отрыва в собирающемся на участке поверхности льде или в собирающихся на участке поверхности скоплениях капель воды.

При умелом использовании притока таким образом за счет разламывания льда вдоль заданной линии разлома возможно удаление льда.

Более предпочтительно введение тепла вдоль теплоотдающей линии 28 для образования заданной линии 32 разлома или линии отрыва вдоль линии 34 полного торможения потока аэродинамического профиля.

Более предпочтительным образом способ также имеет еще по меньшей мере один из следующих шагов: деформация участка 14 поверхности, чтобы взломать лед 30 вдоль заданной линии 32 разлома и/или чтобы взломанный 30 вдоль заданной линии 32 разлома лед или удалить собирающиеся по сторонам линии отрыва скопления воды и/или выполнение участка 14 поверхности со снижающим силы адгезии льда покрытием, прежде всего, за счет соответствующего покрытия 42 поверхности.

В предпочтительной форме осуществления нагревательная проволока 48 электротермической системы 46 эксплуатируется в постоянном режиме Running-Wet-Anti-Icing. Но для меньшего потребления энергии нагревательная проволока может также альтернативно эксплуатироваться в циклическом режиме De-Icing, чтобы обеспечить возможность удаления льда с отделенных друг от друга частей 60, 61 льда 30 на профиле 36 посредством деформирующего устройства 40.

Деформация участка 14 поверхности выполняется предпочтительным образом за счет исполнительных пьезоэлементов 54, 55. Прежде всего, деформация поверхности профиля 36 выполняется за счет управления исполнительными пьезоэлементами 54, 55 в диапазоне резонансной частоты структуры - здесь предпочтительным образом используется низкое управляющее напряжение при посадочном напряжении в 0 В - или за счет квази-статического возбуждения исполнительных пьезоэлементов - здесь предпочтительным образом используется высокая амплитуда при посадочном напряжении >0 В, за счет чего удаляются скопления льда в области направления потока за линией 34 полного торможения потока профиля 36.

Еще одно возможное управление заключается в непрерывном, динамическом управлении пьезоэлектрическими исполнительными элементами 54, 55 с прямоугольным сигналом с определенной крутизной фронта при частоте повтора, например, в 1 Гц. За счет прямоугольного сигнала структура крыла приводится в резонанс, этот эффект дополнительно к статическому отклонению положительно сказывается на растрескивании льда 30.

При встройке, например, двух или нескольких исполнительных пьезоэлементов 54, 55 соответственно на первом и втором отрезке 38, 39 профиля 36, например, на верхней стороне и нижней стороне профиля 36 крыла 22, также существует возможно отдельного управления исполнительными элементами 54, 55, чтобы создать любую форму колебаний на поверхности профиля, например своего рода волну поперек поверхности участка 14 поверхности.

Направление движения исполнительных пьезоэлементов 54, 55 может выполняться в направлении размаха крыла или направлении полета (эффект D33) или в плоскости (эффект D31).

В альтернативной, не показанной здесь подробнее форме осуществления резонансная деформация может также быть реализована за счет применения генератора инерционной силы или осциллятора инерционной массы. Примеры используемых для этого генераторов инерционной силы или осцилляторов инерционной массы разъяснены в WO 2007073820 A1, ЕР 01963704 В1, ЕР 0907036 А2, US 020050285477 A1, US 020080316671 Al, US 020050280332 A1, US 000006411009 В2 и, прежде всего, в немецкой патентной заявке DE 102014110753.5, на которую однозначно указывается для дополнительных подробностей. Также могут быть предусмотрены комбинации из по меньшей мере одного пьезоэлектрического исполнительного элемента и по меньшей мере одного генератора инерционной силы и/или одного осциллятора инерционной массы.

За счет ледофобных свойств супергидрофобного покрытия 42 адгезивные связующие силы между льдом 30 и поверхностью профиля 36 снижаются до минимума. За счет этого обеспечивается возможность энергоэффективного удаления всех скоплений льда на профиле 36.

Для подтверждения работы было проведено обледенение профиля 36 крыла 22 в реальных условиях полета в обледенительной аэродинамической трубе в лабораторном масштабе. За счет использования всех трех подсистем гибридной системы 44 снятия льда были удалены все закрепившиеся на профиле крыла скопления льда. Три подсистемы при этом использовались одновременно. Сравнение энергопотребности гибридной системы 44 снятия льда с уже сертифицированной для использования в полетах системой снятия льда, прежде всего, чисто электротермической системой 116 снятия льда показанного на фиг. 6 и 7 типа, смогло выявить очень наглядную экономию энергии.

