[发明专利]一种压电弹性波除冰方法

说明书

技术领域

本发明属于室外设备外表面除冰领域，适用于航空器表面除冰，特别是一种压电弹性波除冰方法。

背景技术

尽管科技进步使航空飞行越来越安全，但是飞机机翼大量结冰成了航空业最具挑战性的问题之一。在一定的高空，云中高过冷度的水滴以不稳定的液态形式存在，当飞机通过时，水滴会迅速聚集凝固在机身上变成冰层。飞机结冰不仅使气动性能恶化，阻力增大，升力减小导致失速（即飞机升力迅速小于飞机重力，飞机快速下坠），而且产生发动机功率下降，风挡视界不清，有关仪表读数不准等问题。因此，结冰直接影响到飞行安全。飞行试验和风洞试验表明，只要机翼的翼前缘有1.5mm的结冰，就足以使飞机损失约50%的升力，并增加相同数量的阻力。通常情况下，当结冰发生时，两分钟内就会将结冰量累积到危险的程度，其结果会使飞机失速比预期的时间还要早发生（Robert Buck，“Safe Pilot, Safe Flight- Aircraft Icing, Safety Advisor-Weather No.1” Air Safe Foundation, Founded by Federal Aviation Administration，http://www.aopa.org/）。其次，停放在机场的飞机在低温天气也会面临机身结冰的问题。按照国际上的有关规定，禁止有霜、雪或冰的飞机起飞。但是由于各种的原因，比如：等待批准起飞时间过长、机翼结冰位置不易被发现等等，对冬季飞行安全构成严重威胁。

电热除冰方法是目前较为成熟、大部分航空器采用最多的除冰方法。然而，电热除冰的系统功耗较大，可达到数千瓦，超过一般机载航电系统的负载能力，因此通常只能周期性加热，而结冰仍然在间歇期产生。其次，电热除冰系统质量体积均较大，布置在机翼等部位增加了其固有质量，需要进行精确设计以降低对其强度和振动特性的影响。再者，随着新型飞机结构材料的发展，大量高分子复合材料被应用于直升机旋翼叶片上作为轻质高耐蚀涂覆层，电热除冰方法与这一发展趋势产生了矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电弹性波除冰方法，利用压电材料的逆压电效应，在航空器蒙皮上激励出类似行波的、波峰不断移动的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。    

解决本发明技术问题的技术方案为：一种压电弹性波除冰方法，信号发生器产生两路具有π/2相位差的相同频率交变电压，分别经由两个功率放大器放大后，通过附着在飞机蒙皮内表面的两组压电单元激发蒙皮两种不同振型的压电振子，即第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子的振动，在同一驱动频率激励下，第一种振型的压电振子和第二种振型的压电振子产生出两个振动模态，即纵向振动或弯曲振动模态，这两个振动模态叠加在航空器蒙皮上形成类似行波的弹性波，在冰层附着界面上产生剪应力，利用由此产生的剪切力迫使冰层从蒙皮上剥落脱离，实现航空器表面除冰的目的。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明基于压电作动器的航空器机载除冰方法是非电热的，利用共振型压电作动器产生的超声频率的振动，在冰层与机身的结合界面产生剪切应力，当该剪切应力超过积冰层和机身的结合力时便可使冰层从机身上剥落脱离。（2）能耗低、功耗小，可以与机载航电系统兼容而无需单独供电，并且可进行连续工作，克服了电热除冰间歇期间仍有结冰的不足。（3）压电作动器体积和重量小，避免了大量电加热元件对机翼强度和振动特性的影响，是一种低成本高效除冰方式，还可用于如风力发电机叶片等其它大型户外设备的除冰。

附图说明

图1是本发明压电弹性波除冰方法除冰工作原理示意图。

图2是基于一阶纵向振动和二阶弯曲振动的行波生成原理图：

（a）是基于面内模态行波激发的压电振子粘贴位置示意图；

（b）是激发面内行波所选取的面内一阶纵振振型E1；

（c）是激发面内行波所选取的面内二阶弯振振型B2。

图3是基于面外模态行波激发的压电振子粘贴位置示意图。

图4是激发面外行波所选取的工作模态振型和应变云图：

（a）是 工作模态B10的振型应变图；

（b） 是工作模态B06的振型应变图；

（c） 是两工作模态叠加后生成的行波在某一时刻的应变云图。

具体实施方式