ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ СИСТЕМУ ОБРАБОТКИ ОБЛЕДЕНЕНИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭФФЕКТА ДЖОУЛЯ
AIRCRAFT SOUND ABSORBING COATING INCLUDING ANTI-ICING SYSTEM EXPLOITING JOULE EFFECT

Настоящее изобретение относится к звукопоглощающему покрытию для летательного аппарата, которое включает систему обработки обледенения под воздействием эффекта Джоуля, при этом упомянутое покрытие предназначено, в частности, для закрывания передних кромок летательного аппарата и, в частности, воздухозаборника гондолы летательного аппарата.
Силовая установка летательного аппарата содержит гондолу, в которой по существу концентрично расположен двигатель, вращающий вентилятор, установленный на его валу.
Гондола содержит внутреннюю стенку, ограничивающую канал с воздухозаборником спереди, при этом первая часть входящего воздушного потока, называемая первичным потоком, проходит через двигатель, участвуя в горении, а вторая часть воздушного потока, называемая вторичным потоком, нагнетается вентилятором и проходит в кольцевом канале, ограниченном внутренней стенкой гондолы и наружной стенкой двигателя.
Шум, создаваемый силовой установкой, разлагается, с одной стороны, на шум реактивной струи, производимый снаружи каналов вследствие смешивания различных воздушных потоков и газообразных продуктов горения, и, с другой стороны, на шум, производимый внутренними частями, называемый внутренним шумом, создаваемый вентилятором, компрессорами, турбинами и горением и распространяющийся внутри каналов.
Для ограничения влияния звуковых воздействий вблизи аэропортов в последнее время принимают все более строгие нормы по снижению уровня звука.
Были разработаны технологии по снижению внутреннего шума, в частности, за счет выполнения на уровне стенок каналов покрытий, предназначенных для поглощения части звуковой энергии, в частности, с использованием принципа резонаторов Гельмгольца. Как известно, это звукопоглощающее покрытие содержит в направлении изнутри наружу отражающий слой, по меньшей мере, одну ячеистую структуру и звукоизоляционную структуру.
Под слоем следует понимать один или несколько слоев одинаковой или разной природы.
Звукоизоляционной структурой является пористая структура, выполняющая функцию рассеяния, частично преобразующая в тепло акустическую энергию проходящей через нее звуковой волны. Она содержит так называемые открытые зоны, выполненные с возможностью пропускания акустических волн, и другие зоны, называемые закрытыми или сплошными, которые не пропускают звуковые волны и предназначены для обеспечения механической прочности упомянутого слоя. Этот звукоизоляционный слой характеризуется, в частности, коэффициентом открытой поверхности, который в основном меняется в зависимости от двигателя и от компонентов, образующих упомянутый слой.
В настоящее время, в силу различных условий, например, придания формы или совместимости с другим оборудованием, покрытия выполняют, в частности, на уровне внутренней стенки гондолы в ограниченной зоне, удаленной от воздушного входа и воздушного выхода.
Чтобы повысить эффективность акустической обработки, согласно техническому решению, увеличивают площадь поверхности, покрытой звукопоглощающим покрытием. Однако на уровне воздухозаборника или кромки гондолы нанесение звукопоглощающего покрытия пока не представляется возможным, в частности, поскольку упомянутое покрытие не совместимо с системами, позволяющими предотвращать образование и/или накапливание наледи и/или инея и необходимыми в этих зонах.
Эти системы подразделяются на две группы, при этом первые называются противообледенительными системами, позволяющими ограничивать образование льда и/или инея, а вторые называются системами борьбы с обледенением, ограничивающими накапливание льда и/или инея и действующими после образования льда и/или инея. В дальнейшем тексте описания системой обработки льда будет называться противообледенительная система или система борьбы с обледенением, при этом термин лед включает в себя лед и иней.
При противообледенительной обработке летательный аппарат обрабатывают на земле, используя газ или жидкость, наносимую на обрабатываемую поверхность. Несмотря на эффективность этой обработки, в частности, в момент взлета она имеет ограниченный срок действия. Вместе с тем, необходимо, чтобы системы обработки льда также находились на борту летательного аппарата, так как лед может образовываться на уровне аэродинамической поверхности летательного аппарата и, в частности, на уровне передних кромок крыльев, гондолы, хвостового оперения и т.д., когда летательный аппарат проходит через зоны с определенными метеорологическими условиями.
Настоящее изобретение относится, в частности, к противообледенительной системе электрического типа с использованием эффекта Джоуля.
