СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ КРЫЛА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОЙ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
METHOD FOR PREVENTING ACING OF AIRCRAFT WINGS WITH THE USE OF LASER ANTI-ICING SYSTEM

Изобретение относится к авиации, конкретно к противообледенительным системам летательных аппаратов.
Обледенение крыльев летательных аппаратов (ЛА) в полете возникает на лобовых поверхностях при столкновении с переохлажденными водяными каплями облаков и осадков и их последующем замерзании.
Наиболее уязвимыми являются поверхности крыла по передней кромке.
Для обеспечения возможности выполнения полетов используют профилактику предотвращения образования и удаления льда на его поверхности с помощью противооблединительных систем (ПОС), основанных, в основном, на следующих способах:
- механически-динамическом, заключающимся в разрушении образовавшегося льда с помощью силового воздействия и удаления его обломков набегающим потоком.
Недостатками способа являются возможность необратимой деформации конструкции, а также изменение аэродинамики обтекания воздушного потока;
- физико-химическим, заключающимся в использовании противооблединительных жидкостей, растворяющих воду и понижающих температуру замерзания образующейся смеси.
Недостатком способа является необходимость постоянного наличия жидкости на борту, что увеличивает взлетную массу и расход топлива в полете;
- тепловом, заключающимся в обогреве защищаемой поверхности для предотвращения образования льда или периодическом подтапливании ледяного нароста и сбрасывании его под действием скоростного напора, при этом для обогрева могут быть использованы тепло выходных газов двигателя или электрические обогреватели.
Недостатками способа являются необходимость использования сложных конструкций для подвода количества теплоты к протяженным площадям, дополнительные требования по электро-теплостойкости к нагреваемым поверхностям, а также образование барьерного льда в процессе его использования. [1].[2].
В настоявшее время, для предотвращения обледенения крыла самолета, предполагается использование лазерных противооблединительных систем, при котором генерирует пучок лазерных лучей, направленный на внешние обводы планера, преимущественно в область передней кромки крыла (патентные документы DE 102011102804 A1, MПК: B64D 15/00, опубл. - 12.06.2012, DE 102010045450 MПК: B64D 15/00, опубл. 19.04.2012).
Недостатком использования является возможное нарушение физических свойств обшивки крыла в местах контакта с пучком лазерных лучей.
Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение самолетной комплексной лазерной установки для удаления льда с использованием пучка лазерных лучей (патент US 6206325 В1, МПК: В64D 15/00, опубл. 27.03.2001), содержащей, размещенные на самолете оптический квантовый генератор потока лазерного излучения, соединенный через волоконно-оптический кабель волноводами с коллиматорами -излучателями.
Удаление или профилактика образования льда, с помощью комплексного устройства происходит способом, при котором генерируют поток лазерного излучения, который коллимируют в пучок лазерных лучей и производят сканирование, направляя лазерный пучок на внешние поверхности крыла с непосредственным созданием на них зон облучения с последующим перемещением области покрытия. При использовании способа происходит нагрев водяных частиц или образовавшегося льда за счет передачи энергии от пучка генерированных лучей.
Недостатком прототипа является возможное нарушение физических свойств обшивки крыла при облучении, особенно в случае использования композиционных материалов, а также возможен прожиг, что ограничивает мощность установки и выбор конструкционного материала. Кроме того требуется сложная система управления направленным перемещением лазерного пучка при сканировании.
Технической задачей, поставленной при создании изобретения, являлась разработка способа предотвращения обледенения крыла летательного аппарата с использованием лазерной противообледенительной системы (ПОС), исключающего возможную деформацию поверхности крыла вызываемую нагревом поверхности обшивки при попадании на нее потока лазерных лучей и упрощение конструкции лазерной установки.
Поставленная задача решается способом предотвращения обледенения крыла самолета, при которой генерирует направленный пучок лазерных лучей, при этом, лучи лазерного пучка направляют параллельно передней кромке профиля крыла или в направлении, при котором лучи образуют с ней острый угол, без облучения внешних обводов обшивки.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в предотвращении обледенения поверхностей крыла ЛА без деформации поверхности и также в упрощении конструкции ПОС.
В частных случаях реализации способа:
- угол направления лучей лазерного пучка определяют в процессе конструкторской проработки размещения элементов ПОС на планере самолета;
- генерирование лазерного пучка производят автоматически, при прохождении атмосферных облачных фронтов слоистых и кучевых облаков, а также на взлетно-посадочных режимах;
- мощность лазерного пучка устанавливают прямо пропорциональной от водности окружающей атмосферы и длине передней кромки профиля крыла.
- длины волн лучей лазерного пучка выбирают в инфракрасном диапазоне.
Для пояснения сущности заявленного изобретения используются следующие графические материалы:
Фиг. 1 - структурная схема лазерной ПОС.
Фиг. 2 - функциональная схема использования ПОС в соответствии с заявленным способом.
Фиг. 3 - схема воздействия лазерных лучей на капли воды при прохождении лазерного пучка.
Фиг. 4 - схема взаимодействия частиц пара с набегающим потоком при предотвращении обледенения крыла самолета.
Заявленное изобретение осуществляется с использованием противоблединительной системы, установленной на самолете (ПОС) генерирующей направленный пучок лазерных лучей (Фиг. 1) и содержащей источник энергии (1), например газоразрядные импульсные лампы или лампы непрерывного горения, в случае использования твердотельного лазера или генератор СВЧ при использовании газового, оптический квантовый генератор (2) лазерных лучей, коллиматоры (3) пучка лазерных лучей (8), например фокусирующие головки (ФГ) или излучающие зеркала, соединительные кабели (4) и волноводы (5).
