一种翼面防除冰装置

1.本实用新型属于防除冰技术领域，具体是涉及到一种翼面防除冰装置。


背景技术：

2.结冰是指水滴冻结或水汽凝结在物体表面的一种现象，广泛出现在飞机的飞行过程中以及风电叶片上，也是造成飞机和风电叶片安全事故的重要诱因。以飞机为例，飞机的机翼、机身、发动机进气道、螺旋桨、直升机旋翼、机外传感器等表面都会出现结冰的现象。飞机结冰会对飞机性能和飞行安全产生较大影响。当机翼和尾翼结冰时，冰层会导致飞行过程中阻力增加、升阻比下降、最大失速攻角减小以及失速速度增加等后果，会严重降低飞机的飞行性能。
3.为应对结冰风险，当前飞机常采用如化学液除冰、机械除冰、电热除冰等手段，虽然可以在一定程度上对冰层进行有效去除，但通常存在污染环境、损伤蒙皮耗电量大、效率低等问题。尤其对于无人机，所携带能量有限，无法将大量能量用于除冰，对无人机的使用效果产生了极大的影响。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种能耗低和防除冰效果好的翼面防除冰装置。
5.本实用新型提供一种翼面防除冰装置，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的热射流机构、结冰状态检测机构和除冰机构，所述热射流机构设置在翼面的前缘，所述结冰状态检测机构和除冰机构设置在翼面的前缘后部和/或翼面的后缘。
6.更进一步地，所述热射流机构包括射流激励器和设置在射流激励器腔体内的加热机构，所述射流激励器设置在翼面内部，射流激励器的出口与翼面的表面平齐。
7.更进一步地，所述热射流机构在翼面的前缘沿翼面长度方向布置有多个。
8.更进一步地，所述热射流机构在翼面的前缘沿翼面厚度方向布置有多组。
9.更进一步地，所述除冰机构包括高强度射流激励器，所述高强度射流激励器的出口与翼面的表面平齐。
10.更进一步地，所述除冰机构在翼面的前缘后部和/或翼面的后缘沿翼面长度方向布置有多个。
11.更进一步地，所述除冰机构在翼面的前缘后部和/或翼面的后缘沿翼面宽度方向布置有多组。
12.更进一步地，所述结冰状态检测机构包括冰层厚度检测机构和粘附力检测机构。
13.更进一步地，本实用新型还包括与控制系统电连接的粘附力减弱机构，所述粘附力减弱机构设置在前缘后部表面和/或翼面的后缘表面。
14.更进一步地，本实用新型还包括与控制系统电连接的环境温度检测机构。
15.本实用新型的有益效果是，本实用新型所提供的翼面防除冰装置，通过在翼面的
前缘设置热射流机构，可以对翼面的迎风部喷射热气流，进而加热来流过冷滴液改变来流的物性，并在翼面前缘处形成“气膜”，改变来流的轨迹，防止过冷滴液与翼面前缘接触，进而起到前缘防冰和融冰的作用，一定程度上还可以提高前缘后部和后缘部分的结冰难度；
16.通过在翼面的前缘后部和/或翼面的后缘部设置除冰机构，可以当该部分结冰后通过除冰机构进行除冰，进而对翼面的前缘后部及翼面的后缘部进行除冰，保证翼面整体的气动特性，保证翼面所应用设备的性能和安全；
17.通过设置控制系统，可以控制翼面在进入结冰环境时或者进入结冰环境前开启热射流机构进行防冰，在翼面的前缘后部和后缘部分结冰后开启除冰机构，以控制防冰和除冰的时机，进而避免能源浪费；
18.本实用新型对热射流机构和除冰机构进行特别的位置布置，实现翼面整体的除冰需求，且由于翼面的前缘是翼面气动性能的关键部分，正好处于使用时最先进入低温气流区域的位置，容易受到过冷滴液的影响，因此对翼面的前缘设置热射流机构防冰，避免其进入结冰状态，同时提高翼面的前缘后部和后缘部分的结冰难度，也可降低除冰机构的使用频率，显著降低防除冰能耗。
附图说明
19.附图1为本实用新型的结构示意图；
20.附图2为本实用新型中热射流机构的结构示意图；
21.附图3为本实用新型中热射流机构的正剖视图；
22.附图4为本实用新型中除冰机构的结构示意图；
23.附图5为本实用新型中除冰机构的剖视图。
