主被动组合防冰方法及装置

1.本发明涉及无人机防冰技术领域，特别涉及一种主被动组合防冰方法及装置。


背景技术：

2.结冰是广泛存在的一种自然现象。结冰问题对许多方面造成了损害。例如，结冰影响风力机发电效率。风力机的布置会选择风力条件好的位置，然而这些位置往往也是结冰问题的重灾区。风力机的桨叶结冰，将严重影响风力机的发电功率，造成经济损失。结冰还能够严重危害飞机飞行安全，飞机不同部位的结冰，会给飞行安全带来不同程度的危害：升力面上的结冰会导致飞机阻力增加、升力下降、失速迎角减小、失速速度增加以及操纵性和稳定性品质恶化等后果；进气道结冰会恶化发动机的进气特性，增加燃油的消耗量，减少发动机寿命，甚至造成发动机熄火；空速管等重要仪表结冰时，机载计算机就会发出错误的信息，直接影响飞行安全。
3.研究和探索有效的防/除冰方法一直受到国内外学者的普遍关注，虽然近几十年防除冰研究一直在深入进行，但是开发出一种更为高效、环保、节能防/除冰方法仍是学者们的目标。
4.目前取得实际应用于防除冰技术主要有热气防冰法、膨胀管除冰法、电磁脉冲除冰法、电热防除冰法等方法。
5.虽然传统防除冰方式能够起到良好效果，但也有不少问题。例如，热气防冰法存在能量效率低、降低发动机工作性能、对材料有损伤等问题。膨胀管及电磁脉冲除冰方法会改变气动外形，且后者产生的蒙皮振动会导致结构疲劳。电热防冰法存在能量代价较高的问题，且对表面复合材料也会有损伤。除此之外，传统防除冰技术在一些新兴的热点领域无法有效实现结冰防护。例如，现有的防除冰技术在无人机上的应用存在很大局限。因为无人机本身承重少，可以携带的能量有限，而且无人机因为体积较小，在相同的结冰环境下会受到更大的威胁。目前无人机大多采用策略防冰的方式，即避开结冰气象执行任务，使得作战能力受到了严重限制。
6.疏水材料是一种极具潜力的新型防除冰方法，具有零能耗、不增加重量等优势。然而，由于疏水材料表面往往有微小粗糙元结构，结冰气象中微小水滴会以较高速度撞击表面，从而将结构破坏。除此之外，一旦水滴在疏水材料表面结冰或结霜，会使材料发生损坏，并且其接触角会随着结冰过程的发展逐渐增大。冰还会“嵌”在疏水表面的微小结构中，形成更大的机械互锁力，反而会更难去除。结冰气象条件下疏水材料的稳定及耐用性不足问题严重制约了其实际应用。
7.综上所述，已有防除冰方法存在诸多不足，亟需发展结构简单、质量轻、能耗低、成本低且效果好的防冰方法。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的防冰方法能量消耗大、结构复杂及重量大的问题，本发明提
出了一种主被动组合防冰方法及装置，用以在低能耗条件下满足大面积防冰需求，降低防冰装置成本及复杂性，改进防冰效果。
9.为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
10.主被动组合防冰方法，在防冰需求表面上预先设置疏水材料，一个或一个以上的合成射流激励器布置在防冰需求表面下方或/和防冰需求表面的正对侧或/和防冰需求表面的外周侧；当所述防冰需求表面有防冰需求时，利用合成射流激励器在防冰需求表面及该表面附近喷射合成射流。
11.在防冰需求表面上预先设置疏水材料；当有水滴撞击防冰需求表面，此时该表面有防冰需求时，利用合成射流激励器对防冰需求表面喷射高速射流，合成射流在防冰需求表面上直接受到水滴撞击的部位，改变水滴运动轨迹并减弱水滴撞击防冰需求表面的速度，从而降低水滴收集率，达到防冰的目的。合成射流可以通过调控水滴在撞击之前的与超疏水表面之间的相切及垂直方向速度，调控水滴的撞击动力特性，降低接触时间，起到快速脱除水滴的作用。射流与壁面因为强烈的速度梯度产生的升力可促进水滴在超疏水表面回弹过程中快速脱离并远离表面。
12.作为本发明的优选方案，在防冰需求表面上有溢流水经过的部位，水滴在超疏水材料表面粘附力低，通过合成射流激励器产生射流直接将溢流水吹除，防止溢流冰的产生。
13.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器为热合成射流激励器，当所述防冰需求表面有防冰需求时，利用热合成射流激励器在防冰需求表面及该表面附近喷射具有一定温度的热合成射流。在合成射流激励器的射流腔体内部设置有热源，热源对合成射流激励器所产生的射流进行加热，进而生成热射流喷出。进一步地，所述热源可以为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网等中的任意一种，热源设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面。所述热源也可以为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。
