Жидкостная противообледенительная система летательного аппарата Российский патент 2024 года по МПК B64D15/04 B64C5/00 

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.

При полете ЛА в атмосфере, которая содержит капли воды в жидкой фазе при отрицательной температуре, становится возможным его обледенение. 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 (ПОС), служащих для устранения скопления льда на внешних поверхностях ЛА.

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.

Аналогом, наиболее близким к изобретению по настоящей заявке, является «Weeping ferrofluid anti-ice system», патент US 20160311542 A1 (B64D15/08) [https://patentimages.storage.googleapis.com/6f/23/9a/e2549cd02dc5a5/US20160311542A1.pdf] Противообледенительная система осуществляет подачу феррожидкости из резервуара через множество отверстий, расположенных на передней кромке крыла. Система снабжена источником магнитного поля, ориентированный так, чтобы притягивать феррожидкость, находящуюся вблизи отверстий на крыле, и насос, обеспечивающий ее подачу. Феррожидкость представляет собой коллоидную жидкость с низкой температурой замерзания, содержащую 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 возможное насыщение водой циркулирующей в системе феррожидкости, что приведет к снижению ее антиобледенительных характеристик. Недостатком такой системы является необходимость использования дополнительных элементов для нагрева жидкости, специальных примесей к жидкости, источника магнитного поля и насоса для обеспечения движения жидкости в системе. Процесс создания и эксплуатации системы является сложным и трудоемким, так как требует дополнительных источников энергии для обеспечения работоспособности элементов системы и дополнительных расчетов по электропотреблению в общей системе ЛА.

Заявляемое изобретение относится к противообледенительным устройствам. Жидкостная ПОС дозированно выводит ПОЖ на поверхности аэродинамических обводов ЛА с целью их защиты от обледенения путем удаления намерзшего льда и предотвращения процесса образования на них льда во время полета. Для вывода ПОЖ на обшивку ЛА применяется схема, основанная на регулировании давления в системе. Принцип действия - регулирование (управление) и контроль давления в ПОС для обеспечения выхода жидкости на защищаемую от обледенения поверхность. Давление в ПОС создается в момент подготовки к полету, вместе с заправкой резервуара для хранения жидкости ПОЖ. Резервуар для хранения жидкости является гидроаккумулятором, в котором жидкость хранится под давлением выше атмосферного (давление в гидроаккумуляторе зависит от конструкции ЛА, но не менее двух атмосфер). Выход жидкости из гидроаккумулятора в магистрали ПОС, в момент применения для борьбы или предотвращения обледенения (а также для проверки работоспособности системы), обеспечивается редуктором с регулировочным клапаном, снабженным датчиком давления. Подача ПОЖ в рабочие зоны защищаемые от обледенения, происходит через микроотверстия соответствующих поверхностей, из области межслойного пространства, образованной внешней и внутренней обшивками агрегата, например, носка крыла и заполненной проводящим ПОЖ материалом – мембраной с капиллярным эффектом, используемой для удержания химической ПОЖ внутри этой полости, к которым жидкость поступает через перфорированные каналы подключенные к системе управления давлением, состоящей из запорных устройств с датчиками давления, регулирующихся электродвигателями (количество эл. двигателей зависит от конструкции ЛА). Количество запорных устройств (ЗУ) определяется по размаху крыла ЛА и устанавливается формулой К_зу=3+0,2l (где l – размах крыла), при расчете количества ЗУ суммируются только целые части значения уравнения, а дробные не учитываются.

Технический результат заключается в отсутствии дополнительного энергопотребления при подаче ПОЖ, за счет управления давлением в ПОС.