24.在图中，1-热射流机构；2-粘附力减弱机构；3-除冰机构；4-振动膜；5-激励器外壳ⅰ；6-激励器外壳ⅱ；7-加热机构电极；8-加热机构支架；9-加热机构；10-气流出口；11-电极；12-激励器本体；13-射流出口；14-激励器盖体；15-翼面。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可
以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
30.另外，在本实用新型中所说的翼面是指产生升力的机翼，叶片、桨叶、舵面或其他具有类似截面的物体的表面形状，通常是由弯曲的上下表面和翼面的前缘和后缘组成，例如飞行器上的机翼和舵面，风力发电的叶片、螺旋桨等。
31.另外，本实用新型所说的翼面长度方向是指翼面的翼展方向，即翼面从翼根到翼尖的方向，翼面的宽度方向是指翼弦方向，即翼截面上从前缘到后缘的方向，翼面的厚度方向是指翼面上表面至下表面的方向；翼面的前缘后部只是翼面上表面和下表面。
32.如附图1-5所示，本实用新型提供一种翼面防除冰装置，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的热射流机构1、结冰状态检测机构和除冰机构3，所述热射流机构1设置在翼面15的前缘，所述结冰状态检测机构和除冰机构3设置在翼面15的前缘后部和/或翼面15的后缘。
33.本实用新型所提供的翼面防除冰装置，通过在翼面15的前缘设置热射流机构1，可以对翼面的迎风部喷射热气流，进而加热来流过冷滴液改变来流的物性，并在翼面前缘处形成“气膜”，改变来流的轨迹，防止过冷滴液与翼面前缘接触，进而起到前缘防冰和融冰的作用。上述设置，相对于常规使用电加热片对翼面15的前缘进行加热的防冰方式而言，本实用新型可以影响来流的轨迹，一定程度上还可以提高前缘后部和后缘部分的结冰难度；
34.通过在翼面15的前缘后部和/或翼面15的后缘部设置除冰机构3，可以当该部分结冰后通过除冰机构3进行除冰，进而对翼面15的前缘后部及翼面15的后缘部进行除冰，保证翼面整体的气动特性，保证翼面所应用设备的性能和安全；
35.通过设置控制系统，可以控制翼面15在进入结冰环境时或者进入结冰环境前开启热射流机构1进行防冰，在翼面15的前缘后部和后缘部分结冰后开启除冰机构3，以控制防冰和除冰的时机，进而避免能源浪费；
36.本实用新型对热射流机构1和除冰机构3进行特别的位置布置，实现翼面整体的除冰需求，且由于翼面15的前缘是翼面气动性能的关键部分，正好处于使用时最先进入低温气流区域的位置，容易受到过冷滴液的影响，因此对翼面15的前缘设置热射流机构1防冰，避免其进入结冰状态，同时提高翼面15的前缘后部和后缘部分的结冰难度，也可降低除冰机构3的使用频率，显著降低防除冰能耗。
37.在其中一个实施例中，所述热射流机构1包括射流激励器和设置在射流激励器腔体内的加热机构9，采用射流激励器加加热机构9的方式，具有无需气源和重量小的优势，且仅需电能和易于电源控制，另外，所述射流激励器设置在翼面15内部，射流激励器的出口与翼面15的前缘表面平齐，可以对射流激励器进行物理防护的同时避免影响翼面的气动结构。
38.具体地，射流激励器包括激励器外壳ⅰ5、激励器外壳ⅱ6和振动膜4，激励器外壳ⅰ5
和激励器外壳ⅱ6围合形成一个安装腔体，所述振动膜4设置在安装腔体内并将安装腔体分隔为两个射流腔体，激励器外壳ⅰ5和激励器外壳ⅱ6上还设置有连通两个射流腔体的两个气流出口10，另外，在激励器外壳ⅰ5和激励器外壳ⅱ6位于射流腔体内的侧壁上还设置有加热机构支架8，加热机构9则固定设置在加热机构支架8设置在射流腔体内，且通过加热机构电极7与外部电源连接。其中，加热机构9可以根据翼面15空间大小、载重等因素选择电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热以及介质加热中一种或多种，在一个优选实施例中，加热机构9可以是飞行器或者风力发电机中发动机的热源。另外，在一个优选实施例中，激励器外壳ⅰ5和激励器外壳ⅱ6可以与翼面15一体化设计，进而无需安装，提高翼面15的一体性。