В этой системе обработки льда используются электрические резисторы из проводящего материала, покрытого изолятором, для нагрева обрабатываемой поверхности за счет эффекта Джоуля. Этот тип систем не является удовлетворительным, так как они являются относительно хрупкими и могут быть повреждены при столкновениях с птицами, во время града или от ударов во время технического обслуживания. В поврежденных зонах система обработки льда может перестать работать, в результате чего становится возможным образование и накапливание льда или инея. Наконец, она не совместима с покрытиями для акустической обработки, так как ее присутствие на поверхности ухудшает в целом характеристики звукопоглощающего покрытия.
Настоящее изобретение призвано устранить недостатки известных технических решений и предложить звукопоглощающее покрытие для летательного аппарата, включающее систему обработки льда, позволяющую оптимизировать работу каждого из видов обработки.
В этой связи объектом настоящего изобретения является звукопоглощающее покрытие для летательного аппарата, выполненное с возможностью закрывания передней кромки, например, такой как воздухозаборник гондолы силовой установки, при этом упомянутое звукопоглощающее покрытие содержит, с одной стороны, в направлении изнутри наружу отражающий слой, по меньшей мере, одну ячеистую структуру и звукоизоляционную структуру, обладающую определенным коэффициентом открытой поверхности, и, с другой стороны, по меньшей мере, одну систему обработки льда в виде, по меньшей мере, одного нагревательного слоя, содержащего открытые зоны, выполненные с возможностью пропускания акустических волн и, по меньшей мере, частично взаимодействующие с открытыми зонами звукоизоляционной структуры, отличающееся тем, что звукоизоляционная структура содержит, по меньшей мере, один конструктивный слой с отверстиями, и тем, что упомянутый, по меньшей мере, один нагревательный слой находится под конструктивным слоем.
Такое выполнение позволяет сделать совместимыми акустическую обработку и обработку льда.
Предпочтительно звукоизоляционная структура содержит конструктивный слой, содержащий открытые зоны, и нагревательный слой располагают под упомянутым конструктивным слоем. Согласно этой конфигурации система обработки льда оказывается защищенной, что позволяет сократить время обслуживания и стоянки летательного аппарата на земле.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в перспективе силовой установки летательного аппарата;
фиг.2 - вид в продольном разрезе воздухозаборника гондолы в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3А - вид в разрезе различных слоев звукопоглощающего покрытия, включающего функцию обработки льда согласно первому варианту выполнения;
фиг.3Б - вид в разрезе различных слоев звукопоглощающего покрытия, включающего функцию обработки льда согласно другому варианту выполнения;
фиг.4 - вид, иллюстрирующий относительное положение проводящего элемента системы обработки льда и отверстий звукоизоляционного слоя;
фиг.5 - вид, иллюстрирующий, с одной стороны, вариант отверстий звукоизоляционного слоя и, с другой стороны, вариант нагревательного слоя;
фиг.6 - вид, иллюстрирующий, с одной стороны, другой вариант отверстий звукоизоляционного слоя и, с другой стороны, другой вариант нагревательного слоя;
фиг.7 - вид в разрезе, иллюстрирующий другой вариант звукопоглощающего покрытия, включающего функцию обработки льда;
фиг.8 - вид в разрезе, иллюстрирующий еще один вариант звукопоглощающего покрытия, включающего функцию обработки льда;
фиг.9 - вид в разрезе, иллюстрирующий еще один вариант звукопоглощающего покрытия, включающего функцию обработки льда;
фиг.10 - вид, иллюстрирующий первый вариант нагревательного слоя, обеспечивающего функцию обработки льда при помощи эффекта Джоуля;
фиг.11А - вид в разрезе первой версии выполнения варианта, показанного на фиг.10;
фиг.11Б - вид в разрезе другой версии выполнения варианта, показанного на фиг.10;
фиг.12 - вид, иллюстрирующий другой вариант нагревательного слоя, обеспечивающего функцию обработки льда;
фиг.13А - вид в разрезе первой версии выполнения варианта, показанного на фиг.12;
фиг.13Б- вид в разрезе другой версии выполнения варианта, показанного на фиг.12;
фиг.14 - другой вариант нагревательного слоя, обеспечивающего функцию обработки льда при помощи эффекта Джоуля;
фиг.15 - еще один вариант нагревательного слоя, обеспечивающего функцию обработки льда при помощи эффекта Джоуля;
фиг.16 - вид в разрезе нагревательного слоя, показанного на фиг.15;
фиг.17 - вид еще одного варианта нагревательного слоя, обеспечивающего функцию обработки льда при помощи эффекта Джоуля;
фиг.18 - вид в продольном разрезе, иллюстрирующий установку различных систем обработки льда на уровне воздухозаборника;
фиг.19 - вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий установку различных систем обработки льда на уровне воздухозаборника.
