Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата Российский патент 2024 года по МПК B64D15/04 

Изобретение относится к авиационной технике и средствам удаления или предотвращения образования льда на внешних поверхностях летательного аппарата (ЛА) посредством применения химической противообледенительной жидкости (ПОЖ). Преимущественной областью применения изобретения является защита от обледенения и предотвращения образования льда на наружной поверхности аэродинамических обводов ЛА. Обледенение становится возможным при полете ЛА в атмосфере, которая содержит капли воды в жидкой фазе при отрицательной температуре.

Образование льда на конструкции крыла ЛА является серьезной опасностью в авиации, приводящей к аварийным происшествиям. Например, образование льда на передней кромке крыла может создавать максимально неламинарный воздушный поток по конструкции крыла, что приводит к повышению лобового сопротивления, потере подъемной силы и управляемости, опасной для эксплуатации ЛА, особенно из-за возникновения возможности его сваливания в условиях полета.

Существуют различные методы реализации противообледенительных систем, служащих для устранения скопления льда на внешних поверхностях ЛА.

«Противообледенительная система предкрылков самолета» по патенту РФ №2316452 (B64D15/04 B64C5/00) предназначена для подвода горячего воздуха к подвижному предкрылку или стабилизатору летательного аппарата. Система по патенту №2316452, так же, как и противообледенительная система по настоящей заявке, содержит (в терминах описания к патенту) принимающий патрубок, расположенный на выдвижном предкрылке, подающий патрубок, установленный на крыле, и колена. Патрубки и колена соединены между собой подшипниковыми узлами, включающими в себя подшипники вращения, размещенные в корпусах. Колена соединены между собой подшипниковым узлом, снабженным сферическим подшипником со скользящей посадкой по внутреннему диаметру. Значительные габариты системы по патенту №2316452 затрудняют возможность ее использования.

Противообледенительная система для самолетов «Anti-icing system for aircraft», патент US5114100A (B64C21/06) [https://patentimages.storage.googleapis.com/e6/e3/de/7922b94d9e6ee0/US5114100.pdf] предназначена для ламинаризации передней кромки крыла применением всасывания пограничного слоя через перфорированную обшивку и для управления пограничным слоем путем выдува струи горячего газа. К каждому отверстию в обшивке по передней кроме крыла подводят трубопроводы, которые служат для отсоса пограничного слоя или выдува воздуха. Выдув горячего воздуха на переднюю кромку крыла обеспечивает защиту от обледенения. Недостатком такой системы является сложность конструкции с множеством коллекторов, клапанов и трубопроводов для обеспечения работы противообледенительной системы и управления пограничным слоем аэродинамической поверхности путем отсоса. Кроме того, отбор горячего сжатого воздуха от двигателя может приводить к прогару трубопроводов, тем самым снижая надежность системы. Отверстия для выдува находятся в зоне образования льда и в случае их обледенения выдув будет невозможен до тех пор, пока лед не будет растоплен, при этом аэродинамические характеристики ЛА будут продолжать снижаться.

Известен способ обеспечения противообледенительной защиты «Weeping ferrofluid anti-ice system», патент US20160311542A1 (B64D15/08) [https://patentimages.storage.googleapis.com/6f/23/9a/e2549cd02dc5a5/US20160311542A1.pdf], включающий подачу феррожидкости из резервуара через множество отверстий, расположенных на передней кромке крыла, источник магнитного поля, ориентирований так, чтобы притягивать феррожидкость, находящуюся вблизи отверстий на крыле и насос, обеспечивающий ее подачу. Феррожидкость представляет собой коллоидную жидкость с низкой температурой замерзания, включающую в себя ферромагнитные частицы, взвешенные в ней. Феррожидкость, перемещающаяся вдоль поверхности под действием обтекающего воздуха или магнитных сил, смешивается с капельками воды и уносит их от передних краев крыла, предотвращая их замерзание. Также феррожидкость может быть и гидрофобной, препятствующей контакту капель воды и наружной поверхности ЛА. Недостатками данной системы является ее сложность в виду присутствия дополнительно магнитной системы, а также возможно насыщение водой циркулирующей в системе феррожидкости и снижение ее антиобледенительных характеристик.

