способ и устройство для предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата

Формула изобретения

1. Устройство для предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата, содержащее композитную структуру (47) со слоем или поверхностным слоем (41), состоящим из электропроводного материала, в частности металла или металлического сплава, в котором устройство содержит множество тонких индукторных элементов (33-35), которые предназначены для прохождения, по существу, параллельно слою или поверхностному слою электропроводного материала на расстоянии (40) от него, которое достаточно мало, чтобы гарантировать то, что при подаче на индуктор электропитания от источника переменного тока при соответствующей частоте слой или поверхностный слой будет быстро и равномерно нагреваться без значительного нагрева композитной структуры, индукторы выполнены в форме пластины или оболочки и содержат катушки (12, 13) индуктивности из электропроводного провода, которые являются плоскими и которые содержат большое число витков или контуров, толщина катушки индуктивности и/или индуктора меньше 1/10 ее диаметра или эквивалентного диаметра, и каждая катушка индуктивности является удлиненной по форме вдоль оси (28) и содержит два слоя (16, 19, 22, 25) заплетенных или скрученных жил, которые проходят, по существу, параллельно оси катушки индуктивности, причем два слоя разделены промежутком (31, 32), не имеющим жил индуктора.

2. Устройство по п.1, в котором каждый индуктор содержит две смежные катушки индуктивности, причем каждый слой каждой катушки индуктивности содержит несколько десятков или сотен частей заплетенного провода.

3. Устройство по п.1, в котором каждая катушка индуктивности индуктора содержит несколько десятков витков или контуров, которые находятся рядом и/или являются перемеривающимися.

4. Устройство по п.1, в котором каждая катушка индуктивности индуктора содержит несколько сотен витков или контуров, которые находятся рядом или являются перемеривающимися.

5. Устройство по п.1, в котором индукторы содержат ткань или трикотажный материал из изоляционных волокон и электропроводных проводов.

6. Устройство по п.1, в котором индукторы содержат ткань или трикотажный материал из изоляционных волокон и электропроводных проводов с вязкой или тканью типа саржи, тафты сатина или гибридного типа.

7. Устройство по п.1, в котором диаметр электропроводного провода, используемого для образования индукторов, составляет приблизительно 0,2-1,0 мм.

8. Лопасть (42) несущего винта винтокрылого летательного аппарата, которая включает в себя устройство по п.1.

9. Лопасть по п.8, которая включает в себя один индуктор, проходящий вдоль существенной части длины лопасти, вдоль передней кромки (45).

10. Лопасть по п.8, которая включает в себя множество индукторов, проходящих вдоль существенной части длины лопасти, вдоль передней кромки.

11. Способ предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата, в котором используют устройство по п.1, в котором на индукторы подают электропитание электрическим током при частоте, лежащей в диапазоне 10-100 кГц, предпочтительно в диапазоне 40-70 кГц, в частности, при частоте, находящейся близко к частоте, составляющей приблизительно 50 кГц.

12. Способ по п.11, в котором на индукторы подают электрический ток менее 100 А.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата.

Областью техники, к которой относится настоящее изобретение, является производство вертолетов.

Более конкретно настоящее изобретение относится к способу и устройству для нагрева внешней поверхности оболочки винтокрылого летательного аппарата для предотвращения образования и/или аккумулирования льда на указанной поверхности и обшивке винтокрылого летательного аппарата - в частности, лопасти подъемного и тягового несущего винта вертолета - снабженного таким устройством.

Хорошо известно, что образование и аккумулирование льда на внешней поверхности летательного аппарата могут быстро изменить аэродинамические характеристики указанной поверхности; в частности, если указанная поверхность является вращающейся лопастью винтокрылого летательного аппарата, то такое обледенение может вызвать крушение винтокрылого летательного аппарата.

Большое количество исследований было проведено для предотвращения образования льда или борьбы с образованием льда.

В патентах US 4060212 и FR 2346217 предложено устройство для предотвращения обледенения, использующее микроволны; в патентах US 4399967, US 4458865 и US 4501398 для предотвращения обледенения обшивки крыла (лопасти) предложено деформирование обшивки посредством приложения электромагнитных импульсов.

