СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ЛЬДА Российский патент 2021 года по МПК H05B3/84 B64D15/00 B64D15/12 

Изобретение относится к противообледенительным системам, и может быть использовано для предотвращения образования и удаления льда с наружных поверхностей элементов конструкции летательных аппаратов, в том числе, на крыльях самолетов, лопастях винтов вертолетов, также на лопастях воздушных винтов (движителей) ветряных электрогенераторов, элементов конструкции линий электропередач, судов, токоприемников железнодорожного транспорта и т.д.

Из известных способов борьбы с обледенением, таких как механический, физико-химический, тепловой, наиболее эффективным и широко распространенным является электротепловой [Ahmed Shinkafi, Craig Lawson. Enhanced Method of Conceptual Sizing of Aircraft Electro-Thermal De-icing System. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering Vol:8 No:6, 2014; Wang P., Yao T., Li Z., Wei W., Xie Q., Duan W., Han H. A superhydrophobic/electrothermal synergistically anti-icing strategy based on graphene composite // Composites Science and Technology. 2020. Vol.198. Doi: 10.1016/j.compscitech.2020.108307; Wang Z.-Z., Liu C.-Y., Zhu C.-L., Zhao N. Performance calculation of electrothermal anti-icing system on three-dimensional surface // International Journal of Modern Physics B. 2020. Vol.34. Iss.14-16. Doi: 10.1142/S0217979220401062]. Суть этого способа заключается в том, что используют нагревательные элементы, которые располагают на внешней поверхности защищаемых участков элементов конструкции, и которые подключают к источнику питания. Нагревают поверхность защищаемых участков элементов конструкции и за счет этого удаляют образовавшийся лед, или, при постоянном нагреве, препятствуют образованию льда на участках поверхности защищаемых элементов конструкции. Таким образом, реализуют соответственно два режима работы электротепловой противообледенительной системы: режим удаления льда и режим предотвращения образования льда.

Известные аналоги способа предотвращения образования и удаления льда основаны:

– на устройстве и способе устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством [Пат. 2602266 Российская федерация, МПК6 B64D 15/00 Устройство и способ устранения обледенения и/или предотвращения образования льда и профильное тело и летательный аппарат с таким устройством. Штробль Тобиас, Шторм Штефан, Рапс Доминик, Хаук Тобиас. Патентообладатель: ЭРБАС ДИФЕНС ЭНД СПЕЙС ГМБХ. Заявл. 12.11.2014. Опубл. 10.11.2016]. Суть изобретения заключается в том, что для устранения обледенения участка поверхности летательного аппарата, выполненного со снижающим адгезию льда свойством, вводят тепловую энергию на заданной определенным образом линии для последующего разлома льда путем деформации участка поверхности и удаления его с поверхности.

– на противообледенительной системе [Пат. 2583111 Российская федерация, МПК6 B64D 15/00. Противообледенительная система. Гомзин А.В., Лачугин В.А., Федотов В.С. Патентообладатель: АО НПО "Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова". Заявл. 26.12.2014. Опубл. 10.05.2016]. Суть изобретения заключается в том, что равномерность разогрева наружных поверхностей аппарата в местах, подверженных обледенению обеспечивают за счет того, что используют систему датчиков контроля температуры, провода соединения с системой электроснабжения летательного аппарата, выведенные на внутреннюю поверхность обшивки аппарата, и электронагревательный элемент из углеродного волокна, который встраивают во внешнюю поверхность обшивки аппарата параллельно линии максимального обледенения передней кромки аэродинамических поверхностей.

– на способе предотвращения образования и удаления льда с конструктивных композитных элементов летательного аппарата [Пат. 2578079 Российская федерация, МКП B64D 15/00. Способ предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов и устройство его реализующее. Авторы: Богослов Е.А., Данилаев М.П., Михайлов С.А., Польский Ю.Е. Патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева-КАИ». Заявл.19.01.2015. Опубл. 20.03.2016], выбранном в качестве прототипа заявляемого способа предотвращения образования и удаления льда. Суть способа заключается в том, что нагревательные элементы выполняют из проводящих полимерных материалов и располагают в зонах с высокой вероятностью обледенения непосредственно на наружной поверхности конструктивных элементов летательного аппарата (ЛА), отделенных от них электротеплоизолирующим слоем, сверху части конструктивных элементов ЛА, содержащих нагревательные элементы и, одновременно, прилегающие к нагревательным элементам области покрывают гидрофобной непроводящей фторопластовой пленкой, предотвращая образование барьерного льда и реализуют интегральную противообледенительную систему, которая при незначительной опасности обледенения без использования нагрева является пассивной, а при повышенной опасности обледенения является активной электротепловой, при этом управление нагревом осуществляют при помощи блока управления на основании данных, которые получают с помощью датчиков, расположенных на элементах конструкции в зонах наибольшего обледенения и на основании данных, относящихся к внешним условиям заснеженности и обледенения элемента конструкции.