Технический результат достигается тем, что жидкостная противообледенительная система (ПОС) летательного аппарата (ЛА), включающая, гидроаккумулятор для хранения ПОЖ, соединенный через систему управления давлением с системой вывода противообледенительной жидкости, и блоком анализа и управления ПОС при этом гидроаккумулятор снабжен регулировочным клапаном, аварийном клапаном сброса давления воздуха, датчиком давления и запорным устройством с сигнализатором положения затвора;

система управления давлением включает три регулирующих запорных устройств с датчиками контроля давления;

система вывода противообледенительной жидкости включает две магистрали, соединённые через верхний и нижний патрубок с перфорированными каналами подачи жидкости в межслойное пространство агрегата с мембраной, обладающей капиллярным эффектом и рабочей поверхностью с микроотверстиями перфорированной зоны, носка крыла ЛА;

блок анализа и атематического управления ПОС включает контролер состояния обшивки на предмет обледенения, приемник сигнала от наземного оператора и контролер подачи управляющего сигнала.

Жидкостная противообледенительная система может быть дополнительно оснащена датчиками обледенения и видеокамерой, соединенным через электропроводку с блоком анализа и управления ПОС.

Химическая ПОЖ, выполненная, например, на основе гликоля, размещается в расходном гидроаккумуляторе и внутри системы трубопроводов, секции которых расположены в соответствующих секциях носка крыла. Средства управления внутренним давлением, состоящей из запорных устройств с датчиками давления, обеспечивают подачу ПОЖ в перфорированные каналы с отверстиями, подпитывают область межслойного пространства, образованную внешней и внутренней обшивками агрегата, например, носка крыла и заполненную проводящим ПОЖ материалом – мембраной с капиллярным эффектом, используемой для удержания химической ПОЖ внутри этой полости. Далее, благодаря внутреннему давлению, ПОЖ передается на наружную поверхность внешней обшивки через соответствующие микроотверстия в перфорированных зонах. Кроме того, система распределения давления и вывода ПОЖ на обшивку ЛА, включающая ЗУ с датчиками давления, магистрали подачи жидкости, перфорированные каналы вывода жидкости в межслойное пространство агрегата, мембраны с капиллярным эффектом и рабочей поверхностью с микроотверстиями, содержит датчики обледенения, количество которых зависит от конструкции ЛА, установленные для генерирования сигнала обратной связи, представляющий сведения об образовании льда в блок управления, подключенный к упомянутым средствам для управления внутренним давлением ПОЖ в ПОС и для обеспечения через входы блока управления автоматического поддержания состояния отсутствия обледенения благодаря дозированному выводу химической ПОЖ, в режиме так называемого «отпотевания», через микроотверстия в перфорированных зонах на защищаемой поверхности обшивки, предотвращая образование льда или удаление последнего. Для формирования сигнала управления ПОС используют сигнал (сигналы) датчика (датчиков) обледенения. Датчики могут быть совмещены с цифровой камерой (или рефрактометром), сконфигурированной передавать визуально-информационные образы состояния поверхности обшивки.

Заявляемое изобретение поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 – Жидкостная противообледенительная система летательного аппарата, защищающая крыло ЛА;

фиг. 2 – Схема жидкостной ПОС ЛА.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Рассмотрим реализацию предлагаемой ПОС ЛА.

На фиг. 1 представлена система подачи жидкости для защиты крыла летательного аппарата путем управления давлением в ПОС, включающая в себя:

Гидроаккумулятор 1 для обеспечения «избыточного» давления, соединен с редуктором 2, снабженным регулировочным клапаном, аварийным клапаном сброса давления воздуха, датчиком контроля давления жидкости и запорным устройством с сигнализатором положения затвора.

Гидроаккумулятор 1 через редуктор 2 соединен с системой 3 управления давлением ПОЖ в ПОС, состоящей из трех регулирующих давление запорных устройств, с датчиками контроля давления.

В момент обледенения по команде блока 8 из гидроаккумулятора через редуктор 2 запускается в магистрали 4 жидкость под избыточным давлением. В зависимости от скорости полета и высоты, чтобы жидкость не выплескивалась, а медленно просачивалась через отверстия наружу в режиме «потения», снижаем давление в системе запорными устройствами 3. Расход жидкости, в свою очередь, естественным путем уменьшает давление в системе и просачивание жидкости останавливается. Если необходимость противообледенительной обработки сохраняется, то запорные клапаны поднимают давление в системе до возобновления просачивания жидкости. В отличие от прототипа, где в момент борьбы с обледенением для подачи жидкости наружу непрерывно работает двигатель насоса, потребляя электричество, преимущество предложенной ПОС состоит в том, что для вывода жидкости используется управление давлением с помощью запорных устройств, которым нужно гораздо меньше энергии для работы. Кроме того, работа ПОС на основе регулирования давления уменьшает расход жидкости.

