本發(fā)明涉及借助于電磁感應(yīng)對(duì)復(fù)合板進(jìn)行加熱。本發(fā)明的應(yīng)用意在用于受結(jié)冰影響的飛行器空氣動(dòng)力表面比如機(jī)翼、引擎機(jī)艙、htp(水平安定面)、螺旋槳、轉(zhuǎn)子葉片、雷達(dá)罩等的防冰處理。

背景技術(shù)：

當(dāng)暴露于結(jié)冰環(huán)境時(shí)，可能在飛行器的各種空氣動(dòng)力表面處發(fā)生結(jié)冰?？諝鈩?dòng)力表面上積冰會(huì)改變?cè)摽諝鈩?dòng)力表面周?chē)目諝鈩?dòng)力場(chǎng)，從而可能導(dǎo)致對(duì)飛行器的性能的不利影響，或者積冰脫落后可能會(huì)碰撞及損壞飛行器的其他部分。

為了防止或減少結(jié)冰，已開(kāi)發(fā)出若干防冰裝置和方法。當(dāng)處理防冰系統(tǒng)時(shí)，有兩種不同的方法：允許冰形成至一定程度并且之后將其移除(除冰)或者一開(kāi)始就避免發(fā)生任何結(jié)冰(防冰)。

最常見(jiàn)的防冰系統(tǒng)是基于通過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)排出的熱空氣來(lái)對(duì)空氣動(dòng)力表面的內(nèi)部面進(jìn)行加熱從而使外表面通過(guò)經(jīng)由材料的傳導(dǎo)而被加熱的防冰系統(tǒng)。這些類(lèi)型的系統(tǒng)具有較低的總效率。在復(fù)合材料的使用漸增的現(xiàn)代化飛行器中，該系統(tǒng)證明為：在對(duì)由碳纖維增強(qiáng)聚合物(cfrp)制成的空氣動(dòng)力表面加熱時(shí)效率非常低，這是由于該材料的導(dǎo)熱性差的原因。此外，cfrp層壓件的溫度值被限制成比金屬材料的溫度值低得多。

存在飛行器空氣動(dòng)力表面的防冰的替代方案。系統(tǒng)可以基于外表面特性的修改通過(guò)下述方式來(lái)避免結(jié)冰：通過(guò)在金屬部件上進(jìn)行納米級(jí)粗糙度的改進(jìn)或者通過(guò)在金屬部件上沉積浸漬在粘合劑中的不同產(chǎn)品。另一組采用借助于空氣系統(tǒng)或相似的系統(tǒng)對(duì)空氣動(dòng)力表面直接加熱，但是在新發(fā)展技術(shù)中的很大一部分采用通過(guò)焦耳效應(yīng)與或多或少的常規(guī)系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行加熱的變體，其借助于電熱作用或甚至使用碳納米管來(lái)根據(jù)需要以交流(ac)或直流(dc)電流進(jìn)行加熱。

另一替代方案是通過(guò)電磁感應(yīng)對(duì)空氣動(dòng)力表面進(jìn)行加熱：在導(dǎo)電材料中形成渦流，并且隨后通過(guò)焦耳效應(yīng)加熱該材料。該方法已被研究用于與渦輪機(jī)的金屬部件以及復(fù)合材料一起使用。

利用電磁感應(yīng)的問(wèn)題在于：為了產(chǎn)生渦流，需要導(dǎo)電材料(例如金屬)的薄層，這不是由cfrp制成的層壓件的特征。此外，需要特定的繞組分布來(lái)在導(dǎo)電層上感應(yīng)出電流以使得導(dǎo)電層上的電流均勻分布并且在每個(gè)區(qū)域中都達(dá)到加熱目標(biāo)。

基于加熱的防冰系統(tǒng)的目的是使空氣動(dòng)力表面的外層的溫度增加至阻礙結(jié)冰的溫度。

當(dāng)試圖通過(guò)電磁感應(yīng)加熱cfrp結(jié)構(gòu)時(shí)，碳纖維和聚合物基體的較差的電性能不允許在該材料內(nèi)形成強(qiáng)渦流；因此，在該材料中產(chǎn)生的熱量很少或根本沒(méi)有產(chǎn)生熱量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的防冰裝置對(duì)象適于具有復(fù)合層的飛行器表面。該裝置包括構(gòu)造成位于復(fù)合層的外部面處并且適于通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)加熱的導(dǎo)電材料層。設(shè)想的是，該外部面為在cfrp層或cfrp板位于其最終位置時(shí)更靠近飛行器表面的外部的面。

該裝置包括：

-周向單相繞組，該周向單相繞組構(gòu)造成對(duì)圍繞導(dǎo)電層的界定區(qū)域的邊緣進(jìn)行加熱；

-內(nèi)單相或多相繞組，該內(nèi)單相或多相繞組構(gòu)造成對(duì)導(dǎo)電層的界定區(qū)域的由周向單相繞組限定的內(nèi)部進(jìn)行加熱；