39.在其中一个实施例中，所述热射流机构1在翼面15的前缘沿翼面15长度方向布置有多个，可以是在翼面15的翼根至翼尖方向等距间隔布置多个，进而提高防冰的面积和效率。在一个优选实施例中，所述热射流机构1在翼面15的前缘沿翼面15厚度方向布置有多组，即热射流机构1整体呈矩形阵列排布，进一步提高防冰面积和效果，同时进一步增加翼面15后方的结冰难度。
40.在其中一个实施例中，所述除冰机构3包括高强度射流激励器，具有高效率、低能耗、快响应的特点，采用高强度射流激励器，通过产生的高强度射流直接冲击冰层，将冰层破坏为小碎块，这些碎块会在气动力的作用下从物体表面剥离实现破冰，所述高强度射流激励器的出口与翼面15的前缘后部表面和/或翼面15的后缘表面平齐，可以避免影响翼面的气动结构。
41.具体地，高强度射流激励器包括激励器本体12、激励器盖体14和两个激励器电极11，激励器本体12上设置有放电腔体，激励器盖体14盖住放电腔体且设置有连通放电腔体的射流出口13，两个激励器电极11一端连接电源，另一端伸入放电腔体内，通过两个激励器电极11电弧放电，在短时间内将一定能量注入至放电腔体中，放电腔体内两激励器电极11间的高电压击穿放电腔体内空气后发生放电，放电后放电腔体内部气体的温度和压强快速上升，高温高压气体从激励器盖体14上射流出口13处高速喷出，形成等离子体射流冲击冰层。
42.在其中一个实施例中，所述除冰机构3在翼面15的前缘后部和/或翼面15的后缘沿翼面15长度方向布置有多个，可以是在翼面15的翼根至翼尖方向等距间隔布置多个，进而提高除冰的面积和效率。在一个优选实施例中，所述除冰机构3在翼面15的前缘后部和/或翼面15的后缘沿翼面15宽度方向布置有多组，即多个除冰机构3整体呈矩形阵列排布，进一步提高除冰面积和效果，本实施例中，多个除冰机构3可以对整块冰层破坏为数个均布的小碎块，这些碎块会在气动力的作用下从物体表面剥离，进而实现冰层的整块剥离。
43.所述结冰状态检测机构包括冰层厚度检测机构和粘附力检测机构，且冰层厚度检测机构和粘附力检测机构均与控制系统电连接，本实施例中，控制系统实时获取冰层厚度检测机构和粘附力检测机构所获取的冰层厚度和冰层粘附力数据，并根据所获取的冰层厚度和冰层粘附力数据控制除冰机构3的工作状态和工作强度，即当冰层厚度和粘附力达到设定值时，既可以控制除冰机构3工作，实现精确地控制除冰时机，避免了冰层过厚导致无法去除或冰层过薄导致能耗的浪费。
44.具体地，冰层厚度检测机构通过压力传感器、红外探测或者温度探测的方式实现，
其布置在有除冰需求的机翼表面，通过检测确定结冰厚度，将厚度数据返回至控制系统，确定是否需要除冰。冰层厚度检测机构具体原理和工作过程属于现有技术，在此不再赘述；
45.粘附力检测机构可以通过监控翼面表面与冰层之间的水膜厚度来实现，如果检测到翼面表面与冰层之间没有水膜，则表示粘附力大，如果检测到翼面表面与冰层之间有水膜或者水膜厚度达到一定值，则表示粘附力小，以此判断除冰时机，并根据需要进行粘附力减弱。
46.在其中一个实施例中，本实用新型还包括与控制系统电连接的粘附力减弱机构2，所述粘附力减弱机构2设置在前缘后部表面和/或翼面15的后缘表面，粘附力减弱机构2用于减少冰层与翼面15表面的粘附力，进而提高破冰的成功率，在一个实施例中，粘附力减弱机构2可以是设置在翼面15有除冰需求的表面上的加热机构，该加热机构根据实际情况可选取电加热机构、光热材料或脉冲电加热机构。
47.在其中一个实施例中，本实用新型还包括与控制系统电连接的环境温度检测机构，环境温度检测机构可以是单独设置在翼面上的温度传感器，也可以是翼面使用设备上的温度传感器，例如飞行器或者风力发电机上的温度传感器，本实施例中，通过将控制系统连接环境温度检测机构，确认何时开启或者关闭热射流机构1和除冰机构3，在无需防除冰的环境下可以节约能源。
48.本实用新型的具体工作原理：
49.控制系统包括相互电连接的中央控制单元和电源控制单元，电源控制单元与热射流机构1、粘附力减弱机构2和除冰机构3电连接，中央控制单元与冰层厚度检测机构、粘附力检测机构和环境温度检测机构电连接。