Приведенный в качестве прототипа способ предотвращения образования и удаления льда имеет ряд недостатков. Основными недостатками являются:

– недостаточно высокая стойкость к истиранию полимерных материалов, из которых возможно выполнить нагревательные элементы. Например, нагревательные элементы на основе проводящего фторопласта [Богослов Е.А., Данилаев М.П., Михайлов С.А., Польский Ю.Е. Энергетическая эффективность интегральной противообледенительной системы на основе фторопластовых пленок // Инженерно-физический журнал. - 2016.- Т.89. №4. С.812-817; Danilaev M.P., Bogoslov E.A., Dorogov N.V., Klabukov M.A., Bobina E.A. Icing intensity of passive organosilicon anti-icing coatings // Russian aeronautics. 2019. т. 62. № 1. с. 129-133] не стойки к истиранию, поэтому их применение в противообледенительных системах ограничено;

– необходимость в использовании датчиков обледенения, расположение которых на элементах конструкции в зонах наибольшего обледенения может привести к необходимости внесения изменений в эти элементы конструкции, что не всегда возможно. Например, использование датчиков обледенения на передней кромке крыльев беспилотного летательного аппарата (БПЛА) требует обеспечение электрической развязки между системой электропитания нагревательных элементов и системой съема информации с датчиков, необходимость которой обусловлена электрическими наводками на систему съема информации при коммутации (включении, выключении) электрического тока питания нагревательных элементов. Наличие такой электрической развязки может привести к увеличению массы БПЛА, что негативно скажется на его летных характеристиках [Доклады и статьи ежегодной научно-практической конференции «Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппаратами», г.Коломна, 2016. –274с.].

Техническая проблема заключается в создании способа предотвращения образования и удаления льда, обеспечивающего высокую стойкость к истиранию нагревательных элементов, а также отсутствие необходимости использования датчиков обледенения.

Технический результат предлагаемого способа предотвращения образования и удаления льда заключается в том, что высокую стойкость к истиранию нагревательных элементов обеспечивают за счет того, что нагревательные элементы выполняют из электропроводящей гидрофобной полисилоксановой композиции, стойкой к истиранию.

Технический результат в способе предотвращения образования и удаления льда, в котором реализуют интегральную противообледенительную систему, являющуюся активной или пассивной, и в которой используют нагревательные элементы, которые располагают на наружной поверхности защищаемого элемента конструкции в зонах с высокой вероятностью обледенения, отделенных от него электротеплоизолирующим слоем, при этом управление нагревом нагревательными элементами осуществляют с помощью блока управления достигается тем, что нагревательные элементы изготавливают из полисилоксановой композиции, стойкой к истиранию, которую получают любым известным способом и дополнительно в процессе ее получения добавляют в нее химические соединения, повышающие гидрофобность полисилоксановой композиции, также в процессе ее получения добавляют в нее дисперсные частицы электропроводящего материала, обеспечивающие электропроводность полисилоксановой композиции, нагревательные элементы из такой полисилоксановой композиции соединяют последовательно относительно друг друга, а последовательное соединение всех нагревательных элементов соединяют параллельно источнику электропитания и подключают к выходу элемента коммутации, к первому входу которого подключают блок управления, с помощью которого осуществляют управление нагревом нагревательных элементов на основе данных о характере обледенения защищаемого элемента конструкции, которые получают на этапе испытания изделия, в состав которого входит защищаемый элемент конструкции и тем самым исключают использования датчиков обледенения, а ко второму входу элемента коммутации подключают источник электропитания.

На фиг.1 схематично представлен пример устройства предотвращения образования и удаления льда, реализующего рассматриваемый способ предотвращения образования и удаления льда, и содержащего один нагревательный элемент, на фиг.2 изображена схема подключения нагревательного элемента к электропроводящей шине, на фиг.3 представлен алгоритм работы блока управления.