-控制單元，該控制單元用于獨(dú)立地控制周向單相繞組和內(nèi)單相或多相繞組，所述控制單元配置成使得控制單元連續(xù)地操作周向單相繞組以避免在界定區(qū)域的邊緣中結(jié)冰并且當(dāng)界定區(qū)域內(nèi)所結(jié)的冰必須被除去時(shí)所述控制單元操作內(nèi)單相或多相繞組。

本發(fā)明的目的是提供一種基于下述方法對(duì)cfrp結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱的詳細(xì)解決方案：(a)使導(dǎo)電層內(nèi)置于cfrp(或任何其他類(lèi)型的非導(dǎo)電復(fù)合材料)板的外表面以使其易于通過(guò)電磁感應(yīng)加熱，以及(b)提供以受控的方式分布熱量從而允許在受熱區(qū)域之間產(chǎn)生豎向和水平受熱帶的特定繞組分布樣式。

因此，周向單相繞組允許限定邊緣被永久加熱的界定區(qū)域，使得避免在所述區(qū)域的包圍界限中結(jié)冰。所述包圍界限被稱(chēng)為帶。因此，所形成的冰塊的尺寸得到控制。

當(dāng)界定區(qū)域內(nèi)結(jié)冰時(shí)，內(nèi)單相或多相繞組被操作并且內(nèi)單相或多相繞組加熱飛行器表面以使得塊冰被除去。

當(dāng)在外部面上包括這種導(dǎo)電層的cfrp板受到電磁感應(yīng)時(shí)，在導(dǎo)電材料中形成渦流，從而直接加熱在其外部面上的板。本發(fā)明的一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)在于：感應(yīng)繞組可以設(shè)置在cfrp板的內(nèi)部面處，而熱量在外表面上產(chǎn)生，因此不需要通過(guò)板的內(nèi)部部分與外部部分之間的傳導(dǎo)而進(jìn)行的任何熱傳遞，這使得能夠獲得較高的總效率。

感應(yīng)繞組可以設(shè)置在復(fù)合層的內(nèi)部，而不是嵌入在復(fù)合層中。該構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)在于：由于感應(yīng)繞組的位置是在復(fù)合層的內(nèi)部，例如感應(yīng)繞組的位置是在復(fù)合層的前緣處，由于感應(yīng)繞組沒(méi)有嵌入cfrp板中，因此感應(yīng)繞組的觸及僅通過(guò)拆卸所述前緣便能實(shí)現(xiàn)，因此維護(hù)任務(wù)更簡(jiǎn)單。

此外，防冰裝置可以構(gòu)造為由周向單相繞組和位于外繞組內(nèi)的內(nèi)繞組的組形成的不同模塊組。該構(gòu)型還具有可以通過(guò)僅移除受影響的模塊來(lái)進(jìn)行受損部分的維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

還能夠?qū)frp板分成模塊并且使繞組定位成嵌入在cfrp板中。

另一重要的優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)將特定繞組設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)腶c電流控制邏輯進(jìn)行組合，加熱輸出可以被精確地控制并且被有效地輸送至不同的目標(biāo)區(qū)域。

這樣，本發(fā)明可以證明為以比其他目前采用的解決方案更有效且更高效的方式使空氣動(dòng)力表面免于結(jié)冰。

本發(fā)明允許使重量最小化并且使金屬層與感應(yīng)繞組之間形成的電力變壓器的等效電阻最大化。

本發(fā)明的目的還在于提供一種包括復(fù)合層和先前描述的裝置的飛行器表面。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于包括復(fù)合層和導(dǎo)電材料層的飛行器表面的防冰方法，該導(dǎo)電材料層構(gòu)造成位于復(fù)合層的外表面處并且適于通過(guò)電磁感應(yīng)被加熱，其特征在于，該飛行器表面包括：

-周向單相繞組，該周向單相繞組構(gòu)造成對(duì)圍繞導(dǎo)電層的界定區(qū)域的邊緣進(jìn)行加熱，

-內(nèi)單相或多相繞組，該內(nèi)單相或多相繞組構(gòu)造成對(duì)界定區(qū)域的由周向單相繞組限定的內(nèi)部進(jìn)行加熱。

該方法還包括下述步驟：通過(guò)控制單元連續(xù)操作單相第一繞組以避免在界定區(qū)域的邊緣中結(jié)冰，以及在由第一相繞組限定的區(qū)域中所結(jié)的冰必須被除去時(shí)操作單相或多相第二繞組。

附圖說(shuō)明

為了完成描述并且為了提供對(duì)本發(fā)明的更好的理解而提供了一組附圖。所述附圖形成該描述的不可或缺的一部分并且示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。附圖包括以下各圖。