В патенте US 1819497 предлагается оборудование крыла летательного аппарата проводящим контуром, питаемым источником высокочастотного электрического тока для возбуждения электрических токов в металлической структуре крыла, нагрев указанной структуры и, следовательно, борьба с обледенением. Подобный принцип предложен в патенте US 2547934 для предотвращения обледенения лопатки статора воздушного компрессора.

Тем не менее до настоящего времени не представлялась возможной разработка индукционного нагрева обшивки летательного аппарата, в частности, для нагрева лопастей несущего винта винтокрылого летательного аппарата; такие лопасти по этой причине, в общем, нагревают посредством теплопроводности, например, как описано в патентах US 2005/184193 и FR 2863586.

Кроме того, нагрев обшивки летательного аппарата, полученной из композиционного материала, содержащего армирующие волокна или волокна, внедренные в термопластичную или термореактивную смолу, посредством теплопроводности (посредством эффекта Джоуля) может привести к «горячим» точкам или зонам, появляющимся в обшивке, и к последующему старению композиционного материала.

Объектом настоящего изобретения является предложение способа и устройства для предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата и обшивки летательного аппарата, включающей в себя такое устройство, которое улучшает и/или устраняет, по меньшей мере, частично, недостатки или изъяны систем предотвращения обледенения, соответствующих предшествующему уровню техники, при обеспечении также хорошей эффективности.

В одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает устройство для предотвращения обледенения обшивки летательного аппарата, содержащее композитную структуру и слой или поверхностный слой, образованный из электропроводного материала, в частности металла или металлического сплава на основе железа (например, стали), никеля или титана, причем устройство содержит множество тонких индукторных элементов, в частности, в виде пластин или оболочек, которые предназначены для прохождения по существу параллельно слою или поверхностному слою из проводящего материала на расстоянии от него, которое является достаточно небольшим для гарантии того, что, при подаче на индуктор электропитания от источника переменного тока соответствующей частоты, слой или поверхностный слой быстро и равномерно нагревается без значительного нагрева композитной структуры.

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает получение детали летательного аппарата, в частности лопасти несущего винта для винтокрылого летательного аппарата, содержащей композитную структуру армирования, внедренного в смолу, вместе с электропроводным поверхностным слоем, покрывающим часть композитной структуры, и индукторы, размещенные в композитной структуре, которые электрически изолированы от поверхностного слоя смолой и которые предназначены для побуждения нагрева поверхностного слоя индукцией, когда на них подается электропитание.

Индукторы предпочтительно содержат плоские катушки индуктивности электропроводной проволоки и имеют большое число витков или контуров. Индуктор может быть также выполнен в виде ткани или трикотажного изделия, полученного из изоляционных стекловолокон и литцендратов и пропитанных органической матрицей. На ткань может подаваться электропитание, и она может быть трикотажной или тканой типа саржи, тафты или сатина.

В предпочтительном варианте осуществления толщина катушки индуктивности и/или индуктора меньше ее диаметра или эквивалентного диаметра, в частности меньше одной десятой ее диаметра или эквивалентного диаметра.

Поскольку они являются тонкими, катушки индуктивности и индукторы могут быть профилированы так, чтобы они проходили вдоль поверхности, которая может быть плоской или в виде части цилиндра или оболочки, которая согласуется с формой поверхностного слоя, подлежащего нагреву, так что эффективность индукции увеличивается силовыми линиями и, таким образом, плотность тока распределяется более равномерно с тем, чтобы создавать нагрев металлического элемента более равномерным, причем элемент может быть получен из нержавеющей стали, титана, никеля и их сплавов, например при использования кобальта (Ni-Co). Затем индуцируемый электрический ток действует благодаря эффекту Джоуля для нагрева металлического элемента, подвергаемого воздействию магнитного поля.

В предпочтительном варианте осуществления каждая катушка индуктивности содержит несколько десятков или сотен витков или контуров проводящей проволоки, которые уложены рядом и/или являются перемеживающимися для увеличения эффективности индукции.

