一种基于超声空化的飞机防除冰系统技术方案

本发明专利技术涉及防除冰技术领域，具体公开了一种基于超声空化的飞机防除冰系统，该系统包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；所述机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成；所述蒙皮与超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与蒙皮接触的一侧开有通孔；所述空化腔以及蒙皮的多孔结构内充盈有液态介质。本发明专利技术通过超声波空化效应产生的振动和热量、高压对蒙皮外的冰层进行清除。相对于现有的机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰等方法，其除冰效率高，起效速度快，结构简单可靠。靠。靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声空化的飞机防除冰系统


[0001]本专利技术涉及航空防除冰
，具体涉及一种利用超声空化原理进行飞机防除冰的系统。

技术介绍

[0002]飞机结冰问题一直是影响飞机飞行安全的重要因素，开发新型飞机的防除冰方法是保障飞行安全的重点工作。飞机结冰现象主要发生在迎风部件表面，升力部件表面、发动机进气道、风挡玻璃以及各类传感器等。
[0003]目前常用防除冰方法主要可以分为机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰三类，这几类技术在不同的飞机或者不同的部位均有一定的应用。机械除冰的原理是在机翼表面产生机械力以破坏积冰结构；液体防/除冰主要是在飞机表面喷涂冰点抑制剂或者防冰液，冰点抑制剂和防冰液与撞击飞机表面的过冷水滴混合，导致表面温度升高实现防冰；热防/除冰主要有气热和电热两种，通过发动机引气或者电加热使飞机表面达到一定的温度从而实现防除冰。
[0004]上述除冰方法存在起效慢、效率低、结构复杂可靠性不足等缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于超声空化的飞机防除冰系统，通过超声波空化效应产生的剧烈震动除冰。
[0006]为了解决上述所提到的技术问题，本专利技术具体采用以下技术方案：一种基于超声空化的飞机防除冰系统，包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；所述飞机机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成，且所述蒙皮内设置有支撑结构；所述蒙皮与超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与蒙皮接触的一侧开有通孔，使得所述空化腔与所述多孔结构相连通形成超声空化腔；并且，所述空化腔以及蒙皮孔内充盈有液态介质。
[0007]其中，所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括可与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。
[0008]超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的力，将液体分子拉裂成空洞。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。
[0009]当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象。
[0010]空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为
110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。
[0011]本专利技术对蒙皮外表面覆盖冰层清除的原理在于利用超声波空化效应产生的高频振动、释放的热能以及密闭空化腔内空化效应产生的高压。
[0012]作为一种改进，所述多孔介质材料的孔隙率为50%~70%，并且其孔径为1μm~1000μm。
[0013]作为一种改进，所述空化腔的厚度为2mm~10mm，和/或，所述蒙皮的厚度为1mm~5mm。
[0014]作为一种改进，所述超声波换能器阵列包括若干超声波换能器；所述超声波换能器的超声波激励端与空化腔紧密接触，有利于超声波的传导。