Аналогом, наиболее близким к изобретению по настоящей заявке, является «Porous panel», (US4434201A) так же, как и противообледенительная система по настоящей заявке, содержащая средства вывода гликолевой ПОЖ на внешнюю поверхность обшивки, выполненные в титановой накладке, установленной, в том числе, на аэродинамической поверхности ЛА. Недостатком такой системы является необходимость использования дополнительной титановой накладки, содержащей большое количество микроскопических отверстий, создание которых является сложным и трудоемким процессом, а также это усложняет эксплуатацию и обслуживание такой системы из-за закупоривания данных отверстий, обусловленное загрязнениями последних продуктами окружающей среды и частицами в самой ПОЖ, а также необходимость применения специальных чистящих средств.

Изобретение относится к противообледенительным устройствам. Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата (ЛА) предназначена для предотвращения образования льда на наружной поверхности аэродинамических обводов ЛА и/или для удаления намерзшего льда с них, снабжена средствами, защищающими наружную поверхность агрегатов ЛА от обледенения и образования на них льда с помощью химической ПОЖ. Это обеспечивается путем создания необходимого давления для выхода ПОЖ, на наружные поверхности агрегата через соответствующие отверстия, выполненные в обшивке диаметром от d_отв = 0,09 мм до d_отв = 0,03 мм, расположенные на поверхности обшивки по определенным коэффициентам их распределения и в оптимальных зонах, обеспечивающих противообледенительный эффект, обусловленный формированием капель ПОЖ на наружной, защищаемой от обледенения поверхности агрегата в необходимые периоды полета ЛА, в условиях способствующих образованию льда.

Технический результат заключается в повышении эффективности предотвращении образования льда на наружной поверхности аэродинамических обводов носка крыла самолета ЛА или удалении с него уже намерзшего льда, при снижении трудоемкости изготовления отверстий.

Предпочтительные варианты реализации изобретения составляют часть зависимых пунктов формулы изобретения.

Средства для создания внутреннего давления химической ПОЖ в ПОС, выполненной, например, на основе гликоля, которая содержится как в расходном баке, так и внутри системы трубопроводов, секции которых расположены в соответствующих секциях носка крыла, обеспечивающих подачу ПОЖ под необходимым давлением в перфорированные каналы, подпитывающие через отверстия область межслойного пространства. Эта область образована внешней и внутренней обшивками агрегата, носка крыла и заполнена проводящим ПОЖ материалом - мембраной с капиллярным эффектом, используемой для удержания химической ПОЖ внутри этой полости и ее передачу к наружной поверхности обшивки через соответствующие отверстия диаметром от d_отв = 0,09 мм до от d_отв = 0,03 мм в перфорированных зонах внешней обшивки. Начиная от лобовой части носка крыла количество отверстий в верхней и нижней поверхностях уменьшается. Количество отверстий определяется коэффициентами распределения равными, например, k_вп = 0,9882 и k_нп = 0,9857 для верхней и нижней поверхностей соответственно.

Коэффициенты определяются по эмпирическим данным коэффициентов давления верхней и нижней части крыла при нулевой угловой атаке, в зависимости от профиля носка построением регрессионных уравнения 1 и 2 порядка с помощью метода МНК (метод наименьших квадратов) следующего вида:

Идея метода заключается в следующем, по известным данным необходимо построить аналитическую зависимость , так что бы сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений (коэффициент давления) от расчетных ( - смещение по оси ОХ, которая проведена вдоль крыла, относительно вершина крыла) была бы наименьшей:

Проверка значимости построенных регрессионных моделей проводилось по двум критериям.

1) Средняя ошибка аппроксимации:

Если $$A_{cp}<15\%$$ - регрессионная модель признается удовлетворительной, если $$A_{cp}<5\%$$ - регрессионная модель признается точной.

2) Коэффициент детерминации:

где - среднее значение наблюдаемых значений.

Регрессионная модель считается тем точней, чем коэффициент детерминации ближе к значению 1.

Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата (ЛА) содержит датчики, количество которых зависит от конструкции ЛА, установленные для генерирования сигнала обратной связи. Датчики представляют сведения о температуре обшивки и формирующимся на ней льду в контроллер управления, оперативно подключенный к упомянутым средствам для управления внутренним давлением ПОЖ в ПОС и для обеспечения через входы контроллера автоматического поддержания состояния отсутствия обледенения благодаря дозированному «отпотеванию» химической ПОЖ на поверхности обшивки, защищающему ее от образования льда или способствующую его удалению. Датчик может представлять собой пирометр, термопару и иные устройства, совмещенные с цифровой камерой, сконфигурированные для генерирования сигнала обратной связи и визуально-информационных образов состояния поверхности обшивки, для предоставления информации о ее температуре и/или наличия на ней обледенения.

Перечень фигур чертежей

Фиг. 1 - Распределение давления при обтекании крыла ЛА (угол атаки крыла 0°).

Фиг. 2 - Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата (ЛА) с «потеющей» обшивкой на примере фрагмента носка крыла ЛА (показано с условно разнесенным межслойным пространством).

Фиг. 3 - К определению коэффициента распределения количества отверстий на верхней поверхности носка крыла ЛА с «потеющей» обшивкой в функции распределения давления (угол атаки крыла 0°).

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Рассмотрим реализацию предлагаемой ПОС ЛА при помощи «отпотевания» ПОЖ на наружных поверхностях на примере носка крыла. На фиг. 1 представлено распределение давлений при обтекании профиля крыла набегающим потоком, которое позволяет определить рациональные области расположения отверстий в обшивках носка крыла для эффективного осуществления в необходимом и достаточном количестве отпотевания ПОЖ на их наружную поверхность.

Способ борьбы с обледенением крыла реализуется в зависимости от режима полета, метеоусловий, этапа полета, а также интенсивности образования льда. В передней части кромки носка крыла образуется лед, который приводит к отрыву пограничного слоя с аэродинамической поверхности, что приводит к резкому снижению аэродинамических характеристик крыла. Дополнительное негативное влияние на обтекание и снижение аэродинамических характеристики крыла оказывает и образование барьерного льда. ЛА может содержать неподвижное крыло с его механизацией (на фиг. 1-3 не показано), но понятно, что аспекты, раскрытые здесь и доказывающие свою эффективность как в удалении, так и в предотвращении образования льда, могут также применяться и к другим агрегатам ЛА, в том числе и винтокрылым ЛА, для химических ПОЖ, наносимых, например, на передние кромки лопастей их несущих винтов.

На фиг. 2 представлена часть жидкостной ПОС, размещенная, в носке крыла ЛА для защиты от обледенения поверхности его обшивки. В различных вариантах осуществления ПОС может содержать слоеную обшивку носка крыла, имеющую внешнюю обшивку 1, подверженную воздействию потока окружающего воздуха во время эксплуатации ЛА (например, полета). Внешняя обшивка 1 может быть аэродинамической поверхностью, которая взаимодействует с воздушным потоком и которая может быть склонна к накоплению льда в некоторых атмосферных условиях во время полета ЛА. Конструкция содержит внутреннюю обшивку 2, между внешней обшивкой 1 и внутренней обшивкой 2 образована полость 4. Наружная поверхность обшивки, как в ее верхней, так и в нижней частях, имеет зоны 3 с выполненными рядами отверстий, расположенными в шахматном порядке, соединяющими наружную поверхность обшивки 1 и полость 4, через которые происходит «отпотевание» ПОЖ на наружную поверхность обшивки 1, причем расположение этих зон отверстий определяется в соответствии с распределением давлений на верхней и нижней поверхностях носка крыла.

Распределения давления на верхней поверхности и нижней поверхностях носка крыла при различных углах атаки, обуславливает величину коэффициента распределения количества на ней отверстий для «отпотевания» ПОЖ. На фиг. 3 приведен график распределения давления на верхней поверхности носка крыла при угле атаки крыла 0° Аналогичные зависимости имеются и для других значений углов атаки и скоростей полета, допустимых на заданных режимах полета ЛА, как для верхней, так и для нижней поверхности носка крыла, из которых определялись итоговые значения коэффициентов количества отверстий в каждом их последующем ряду, начиная от лобовой части носка на верхней и нижней его поверхностях k_вп и k_нп соответственно. Количество указанных отверстий на поверхностях носка крыла, в свою очередь, предопределяет равновесие давления внутри системы ПОС и эффективность ее работы, а также в весомой степени влияет на трудоемкость операций выполнения самих отверстий на крыле большого размаха.