В соответствии с другими характеристиками настоящего изобретения предпочтительными являются следующие:

каждая катушка индуктивности является удлиненной по форме вдоль оси и содержит два слоя заплетенного или скрученного литцендарта, которые проходят по существу параллельно оси катушки индуктивности, причем два слоя разделены промежутком, не имеющим проводов индуктора;

каждый индуктор содержит две такие катушки индуктивности, расположенные смежно, причем каждый слой каждой катушки индуктивности содержит несколько десятков или сотен частей (или сегментов) заплетенного провода;

диаметр электропроводного провода, используемого для образования индукторов, меньше или равен приблизительно 2 мм, в частности имеет порядок приблизительно 0,2-1,0 мм, делая, таким образом, более простой интеграцию провода в волокна или ткань слоев композиционного материала и ограничивая потери в индукторах;

для увеличения прочности ткани, используемой при получении индуктора, а также для увеличения деформируемости тканого материала может служить ткани или вязка сбалансированного типа саржи или гибридного типа (стекловолокно/углеродное волокно/литцендрат);

большое число литцендратов служит для увеличения плотности тока, для получения перекрытия между силовыми линиями и для гарантии того, что передняя кромка нагревается равномерно;

на ткань может подаваться электропитание и ткань может быть подвергнута циклу профилирования для получения конечной формы для индуктора и/или для того, чтобы сделать возможным инфузионное инжектирование пропиточной смолы и полимеризацию смолы для получения конечной детали, готовой для клеевого соединения между передней кромкой и лопастью винта винтокрылого летательного аппарата.

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ предотвращения обледенения, например, обшивки летательного аппарата, в котором индукторы питаются электрическим током при частоте, лежащей в диапазоне 10-100 кГц, предпочтительно в диапазоне 40-70 кГц, в частности близко приблизительно к 50 кГц.

Другие аспекты, характеристики и преимущества настоящего изобретения становятся очевидными из следующего описания, сделанного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые иллюстрируют без какого-либо ограничивающего качества предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Фиг.1 - диаграмма, иллюстрирующая индуктор, образованный двумя тонкими смежными катушками индуктивности.

Фиг.2 - схематическое изометрическое изображение, иллюстрирующее индуктор, содержащий две смежные катушки индуктивности вместе с проводниками для соединения индуктора с источником электрического тока.

Фиг.3 - схематическое изображение сечения, сделанного по плоскости, которая перпендикулярна оси слоев катушек индуктивности индуктора, иллюстрирующее расположение проводников, образующих слои и внедренных в смолу и/или интегрированных в композитную структуру; фиг.3 является сечением, сделанным по плоскости III-III, показанной на фиг.2.

Фиг.4 - схематическое изображение поперечного сечения (относительно продольной оси лопасти), иллюстрирующее то, как слои индуктора имплантированы вблизи металлической вставки, интегрированной в лопасть несущего винта винтокрылого летательного аппарата, в окрестности передней кромки.

Фиг.5 - схематическое изометрическое изображение, иллюстрирующее индуктор, подобный индуктору, иллюстрируемому на фиг.2 и фиг.3, в котором форма катушек индуктивности согласуется с формой вставки в передней кромке лопасти несущего винта вертолета, как в конфигурации, иллюстрируемой на фиг.4.

Фиг.6-8 - иллюстрации трех соответствующих конфигураций для имплантации индуктора в лопасть несущего винта вертолета; фиг.6 - иллюстрация семи индукторов, распределенных вдоль передней кромки и вдоль стороны низкого давления - или вдоль стороны повышенного давления; фиг.7 - иллюстрация семи индукторов, как показано на фиг.5, которые равномерно распределены вдоль передней кромки; фиг.8 - иллюстрация лопасти, снабженной одним индуктором, проходящим вдоль существенной части длины лопасти.

В соответствии с аспектом настоящего изобретения система предотвращения обледенения лопастей вертолета посредством индукции содержит индукторы, внедренные в лопасть, которые, единовременно подвергнутые воздействию переменного тока высокой частоты, возбуждают магнитное поле из центра лопасти по направлению наружу. Затем магнитное поле индуцирует электрические токи в металлической оболочке (которая получена из электропроводного материала), защищающей переднюю кромку.

Благодаря воздействию переменного магнитного поля на электропроводный материал, покрывающий переднюю кромку, изменение магнитного потока индуцирует электродвижущие силы в материале (закон Ленца), которые дают увеличение индуцированных токов (вихревые токи). Затем вихревые токи нагревают материал оболочки благодаря эффекту Джоуля.