Описание настоящего изобретения представлено в варианте применения для воздухозаборника силовой установки летательного аппарата. Однако его можно применять для различных передних кромок летательного аппарата и для различных поверхностей летательного аппарата, на уровне которых производят акустическую обработку и обработку обледенений.
В дальнейшем тексте описания под обледенением следует понимать как лед, так и иней любой природы, любой структуры и любой толщины.
На фиг.1 показана силовая установка 10 летательного аппарата, закрепленная под крылом при помощи стойки 12. Однако эту силовую установку можно крепить и в других зонах летательного аппарата.
Эта силовая установка содержит гондолу 14, в которой по существу концентрично установлен двигатель, вращающий вентилятор, установленный на его валу 16. Продольная ось гондолы обозначена позицией 18.
Гондола 14 содержит внутреннюю стенку 20, ограничивающую канал с воздухозаборником 22 спереди, при этом первая часть входящего воздушного потока, называемая первичным потоком, проходит через двигатель, участвуя в горении, а вторая часть воздушного потока, называемая вторичным потоком, нагнетается вентилятором и проходит в кольцевом канале, ограниченном внутренней стенкой 20 гондолы и наружной стенкой двигателя.
Вершинная часть 24 воздухозаборника 22 описывает по существу круглую форму, находящуюся в плоскости, которая может быть по существу перпендикулярной к продольной оси 18, как показано на фиг.2, или не перпендикулярной при вершинной части на 12 часов, слегка выдвинутой вперед, как показано на фиг.18. Вместе с тем, можно предусмотреть и другие формы воздухозаборника.
В дальнейшем тексте описания под аэродинамической поверхностью следует понимать обшивку летательного аппарата, находящуюся в контакте с аэродинамическим потоком.
Для ограничения шумового влияния, в частности, на уровне аэродинамических поверхностей, предусматривают покрытие 26, предназначенное для поглощения звуковой энергии, в частности, использующее принцип резонаторов Гельмгольца. Как известно, это звукопоглощающее покрытие, называемое также звукопоглощающей панелью, содержит в направлении изнутри наружу отражающий слой 28, ячеистую структуру 30 и звукоизоляционную структуру 32.
В варианте звукопоглощающее покрытие может содержать несколько ячеистых структур 30, разделенных звукоизоляционными слоями, называемыми септумом.
Согласно варианту выполнения отражающий слой 28 может быть выполнен в виде металлического листа или в виде оболочки, содержащей, по меньшей мере, один слой тканых или нетканых волокон, погруженных в матрицу из смолы.
Ячеистая структура может быть выполнена в виде металлических сот или сот из композитного металла, например, в виде сотовой структуры, выпускаемой в продажу под названием Nida Namex.
Подробное описание отражающего слоя и ячеистой структуры опускается, так как они хорошо известны специалистам.
Звукоизоляционная структура 32 содержит, по меньшей мере, одну пористую структуру, выполняющую рассеивающую функцию и частично преобразующую в тепло акустическую энергию проходящей через нее звуковой волны.
Согласно одному варианту выполнения звукоизоляционная структура содержит, по меньшей мере, один слой тканых или нетканых волокон, при этом волокна предпочтительно пропитывают смолой для обеспечения восприятия усилий в разных направлениях волокон.
Согласно другому варианту выполнения звукоизоляционная структура 32 содержит, по меньшей мере, один пористый слой 34 и, по меньшей мере, один конструктивный слой 36, придающий звукоизоляционной структуре необходимые механические характеристики.
Пористый слой 34 может быть выполнен, например, в виде металлического тканого или нетканого материала, такого, например, как Wiremesh.
Конструктивный слой 36 может быть выполнен в виде металлического или композитного листа, содержащего на поверхности отверстия 38 или микроотверстия, обеспечивающие прохождение акустических волн через упомянутый конструктивный слой. Согласно неограничивающим вариантам выполнения конструктивный слой 36 может быть выполнен в виде металлического листа или композитного листа, например, из углеродных волокон, погруженных в смолу, в случае необходимости, усиленного усилительным слоем 40, например, на основе стекловолокон, как показано на фиг.7.
Конструктивный слой 36 содержит отверстия 38 или микроотверстия разной формы и размера, например, имеющие вытянутую форму, как показано на фиг.4 и 6, или круглые отверстия, сгруппированные, как показано на фиг.5. Форму и размер отверстий 38 определяют таким образом, чтобы уменьшить возмущения, влияющие на прохождение воздушных потоков, обеспечить необходимую механическую прочность, в частности сопротивление расслаиванию, и способствовать прохождению звуковых волн для обеспечения хорошей эффективности звукопоглощающего покрытия.