14.本发明提供一种主被动组合防冰装置，包括防冰需求表面、合成射流激励器、疏水材料层，在防冰需求表面设置有一层由疏水材料制成的疏水材料层，在防冰需求表面下方或/和防冰需求表面的正对侧或/和防冰需求表面的外周侧设置合成射流激励器，合成射流激励器包括射流腔体、振动膜和射流腔体出口。
15.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器具有一个或多个射流腔体出口，各射流腔体出口一一对应防冰需求表面上开设的射流喷射口。
16.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器其射流腔体内部设置有热源，热源对合成射流激励器所产生的射流进行加热，进而生成热射流喷出。进一步地，所述热源形式不限，所述热源可以为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网等中的任意一种，热源设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面。所述热源也可以为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。
17.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器为单膜单腔合成射流激励器或单膜双腔合成射流激励器等。
18.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器的出口为圆孔或狭缝，出口面积在数十至上百平方mm，工作频率在数百至上千赫兹。
19.作为本发明的优选方案，所述主被动组合防冰装置可以用于于各种场合，如所述
防冰需求表面位于飞行器平动部件上，包括但不限于机翼前缘以及机翼后缘；或者所述防冰需求表面位于飞行器旋转部件上，包括但不限于发动机旋转帽罩或者直升机旋翼或者风力机叶片。进一步地，各应用场景中的结冰前过冷水滴粒径在微米量级至毫米量级之间。
20.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器可以通过控制输入电信号实现其所产生的高速射流方向的大范围偏转，从而扩大单个合成射流激励器的防冰范围。
21.作为本发明的优选方案，所述合成射流激励器可以根据防冰需求表面的大小以及其他实际需求，采用阵列式布置方式设置在防冰需求表面的下方。
22.作为本发明的优选方案，所述疏水材料的材质可以是无机材质或有机材质，或是多种材料的复合，可以采用电化学法、蚀刻法等方法加工制备，部分或完全覆盖防冰需求表面。进一步地，所述疏水材料为蜡铸灰、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚硅氧烷基粘弹性材料或聚二甲基硅氧烷，疏水材料采用光刻法、压印法或喷涂法设置在防冰需求表面上。
23.本发明所述除冰需求表面不限，可以广泛应用于各领域各设备上，如飞行器、风力机等。
24.相对于现有技术，本发明能够获得以下技术效果：
25.目前基于热效应的防冰方法如热气防冰及电热防冰，能量消耗极高；而基于防冻液的防冰方法，存在严重的环境污染问题。dbd防冰方法表面电极容易损坏，并且电能至热能的能量转化效率极低，能耗大。而在静态流场下表现出优越性能的疏水材料会在结冰环境下迅速损坏并失效。本发明提出的主被动组合防冰方法及装置，首先它用到了气动防冰原理。合成射流激励器可以产生射流，在直接受到水滴撞击的部位，改变水滴运动轨迹并减弱水滴撞击表面的速度，从而降低水滴收集率，达到防冰的目的。在溢流水经过的部位，可以通过射流直接将水滴吹除，避免溢流冰的产生。
26.除此之外，用到了热-力耦合防冰原理。合成射流激励器可产生具有矢量特性的热合成射流。一方面可以对过冷水滴进行加热，减少结冰可能；另一方面射流可以改变水滴的运行轨迹，减少表面水滴收集率或将水滴直接吹离表面。