При высокой частоте вредное явление, известное как скин-эффект, может разрушить распределение плотностей электрического тока в индукторах: электрические токи в материале, который должен быть нагрет, часто проникают только на части пути в него; при проникновении в материал величина поля уменьшается в экспоненциальной зависимости и побуждает концентрирование плотности индуцированных токов в поверхностном слое; это явление может быть ослаблено и/или предотвращено путем изготовления индукторов при использовании литцендратов (проводов из скрученных жил), дающих возможность получения равномерной плотности тока в слоях катушек индуктивности/индукторах посредством ограничения и регулирования конфигураций контуров литцендратов так, чтобы получить силовые линии, которые равномерно распределены по металлической оболочке.

Если частота индукционного тока увеличивается от значения, близкого к 10 кГц, до значения, близкого к 70 кГц или более, то силовые линии становятся концентрированными вокруг индуктора. Чтобы сделать распределение равномерным так, чтобы не было зон оболочки, через которую не проходили бы силовые линии, предпочтительно использовать индуктор, содержащий две катушки индуктивности, в которых четыре слоя образуют три плоских проводника (индукционных элемента), которые размещают один на передней кромке, а другие два на противоположных сторонах (стороне низкого давления и стороне повышенного давления) передней кромки, причем каждый слой и/или катушка индуктивности имеют толщину порядка одного или нескольких миллиметров.

В некоторых конфигурациях было обнаружено, что мощность, рассеиваемая в пластине или слое вторичной цепи (оболочке), уменьшается с числом слоев индукционной цепи. Было установлено, что при переходе от системы, имеющей один слой, к системе, имеющей два слоя, один проводит электрический ток в «положительном» направлении, а другой - в противоположном («отрицательном») направлении, слои соответственно индуцируют в пластине отрицательный и положительный электрические токи. Эти два электрических тока встречаются в пластине на поверхности раздела между двумя слоями и в этой зоне они аннулируются, так что имеют нулевую плотность тока, уменьшая в соответствии с этим мощность, рассеиваемую в пластине.

Чем больше расстояние между слоями и вторичной цепью, тем меньше мощности рассеивается в ней. По этой причине предпочтительно размещать слои индуктора как можно ближе к оболочке.

Таким образом, можно получать эффективный нагрев оболочки, делая это возможным, например, начиная с оболочки при начальной температуре -40°С до достижения поверхностной температуры 10°C после нагрева за несколько секунд при плотности тока 4×10 ⁶ ампер на квадратный метр (А/м²).

Электропитание индукторов посредством нескольких жил (например, трех жил) литцендрата дает возможность электрическому току, подаваемому к контурам, уменьшаться до величины, меньшей 100 А, в частности до нескольких ампер, например приблизительно 5-8 А, тогда как общий электрический ток, проходящий в каждом слое индуктора, намного больше, например составляет приблизительно 400 А.

Для обеспечения возможности предотвращения обледенения передней кромки локальным и циклическим образом, можно размещать множество индукторов вдоль передней кромки, как показано, например, на фиг.6 или фиг.7.

Система индукционного нагрева, включенная в лопасть, также может быть использована в качестве устройства для удаления защитной оболочки с передней кромки, когда оболочка имеет значительный уровень эрозии или ударных воздействий и ее необходимо заменить. Поскольку передняя кромка удерживается посредством термоплавкого безрастворного клея, имеющего температуру размягчения, которая ниже максимальной температуры, которой может достичь пластина под действием электромагнитной индукционной системы, в течение технического обслуживания и текущих ремонтных работ лопасти представляется возможным нагрев передней кромки до тех пор, пока оболочка может быть удалена посредством ее отслаивания, например, как более подробно описано в патенте FR 2787366 и US 6470544.

Система индукционного нагрева, включенная в лопасть, может также быть использована для обеспечения нагрева для быстрой полимеризации передних кромок при выполнении быстрого ремонта, причем нагрев регулируют в функции от кинетики полимеризации клея.

Кроме того, активация индукционной системы при довольно низких уровнях тока, возможно, в отсутствие какого-либо льда, может быть использована для создания преднамеренных электромагнитных помех для предотвращения обнаружения винтокрылого летательного аппарата вражеским оборудованием.