Предпочтительно конструктивный слой 36 располагают снаружи, пористый слой 34 размещают между упомянутым конструктивным слоем 36 и ячеистой структурой 36. Эта конфигурация позволяет защитить пористый слой 34.
В одном варианте пористый слой 34 можно расположить между двумя конструктивными слоями 36, как показано на фиг.3А.
Согласно другому варианту выполнения покрытие может содержать, по меньшей мере, одно усиление, например, намотку углеродных нитей 42, выполненную между ячеистой структурой и звукоизоляционной структурой, как показано на фиг.7.
Во всех случаях звукоизоляционная структура 32 содержит так называемые открытые зоны, выполненные с возможностью пропускания акустических волн, и другие, так называемые закрытые или сплошные зоны, предназначенные для обеспечения механической прочности упомянутого слоя. Этот звукоизоляционный слой характеризуется, в частности, коэффициентом открытой поверхности, который меняется в основном в зависимости от двигателя и от компонентов, образующих упомянутый слой.
Как показано на фиг.2 и 18, чтобы еще больше уменьшить нежелательное звуковое воздействие, воздухозаборник 22 содержит звукопоглощающее покрытие 26, по меньшей мере, на части аэродинамической поверхности.
Согласно варианту выполнения это звукопоглощающее покрытие 26 выполняют от внутренней стенки 20 гондолы до вершинной части 24 воздухозаборника по всей периферии воздухозаборника. Предпочтительно, как показано на фиг.2 и 18, звукопоглощающее покрытие 26 простирается за пределы вершинной части 24 воздухозаборника и перекрывает часть наружной поверхности 44 гондолы.
Подробное описание выполнения звукопоглощающего покрытия опускается, так как оно известно специалистам.
Для ограничения образования обледенения или предотвращения его накапливания на уровне воздухозаборника 22 предусматривают, по меньшей мере, одну систему обработки льда.
В дальнейшем тексте описания под системой обработки льда следует понимать противообледенительную систему или систему борьбы с обледенением.
Чтобы обеспечить совместимость звукопоглощающего покрытия и системы обработки льда и чтобы работа одного из этих средств не мешала работе другого, система обработки льда является системой обработки льда при помощи эффекта Джоуля в виде, по меньшей мере, одного нагревательного слоя 46, содержащего открытые зоны, которые выполнены с возможностью пропускания акустических волн и которые, по меньшей мере, частично взаимодействуют с открытыми зонами звукоизоляционной структуры таким образом, чтобы изменение коэффициента открытой поверхности звукоизоляционного слоя составляло менее 35%.
Предпочтительно нагревательный слой 46 располагают под конструктивным слоем 36, чтобы защитить его от внешних воздействий, таких как столкновения с птицами, град или удары во время технического обслуживания.
Эта конфигурация позволяет обеспечить более надежную работу системы обработки льда и сократить время стоянки летательного аппарата на земле за счет снижения рисков повреждения.
Как показано на фиг.9, нагревательный слой можно расположить между отражающим слоем 28 и ячеистой структурой 30. Однако этот вариант является менее предпочтительным, так как нагревательный слой оказывается более удаленным от обрабатываемой поверхности, то есть от аэродинамического слоя, на котором может образоваться лед.
Согласно другому варианту нагревательный слой 46 может также выполнять функцию звукоизоляционного слоя, как показано на фиг.8. В этом случае нагревательный слой 46 содержит пористые зоны, выполненные с возможностью пропускания акустических волн.
Согласно первой версии, показанной на фиг.4, 12, 14, 16 и 17, звукоизоляционная структура содержит открытые зоны, расположенные таким образом, чтобы создавать приблизительно линейные сплошные зоны, и нагревательный слой содержит, по меньшей мере, один плоский линейный проводящий элемент 48, ширина которого меньше или равна ширине сплошных зон конструктивного слоя 36, как показано на фиг.4.
Выполнение плоских линейных проводящих элементов 48 позволяет уменьшить толщину нагревательного слоя, не ухудшая работу звукопоглощающего покрытия.
Кроме того, тот факт, что проводящие элементы 48 нагревательного слоя не перекрывают отверстия 40 конструктивного слоя, позволяет не менять коэффициент открытой поверхности звукоизоляционной структуры 32.
Кроме того, такая конструкция позволяет снизить риски повреждения, поскольку проводящие элементы 48 закрыты и защищены конструктивным слоем 36.