27.进一步地，用到了主被动组合防冰原理。疏水材料起到了使水滴发生回弹进而脱除的作用，合成射流可以通过调控水滴在撞击之前的与超疏水表面之间的相切及垂直方向速度，调控水滴的撞击动力特性，降低接触时间，起到快速脱除水滴的作用。射流与壁面因为强烈的速度梯度产生的升力可促进水滴在超疏水表面回弹过程中快速脱离并远离表面。通过加热装置可产生热射流，热合成射流可以有效加热疏水表面，防止表面结霜结冰对疏水材料的微小结构造成破坏。热合成射流还可以改变水滴运行轨迹及降低水滴撞击速度，避免水滴撞击穿刺破坏疏水材料表面；热合成射流对过冷水滴进行了加热，使其在表面不结冰的同时保持cassie态，充分发挥疏水材料的性能。
28.另一方面，疏水材料可以在热合成射流的保护下保持良好的疏水性能，使使撞击水滴回弹，或使得表面收集到的水滴保持cassie状态且快速通过或迅速脱落，缓解热合成射流激励器的工作压力，从而降低整体的防冰功率。
29.综上，本发明具有结构简单，重量轻，能耗低的优势，相比传统电热及热气防冰，热射流与过冷水滴可以进行充分的对流换热，从而保证了较高的能量效率。而独特的气动力防冰优势及强大的矢量特性能够保证其具有大面积高效防冰的优势。进一步地，热合成射流与疏水材料实现了相辅相成的防冰效果，热合成射流对疏水材料进行了充分的保护，最
大化发挥疏水材料性能。而疏水材料作为被动方式缓解了热合成射流的工作压力及能量消耗，使得这种主被动方法相对于以往的防冰方法在能耗、结构、重量等方面具有明显优势。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
31.图1为本发明一实施例中主被动组合防冰方法的原理框架图；
32.图2为本发明一实施例的结构示意图；
33.图3为本发明一实施例的结构示意图；
34.图4为本发明一实施例的结构示意图；
35.图5为本发明一实施例的结构示意图；
36.图中标号：
37.1、防冰需求表面；2、合成射流激励器；201、射流腔体；202、振动膜；203、射流腔体出口；3、射流喷射口；4、热源；5、疏水材料层。
具体实施方案
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明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。
40.另外，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“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。
41.在本发明中，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发明中的具体含义。
42.另外，本发明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，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.参照图1，在本发明一实施例中，提供一种主被动组合防冰方法，在防冰需求表面上预先设置疏水材料。所述疏水材料的材质可以是无机材质或有机材质，或是多种材料的
复合。疏水材料可以采用电化学法、蚀刻法等方法加工制备在防冰需求表面上，使得疏水材料部分或完全覆盖有防冰需求表面。
44.本发明主要利用以下机理实现主被动防冰效果：合成射流激励器喷射出的合成射流可以改变水滴运行轨迹及降低水滴撞击速度，降低水滴收集率的同时避免水滴撞击穿刺破坏疏水表面微小结构；合成射流可以通过调控水滴在撞击之前的与疏水表面之间的相切及垂直方向速度，调控水滴的撞击动力特性，降低接触时间，起到快速脱除水滴的作用。合成射流与壁面因为强烈的速度梯度对水滴产生的升力可促进水滴在疏水表面回弹过程中快速脱离并远离表面。合成射流为热射流时，可以在疏水表面形成热气膜，防止表面结霜使疏水表面疏水性能下降及失效。热合成射流通过对流换热方式对过冷水滴进行了充分加热，使其在防冰需求表面不结冰的同时保持cassie态，充分发挥疏水材料的性能。另一方面，疏水材料可以在热合成射流的保护下克服其在结冰气象下容易损坏的缺陷，长久保持良好的疏水性能，使撞击水滴回弹，或使得表面收集到的水滴在表面保持cassie状态且快速通过或迅速脱落，从而降低热合成射流激励器的工作功率，整体上达到主被动组合防冰的目的。
45.当有水滴撞击防冰需求表面，此时该表面有防冰需求时，利用合成射流激励器对防冰需求表面喷射,射流，射流在防冰需求表面上直接受到水滴撞击的部位，改变水滴运动轨迹并减弱水滴撞击防冰需求表面的速度，从而降低水滴收集率，达到防冰的目的。所述合成射流激励器结构形式不限，可以为单膜单腔合成射流激励器或单膜双腔合成射流激励器等。
