本發(fā)明屬于表面除冰技術(shù)、等離子體物理應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于等離子體沖擊射流的破除冰方法，用以快速破除各類飛行器或者其他有除冰需求對象的表面積冰。

背景技術(shù)：

結(jié)冰現(xiàn)象普遍存在于工程實踐和應(yīng)用當(dāng)中，例如嚴(yán)寒環(huán)境下的輸電線路，在低溫雨雪天氣里環(huán)境濕度高，大量水氣凝聚在導(dǎo)線表面造成覆冰，覆冰時電桿/塔兩側(cè)的張力不平衡，會出現(xiàn)倒桿/塔等故障，造成電力系統(tǒng)終斷。還有各類飛行器在飛行過程中也容易遭遇結(jié)冰，當(dāng)飛機在低于冰點的結(jié)冰氣象條件下飛行時，大氣中的過冷水滴撞擊到飛機表面，很容易在機翼、尾翼、旋翼、進氣道、風(fēng)擋玻璃、天線罩、儀表傳感器等部件表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，不僅增加了飛機的重量，而且破壞了飛機表面的氣動外形，改變了繞流流場，破壞了氣動性能，容易造成飛行安全事故。

目前實際應(yīng)用的主要的表面除冰技術(shù)有熱力除冰法、機械除冰法、被動除冰法等方法。客機通常采用機械、氣熱或電熱的方法來除冰，兩者共同點都是破壞冰層和蒙皮間的粘附強度。但是傳統(tǒng)機械除冰方法會改變氣動外形，且蒙皮振動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞。

傳統(tǒng)熱氣射流需要管路供應(yīng)系統(tǒng)，熱量利用率較低且引氣管路會增加飛機重量，電熱防除冰應(yīng)用范圍有限且耗電量大。

另外，在除冰技術(shù)的探索上，有人提出采用介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器進行除冰，該方法主要的除冰原理是氣體放電的焦耳加熱作用，使用的介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器用絕緣膠粘貼在飛行器蒙皮表面易結(jié)冰部位，且正負電極有一半暴露在空氣當(dāng)中，存在著改變飛行器氣動外形、電極直接與空氣接觸容易失效、等離子體激勵器發(fā)熱量有限的問題，并且當(dāng)飛機在惡劣氣象條件下飛行時，結(jié)冰強度大，結(jié)冰速度快，氣動危害大，介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器進行除冰除冰速度相對不夠。

因而亟需一種更加快速高效的破除冰方法，避免結(jié)冰造成的飛機失控失速。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于等離子體沖擊射流的破除冰方法。本發(fā)明提出的等離子體除冰技術(shù)易于電參數(shù)控制、輕小型化和分布式布局，具有快速、高效、低能耗的特點。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種基于等離子體沖擊射流的破除冰方法，在有除冰需求對象的易結(jié)冰區(qū)域安裝能夠噴射高溫高動壓射流的等離子體激勵器，在易結(jié)冰區(qū)域發(fā)生結(jié)冰時，利用等離子體激勵器產(chǎn)生的周期性高溫高動壓射流沖擊冰層快速振動變形破裂，甚至直接擊碎和融化冰層，進行破冰。

進一步地，在有除冰需求對象的易結(jié)冰區(qū)域中，與該易結(jié)冰區(qū)域物面平齊安裝等離子體激勵器和結(jié)冰探測器，等離子體激勵器和結(jié)冰探測器均與一控制器連接，當(dāng)結(jié)冰探測器探測到該易結(jié)冰區(qū)域物面發(fā)生結(jié)冰時，控制器控制位于該易結(jié)冰區(qū)域處的等離子體激勵器工作，并控制等離子體激勵器的放電功率、頻率和工作時間，利用其產(chǎn)生的周期性高溫高動壓射流沖擊冰層快速振動變形破裂，甚至直接擊碎和融化冰層，進行破冰。

所述等離子體激勵器依靠火花放電產(chǎn)生等離子體加熱氣體合成射流。它可以獲得高速沖擊射流。等離子體激勵器可以是兩電極等離子體激勵器，也可以采用三電極離子體激勵器。兩電極等離子體激勵器中的兩電極放電產(chǎn)生等離子體，等離子體加熱腔內(nèi)氣體，使腔內(nèi)氣體的溫度和壓力快速升高，升溫加壓的腔內(nèi)氣體從出口高速噴出，形成速度達數(shù)百米每秒的等離子體射流，之后由于高速射流的引射導(dǎo)致腔體負壓以及腔內(nèi)溫度和壓力的下降，外部氣體會重新充填腔體，完成一次脈沖射流，周而復(fù)始可形成高頻高速高溫脈沖射流。

三電極離子體激勵器是一種新型的等離子體激勵器，增加了點火電極，其由一個開有出口孔縫的絕緣腔體、一對主放電電極和一個點火電極組成。其工作時，首先是點火電極放電在電極間形成等離子體導(dǎo)電通道，觸發(fā)主電極放電產(chǎn)生等離子體，其后工作過程與兩電極激勵器相同。實驗表明，三電極等離子體激勵器加熱腔體氣體溫度近1000K，合成射流速度超過500m/s，與兩電極激勵器相比，大氣壓條件下空氣擊穿電壓由3kV/mm下降至0.8kV/mm，能量轉(zhuǎn)換效率提高約4倍，相同放電電壓條件下，射流沖量提高1個量級，射流動能提高近2個量級。