В зависимости от случая, нагревательный слой может содержать только один линейный проводящий элемент 48 в виде серпантина, проходящий через всю обрабатываемую зону, как показано на фиг.17, или несколько линейных проводящих элементов 48, соединенных последовательно, как показано на фиг.14, или соединенных параллельно, как показано на фиг.12 и 15.
Согласно первому варианту выполнения линейные проводящие элементы 48 соединяют два электрода или сетки 50, 50'. Каждая сетка имеет U-образную форму и соединена с проводом 52 питания, расположенным между ветвями U. Согласно первому решению проводящие элементы 48 устанавливают между ветвями U, как показано на фиг.13А. Согласно другому решению линейные проводящие элементы устанавливают парами, при этом для каждой ветви U предусматривают один проводящий элемент 48, как показано на фиг.13Б.
Согласно другому варианту, показанному на фиг.5, 6 и 10, нагревательный слой содержит, по меньшей мере, одно нагревательное полотно 54, содержащее отверстия 56, которые выполнены с возможностью пропускания акустических волн и которые, по меньшей мере, частично взаимодействуют с открытыми зонами звукоизоляционной структуры таким образом, чтобы уменьшить изменение коэффициента открытой поверхности звукоизоляционного слоя.
Согласно первому варианту выполнения, показанному на фиг.5, сплошные (не открытые) зоны нагревательного слоя не перекрывают открытые зоны звукоизоляционного слоя и, в частности, отверстия конструктивного слоя.
Согласно другому варианту выполнения, показанному на фиг.6, промежуточные зоны, предусмотренные между отверстиями, выполненными на уровне нагревательного слоя, являются очень небольшими, поэтому открытая поверхность конструктивного слоя, закрываемая упомянутым промежуточными зонами, является очень незначительной.
Выполнение проводящего элемента в виде полотна позволяет уменьшить толщину нагревательного слоя и снизить возмущения на уровне звукопоглощающего покрытия.
Кроме того, выполнение проводящего элемента в виде полотна позволяет ограничить риски распространения поврежденной зоны в случае точечного повреждения.
Наконец, поскольку видимый слой защищен конструктивным слоем, и зоны нагревательного слоя, видимые через отверстия конструктивного слоя, являются очень небольшими, снижается риск повреждения нагревательного слоя.
Согласно первому техническому решению, показанному на фиг.11А, нагревательный слой содержит два наложенных друг на друга проводящих полотна 54, протянутые между двумя электродами или сетками 58, 58' U-образной формы, при этом провод 60 питания размещен между ветвями U каждого электрода 58, 58'.
Согласно другому техническому решению, показанному на фиг.11Б, нагревательный слой содержит проводящее полотно 54, протянутое между двумя электродами или сетками 58, 58' U-образной формы, при этом провод 60 питания размещен между ветвями U каждого электрода 58, 58'.
Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения нагревательный слой содержит, по меньшей мере, один изолирующий элемент 62, обволакивающий проводящий элемент или проводящие элементы.
Согласно вариантам нагревательный слой может содержать две изолирующие оболочки 62, расположенные по обе стороны от проводящего элемента или проводящих элементов, при этом упомянутые оболочки содержат открытые зоны, соответствующие открытым зонам нагревательного слоя.
Согласно еще одному отличительному признаку настоящего изобретения система обработки льда при помощи эффекта Джоуля, показанная пунктиром на фиг.2 и 18, может быть связана с другими системами обработки льда, в частности, точечного типа в виде, по меньшей мере, одного излучателя 64 вибраций.
Так, излучатели 64 вибраций располагают на уровне наружной поверхности 44 гондолы, как показано на фиг.18, и/или внутри гондолы на уровне угловых секторов 66, расположенных приблизительно между 2 и 4 часами и приблизительно между 8 и 10 часами, как показано на фиг.19.
Таким образом, излучатели 64 вибраций, которые характеризуются относительно низким потреблением энергии, расположены на уровне наружной поверхности, так как риск попадания в двигатель фрагмента льда в этой зоне является ограниченным. Точно так же, образование льда или инея ограничено внутри гондолы на уровне угловых секторов, обозначенных позицией 66, поэтому можно использовать излучатель вибраций с качанием частоты.
Поскольку обледенение или лед имеет более выраженную тенденцию к образованию в зонах внутри гондолы между угловыми секторами 66, чтобы снизить риски попадания больших кусков в двигатель, в этих зонах используют систему обработки льда электрического типа с эффектом Джоуля, работа которой является более надежной и которая препятствует образованию льда или инея, даже если этот тип систем обработки льда является более энергоемким.
Это взаимодействие различных систем обработки льда позволяет оптимизировать обработку, ограничивая потребление энергии при обеспечении надежной и эффективной работы.