В частности, как следует из фиг.1, индуктор 11а содержит две катушки 12 и 13 индуктивности, которые электрически параллельно соединены с клеммами 14 и 15 источника переменного тока (не показано).

Катушка 12 индуктивности содержит первый слой 16 электропроводных жил 17, в котором электрический ток проходит в направлении 18, и второй слой 19 электропроводных жил 20, в котором ток проходит в направлении 21, противоположном направлению 18.

Аналогичным образом, катушка 13 индуктивности содержит первый слой 22 электропроводных жил 23, в котором электрический ток проходит в направлении 24, и второй слой 25 электропроводных жил 26, в котором ток проходит в направлении, указанном ссылочным номером 27.

Жилы 17 и 20 соединены вместе и образуют контуры или витки катушки 12 индуктивности; жилы 23 и 26 аналогичным образом соединены вместе и образуют контуры катушки 13 индуктивности.

Жилы 17, 20, 23 и 26 и слои 16, 19, 22 и 25 проходят параллельно оси 28.

«Наложением» трех тонких индукторов 11а типа, иллюстрируемого на фиг.1, получают индуктор 11b типа, иллюстрируемого на фиг.2, в котором к каждой катушке индуктивности подается электропитание тремя проводниками 29, 30.

На фиг.1 и фиг.2 можно видеть, что два центральных слоя 19 и 22 являются соприкасающимися, тогда как слои 16 и 25 отделены от слоев 19 и 22 соответственно двумя промежутками 31 и 32.

Когда слои покрыты смолой 39 и/или внедрены в три структуры 33, 34 и 35 (изоляционного) композиционного материала, схематически представленного прямоугольными параллелепипедами (смотри фиг.3), то эти три индукторных элемента (33-35) размещены на коротком расстоянии 40 от ферромагнитной пластины/оболочки 41, которая должна быть нагрета индукцией; это расстояние предпочтительно имеет порядок величины, составляющей приблизительно 0,1-3,0 мм, в частности порядок приблизительно 0,1-1,0 мм.

Толщина 36 каждой катушки 12, 13 индуктивности и каждого элемента 33, 34 и 35 может быть порядка приблизительно 1-2 мм; ширина 37 каждой катушки индуктивности и каждого элемента 33, 34 и 35 может быть порядка приблизительно 10-50 мм; длина 38 может лежать в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких метров, в зависимости от выбранной конфигурации (смотри фиг.6-8).

Как показано на фиг.4 и фиг.6-8, лопасть 42 имеет сторону 43 повышенного давления, сторону 44 низкого давления, переднюю кромку 45 и заднюю кромку 46.

В частности, как показано на фиг.4, металлическая оболочка 41 покрывает переднюю кромку и «передние» части сторон 43 и 44 повышенного давления и низкого давления соответственно и служит для защиты их от ударов.

Элементы 33-35 индуктора размещены в композитной структуре 47 лопасти, и они проходят в соответствии с оболочкой 41 и на коротком расстоянии от оболочки 41.

Индуктор соединен с проводниками 49, 50 подачи электропитания, которые проходят в продольном направлении относительно продольной оси 48 лопасти 42, посредством проводников 29 и 30 соответственно.

В частности, как следует из фиг.4 и фиг.5, в то время как два индукторных элемента 33 и 35 выполнены в виде тонких пластин, которые по существу являются плоскими или незначительно криволинейными, центральный индукторный элемент 34 выполнен в виде криволинейной тонкой пластины или оболочки, форма которой согласуется с формой передней части оболочки 41.

Хотя слои индукторов проходят перпендикулярно продольной оси 48 лопасти в элементе осуществления, иллюстрируемом на фиг.6, слои индукторов проходят параллельно указанной оси в вариантах осуществления, иллюстрируемых на фиг.7 и фиг.8.

В этих трех вариантах осуществления индукторы проходят непрерывно на фиг.8 и прерывисто на фиг.6 и фиг.7 вдоль передней кромки 45 и оси 48 по существу регулярно поверх большой части длины лопасти, между двумя ее концами (комеля 52 лопасти и законцовки 51 лопасти).

Проводники 49 и 50 вместе сведены в шину 53, которая действует через посредство вращающихся контактных колец (не показаны) для подачи электрического тока к индукторам от источника питания на борту винтокрылого летательного аппарата.