Устройство, приведенное на фиг.1 и фиг.2 содержит элемент конструкции 1, представляющий собой элемент стабилизатора беспилотного летательного аппарата (БПЛА), электротеплоизолирующий слой 2, расположенный на поверхности элемента конструкции 2 и представляющей собой фторопласт Ф-4, обе поверхности которого модифицированы для обеспечения высокой адгезии электротеплоизолирующего слоя 2, как к элементу конструкции 1, так и к нагревательному элементу 3, изготовленному из полисилоксановой композиции, и расположенному на поверхности электротеплоизолирующего слоя 2, и подключенному к выходу элементу коммутации 4, представляющий собой тиристор, первый вход которого подключен к блоку управления 5, а второй вход которого подключен к источник электропитания 6, контактные площадки 7 из металла, например, медь, и электрический проводник 8, например, медный проводник.

Блок управления 5 имеет отдельную систему электропитания, которая на фиг.1 не представлена. Также блок управления 5 имеет входы, на которые подаются сигналы от датчиков температуры забортного воздуха и скорости полета, которые на фиг.1 не показаны.

Рассмотрим осуществление способа предотвращения образования и удаления льда.

Рассматриваемый способ предотвращения образования и удаления льда может быть осуществлен при реализации противообледенительной системы беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для защиты элементов конструкции БПЛА, которые наиболее всего подвержены обледенению, например, кромки крыльев, хвостовое оперение, стабилизаторы, гондолы двигателей и пр. [Противообледенительные системы летательных аппаратов / Р.Х.Тенишев, Б.А.Строганов, В.С.Савин и др. М.: Машиностроение, 1967. 320 с.; Shinkafi A., Lawson C. Enhanced Method of Conceptual Sizing of Aircraft Electro-Thermal De-icing System. International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering. - 2014.- Vol.8, No.6. Рр.1069-1076; . Perkins, P.J. and Rieke, W.J. (1993). “Aircraft icing problems - after 50 years”. AIAA-93-0392. Presented at the AIAA 31st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January]. Таким образом, элемент конструкции 1 может представлять собой, например, стабилизатор хвостового оперения БПЛА. Элемент конструкции 1 может быть выполнен, как из металла, например, из авиационного дюралюминия, так и из композитных материалов, например, на основе стекловолокна или углепластика [Справочник «Авиационные материалы» в 13 томах. 2020г. ВИАМ. Москва].

Электротеплоизолирующий слой 2, может быть выполнен из фторопластовой пленки толщиной, например, 50 мкм, изготовленной из фторопласта марки Ф-4, выпускаемого, например, АО «ГалоПолимер» г.Кирово-Чепецк. Толщину электротеплоизолирующего слоя 2 выбирают исходя из следующих основных условий: тип материала элемента конструкции 1 (металл или пластик); месторасположения элемента конструкции 1, его теплоемкость и пр. Основным назначением элетротеплоизолирующего слоя 2 является обеспечение изоляции (электрической и тепловой) нагревательного элемента 3 от элемента конструкции 1. Это необходимо для того, чтобы электрический ток от источника электропитания 6 не протекал по электропроводящему элементу конструкции, выполненному, например, из металла (дюралюминий марки Д-16) и тем самым обеспечить работоспособность нагревательного элемента 3 [Суппа М. Электроизоляция в условиях влажности и выпадения росы // Технологии в электронной промышленности. 2013. Т.63. №3. С.12-17]. Для обеспечения высокой адгезии электротеплоизолирующего слоя 2, выполненного, например, из фторопласта марки Ф-4, как к материалу элемента конструкции 1, так и к нагревательному элементу 3, обе поверхности фторопластовой ленты модифицируются, например, плазмохимическим методом [Е.А.Богослов, М.П.Данилаев, М.В.Ефимов, С.А.Михайлов, Ю.Е.Польский, К.В.Файзуллин Экспериментальные исследования способа формирования многослойных полимерных пленок с заданными физико-химическими свойствами отдельных слоев// Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т.49. №3. С.320–325; М.П.Данилаев, С.А.Михайлов, Ю.Е.Польский Способ модификации полимерного пленочного материала (варианты) и устройство для его реализации// Пат. 024853 Российская федерация, МПК7 C08 J 7/12, заявитель и патентообладатель Казан. гос. техн. ун-т им.А.Н.Туполева. –№2010117480/05; заявл. 30.04.10.]. Причем адгезия фторопластовой пленки, как к материалу элемента конструкции 1, так и к нагревательному элементу 3, определяется в значении сопротивления отслаиванию, принятому для пленок по ГОСТ 28966.2-91 [ГОСТ 28966.2-91 Клеи полимерные. Метод определения прочности при отслаивании] и должна быть не менее 2 кН/м для авиационной техники [Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Тюменева Т.Ю. Свойства клеев и клеящих матеpиалов для изделий авиационной техники // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №1. С.14-24]. Модификацию поверхностей фторопластовой пленки, являющейся электротеплоизолирующим слоем 2, осуществляют, например, следующим образом. Фторопластовую пленку с помощью натяжных валиков пропускают через разрядную камеру и камеру осаждения мономера. Разрядная камера образована двумя электродами – плоским и игольчатым. Для увеличения характерного времени жизни радикалов на поверхности полимерной пленки [Энциклопедия нзкотемпературной плазмы. Т. 2. Генерация плазмы и газовые разряды; Диагностика и метрология плазменных процессов / Под ред. Фортова В.Е. М.: Наука/Интерпериодика, 2000. 634 с.], а также для стабилизации коронного разряда, используют инертный газ аргон. Частицы мономера (строл) эжектируют в камеру осаждения мономера с помощью эжектора. Тем самым, создают промежуточный слой полистирола на поверхностях фторопластовой пленки, который позволяет обеспечить высокую адгезию такого электротеплоизолирующего слоя 2, как к материалу элемента конструкции 1, так и к нагревательному элементу 3.

