ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ANTI-ICING SYSTEM

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к противообледенительным системам летательных аппаратов, и может быть использовано для удаления и предотвращения образования льда на внешних поверхностях летательных аппаратов.
Образование во время полета на поверхности различных частей летательных аппаратов ледяных наростов представляет большую опасность для эксплуатации аппаратов. Обледенение уменьшает подъемную силу летательных аппаратов и увеличивает лобовое сопротивление, затрудняет работу органов управления, увеличивает вибрацию и нагрузку на отдельные элементы планера, отрицательно влияет на работу двигателей. Поэтому эффективная защита летательных аппаратов от обледенения является одной из важных задач авиационной промышленности.
Известны следующие методы борьбы с обледенением летательных аппаратов:
- тепловой, в котором используется нагрев защищаемой поверхности либо до температуры таяния льда, либо до температуры, при которой обеспечивается полное или частичное испарение воды;
- механический, в котором образовавшийся лед разрушается в результате механического воздействия на него, после чего лед сбрасывается внешними силами;
- физико-химический (жидкостно-химический), в котором используются специальные жидкости, понижающие температуру замерзания переохлажденных капель воды, уменьшающие силу сцепления льда с обшивкой или растворяющие лед.
Тепловые и жидкостные противообледенительные системы работают в постоянном или в циклическом режимах. Механические противообледенительные системы обычно работают в циклическом режиме.
На современных летательных аппаратах широко применяют тепловые противообледенительные системы: электротепловые и воздушно-тепловые.
Воздушно-тепловые противообледенительные системы, основанные на использовании горячего воздуха для защиты от обледенения поверхностей крыла и оперения, обычно являются системами постоянного действия, так как реализация систем циклического действия из-за относительно высокой инерционности оказывается нецелесообразной. В данном типе противообледенительной системы горячий воздух поступает в распределительную трубу, которая имеет ряд небольших сопел. Через эти сопла воздух проходит в камеру смешения, а затем поступает в гофры. Выходящий из гофров частично охлажденный воздух подсасывается в камеру смешения.
Воздушно-тепловая противообледенительная система является сложным в эксплуатации агрегатом, существенно ухудшающим весовые характеристики летательных аппаратов. Также к недостаткам следует отнести сложность обеспечения надежного запуска в полетных условиях и пожарную опасность, которая возникает в случаях повреждения камер сгорания.
В электротепловых противообледенительных системах электрическая энергия преобразуется в тепловую нагревательным элементом: проволока с высоким удельным сопротивлением, металлическая фольга или сетка, токопроводящая пленка.
Электротепловая циклическая противообледенительная система состоит из постоянно включенного в условиях обледенения нагревателя, который в условиях обледенения включается периодически с заданным циклом. Нагреватель располагается под обшивкой и не искажает ее внешнюю поверхность.
При попадании самолета в условия обледенения и включении противообледенительной системы в зоне расположения нагревателя лед не образуется. При наличии обледенения лед, прилегающий к поверхности, подтаивает и под действием встречного воздушного потока сбрасывается с поверхности аппарата.
Известна противообледенительная система, принцип работы которой основан на преобразовании электрической энергии в механическую, она может быть использована в устройствах для удаления льда на внешних поверхностях летательного аппарата (Патент РФ 1802491, МПК B64D 15/16, опубл. 20.08.1995). Устройство содержит протектор с полостью и с расположенными в полости электропроводящими элементами, соединенными последовательно. Протектор закреплен на внешней поверхности металлической обшивки. При прохождении по ленточным электропроводящим элементам импульса тока происходит преобразование его в импульс силы, за счет которой происходит разрушение льда на внешней поверхности летательного аппарата.
Известна тепловая противообледенительная система, содержащая электронагревательные элементы, встроенные в части вращающихся элементов, связанный с ними многофазный синхронный генератор, ротор которого с якорными обмотками размещен на одном валу с вращающимися элементами, а статор с обмоткой возбуждения установлен неподвижно, причем обмотка возбуждения через блок управления, блок задания режима связана с источником питания (Патент РФ 2093426, МПК B64D 15/12, опубл. 20.10.1997).