В упомянутом в начале документе [1] описано, что наряду с площадью, на которой нарастание льда должно быть предотвращено посредством термической системы, температура потока воздуха в решающей степени определяет значение израсходованной мощности.

Для термической подсистемы, которая в предпочтительной форме осуществления была реализована за счет нагревательной проволоки круглого сечения с диаметром 1,2 мм, удалось определить участок израсходованной нагревательным элементом мощности в зависимости от температуры.

Для создания в диапазоне скорости от 90 м/с до 120 м/с линии безо льда с шириной 1 мм, термическая система расходовала мощность на размах крыла в диапазоне от 18,5 Вт/м до 29,4 Вт/м. Эти данные по мощности для предотвращения нарастания льда на линии полного торможения потока даны для образования прозрачного льда, который образуется в температурном диапазоне ненамного ниже точки замерзания воды.

При значениях температуры воздуха, которые благоприятно сказываются на образовании инея, удалось определить термическую мощность теплоотдающего устройства в диапазоне мощностей для размаха крыла от 209,1 до 452,4 Вт/м.

При сравнении линиеобразного снятия льда с помощью описанного здесь теплоотдающего устройства (например, нагревательной проволоки) с термической подсистемой [2] из литературы, которая предусматривает сплошное удаление льда или же сплошное размягчение льда на поверхности профильного тела, становится видно, что линиеобразное снятие льда с помощью нагревательной проволоки экономит более 95% термической мощности по сравнению со сплошным снятием льда.

Для израсходованной мощности механического деформирующего узла, который в предпочтительной форме осуществления выполнен с пьезоэлектрическими исполнительными элементами, также можно указать диапазон мощностей, который можно рассматривать в отличие от термического диапазона мощностей как не зависящий от температуры. Чтобы с помощью исполнительных элементов удалить наросший лед в области вниз по потоку от линии безо льда, расходуется мощность на размах крыла в диапазоне от 28,6 Вт/м до 38,1 Вт/м.

Кроме того, было установлено, что за счет использования отталкивающего лед слоя поверхности можно снизить минимальную толщину льда, которая может быть удалена за счет применения механического деформирующего узла, причем минимальная удаляемая толщина льда может рассматриваться как решающий критерий проектирования для механических систем снятия льда. Без покрытия за счет использования механического деформирующего узла можно было удалять толщину льда в среднем в 2,67 мм, и особо предпочтительным образом толщину льда с минимальным значением в 1,85 мм.

Если механический деформирующий узел поддерживается отталкивающим лед слоем поверхности (или соответствующей структуризацией поверхности), причем за счет отталкивающего лед слоя поверхности снижается адгезия льда на поверхности профильного тела, то в среднем удалось удалить значения толщины льда в 2,03 мм, и в особо предпочтительной форме осуществления можно реализовать минимально удаляемые значения толщины льда в 1,45 мм.

Тем самым за счет использования отталкивающего лед слоя поверхности еще раз можно достичь снижения расхода энергии в более чем 21% при сравнении минимально удаляемых значений толщины льда или же снижения расхода энергии примерно в 24% при сравнении с удаляемыми в среднем значениями толщины льда.

Выше были разъяснены подробнее примеры осуществления устройства 10 и способа устранения обледенения и/или предотвращения образования льда на участке 14 поверхности летательного аппарата 16. Само собой разумеется, изобретение не ограничивается представленными отдельно примерами осуществления. Возможно множество вариаций. Прежде всего, три подсистемы могут использоваться соответственно по отдельности или в любой комбинации друг с другом.

Возможны и мыслимы другие примеры осуществления.

Некоторые примеры осуществления посвящены снижению вероятности выхода из строя.

Так теплоотдающее устройство 12 для обеспечения избыточности гибридной системы 44 снятия льда могло иметь множество нагревательных проволок 48.

Например, удалось предусмотреть нагревательную проволоку 48 непосредственно на линии 34 полного торможения потока, а другие нагревательные проволоки (не показаны подробнее) располагаются в области вокруг линии 34 полного торможения потока.