46.在本发明一实施例中，还在防冰需求表面上有溢流水经过的部位，通过合成射流激励器对有溢流水经过的部位喷射射流，射流直接将溢流水吹除，防止溢流冰的产生。
47.在本发明一实施例中，所述合成射流激励器为热合成射流激励器，当所述防冰需求表面有防冰需求时，利用热合成射流激励器在防冰需求表面及该表面附近喷射具有一定温度的热合成射流。在合成射流激励器的射流腔体内部设置有热源，热源对合成射流激励器所产生的射流进行加热，进而生成热射流喷出。进一步地，所述热源可以为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网等中的任意一种，热源设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面。所述热源也可以为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。
48.在本发明一实施例中，提供一种主被动组合防冰装置包括防冰需求表面、合成射流激励器、疏水材料层，在防冰需求表面上预先设置疏水材料；当有水滴撞击防冰需求表面，此时该表面有防冰需求时，利用合成射流激励器对防冰需求表面喷射射流，射流在防冰需求表面上直接受到水滴撞击的部位，改变水滴运动轨迹并减弱水滴撞击防冰需求表面的速度，调控液滴的撞击动力特性，降低接触时间，射流与壁面的速度梯度产生升力促进液滴快速脱离并远离表面,热射流保持超疏水良好性能，超疏水材料降低射流能耗，达到主被动组合防冰的目的。本发明能够在低能耗条件下满足大面积防冰需求，降低防冰装置成本及复杂性，改进防冰效果。
49.在本发明一实施例中，提供一种主被动组合防冰装置，包括防冰需求表面1、合成射流激励器2、疏水材料层5，在防冰需求表面1设置有一层由疏水材料制成的疏水材料层5，在防冰需求表面1下方设置有合成射流激励器，合成射流激励器2包括射流腔体201、振动膜
202和射流腔体出口203，合成射流激励器2其射流腔体出口203对准防冰需求表面1上开设的射流喷射口3，一个射流腔体出口203对准防冰需求表面1上开设的一个射流喷射口3。
50.所述合成射流激励器2结构形式不限，可以为单膜单腔合成射流激励器或单膜双腔合成射流激励器等。
51.在本发明一实施例中，所述合成射流激励器其射流腔体内部设置有热源4，热源4对合成射流激励器所产生的高速射流进行加热，进而生成热射流喷出。进一步地，所述热源形式不限，所述热源4以为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网等中的任意一种，热源4设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面。所述热源也可以为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。如图2所示，该实施例中采用的是增设了热源4的单膜单腔合成射流激励器，单膜单腔合成射流激励器设置在防冰需求表面1的下方，且单膜单腔合成射流激励器的出口与设置有疏水材料层5的防冰需求表面1齐平。如图3所示，该实施例中采用的是增设了热源4的单膜单腔合成射流激励器，单膜单腔合成射流激励器设置在防冰需求表面1的正对侧，单膜单腔合成射流激励器的出口正对设置有疏水材料层5的防冰需求表面1。如图4所示，该实施例中采用的是增设了热源4的单膜双腔合成射流激励器，单膜双腔合成射流激励器设置在防冰需求表面1的下方，且单膜双腔合成射流激励器的出口与设置有疏水材料层5的防冰需求表面1齐平。
52.本发明所述有防冰需求表面不限，可以广泛应用于各领域各设备上，具体如风力机、飞行器等。如图5所示，该实施例是将本发明提供的主被动组合防冰装置用于机翼防冰的示意图，即防冰需求表面1为机翼表面。在实际应用中，合成射流激励器的数目根据有防冰需求表面的尺寸大小而定。具体地根据有防冰需求表面的几何特性以及结冰温度、厚度等因素，多个合成射流激励器按一定间距采用阵列式布置。所述合成射流激励器可以通过控制输入电信号实现其所产生的高速射流方向的大范围偏转，从而扩大单个合成射流激励器的防冰范围。
53.利用主被动组合防冰装置进行防冰，包括以下步骤：
54.步骤一：在有防冰需求的表面预先设置疏水材料层。
55.步骤二：在防冰时，可根据需要开启合成射流激励器内部的振动膜或/和热源，同时也可通过改变振动膜的输入电信号，实现射流的大角度偏转。