Запитка источника энергии производится от штатной системы энергоснабжения (6) самолета (7).
Аппаратура противообледенительной системы размещается внутри корпуса планера, при этом коллиматоры могут быть расположены на внешней поверхности планера (как фюзеляжа, так и крыла) или быть скрыты в них, с возможностью выдвижения при функционировании, для снижения аэродинамического сопротивления. Позиционирование коллиматоров обеспечивает возможность направления лазерных пучков в соответствии с настоящим изобретением.
Угол (17) определяется в процессе конструкторской проработки размещения коллиматора (излучателя) на планере самолета.
При включении, ПОС функционирует следующим образом (Фиг. 2) источник энергии (1) моделирует и перекачивает энергию накачки в рабочую среду оптического квантового генератора (2), который генерирует поток лазерного излучения передаваемого через волноводы (5)
на коллиматор (3), преобразует излучение в пучок (9) лазерных лучей (8) и направляет сгенерированный пучок (9) параллельно передней кромке (10) профиля крыла самолета или под острым углом (17) к ней, например, в случае использования изменяемой геометрии крыла, или невозможности позиционирования коллиматора с возможностью получения пучка строго параллельного передней кромке (10), без облучения внешних обводов обшивки. Угол (17) выполняется острым, для максимального приближения лазерного пучка (9) к кромке (10) - основной защищаемой поверхности, в случае невозможности обеспечения необходимого расстояния, между пучком и передней кромкой крыла при их параллельности. Необходимое расстояние для предотвращения обледенения с использованием изобретения определяется экспериментально, в зависимости от мощности лазерной установки и предполагаемых условий эксплуатации ЛА.
Инициирование пучка лазерных лучей с определенной длиной волны создает распространяющееся в пространстве направленное возмущение электромагнитного поля (Фиг. 3), характеризуемого мощностью и длиной волны лазерных лучей (8)
В случае столкновении лазерного луча (8) с водяной каплей (11), происходит взрывное испарение воды с образованием частиц пара(12), которые подхватываются набегающим потоком (13) в направлении передней кромки (10). При этом, происходит теплоотдача от образовавшегося пара другим переохлажденными каплями, повышая их температуру (энтропию) и исключая возможность участия в льдообразовании (Фиг. 3, 4). Кроме того, более мелкие частицы пара (14), разлетающиеся в результате взрывного испарения в направлении к зоне захвата передней кромки (10), за счет потока воздуха возле поверхностей крыла (15, 16) будут стремиться отклониться по направлению к обшивке (эффект Коанда) и взаимодействуя с наледью образуют капли не переохлажденной воды, сдуваемые набегающим потоком.
Таким образом, в результате применения изобретения возможна не только профилактика образования льда на поверхности крыла, но и его удаление, в случае его образования при временно неработающей ПОС.
Угол направления лучей лазерного пучка определяют в процессе конструкторской проработки размещения элементов ПОС на планере самолета.
Наиболее интенсивно обледенение крыла на взлетно-посадочных режимах полета и, одновременно, обледенение чаще всего происходит при прохождении атмосферных облачных фронтов слоистых и кучевых облаков.
В общем случае, диаметр оседающих переохлажденных капель находится в диапазоне от 5 до 75 мкм,
3
Диаметр капель слоистых облаков составляет от 3 до 20 мкм, средняя водность - 0,18 г/м.
3
Диаметр капель кучевых облаков составляет от 3 до 12 мкм, средняя водность - 0,36 г/м. Следовательно, для максимально возможного предотвращения обледенения при расчете требуемая мощность лазерного пучка (9) устанавливается прямопропорциональной водности окружающей атмосферы и длине передней кромки крыла.
Конкретные значения мощности рассчитываются по законам гидрогазодинамики, с привлечением теории вероятности, или определяются экспериментально.
Для предотвращения дифракции лазерного луча относительно капель воды, излучение лазерных лучей должно выбираться из диапазона длин волн от 3 до 12 мкм., что соответствует инфракрасному диапазону, в этом случае помеха будет соизмерима с длиной волны и повысится эффективность передачи энтропии электромагнитного поля переохлажденным каплям, при этом, даже при длине волны 12 мкм и достаточной амплитуде мощности луча, кинетической энергии пучка будет достаточно, чтобы в результате теплопередачи нагреть переохлажденную эмульсию до состояния, исключающего обледенение.
В аналогах, обычно, [1].[2] включение ПОС производится в зависимости от показаний датчиков обледенения.
Для исключения образования льда, в случае неисправностей датчиков обледенения или профилактики недопущения его образования включение ПОС целесообразно автоматически проводить при прохождении атмосферных облачных фронтов слоистых и кучевых облаков, а также на взлетно-посадочных режимах.
Поскольку, пучок лазерных лучей не попадает на поверхность крыла, предотвращается деформация поверхности крыла без ограничения мощности излучения и упрощение конструкции лазерной установки.
Поскольку, при осуществлении способа не происходит изменение направления лазерного пучка, механизм сканирования не требуется, упрощается конструкция лазерной установки, тем самым повышается надежность.
Изменения и модификации раскрытого осуществления могут быть очевидными для специалистов в данной области техники и находятся в пределах заявленного объема формулы.
Ссылочная литература
1. Основы авиационной техники С.М. Егер, A.M. Матвеенко, И.А. Шаталов. М., Издательство МАИ, 1999 г.
2. Системы оборудования летательных аппаратов; A.M. Матвеенко, В.И. Бекасова, М., Машиностроение, 2005 г.