50.中央控制单元实时获取环境温度检测机构的数据，当环境温度检测机构检测到环境温度达到或者接近结冰温度时，控制冰层厚度检测机构和粘附力检测机构开始工作，同时发送控制信号给电源控制单元，电源控制单元控制热射流机构1工作；
51.中央控制单元实时获取冰层厚度检测机构和粘附力检测机构的数据，当冰层厚度检测机构检测到冰层厚度达到除冰厚度后，中央控制单元根据粘附力检测机构检测的粘附力数据并控制粘附力减弱机构2工作，直至粘附力减弱机构2将粘附力减弱至设定值，此时中央控制单元控制电源控制单元开启除冰机构3，另外，中央控制单元还可以根据具体的粘附力和冰层厚度实时控制除冰机构3的工作强度，以保证除冰机构3除冰成功率和避免浪费能源。
52.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种翼面防除冰装置，其特征是，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的热射流机构(1)、结冰状态检测机构和除冰机构(3)，所述热射流机构(1)设置在翼面(15)的前缘，所述结冰状态检测机构和除冰机构(3)设置在翼面(15)的前缘后部和/或翼面(15)的后缘。2.如权利要求1所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述热射流机构(1)包括射流激励器和设置在射流激励器腔体内的加热机构(9)，所述射流激励器设置在翼面(15)内部，射流激励器的出口与翼面(15)的表面平齐。3.如权利要求2所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述热射流机构(1)在翼面(15)的前缘沿翼面(15)长度方向布置有多个。4.如权利要求3所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述热射流机构(1)在翼面(15)的前缘沿翼面(15)厚度方向布置有多组。5.如权利要求1所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述除冰机构(3)包括高强度射流激励器，所述高强度射流激励器的出口与翼面(15)的表面平齐。6.如权利要求5所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述除冰机构(3)在翼面(15)的前缘后部和/或翼面(15)的后缘沿翼面(15)长度方向布置有多个。7.如权利要求6所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述除冰机构(3)在翼面(15)的前缘后部和/或翼面(15)的后缘沿翼面(15)宽度方向布置有多组。8.如权利要求1-7任一项所述的翼面防除冰装置，其特征是，所述结冰状态检测机构包括冰层厚度检测机构和粘附力检测机构。9.如权利要求8所述的翼面防除冰装置，其特征是，还包括与控制系统电连接的粘附力减弱机构(2)，所述粘附力减弱机构(2)设置在前缘后部表面和/或翼面(15)的后缘表面。10.如权利要求1-7任一项所述的翼面防除冰装置，其特征是，还包括与控制系统电连接的环境温度检测机构。

技术总结
本实用新型属于防除冰技术领域，具体是涉及到一种翼面防除冰装置，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的热射流机构、结冰状态检测机构和除冰机构，所述热射流机构设置在翼面的前缘，所述结冰状态检测机构和除冰机构设置在翼面的前缘后部和/或翼面的后缘，本实用新型对热射流机构和除冰机构进行特别的位置布置，实现翼面整体的除冰需求，对翼面的前缘设置热射流机构防冰，避免其进入结冰状态，同时提高翼面的前缘后部和后缘部分的结冰难度，也可降低除冰机构的使用频率，显著降低防除冰能耗。耗。耗。


技术研发人员：程盼 景向嵘 高天翔 周岩 罗振兵 邓雄 赵志杰 孙乾
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/6/20