上述基于等離子體沖擊射流的破除冰方法可應(yīng)用于飛行器上。在飛行器上有除冰需求對象的易結(jié)冰區(qū)域如機翼上，與該區(qū)域表面齊平安裝等離子體激勵器和結(jié)冰探測器。

一種基于等離子體沖擊射流的破除冰系統(tǒng)，包括等離子體激勵器、結(jié)冰探測器、電源系統(tǒng)與控制器，電源系統(tǒng)為各用電設(shè)備提供工作電源。在有除冰需求對象的易結(jié)冰區(qū)域中，與該易結(jié)冰區(qū)域物面平齊安裝等離子體激勵器和結(jié)冰探測器，等離子體激勵器和結(jié)冰探測器均與一控制器連接，所述結(jié)冰探測器用于探測到該易結(jié)冰區(qū)域物面是否發(fā)生結(jié)冰，并將探測到的信號發(fā)送給控制器；控制器根據(jù)結(jié)冰探測器探測到的信號控制等離子體激勵器的工作狀態(tài)，當(dāng)結(jié)冰探測器探測到該易結(jié)冰區(qū)域物面發(fā)生結(jié)冰時，控制器控制位于該易結(jié)冰區(qū)域處的等離子體激勵器工作，并控制等離子體激勵器的放電功率、頻率和工作時間，利用其產(chǎn)生的周期性高溫高動壓射流沖擊冰層快速振動變形破裂，甚至直接擊碎和融化冰層，進行破冰，結(jié)冰去除后，結(jié)冰探測器將信號反饋至控制器，控制等離子體激勵器結(jié)束工作。

進一步地，所述等離子體激勵器采用三電極離子體激勵器。三電極離子體激勵器包括激勵器正極、激勵器負極、點火電極、腔體以及腔體蓋板，增加點火電極可以大幅降低激勵器工作過程中的空氣擊穿電壓、提高射流動能。腔體蓋板上有等離子體激勵器的出口，腔體蓋板與易結(jié)冰區(qū)域物面平齊，不影響應(yīng)用對象的整體表面構(gòu)型。工作時點火電極放電，在激勵器正極、激勵器負極間形成等離子體導(dǎo)電通道，觸發(fā)激勵器正極、激勵器負極兩電極放電產(chǎn)生等離子體，等離子體加熱腔體內(nèi)氣體，使腔體內(nèi)氣體的溫度和壓力快速升高，升溫加壓的腔體內(nèi)氣體從腔體蓋板上的出口高速噴出，形成速度達數(shù)百米每秒的等離子體射流，之后由于高速射流的引射導(dǎo)致腔體負壓以及腔體內(nèi)溫度和壓力的下降，外部氣體會重新充填腔體，完成一次脈沖射流，周而復(fù)始可形成高頻高速高溫脈沖射流。

進一步地，所述有除冰需求對象為飛行器，其易結(jié)冰區(qū)域包括機翼。

本發(fā)明采用等離子體沖擊射流的方法破除飛行器或者其他對象表面的積冰，避免了傳統(tǒng)機械除冰方法會改變氣動外形或蒙皮振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞問題，避免了傳統(tǒng)熱氣射流需要管路供應(yīng)系統(tǒng)的問題，以及電熱防除冰應(yīng)用范圍有限且耗電量大的問題。具體有以下優(yōu)點：

1、易于輕小型化。

三電極等離子合成射流激勵器自身體積小、質(zhì)量輕、能量效率高，無機械作動部件，無氣源及管路供應(yīng)系統(tǒng)，無額外加熱裝置，避免了防除冰系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此易于輕小型化；

2、易于電參數(shù)控制。

三電極等離子合成射流激勵器工作時只需消耗電能，通過控制點火電極即可方便實現(xiàn)激勵器的啟動和頻率控制，且工作頻帶寬、響應(yīng)迅速因此易于電參數(shù)控制；

3、易于分布式布局。

三電極等離子合成射流激勵器無復(fù)雜的氣源管路，只有簡單的電源電路，且體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強，易于進行分布式布局封裝，且不會改變飛行器的結(jié)構(gòu)和氣動外形；

4、破除冰速度快。

基于等離子體沖擊射流的破冰系統(tǒng)由等離子體激勵器、結(jié)冰探測器與控制器組成，采用閉環(huán)控制，激勵器產(chǎn)生的等離子體射流除了有介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器的熱效應(yīng)外，還具有高速高壓沖擊效應(yīng)，從結(jié)冰到產(chǎn)生沖擊射流破除冰，時間短、速度快。

5、能耗低。

等離子體激勵器產(chǎn)生的高溫高動壓脈沖射流，工作時只需消耗電能，破冰時間短、單脈沖射流能耗低，總體能耗也低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于等離子體沖擊射流的破除冰系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明等離子體激勵器立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明等離子體激勵器在固定翼飛機機翼分布陣列示意圖。