Электротеплоизолирующий слой 2 приклеивают к элементу конструкции 1 в процессе изготовления последнего. Например, в процессе изготовления стабилизатора из стекловолокна при его прессовании, в конструкцию закладывается фторопластовая пленка с модифицированными поверхностями. Склейку этой пленки с элементом конструкции 1 обеспечивают за счет сополимеризации эпоксидной смолы с модифицированным слоем на поверхности фторопластовой пленки [Е.А.Богослов, М.П.Данилаев, М.В.Ефимов, С.А.Михайлов, Ю.Е.Польский, К.В.Файзуллин Экспериментальные исследования способа формирования многослойных полимерных пленок с заданными физико-химическими свойствами отдельных слоев// Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т.49. №3. С.320–325].

Нагревательный элемент 3, выполняют из полисилоксановой композиции, например, способом, описанным в [Пат. 2515742 Российская федерация, МПК C09D 183/04, C09D 183/06, C09D 183/08, C08G 18/83, C09D 201/10 Композиция покрытия, содержащая алкоксисилан, полисилоксан и множество частиц. Заявитель и патентообладатель ППГ ИНДАСТРИЗ ОГАЙО, ИНК. (US); авторы: ШМЕЛТЦЕР Роберт (US), ДОНАЛДСОН Сьюзан Ф. (US), ОЛСОН Кевин К. (US), ОЛСОН Курт Г. (US), ШВЕНДЕМАН Джон И. (US), СИМПСОН Деннис А. (US), ВИЛЬЯМС Франк К. (US).; Заявл. 26.10.2010; опубл. 20.05.2014; Пат. 2086415 Российская федерация, МПК B32B27/08, C09D183/06. Способ получения изделия, содержащего полисилоксановое покрытие на полимерной подложке, и изделия. Заявитель и патентообладатель Е.И.Дюпон де Немур энд Компани (US), авторы: Джеррел Чарльз Эндерсон (US); Заявл. 25.04.1991; опубл. 10.08.1997; Пат. 2493014 Российская федерация, МПК B32B 27/30, B32B 27/08, C08J 7/04. Способ получения поликарбонатных формовок с двухслойным покрытием. Заявитель и патентообладатель ОАО «Институт пластмасс им. Г.С. Петрова; авторы: Радзинский С.А., Золкина И.Ю., Америк В.В., Андреева Т.И., Федотова Т.И., Левчук А.В.; Заявл. 12.04.2012; опубл. 20.09.2013]. Например, в круглодонную колбу объемом 1 литр добавляют 120±15г «ЛЭЙКСИЛ®» 40. «ЛЭЙКСИЛ®» 40 является золем коллоидного диоксида кремния, стабилизированного аммонием, в котором не менее 40% частиц диоксида кремния имеют диаметр около 22±2 нм, а pH этого золя составляет 9.2±0.2. Затем в круглодонную колбу добавляют 40±5 г деионизированной воды, и перемешивают магнитной мешалкой в течение не менее 30 минут со скоростью вращения 500±50 об/мин при температуре не менее 20°С и не более 25°С. К полученной смеси добавляют 100±10 г метилтриэтоксисилана (коммерчески доступного Silquest A), чтобы обеспечить молярное отношение воды к силану, равное 8.5±0.2, и перемешивают магнитной мешалкой в течение не менее 30 минут со скоростью вращения 500±50 об/мин при температуре не менее 20°С и не более 25°С. Затем добавляют 0.9±0.1 г 37±1% водного раствора соляной кислоты (производства PCC Rokita SA) и перемешивают магнитной мешалкой в течение не менее 30 минут со скоростью вращения 500±50 об/мин при комнатной температуре. Затем полученный раствор перемешивают в течение еще не менее 16-18 часов при комнатной температуре.