Также могут использоваться соответственно несколько исполнительных пьезоэлементов 54, 55 на соответствующих отрезках 38, 39.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 - Устройство для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда

12 - Теплоотдающее устройство

13 - Источник тепла

14 - Участок поверхности

15 - Изоляционная оболочка

16 - Летательный аппарат

18 - Профильное тело

20 - Самолет

22 - Крыло

24 - Стабилизаторы

25 - Воздухозаборник двигателя

26 - Передняя кромка

28 - Теплоотдающая линия

30 - Лед

32 - Заданная линия разлома

34 - Линия полного торможения потока

36 - Аэродинамический профиль

38 - Первый участок

39 - Второй участок

40 - Деформирующее устройство

42 - Покрытие поверхности

44 - Гибридная система снятия льда

46 - Электротермическая система

48 - Проволока нагревательного элемента

49 - Клеевое соединение

50 - Матрица эпоксидной смолы

52 - Электромеханическая система снятия льда

54 - Первый исполнительный пьезоэлемент

55 - Второй исполнительный пьезоэлемент

56 - Первый деформирующий узел

57 - Второй деформирующий узел

60 - Первая доля слоя льда

61 - Вторая доля слоя льда

100 - Устройство для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда

102 - Теплоотдающее устройство

104 - Участок поверхности

106 - Летательный аппарат

108 - Профильное тело

110 - Нагревательный коврик

112 - Передняя кромка

114 - Линия полного торможения потока

116 - Электромеханическая система снятия льда

118 - Лед

1. Устройство (10) для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда для летательного аппарата (16) с теплоотдающим устройством (12) для отдачи тепла на участке (14) поверхности летательного аппарата (16), отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) выполнено для линиеобразной теплоотдачи с целью создания заданного места разлома или заданной линии (32) разлома или линии отрыва в собирающемся на участке поверхности льде.

2. Устройство (10) по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде гибридного устройства для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда за счет термической и механической энергии.

3. Устройство (10) по п. 1 или 2, отличающееся деформирующим устройством (40) для деформации по меньшей мере одной части поверхности участка (14) поверхности.

4. Устройство (10) по п. 3, отличающееся тем, что деформирующее устройство (40) включает в себя:
а) по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (54, 55) или структуру пьезоэлектрических исполнительных элементов (54, 55) для деформации поверхности участка поверхности; и/или
б) по меньшей мере один генератор инерционной силы или осциллятор инерционной массы; и/или
в) первый деформирующий узел (56) на первой стороне от теплоотдающей линии (28) теплоотдающего устройства (12) для деформации находящегося на первой стороне первого отрезка (38) участка (14) поверхности и второй деформирующий узел (57) на второй стороне от теплоотдающей линии (28) для деформации находящегося на второй стороне второго отрезка (39) участка (14) поверхности.

5. Устройство (10) по п. 4, отличающееся тем,
г) что предусмотрено устройство обнаружения льда, которое выполнено для обнаружения накопления льда на основании информации, полученной посредством теплоотдающего устройства (12) и/или по меньшей мере одного исполнительного элемента (54, 55); и/или
д) что по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент выполнен в виде d33 - исполнительного элемента с продольным эффектом, направление удлинения которого направлено, прежде всего, в направлении размаха крыла.

6. Устройство (10) по одному из пп. 1, 2, 4, 5, отличающееся снижающей силы адгезии льда структуризацией поверхности и/или покрытием (42) поверхности для участка (14) поверхности.

7. Устройство (10) по п. 3, отличающееся снижающей силы адгезии льда структуризацией поверхности и/или покрытием (42) поверхности для участка (14) поверхности.

8. Устройство (10) по одному из пп. 1, 2, 4, 5, 7, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере один удлиненный источник (13) тепла и изоляционную оболочку (15) для источника тепла (13) для предотвращения теплового излучения на ином, чем теплоотдающая линия (28), участке.

9. Устройство (10) по п. 3, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере один удлиненный источник (13) тепла и изоляционную оболочку (15) для источника тепла (13) для предотвращения теплового излучения на ином, чем теплоотдающая линия (28), участке.

10. Устройство (10) по п. 6, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере один удлиненный источник (13) тепла и изоляционную оболочку (15) для источника тепла (13) для предотвращения теплового излучения на ином, чем теплоотдающая линия (28), участке.

11. Устройство (10) по одному из пп. 1, 2, 4, 5, 7, 9, 10, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере одну нагревательную проволоку (48) и/или по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (54, 55), который выполнен и настроен таким образом, что он способен осуществлять линиеобразную теплоотдачу.

12. Устройство (10) по п. 3, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере одну нагревательную проволоку (48) и/или по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (54, 55), который выполнен и настроен таким образом, что он способен осуществлять линиеобразную теплоотдачу.

13. Устройство (10) по п. 6, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере одну нагревательную проволоку (48) и/или по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (54, 55), который выполнен и настроен таким образом, что он способен осуществлять линиеобразную теплоотдачу.