[0015]作为一种改进，所述空化腔由金属材料围成，其内部为空腔；所述超声波换能器利用贯穿空化腔底壁的紧固螺栓与空化腔连接，并利用胶水粘接。通过紧固螺栓和胶水的双重固定，保证超声波换能器与空化腔底壁的紧密连接。
[0016]作为一种改进，所述紧固螺栓上位于空化腔底壁两侧均套有密封垫片，避免螺孔处漏液。
[0017]作为一种改进，所述超声波换能器内设置有用于激励超声波的正极饵片和负极饵片。
[0018]作为一种改进，所述空化腔内外壁均进行光滑处理。进一步保证超声波换能器与空化腔的紧密接触。
[0019]作为一种改进，所述多孔介质材料为金属，其内部具有相互贯通的多孔结构。多孔结构能够使得空化效应最大程度的接近冰层，使得空化效应产生的振动衰减更小，除冰效果更好。
[0020]作为一种改进，所述蒙皮的外表面具有疏水性处理，以增大水滴接触角大于90
°
甚至达到130
°
或更大，使得待结冰基底表面保持疏水性，使得冰层脱离更加容易。
[0021]作为一种改进，所述液态介质的冰点低于
‑
30℃（也即低于飞机通常会遭遇最低温度
‑
30℃），避免其结冰。
[0022]作为一种改进，所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括可与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。用于感知空化腔内是否有气泡产生，从而判断是否漏液。漏液发生后需要通过补液系统向空化腔补充液态介质，从而保证空化腔和蒙皮内的多孔结构充盈。
[0023]进一步地，可预先在该空化腔内设置液位传感器，从而使得控制器可从该液位控制器中获取到空化腔内的液位情况（由于多孔结构与空化腔是连通的，因此，控制器内的液位也同时说明了多孔结构内的液位情况），并控制输液系统向空化腔内补充液体介质的量（具体地，根据当前液位数据（例如，液面高度），以及空化腔和多孔结构内孔隙的总体积即可计算得到，或者，直接根据初始液位（即还未开始防除冰作业时，充盈在空化腔和多孔结构内的液体介质的液位）和当前液位数据计算得到）。
[0024]作为一种改进，所述蒙皮内设置有支撑结构，用于提高蒙皮的强度。
[0025]本专利技术的有益之处在于：
[0026]本专利技术通过超声波空化效应在被冰层所密封的超声空化腔内产生的振动和热量以及高压对蒙皮外的冰层进行清除。相对于现有的机械除冰、液体防/除冰、热防/除冰等方法，其除冰效率高，起效速度快，结构简单可靠。同时，本专利技术中创造性的采用多孔介质材料来制作机翼蒙皮，并且，该蒙皮内的多孔结构与空化腔连通，从而使得该空化腔和蒙皮整体形成一个更大的“超声空化腔”（当其内没有液体介质，且基底外侧也没有结冰时，该超声空化腔通过该多孔结构可与外界连通，而当基底外侧结冰时，该超声空化腔形成一个密封空间），因此，在进行超声波除冰时，超声空化现象不仅可在空化腔内产生，还可在蒙皮内部多孔结构中产生，并且由于待防除冰基底外侧粘附有冰层，使得该空化腔和多孔结构形成一个较大的密闭空间，从而使得整个“超声空化腔”内压力增大，并直接作用在多孔介质材料与冰层接触面上，进而降低冰层的粘附力；同时，多孔结构内液体介质发生空化效应形成的气泡溃灭瞬间产生的振动和释放的热量（即热效应）也将直接作用于多孔介质材料与冰层接触面，进一步降低了冰层与多孔介质材料表面的粘附力，也即使得振动和热效应到达冰层的距离更短，衰减更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：包括用于激励超声波进行空化除冰的超声波换能器阵列；飞机机翼的蒙皮由具有多孔结构的多孔介质材料制成，且所述蒙皮内设置有支撑结构；所述蒙皮与所述超声波换能器阵列之间设置有空化腔；所述空化腔与所述蒙皮接触的一侧开有通孔，使得所述空化腔与所述多孔结构相连通形成超声空化腔；并且，所述空化腔以及所述蒙皮的所述多孔结构内充盈有液态介质。2.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述多孔介质材料的孔隙率为50%~70%，并且其孔径为1μm~1000μm。3.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，其特征在于：所述空化腔内设置有气泡监测传感器，还包括与所述气泡监测传感器和所述超声波换能器阵列进行数据通信的补液系统控制器，以及与所述补液系统控制器进行数据通信的补液系统，所述补液系统的输液端与所述空化腔连通。4.根据权利要求3所述的一种基于超声空化的飞机防除冰系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛明，倪章松，王茂，王梓旭，张颖，黄永杰，吕旋，
申请(专利权)人：成都流体动力创新中心，
类型：发明
国别省市：