После чего дополнительно добавляют химические соединения, способствующие повышению гидрофобности полисилоксановой композиции. Например, добавляют химические соединения, например, такие как, органоалкоксисилан [Пат. 2514939, Российская Федерация, МПК C09D 183/04, C09D 183/10, C09D 143/04, C09D 133/14, C08G 77/442 Полисилоксановые покрытия с гибридными сополимерами. Заявители: БЭЗИЛ Джон Д., ХЬЮНИА Роберт М.,МакГРЕЙДИ Лора Б. Патентообладатель: ППГ ИНДАСТРИЗ ОГАЙО, ИНК. Заявл. 26.07.2010. Опубл. 10.05.2014; Danilaev M.P., Bogoslov E.A., Dorogov N.V., Klabukov M.A., Bobina E.A. Icing intensity of passive organosilicon anti-icing coatings // Russian aeronautics. 2019. т. 62. № 1. с. 129-133], аминофункциональный триалкоксисилан [Пат. 2613325 Российская федерация, МПК C08G 77/20, C08L 83/07 Композиция олефинфункционализованных силоксановых олигомеров, основанных на алкоксисиланах. Заявители: ШТАНДКЕ Буркхард, МИХАЙЛЕСКУ Иоана-Елена, МОНКЕВИЧ Ярослав, РОТ Свен, ИОАННИДИС Аристидис, ВАЙССЕНБАХ Керстин Патентообладатель: ЭВОНИК ДЕГУССА ГМБХ. Заявл. 19.11.2012. Опубл. 16.03.2017]. Например, добавляют аминофункциональный триалкоксисилан (марки OFS-6020 - диаминофункциональный силани) в количестве 20 массовых процентов по сухому остатку. Одновременно с аминофункциональным триалкоксисиланом добавляют 375г смеси растворителей изопропанол/н-бутанол 1/1 по весу. Дополнительно добавляют дисперсные частицы проводящего материала для достижения требуемой [Богослов Е.А., Данилаев М.П., Михайлов С.А., Польский Ю.Е. Энергетическая эффективность интегральной противообледенительной системы на основе фторопластовых пленок // Инженерно-физический журнал. - 2016.- Т.89. №4. С.812-817] электрической проводимости, например 10-3÷10-4 См. Например, добавляют смесь наночастиц оксида олова (10%) и оксида сурьмы (90% по массе) марки «Antimony Oxide – Tin Oxide», или добавляют наночастицы оксида сурьмы, или добавляют наночастицы меди, или добавляют наночастицы серебра [Наполнители для полимерных композиционных материалов. / Под ред. Г.С. Каца, Д.В. Микевски., пер. с англ. М.: Химия, 1981. 736 с.; Ферричио Т.Х. Основные примеры выбора и использования дисперсных наполнителей / Пер с англ. М.: Химия, 1979. 150 с.]. Затем полученный раствор перемешивают в течение 3 недель + 2 дня при комнатной температуре. Таким образом, получают полисилоксановую композицию, представляющую собой раствор в смеси растворителей изопропанол/н-бутанол.

Для получения нагревательного элемента 3 из полисилоксановой композиции, полученный раствор наносят на поверхность электротеплоизолирующего слоя 2, например, методом распыления через трафарет [Hwang, D., Moon, J., Shul, Y. et al. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2003. No.26. P.783]. Для нанесения используют пистолет пульверизационный марки CAR SYSTEM (MASTER PG , KREMLIN HTI) со следующими параметрами:

- давление на входе от 15⋅104 до 17⋅104 Па (от 1.5 до 1.7 атм),

- подача жидкости средняя,

- ширина факела от 15 до 20 см.