Известна электротепловая противообледенительная система, содержащая теплоэлектрические нагреватели, соединенные последовательно с тиристорными ключами, позволяющая достичь снижения веса и повышения надежности противообледенительной системы (Патент РФ 2226481, МПК B64D 15/00, B64D 15/12, опубл. 10.04.2004). Теплоэлектрические нагреватели смонтированы в виде пар, соединенных проводниками в концевой части лопасти, при этом каждая последующая пара нагревателей охватывает предыдущую пару. Нагреватели имеют переменное сопротивление по всей длине лопасти. Для контроля исправности системы установлены трансформаторы тока, обмотки которых соединены с операционными усилителями. Подача питания к нагревателям осуществляется блоком управления по циклограмме с выдержкой времени между циклами, зависимой от температуры наружного воздуха.
Наиболее близкой к предлагаемой является электротепловая противообледенительная система самолета циклического действия (Патент РФ №1828023, МПК B64D 15/12, опубл. 10.11.1996). Система содержит нагревательные элементы, трехфазные контакторы, трансформаторы тока и блок управления. Включение нагревательных элементов контролируется блоком управления по сигналам, снимаемым с контрольных контактов соответствующего контактора. При коротком замыкания нагревательного элемента на выходе трансформатора тока появляется сигнал, а при обрыве его соответственно пропадает.
Однако в современном авиастроении, переходящем на применение композиционных материалов, таких как, например, стеклопластики, углеткани, использование противообледенительной системы на основе металлических электронагревательных элементов приводит к нежелательным последствиям и, в первую очередь, к утяжелению летательного аппарата. Кроме этого, вследствие разных коэффициентов теплового расширения электронагревательных элементов из металла и обшивки летательного аппарата из композитных материалов возможно нарушение целостности конструкции обшивки аппарата.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание противообледенительной системы композиционных аэродинамических поверхностей летательного аппарата, позволяющей осуществить равномерный разогрев наружных поверхностей аппарата в местах, подверженных обледенению, сохранение прочности несущих поверхностей летательного аппарата из композиционных материалов, аэродинамических качеств летательного аппарата с одновременным достижением простоты интеграции противообледенительной системы в композиционную обшивку летательного аппарата и минимизации утяжеляющих конструкцию летательного аппарата элементов.
Поставленная задача решается тем, что противообледенительная система композиционных аэродинамических поверхностей летательного аппарата содержит систему датчиков контроля температуры, провода соединения с системой электроснабжения летательного аппарата, выведенные на внутреннюю поверхность обшивки аппарата, электронагревательный элемент, встроенный во внешнюю поверхность обшивки аппарата, выполненный из углеродного волокна и расположенный параллельно линии максимального обледенения передней кромки аэродинамических поверхностей летательного аппарата.
2
В качестве углеволокна может быть использовано углеродное волокно, характеризующееся сечением от 0,2 до 1 мм, состоящее из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода, объединенными в микроскопические кристаллы. Размер сечения углеволокна выбирается в зависимости от размера и площади аэродинамических поверхностей летательного аппарата, подвергаемых защите от обледенения. В разработанной системе могут быть использованы такие промышленно выпускаемые марки углеродного волокна, как KDK 8042, KDU 1009, Porcher 3692, Porcher 3673, Т-10-80 и др.
Разработанная противообледенительная система может работать как в постоянном, так и в циклических режимах. Система запускается и останавливается автоматически, действуя по информации с датчиков, передающих данные о текущих климатических и механических условиях, на основании мониторинга фактических показателях температуры. При необходимости могут быть установлены датчики выпадения осадков, скорости ветра, присутствия слоя снега или льда на несущих поверхностях летательного аппарата.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано для удаления и предотвращения обледенения, образующегося на аэродинамических поверхностях летательного аппарата, в особенности в области передних кромок несущих поверхностей, крыльев, хвостового оперения или иных подвергающихся обледенению поверхностей, изготовленных из композиционных материалов, в условиях попадания летательного аппарата в метеорологические условия с повышенной вероятностью обледенения.
Углеволокно является проводником электрического тока и при пропускании через него электрического тока происходит его нагрев, что определяет возможность его использования в качестве нагревательного элемента, преобразующего электрическую энергию в тепловую. Тепло, выделяемое противообледенительной системой, распределяется равномерно на внешней поверхности обшивки летательного аппарата, что позволяет наиболее эффективно предотвратить и удалить образовавшиеся отложения льда и снега. Поскольку углеволокно является одним из компонентов для изготовления композиционных элементов планера, интеграция углеволокна в обшивку не ухудшает прочностные и весовые характеристики конструкции летательного аппарата. Одинаковый коэффициент расширения композиционных элементов планера и нагревательного элемента не приводит к его отслоению.