Система управления давлением обеспечивает подачу противообледенительной жидкости из гидроаккумулятора 1 по магистралям 4 в систему вывода противообледенительной жидкости с микроотверстиями диаметром от 30 мкм до 100 мкм носка 5 крыла ЛА, обеспечивая защиту крыла 10 от обледенения. Для обеспечения работоспособности, представленная ПОС оснащена блоком анализа и управления ПОС 8. На блок 8 поступает сигнал от наземного оператора ЛА, через приемник сигнала 6 или от системы контроля состояния поверхности обшивки, включающей датчик обледенения 7, цифровую камеру (или рефрактометр) 11, объединенные в одну цепь электропроводкой 9. Данные с датчика 7 и цифровой камеры (или рефрактометра) 11, поступают в блок 8, который анализируя полученную информацию и визуальные образы, формирует управляющий сигнал для блока 3, который обеспечивает подачу ПОЖ на защищаемую поверхность. Аналогично, при удаленном управлении оператор контролирует показания датчика и изображения с цифровой камеры (или рефрактометра) 11, а также анализирует метеорологическую информацию. В случае, если полученная информация позволяет сделать вывод о возможности обледенения ЛА, оператор может принудительно подать на передатчик 6 сигнал об увеличении давления с целью вывода ПОЖ на поверхность. Таким образом, благодаря представленной системе, ПОЖ попадает через отверстия обшивки на аэродинамические поверхности ЛА и защищает их от образования льда физико-химическим методом, не давая образовываться на ней льду или же удаляя образовавшийся на ней лед.

На фиг. 2 приведена принципиальна схема жидкостной ПОС ЛА, которая позволяет во время полета ЛА продолжать выполнение полетных задач в условиях возникновения обледенения его агрегатов.

Изобретение относится к противообледенительным системам летательных аппаратов. Жидкостная противообледенительная система (ПОС) летательного аппарата (ЛА) включает гидроаккумулятор (1) для хранения противообледенительной жидкости (ПОЖ), соединенный через систему управления давлением с системой вывода ПОЖ (3), и блоком анализа и управления ПОС. Гидроаккумулятор (1) снабжен регулировочным клапаном, аварийным клапаном сброса давления воздуха, датчиком давления и запорным устройством с сигнализатором положения затвора. Достигается уменьшение энергопотребления. 2 ил.

1. Жидкостная противообледенительная система (ПОС) летательного аппарата (ЛА), включающая гидроаккумулятор для хранения противообледенительной жидкости (ПОЖ), соединенный через систему управления давлением с системой вывода ПОЖ, и блоком анализа и управления ПОС, при этом гидроаккумулятор снабжен регулировочным клапаном, аварийным клапаном сброса давления воздуха, датчиком давления и запорным устройством с сигнализатором положения затвора;

система управления давлением включает три регулирующих запорных устройства (ЗУ) с датчиками контроля давления, основное ЗУ, подключенное к центральной магистрали подачи жидкости и два компенсирующих ЗУ, подключенных каждое к отдельной магистрали системы вывода противообледенительной жидкости;

система вывода противообледенительной жидкости включает две магистрали, соединённые через верхний и нижний патрубок с перфорированными каналами подачи жидкости в межслойное пространство агрегата с мембраной, обладающей капиллярным эффектом, и рабочей поверхностью с микроотверстиями перфорированной зоны носка крыла ЛА;

блок анализа и управления ПОС включает контролер состояния обшивки на предмет обледенения, приемник сигнала от наземного оператора и контролер подачи управляющих сигналов на редуктор и запорные устройства.

2. Жидкостная противообледенительная система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно оснащена датчиками обледенения и видеокамерой, соединенными через электропроводку с блоком анализа и управления ПОС.