После чего нанесенную таким образом полисилоксановую композицию отверждают при температуре 25°С при относительной влажности воздуха 60% в течение 30 минут. После чего элемент конструкции 1 с электротеплоизолирующим слоем 2 и нанесенной на его поверхность полисилоксановой композицией выдерживают при температуре 125°С в течение 120 минут. Для этого такой элемент конструкции 1 помещают и выдерживают при этих условиях в сушильном шкафу. После этого охлаждают до комнатной температуры при 25°С в течение 360 минут [F.D.Osterholtz, E.R.Pohl Kinetics of the hydrolysis and condensation of organofunctional alkoxysilanes: A review// Journal of Adhesion Science and Technology. 1992. No.6(1). Pр.127-149; Пат. 2493014 Российская федерация, МПК B32B 27/30, B32B 27/08, C08J 7/04. Способ получения поликарбонатных формовок с двухслойным покрытием. Заявитель и патентообладатель ОАО «Институт пластмасс им. Г.С. Петрова; авторы: Радзинский С.А., Золкина И.Ю., Америк В.В., Андреева Т.И., Федотова Т.И., Левчук А.В.; Заявл. 12.04.2012; опубл. 20.09.2013].

Таким образом, получают нагревательный элемент 3 из полисилоксановой композиции на наружной поверхности элемента конструкции 1, отделенный от него электротеплоизолирующим слоем 2. Толщину нагревательного элемента обеспечивают, например 1 мкм. Стойкость к истиранию должна соответствовать, например, ГОСТ 18976-73. В качестве абразивного материала используют ткань Батист ГОСТ 29298-2005. Испытания проводят на машине МИ-2 для испытания на истирание при скольжении. Усилие прижима 200 Гр. Скорость скольжения 0,3 0,05 м/сек. Число оборотов рабочего диска 40 5. Диаметр рабочего диска 136 мм. Время воздействия 60 сек. В результате испытаний на внешней поверхности нагревательного элемента 3 не должно наблюдаться повреждений, в том числе, в виде царапин. В этом случае стойкость к истиранию считают высокой [ГОСТ 18976-73 Метод определения стойкости к истиранию].

Количество нагревательных элементов и их геометрия определяется аэродинамическим профилем элемента конструкции 1. Например, для стабилизатора самолета-мишени «Дань», количество нагревательных элементов может составлять 8 штук, размеры нагревательных элементов, расположенных на аэродинамической кромке стабилизатора 50х50 мм. Нагревательные элементы 3 соединяются друг с другом последовательно путем последовательного подключения к электропроводящему проводнику 8. Электропроводящий проводник 8 выполнен, например, из медного проводника. Подключение к нагревательным элементам 3 осуществляется путем вывода контактной площадки 7 электропроводящего проводника поверх электротеплоизолирующего слоя таким образом, что при нанесении нагревательного элемента 3 часть поверхности нагревательного элемента 3 перекрывает контактные площадки двух электропроводящих шин расположенных под нагревательным элементом (фиг.2).

Для реализации интегральной противообледенительной системы, нагревательные элементы располагают на наружных поверхностях элементов конструкции БПЛА в зонах с наибольшей вероятностью обледенения. Расположение зон с высокой вероятностью обледенения определяют экспериментально в результате летных испытаний БПЛА в условиях обледенения [Мещерякова Т.П. Проектирование систем защиты самолетов и вертолетов. Москва: Машиностроение, 1977; Турнов О.К. Обледенение самолетов и средства борьбы с ним. М.: Машиностроение, 1965. 248 с.]. Зоной с высокой вероятностью обледенения считают часть элемента конструкции 1, на которой скорость роста льда наибольшая [Турнов О.К. Обледенение самолетов и средства борьбы с ним. М.: Машиностроение, 1965. 248 с.]. Нагревательные элементы 3 размещают таким образом, чтобы создать требуемое распределение теплового поля на защищаемом элементе конструкции 1 БПЛА. Распределение теплового поля выбирают исходя из требований обеспечения высоких КПД устройства, реализующего способ предотвращения образования и удаления льда. Например, максимумы температуры теплового поля располагают в зонах с наибольшей интенсивностью обледенения [Пат. 2583111 Российская федерация, МПК6 B64D 15/00. Противообледенительная система. Гомзин А.В., Лачугин В.А., Федотов В.С. Патентообладатель: АО НПО "Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова". Заявл. 26.12.2014. Опубл. 10.05.2016].

Ко всем нагревательным элементам 3, соединенным последовательно, параллельно подключают элемент коммутации 4 посредством электрического соединения, реализуемого с помощью соединительных проводов. Элемент коммутации 4, например, тиристор, одним своим входом подключен к источнику электропитания 6, выполненному, например, по схеме [Леонтьев А.П., Пивоваров А.А. Автономный цифровой комплекс измерения распределенной температуры// Приборы и техника эксперимента, 2011. № 3. С. 162-163.]. Управляемый вход элемента коммутации 4 подключен к блоку управления 5, выполненному, например, по схеме [Гайдук А.Р., Плаксиенко Е.А. Анализ и аналитический синтез цифровых систем управления: Монография. – СПб.: Издательство: «Лань». 2018. – 272 с.].