Заключенное между обшивками 1 и 2 межслойное пространство, определяющее внутреннюю полость 4, расположенную внутри агрегата, например, носка крыла ЛА, может содержать проводящий ПОЖ материал - полимерную мембрану 5 с капиллярным эффектом, выполненную, например, из целлюлозы, либо из материала самого носка - при использовании аддитивных технологий его создания. Внутренняя полость 4 соединяется с перфорированными каналами 8 и 9, через которые в нее подводится ПОЖ от распределительных трубопроводов 6 и 7, а также с зонами 3 наружной обшивки, в которых выполнены отверстия, через которые происходит «отпотевание» ПОЖ на наружную поверхность обшивки 1 (см. фиг. 2).

В различных вариантах осуществления многослойная обшивка может содержать подходящий материал, такой как, например, металлический сплав или композитный материал, например, армированный волокнами полимер. В некоторых вариантах осуществления слоеная обшивка может быть выполнена с применением аддитивных технологий.

На фиг. 2 показан узел подвода химической ПОЖ, который состоит из распределительных трубопроводов 6 и 7 в системе ПОС носка крыла, оборудованных, например, регулирующими клапанами с редукторами, хотя бы одним гидроаккумулятором и подающим насосом, датчиками температуры и давления (на фиг. 1-3 не показано).

Таким образом, данная ПОС защищает аэродинамические поверхности ЛА от образования льда с помощью химической ПОЖ, которая подается во внутреннюю полость между обшивками носка, где может находиться, например, межслойная впитывающая мембрана или аналогичная структура, выполненная из материала носка - в случае применения аддитивных технологий; затем ПОЖ «отпотевает» через отверстия во внешней обшивке и покрывает ее наружную поверхность, не давая образовываться на ней льду или же удаляет образовавшийся на ней лед. ПОС с «отпотеванием» химической ПОЖ доказали свою эффективность как в удалении, так и в предотвращении образования льда, что повышает уровень безопасности полетов.

Изобретение относится к противообледенительным устройствам. Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата (ЛА) содержит слоеную обшивку носка крыла, имеющую внешнюю обшивку (1) и внутреннюю обшивку (2). Между внешней обшивкой (1) и внутренней обшивкой (2) образована полость (4). Наружная поверхность обшивки, как в ее верхней, так и в нижней частях, имеет зоны (3) с выполненными рядами отверстий, расположенными в шахматном порядке, соединяющими наружную поверхность обшивки (1) и полость (4), через которые происходит «отпотевание» ПОЖ на наружную поверхность обшивки (1). Между обшивками проходит полимерная мембрана (5) с капиллярным эффектом. Достигается повышение эффективности предотвращения образования льда на наружной поверхности аэродинамических обводов носка крыла самолета. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система распределения и вывода противообледенительной жидкости в обшивке летательного аппарата (ЛА) аэродинамического обвода агрегата, содержащая многослойную обшивку, включающую внешнюю обшивку с перфорацией и внутреннюю обшивку, средства подачи и регулирования параметров противообледенительной жидкости (ПОЖ), отличающаяся тем, что под обшивкой ЛА расположены расходный бак и трубопроводы, содержащие ПОЖ, а также средства для создания внутреннего давления ПОЖ с контроллером управления, обеспечивающие подачу ПОЖ под давлением в перфорированные каналы, подпитывающие межслойную полость, образованную внешней и внутренней обшивками и заполненную мембраной с капиллярным эффектом, предназначенной для удержания ПОЖ внутри этой полости и передачи к наружной поверхности обшивки через соответствующие перфорационные отверстия внешней обшивки диаметром от d_отв=0,09 мм до d_отв=0,03 мм, при этом количество перфорационных отверстий в последующих рядах, начиная от лобовой части аэродинамического обвода агрегата, образованных как в его верхней, так и нижней поверхностях, определяемом коэффициентами распределения отверстий равными, k_вп=0,9882 и k_нп=0,9857 для верхней и нижней поверхностей соответственно.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит датчики, предназначенные для генерирования сигнала обратной связи, представляющего сведения о температуре обшивки ЛА, соединенные с контроллером управления средств для создания внутреннего давления ПОЖ.