圖1示出了具有防冰裝置的飛行器表面的不同層的橫截面的示意圖。

圖2示出了具有周向單相繞組和兩個(gè)內(nèi)雙相繞組的相繞組分布模塊的實(shí)施方式的示意圖。

圖3示出了沿著飛行器的空氣動(dòng)力表面的總繞組布局的實(shí)施方式的示意性立體圖，其中，總繞組布局具有四個(gè)模塊(四個(gè)周向單相繞組和四組內(nèi)雙相繞組)。

圖4示出了圖3中示出的實(shí)施方式在周向單相繞組被操作時(shí)的示意性立體圖。

圖5示出了圖3中示出的實(shí)施方式在成組的內(nèi)雙相繞組被操作時(shí)的示意性立體圖。

具體實(shí)施方式

圖2示出了本發(fā)明的防冰裝置對(duì)象的實(shí)施方式。更具體地，圖2示出了下述相繞組分布：

-周向單相繞組1，周向單相繞組1構(gòu)造成對(duì)圍繞導(dǎo)電層12的界定區(qū)域的邊緣進(jìn)行加熱，

-內(nèi)雙相繞組2、3，內(nèi)雙相繞組2、3位于由外相繞組1限定的界定區(qū)域內(nèi)并且具有彼此存在相位差的兩個(gè)相2、3。

圖2公開(kāi)了兩個(gè)內(nèi)雙相繞組2、3，這兩個(gè)內(nèi)雙相繞組2、3位于同一周向單相繞組1內(nèi)且在兩相2、3之間具有相同相位差。圖3公開(kāi)了四個(gè)周向單相繞組1，每個(gè)周向單相繞組1圍繞成組的內(nèi)雙相繞組2、3。

內(nèi)雙相繞組2、3的兩個(gè)相2、3在幾何空間上和時(shí)間上彼此移位。

所公開(kāi)的實(shí)施方式的外相繞組1具有正方形形狀并且該組內(nèi)雙相繞組中的相2、3具有長(zhǎng)形形狀以覆蓋外相繞組1的內(nèi)部區(qū)域?？梢圆贾酶郊拥碾p相繞組2、3并且將會(huì)實(shí)現(xiàn)更均勻的加熱。

此外，每個(gè)內(nèi)雙相繞組的第一相2和第二相3重疊以使得第二相3的升相部分位于第一相2的升相部分與降相部分之間。

此外，第一相2和第二相3在時(shí)間上移位90°，使得在0°處為第一相2的升相，在90°處為第二相3的電流升相，在180°處為第一相2的降相以及在270°處為第二相3的降相。

最后，流過(guò)第一相和第二相兩者的電流必須相等。所有的第一相2是一起被供給的并且所有的第二相3也是一起被供給的。

通過(guò)幾何空間和時(shí)間移位，cfrp層壓件中產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及電流密度和因此引起的感應(yīng)損耗是均勻的。所述繞組分布允許實(shí)現(xiàn)受控的加熱分布，并且因此提出了一種模塊化繞組分布。

另一優(yōu)點(diǎn)在于：上述分布是模塊化的，模塊理解為由周向單相繞組1和位于周向單相繞組1內(nèi)部的至少內(nèi)單相或多相繞組2、3形成的組。

當(dāng)內(nèi)相繞組2、3操作時(shí)，冰從表面除去。由于外相繞組1是連續(xù)操作的，因此避免了在水平和豎向帶中結(jié)冰，因此，將結(jié)冰分成了部段并且限制了冰的最大尺寸。

附加的優(yōu)點(diǎn)在于：由于內(nèi)相繞組2、3是以脈沖方式操作的，因此沒(méi)有必要使所有模塊同時(shí)被供給，模塊可以順序地被供給，使得所需要的峰值功率被降低。

為了獲得cfrp層壓件中的金屬層12，可以使用兩種不同的方法：

·內(nèi)置金屬網(wǎng)或金屬箔。

·對(duì)金屬顆粒進(jìn)行投射。

當(dāng)與所提出的繞組布置相結(jié)合時(shí)，這種層12的厚度可以低至0.01mm。

對(duì)于對(duì)金屬顆粒投射而言，取決于所使用的金屬材料，可能需要在cfrp層壓件10與金屬層之間引入中間層11。中間層11可以為粘合劑或投射到cfrp層壓件10表面上的熱塑性塑料。熱塑性材料11和金屬層12的投射通常通過(guò)高速氧燃料(hvof)涂覆執(zhí)行。

根據(jù)所使用的金屬材料及其厚度，金屬層12的頂部上可能需要附加的粘合劑層13，如圖1中所示。

對(duì)于內(nèi)置金屬網(wǎng)或金屬箔而言，粘合劑層11必須被包含在cfrp層壓件10與金屬層12之間。

可以用于這種應(yīng)用的金屬材料是：

·鐵基合金(例如aisi304、aisi316)

·鎳

·鋁

可以在金屬層12的頂部上添加比如為涂料的非導(dǎo)電材料的附加層13，這不會(huì)改變復(fù)合板的電磁響應(yīng)。