Рассмотрим реализацию заявляемого способа предотвращения образования и удаления льда, по примеру реализующего его устройства, представленного на фиг.1 и с учетом выполнения алгоритма работы блока управления 5 по фиг.3.

Устройство, реализующее способ предотвращения образования и удаления льда готово к работе после включения отдельного источника электрического питания блока управления, который на фиг.1 не показан. После включения электрического питания, в блок управления 5 загружается программа, согласно алгоритму, приведенному на фиг.3.

Рассматриваемый способ предотвращения образования и удаления льда реализует электротепловой подход к построению противообледенительной системы [Antonov, A.N. Heat- and mass transfer processes in icing / A.N.Antonov, A.V.Goryachev, N.K.Aksenov, V.S.Levchenko // Basic Scientific Research Results. 2005. V. 1. Р. 107-114.] и предназначен для реализации двух режимов ее работы: режим предотвращения образования льда и режим удаления льда [Противообледенительные системы летательных аппаратов / Р.Х.Тенишев, Б.А.Строганов, В.С.Савин и др. М.: Машиностроение, 1967. 320 с.]. Выбор режимов осуществляется сотрудниками, эксплуатирующими изделие, например оператором, управляющим БПЛА, путем установки флажок в блоке управления 5: n=1, что соответствует режиму предотвращения образования льда или n=2, что соответствует режиму удаления льда. Выбор режимов работы противообледенительной системы, реализующей рассматриваемый способ предотвращения образования и удаления льда, осуществляется в соответствии с погодными условиями и авиационными правилами эксплуатации ЛА [Алексеев В.В. Полёты в сложных метеорологических условиях днём и ночью// Проблемы безопасности полетов. 2015. № 10. С. 3-30].

В режиме предотвращения образования льда на элемент коммутации 4 подается управляющий сигнал из блока управления 5, тем самым подключают источник электропитания 6 к последовательно соединенным нагревательным элементам 3. Таким образом, в течение работы устройства, реализующего способ предотвращения образования и удаления льда, нагревательные элементы 3 остаются подключенными к источнику электропитания 6, в результате чего осуществляют постоянный нагрев нагревательных элементов 3, и тем самым препятствуют образованию льда [Противообледенительные системы летательных аппаратов / Р.Х.Тенишев, Б.А.Строганов, В.С.Савин и др. М.: Машиностроение, 1967. 320 с.]. Для выключения работы устройства, реализующего способ предотвращения образования и удаления льда, оператор, управляющий БПЛА, устанавливает флажок n=0 на блоке управления 5.

В режиме удаления льда блок управления 5 считывает информацию с датчиков температуры забортного воздуха и скорости полета, которые входят в состав авиационного комплекса БПЛА. После этого, из памяти блока управления 5, считывается циклограмма подключения источника электропитания 6 к нагревательным элементам 3. Циклограмма подключения источника электропитания 6 к нагревательным элементам 3 заносится в память блока управления 5 заранее, на стадии проведения летных испытаний БПЛА в условиях образования льда. На основании результатов летных испытаний БПЛА в условиях обледенения формируются данные о характере обледенения: скорости образования льда, например, 1 мм/мин; областях на поверхности элементов конструкции БПЛА с наибольшей вероятностью обледенения, например, кромка аэродинамического профиля крыла [Мещерякова, Т.П. Проектирование систем защиты самолетов и вертолетов / Т.П.Мещерякова. М.: Машиностроение, 1977. 239с.]. Эта циклограмма представляет собой значения моментов времени подключения и отключения источника электропитания 6 к нагревательным элементам 3 [М.П. Данилаев, Н.В.Дорогов, В.А.Куклин, Е.А.Бобина Эффективность интегральной противообледенительной системы в режиме удаления наледи при циклическом управлении нагревательным элементом // Научно-технический вестник поволжья. 2020. №9. С. 23-27]. В соответствии с циклограммой на элемент коммутации 4 подается управляющий сигнал из блока управления 5, тем самым подключает источник электропитания 6 к последовательно соединенным нагревательным элементам 3. В течение времени, определенного циклограммой, например, в течение 40 секунд, с перерывами в 60 секунд [М.П. Данилаев, Н.В.Дорогов, В.А.Куклин, Е.А.Бобина Эффективность интегральной противообледенительной системы в режиме удаления наледи при циклическом управлении нагревательным элементом // Научно-технический вестник поволжья. 2020. №9. С. 23-27], источник электропитания 6 остается подключенным к нагревательным элементам 3, за счет чего происходит нагрев нагревательных элементов 3, до температуры, например, до 4оС [Antonov, A.N. Heat- and mass transfer processes in icing / A.N.Antonov, A.V.Goryachev, N.K.Aksenov, V.S.Levchenko // Basic Scientific Research Results. 2005. V. 1. Р. 107-114; Алексеев В.В. Полёты в сложных метеорологических условиях днём и ночью// Проблемы безопасности полетов. 2015. № 10. С. 3-30] при которой происходит удаление льда с защищаемой поверхности элемента конструкции 1. Таким образом, в соответствии с циклограммой подключение источника электропитания 6 к нагревательным элементам 3 с использованием элемента коммутации 4 осуществляется только в периоды времени, необходимые для удаления образовавшейся наледи, которая еще не нарушает аэродинамические характеристики БПЛА. Для выключения работы устройства, реализующего способ предотвращения образования и удаления льда, оператор, управляющий БПЛА, устанавливает флажок n=0 на блоке управления 5.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа предотвращения образования и удаления льда является отсутствие датчиков обледенения, расположение которых на элементах конструкции в зонах наибольшего обледенения может привести к необходимости внесения изменений в эти элементы конструкции, что не всегда возможно.