Длина, количество и расположение электронагревательных элементов зависит от размеров и формы аэродинамических поверхностей летательного аппарата. Противообледенительная система представляет собой нагревательный элемент, расположенный между двумя электроизоляционными слоями. Внешний слой изоляции изготавливают из материала с высокими теплопроводными свойствами.
Интеграцию композиционной противообледенительной системы на основе углеволокна осуществляют в процессе изготовления аэродинамических поверхностей летательного аппарата. Композиционная обшивка летательного аппарата включает внешнюю и внутреннюю поверхности, состоящие из n-го количества слоев композиционных материалов. В качестве композиционных материалов могут быть использованы различные типы полимерных конструкционных материалов: стеклопластики, углепластики.
Предлагаемое изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - обшивка летательного аппарата с противобледенительной системой;
на фиг. 2 - схема расположения противообледенительной системы на стабилизаторе летательного аппарата.
2
Противообледенительная система летательного аппарата (фиг. 1) содержит следующие основные конструктивные элементы: электронагревательный элемент 1, представляющий собой углеволокно, например, в виде углеродной нити, выполненной в виде ровинга сечением 0,2 мм, металлических контактов, обжатых на концах нити, и электропроводки 2, которая с одной стороны соединяется с металлическими контактами на концах нити нагревательного элемента, с другой стороны соединяется с системой регулирования подачи напряжения на нагревательный элемент.
Электронагревательный элемент в виде углеволокна выкладывают между первым 3 и вторым 4 слоем стеклоткани, толщина которых составляет 0,25 мм, в процессе изготовления внешней поверхности 5 обшивки летательного аппарата. Электропроводку выводят на внутреннюю поверхность обшивки 6 летательного аппарата. Для контроля температуры нагрева обшивки используют тепловые датчики 7. Датчики устанавливают в процессе изготовления обшивки летательного аппарата между вторым 4 и третьим 8 слоем стеклоткани. Провода 6 от датчиков 7 выводят на внутреннюю поверхность обшивки. Количество и местоположение датчиков зависит от размеров и формы аэродинамических поверхностей летательного аппарата. Температуру нагрева регулируют напряжением, подаваемым на электронагревательный элемент.
Противообледенительная система может работать в двух режимах: удаления уже образовавшегося льда и предотвращения обледенения. В режиме удаления отложений снега и льда при подаче электрического тока на электропроводку 2 углеволокно 1 нагревается и разогревает внешнюю поверхность обшивки летательного аппарата. Вследствие того что электронагревательный элемент располагают на внешней поверхности обшивки летательного аппарата, выделяемое тепло наиболее эффективно воздействует на лед. Слой льда, прилегающий к электронагревательному элементу, под воздействием тепла плавится, теряет сцепление с поверхностью обшивки и под действием аэродинамических сил удаляется с внешней поверхности обшивки летательного аппарата. Контроль температуры нагрева обшивки осуществляют с использованием тепловых датчиков 7.
В режиме предотвращения обледенения система работает следующим образом. Температура обшивки летательного аппарата на протяжении всего полета поддерживается в диапазоне от 0 до 5°C, что не позволяет переохлажденным частицам воды, попадающим на теплую внешнюю поверхность обшивки летательного аппарата, кристаллизироваться в лед. Данный режим имеет преимущество в том, что уменьшает нагрузку на бортовую систему электроснабжения.
2
Пример 1. Электронагревательный элемент для стабилизатора летательного аппарата, имеющего следующие габариты: длина 650 мм, ширина 250 мм, состоит из трех ниток углеволокна длиной 600 мм и сечением 0,2 мм, соединенных параллельно, как показано на фиг. 2. Общее сопротивление электронагревательного элемента 30 Ом. При подаче постоянного напряжения 27 В на концы электронагревательного элемента происходит равномерный нагрев наружной поверхности стабилизатора до 80°C.
Пример 2. Электронагревательный элемент для стабилизатора летательного аппарата выполнен аналогично примеру 1. При подаче постоянного напряжения 12 В на концы электронагревательного элемента происходит равномерный нагрев наружной поверхности обшивки стабилизатора до 40°C.
Использование предлагаемого устройства позволяет снизить затраты на изготовление и достичь простоты интеграции противообледенительной системы в аэродинамические поверхности летательного аппарата, сохранить целостность и прочность несущих поверхностей летательных аппаратов из композиционных материалов с одновременной минимизацией элементов, утяжеляющих конструкцию композиционного летательного аппарата.