56.步骤三：在防冰结束时，关闭振动膜及热源，等待下次防冰。
57.本发明未尽事宜为公知技术。
58.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
59.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.主被动组合防冰方法，其特征在于：在防冰需求表面上预先设置疏水材料，一个或一个以上的合成射流激励器布置在防冰需求表面下方或/和防冰需求表面的正对侧或/和防冰需求表面的外周侧；当所述防冰需求表面有防冰需求时，利用合成射流激励器在防冰需求表面及该表面附近喷射合成射流。2.根据权利要求1所述的主被动组合防冰方法，其特征在于：在防冰需求表面上有溢流水经过的部位，水滴在超疏水材料表面粘附力低，通过合成射流激励器产生射流直接将溢流水吹除，防止溢流冰的产生。3.根据权利要求1或2所述的主被动组合防冰方法，其特征在于：所述合成射流激励器为热合成射流激励器，当所述防冰需求表面有防冰需求时，利用热合成射流激励器在防冰需求表面及该表面附近喷射具有一定温度的热合成射流。4.根据权利要求3所述的主被动组合防冰方法，其特征在于：在合成射流激励器的射流腔体内部设置有热源，热源对合成射流激励器所产生的射流进行加热，进而生成热射流喷出。5.根据权利要求4所述的主被动组合防冰方法，其特征在于：所述热源为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网，热源设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面。6.根据权利要求4所述的主被动组合防冰方法，其特征在于：热源为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。7.主被动组合防冰装置，其特征在于：包括防冰需求表面、合成射流激励器、疏水材料层，在防冰需求表面设置有一层由疏水材料制成的疏水材料层，在防冰需求表面下方或/和防冰需求表面的正对侧或/和防冰需求表面的外周侧设置合成射流激励器，合成射流激励器包括射流腔体、振动膜和射流腔体出口。8.根据权利要求7所述的主被动组合防冰装置，其特征在于：所述合成射流激励器其射流腔体内部设置有热源，热源对合成射流激励器所产生的射流进行加热，进而生成热射流喷出。9.根据权利要求8所述的主被动组合防冰装置，其特征在于：所述热源为陶瓷电热片、铁铬镍电阻丝或电阻网，热源设置在合成射流激励器腔体内部空间中或者腔体的内外表面；或者所述热源为热气，热气供应源通过导热管路将具有一定温度的热气引入至合成射流激励器其射流腔体内部。10.根据权利要求7、8或9所述的主被动组合防冰装置，其特征在于：所述合成射流激励器的出口为圆孔或狭缝，出口面积在数十至上百平方mm，工作频率在数百至上千赫兹。11.根据权利要求7、8或9所述的主被动组合防冰装置，其特征在于：所述防冰需求表面位于飞行器平动部件上，包括但不限于机翼前缘以及机翼后缘；或者所述防冰需求表面位于飞行器旋转部件上，包括但不限于发动机旋转帽罩或者直升机旋翼或者风力机叶片。12.根据权利要求7、8或9所述的主被动组合防冰装置，其特征在于：所述疏水材料为蜡铸灰、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚硅氧烷基粘弹性材料或聚二甲基硅氧烷，疏水材料采用光刻法、压印法或喷涂法设置在防冰需求表面上。

技术总结
本发明提出了一种主被动组合防冰方法及装置，包括防冰需求表面、合成射流激励器、疏水材料层，在防冰需求表面上预先设置疏水材料；当有水滴撞击防冰需求表面，此时该表面有防冰需求时，利用合成射流激励器对防冰需求表面喷射射流，射流在防冰需求表面上直接受到水滴撞击的部位，改变水滴运动轨迹并减弱水滴撞击防冰需求表面的速度，调控液滴的撞击动力特性，降低接触时间，射流与壁面的速度梯度产生升力促进液滴快速脱离并远离表面,热射流保持超疏水良好性能，超疏水材料降低射流能耗，达到主被动组合防冰的目的。本发明能够在低能耗条件下满足大面积防冰需求，降低防冰装置成本及复杂性，改进防冰效果。改进防冰效果。改进防冰效果。


技术研发人员：罗振兵 高天翔 周岩 程盼 邓雄 彭文强
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：2023.03.09
技术公布日：2023/6/7