Предлагаемый способ предотвращения образования и удаления льда по сравнению с прототипом обеспечивает достижение технического результата за счет того, что нагревательные элементы выполняют из полисилоксановой композиции, которая является стойкой к истиранию, а для придания гидрофобных свойств поверхности нагревательных элементов, дополнительно в процессе получения полисилоксановой композиции добавляют в нее химические соединения, повышающие гидрофобность, также дополнительно в процессе получения полисилоксановой композиции добавляют в нее дисперсные частицы электропроводящего материала, и обеспечивают электрическую проводимость нагревательных элементов, и реализуют интегральную противообледенительную систему, управление нагревом нагревательных элементов в которой осуществляют при помощи блока управления на основе данных о характере обледенения защищаемого элемента конструкции, которые получают на этапе испытания изделия, в состав которого входит защищаемый элемент конструкции и тем самым исключают использования датчиков обледенения.

Использование: для предотвращения образования и удаления льда с наружных поверхностей элементов конструкции летательных аппаратов, ветряных электрогенераторов, элементов конструкции линий электропередач, судов, токоприемников железнодорожного транспорта и т.д. Технический результат – обеспечение высокой стойкости к истиранию нагревательных элементов. Нагревательные элементы изготавливают из полисилоксановой композиции, стойкой к истиранию. В процессе получения добавляют в композицию химические соединения, повышающие ее гидрофобность и дисперсные частицы электропроводящего материала, обеспечивающие электропроводность полисилоксановой композиции. Нагревательные элементы соединяют последовательно относительно друг друга, а последовательное соединение всех нагревательных элементов соединяют параллельно источнику электропитания и подключают к выходу элемента коммутации. К первому входу коммутационного элемента подключают блок управления, а ко второму входу элемента коммутации подключают источник электропитания. 3 ил.

Способ предотвращения образования и удаления льда, в котором реализуют интегральную противообледенительную систему, являющуюся активной или пассивной и в которой используют нагревательные элементы, которые располагают на наружной поверхности защищаемого элемента конструкции в зонах с высокой вероятностью обледенения, отделенных от него электротеплоизолирующим слоем, при этом управление нагревом нагревательными элементами осуществляют с помощью блока управления, отличающийся тем, что нагревательные элементы изготавливают из полисилоксановой композиции, стойкой к истиранию, дополнительно в процессе получения полисилоксановой композиции добавляют в нее химические соединения, повышающие гидрофобность, нагревательные элементы из такой полисилоксановой композиции соединяют последовательно относительно друг друга, а последовательное соединение всех нагревательных элементов соединяют параллельно источнику электропитания и подключают к выходу элемента коммутации, к первому входу которого подключают блок управления, с помощью которого осуществляют управление нагревом нагревательных элементов на основе данных о характере обледенения защищаемого элемента конструкции, которые получают на этапе испытания изделия, в состав которого входит защищаемый элемент конструкции, а ко второму входу элемента коммутации подключают источник электропитания.