圖中各標(biāo)號表示：

1、等離子體激勵器；11、激勵器正極；12、激勵器負極；13、點火電極；14：腔體蓋板；15：出口；16：腔體；2、結(jié)冰探測器；3、電源系統(tǒng)；4、控制器；5、機翼。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

本實施例中選取飛行器上的機翼作為破冰的應(yīng)用對象，如圖1所示，等離子體激勵器1和結(jié)冰探測器2均安裝在機翼5上。機翼5上設(shè)置有用于安裝等離子體激勵器1和結(jié)冰探測器2的安裝孔。等離子體激勵器1以及結(jié)冰探測器2安裝在機翼5上相應(yīng)的安裝孔內(nèi)，且等離子體激勵器1以及結(jié)冰探測器2安裝好后其外表面與均與其所在機翼處的機翼表面齊平，即既不會凸出也不會凹進，使得安裝了基于等離子體沖擊射流的破除冰系統(tǒng)的機翼的氣動外形不受影響，整體性好。

等離子體激勵器1、結(jié)冰探測器2、電源系統(tǒng)3、控制器4一起構(gòu)成了完整的基于等離子體沖擊射流的破除冰系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)冰探測、放電決策、快速破冰的功能。電源系統(tǒng)為各用電設(shè)備提供工作電源。在有除冰需求對象的易結(jié)冰區(qū)域中，與該易結(jié)冰區(qū)域物面平齊安裝等離子體激勵器和結(jié)冰探測器，等離子體激勵器和結(jié)冰探測器均與一控制器連接，所述結(jié)冰探測器用于探測到該易結(jié)冰區(qū)域物面是否發(fā)生結(jié)冰，并將探測到的信號發(fā)送給控制器；控制器根據(jù)結(jié)冰探測器探測到的信號控制等離子體激勵器的工作狀態(tài)。當(dāng)結(jié)冰探測器探測到該易結(jié)冰區(qū)域物面發(fā)生結(jié)冰時，控制器根據(jù)結(jié)冰的分布和厚度選擇激發(fā)相應(yīng)等離子體激勵器1連續(xù)工作，并控制等離子體激勵器的放電功率、頻率和工作時間，利用其產(chǎn)生的周期性高溫高動壓射流，在機翼內(nèi)部等離子體射流和外部氣流的沖擊下，實現(xiàn)機翼表面冰的去除后，結(jié)冰探測器2信號反饋至控制器4，控制等離子體激勵器1結(jié)束工作。

本發(fā)明采用的等離子體激勵器1是三電極等離子激勵器，如圖2所示，它有三個電極，分別是激勵器正極11、激勵器負極12、點火電極13、腔體16以及腔體蓋板14，增加點火電極13可以大幅降低激勵器工作過程中的空氣擊穿電壓、提高射流動能。腔體蓋板14上有等離子體激勵器1的出口15，腔體蓋板14與機翼5外表面平齊，不影響機翼表面構(gòu)型。工作時點火電極放電，在激勵器正極、激勵器負極間形成等離子體導(dǎo)電通道，觸發(fā)激勵器正極、激勵器負極兩電極放電產(chǎn)生等離子體，等離子體加熱腔體內(nèi)氣體，使腔體內(nèi)氣體的溫度和壓力快速升高，升溫加壓的腔體內(nèi)氣體從腔體蓋板上的出口高速噴出，形成速度達數(shù)百米每秒的等離子體射流，之后由于高速射流的引射導(dǎo)致腔體負壓以及腔體內(nèi)溫度和壓力的下降，外部氣體會重新充填腔體，完成一次脈沖射流，周而復(fù)始可形成高頻高速高溫脈沖射流。

在具體實施例中可在機翼易結(jié)冰區(qū)域布置數(shù)個等離子體激勵器1；等離子體激勵器1平齊嵌入機翼表面，不帶來任何寄生阻力，附圖3給出了等離子體激勵器1在飛機機翼上的整體分布的一個具體例子，在機翼靠近前緣的上下表面各均勻分布了10個等離子體激勵器1，在實際應(yīng)用中，等離子體激勵器1的數(shù)目、分布和出口角度將根據(jù)具體應(yīng)用對象的需要而優(yōu)化設(shè)置。

本發(fā)明可以替代傳統(tǒng)的機械除冰、傳統(tǒng)熱氣射流等方法，無傳統(tǒng)機械除冰方法帶來的改變氣動外形或蒙皮振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞問題，也無需傳統(tǒng)熱氣射流管路供應(yīng)系統(tǒng)，在輕小型化、分布式布局、電參數(shù)控制等方面具有優(yōu)勢。特別是在惡劣氣象條件下物體表面結(jié)冰強度極大時，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速破除冰。本發(fā)明首次提出將等離子體沖擊射流應(yīng)用在除冰技術(shù)領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于各類飛行器或者其他有除冰需求對象的破除冰。

以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，這是為了詳細說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并不是想要將發(fā)明內(nèi)容限制在實施例所描述的具體形式中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容主旨進行的其他修改和變型也受本專利保護。本發(fā)明內(nèi)容的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。