14. Устройство (10) по п. 8, отличающееся тем, что теплоотдающее устройство (12) имеет по меньшей мере одну нагревательную проволоку (48) и/или по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (54, 55), который выполнен и настроен таким образом, что он способен осуществлять линиеобразную теплоотдачу.

15. Профильное тело (18) для летательного аппарата (16), включающее в себя устройство (10) для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда по одному из предшествующих пунктов.

16. Профильное тело (18) по п. 15, отличающееся тем,
а) что теплоотдающее устройство (12) выполнено для создания заданной линии разлома или линии отрыва вдоль или рядом с линией (34) полного торможения потока профильного тела (18) и/или вдоль передней кромки (26) профильного тела (18); и/или
б) что предусмотрено деформирующее устройство (40), посредством которого по меньшей мере одна часть включающего линию (34) полного торможения потока и/или переднюю кромку (26) профильного тела (18) участка (14) поверхности профильного тела (18) является деформируемой для удаления льда или скопившейся воды.

17. Профильное тело (18) по п. 16, отличающееся тем, что включающий линию (34) полного торможения потока и/или переднюю кромку (26) профильного тела (18) участок (14) поверхности снабжен снижающим силы адгезии льда покрытием (42) поверхности.

18. Профильное тело (18) по п. 17, отличающееся тем, что участок (14) поверхности снабжен наноструктурированной поверхностью и/или супергидрофобной поверхностью.

19. Летательный аппарат (16) с устройством (10) для устранения обледенения и/или предотвращения образования льда по одному из пп. 1-14 и/или с аэродинамическим профильным телом (18) по одному из пп. 15-18.

20. Способ устранения обледенения участка (14) поверхности летательного аппарата (16) и/или предотвращения образования льда на участке (14) поверхности летательного аппарата (16) за счет введения тепловой энергии на участке (14) поверхности, отличающийся введением тепла вдоль линии на участке (14) поверхности, чтобы образовать заданную линию (32) разлома или линию отрыва в собирающемся на участке (14) поверхности льде или в собирающихся на участке (14) поверхности скоплениях капель воды.

21. Способ по п. 20, отличающийся по меньшей мере одним из шагов:
а) деформация участка (14) поверхности, прежде всего посредством исполнительных пьезоэлементов (54, 55), чтобы взломать лед вдоль заданной линии (32) разлома и/или чтобы удалить взломанный вдоль заданной линии (32) разлома или линии отрыва лед и/или капли воды; и/или
б) снабжение или выполнение участка (14) поверхности со снижающим силы адгезии льда покрытием (42) поверхности и/или снижающим силы адгезии льда свойством поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиации, в частности к противообледенительным системам летательных аппаратов. Противообледенительная система композиционных аэродинамических поверхностей летательного аппарата содержит систему датчиков контроля температуры, провода соединения с системой электроснабжения летательного аппарата, выведенные на внутреннюю поверхность обшивки аппарата, и электронагревательный элемент.

Способ и устройство для предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов. Для предотвращения и удаления льда поверхности, подверженные обледенению, нагревают до температуры таяния льда.

Электроимпульсное противообледенительное устройство содержит электромагнитные индукторы, управляемые коммутационные элементы, накопительный конденсатор, зарядное устройство, распределитель управляющих импульсов, тиристор, соединенные определенным способом.

Импульсное устройство для удаления льда с обшивки транспортного средства содержит индукторы, укрепленные вблизи металлической обшивки, тиристоры, накопительный конденсатор, зарядное устройство, распределитель управляющих импульсов, датчика импульсов разрядного тока, элементов И, RS триггеров, светодиодов, тумблера фиксации результатов контроля исправности.

Изобретение относится к оборудованию для борьбы с обледенением аэродинамической поверхности летательного аппарата. Комбинированная противообледенительная система состоит из теплового устройства, расположенного под обшивкой передней кромки крыла, и отклоняемого щитка.

Электроимпульсное противообледенительное устройство относится к импульсным устройствам и может быть использовано для механического удаления льда с металлических обшивок транспортных средств, таких как самолеты, вертолеты, экранопланы, суда.

Способ предотвращения обледенения крыльев летательных аппаратов, в котором поверхности, подверженные обледенению, нагревают до температуры таяния льда. Образовавшуюся после таяния льда воду для предотвращения ее замерзания в виде барьерного льда собирают в емкости, установленные в полости крыла.

Изобретение относится к защите поверхности самолета от загрязнений и обледенений. .

Изобретение относится к средствам борьбы с обледенением элементов конструкции летательных аппаратов. .
Наверх