《基于红外加热技术的飞机除冰研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于红外加热技术的飞机除冰研究（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录摘 要2第1章 绪论41.1飞机积冰及除冰概述41.1.1飞机结冰现象41.1.2飞机结冰的危害51.1.3当代飞机除冰的必要性51.2飞机除冰的方法61.2.1传统的飞机除冰方法介绍61.2.2对传统飞机除冰方法的分析61.2.3新型防除冰技术的发展71.2.4对红外加热除冰技术的特点及可行性分析81.3论文的研究意义和目的9第二章 实验原理与方法112.1红外加热技术概况112.2红外加热技术除冰的原理112.3红外线加热管辐射红外线的能力与作用112.4实验仪器及设备122.5选取实验中的单一变量122.5.1红外辐射距离132.5.2冰块表面积132.5.3不同材料的升温特性13
2、2.5.4融冰水的存在142.5.5不同材料的疏水性能152.6设计红外加热除冰研究的实验方案16第三章 实验结果与讨论183.1具体实验操作183.2改变实验参数183.3实验参数对红外加热除冰效果的影响及分析183.3.1红外辐射距离对红外加热除冰效果的影响183.3.2冰块表面积对红外加热除冰效果的影响203.3.3不同材料的升温特性对红外加热除冰效果的影响213.3.4融冰水的存在对红外加热除冰效果的影响243.3.5不同材料的疏水性能对红外加热除冰效果的影响26第四章 结论27第1章 绪论1.1飞机积冰及除冰概述飞机积冰讲的是飞机外表面的某个部分存在冰层覆盖的情况，器通常是因为云层温
3、度较低的水珠或者下雨过程中水滴遇到飞机的外表面以后逐渐形成的冰，也能够通过水蒸气遇到机体外表面直接通过物理的凝华过程而产生，一般情况下，主要分为下面几个种类，具体是毛冰、霜状冰、混合冰、明冰等几种类型。积冰会对运行中的飞机空气动力性能造成很大的破坏，且易造成设备失灵，因此在一些国家的秋冬季被视为飞行安全的“天敌”。在飞机积冰造成的后果如此严重的情况下，为飞机除冰则成为了民航界急需关注的重要工作，只有去除掉飞机机体表面的冰层，恢复其清洁外表，再结合防冰措施，才能使飞机以良好性能正常工作。当前世界民航界常用除冰的方法有除冰液除冰、机械除冰、电热除冰等，其中使用除冰液在我国是最常用到的除冰方法。随着
4、科技不断进步，越来越多的新技术不断尝试去运用在飞机除冰工作上，红外加热技术就因其众多优点，被认为在除冰领域极具应用前景。1.1.1飞机结冰现象飞机在雨、雪等天气状况运行时，因为空气中的水珠凝结或者水蒸气产生凝华作用而附着在飞机的外表面，例如，飞机的机身、发动机的气道等等，逐渐形成冰层，将上述的这些现象叫做飞机结冰现象。在国外的航空飞行相关规定及运行手册中，将飞机的结冰情况划分为四个不同的等级，用来区别飞机外表明的覆冰严重状况，在现实的运行过程中常常用每个飞行过程中所结冰层的厚度来划分属于哪一类强度。冰层厚度小于5cm的为微量结冰，5.1-15cm的为轻度结冰，15.1-33cm的为中度结冰，大
5、于30cm则为严重结冰。飞机各结冰表面的形状不同，因此在相同条件下其结冰强度也有所不同。图 1.1 飞机结冰实景Fig 1.1 Aircraft iceing1.1.2飞机结冰的危害飞机结冰会严重降低飞机的飞行性能，给飞行安全打来不同程度的危害，严重时更会导致坠机事故而给社会带来严重的经济损失和情感伤痛，这类安全事故屡见不鲜。2004年11月21日，在包头一家CRJ200由于结冰，起飞后很短时间内坠机，导致机上53人、地面2人死亡。2009年2月12日，在美国纽约州布法罗市，一架冲8由于飞机机翼迅速结冰，导致飞机失速造成机上49人、地面1人死亡。而且不一样的地方的积冰存在不一样的特征，会给飞机
6、的运行安全造成不同层次的危险。假设飞机的升力面积冰后会造成飞机运行的稳定性受到很大的干扰，假设其平尾与操纵面结冰，那么会导致其操纵性能大大降低。 此外，如果飞机拥有性能优越的机翼构造时，而此时飞机产生结冰就有可能造成非常严重的后果。发动机进气道及进气部件结冰，可以导致内表面气动特性的恶化所引起的一系列降低飞行性能的状况，如果发展下去，轻者会使发动机功率降低，重者能造成发动机的损坏。当飞机上安装的挡风玻璃出现结冰情况后，尽管会对飞机的启动特性造成比较小的干扰，然而，其会使得飞机的透明度大幅度下降，从而使得直观的观测飞机的飞行变得十分的困难，进而会给飞机的起降带来很大的潜在风险。当飞机上安装的信号
7、天线出现结冰情况后，很有可能造成飞机的机械产生折断，从而使飞机上用于无线通信的一些电子设备没有办法正常的工作，从而造成飞机与地面指挥中心失去联系。当飞机上安装的空气压力传感器出现结冰的情况后，就会使得飞机上的一些仪表数据出线错误，例如，会导致飞机上的高度指示表、速度计量表、压力表等等重要的测量显示仪器出现问题。从这里可以看出，在寒冷的冬天，飞机外表面的结冰是其正常安全运行的主要干扰因素，所以，为了能够确保其在寒冷冬季安全运行，一定要对飞机进行全面的除冰。1.1.3当代飞机除冰的必要性飞机结冰的温度和高度范围一般分别为零下20度以下和7千米，这是因为当温度低于零下20度后，在大气中过冷水滴的含量
8、很小所以结冰的概率不大，高度高于7千米时亦是如此，且飞机在空中高速飞行时由于其气动加热的原因，机体表面温度高于0摄氏度。如今的飞机都相当先进，巡航高度一般早已超过了飞机容易发生结冰的高度，不过在起飞、爬升、空中盘旋和下滑时，比较严重的飞机结冰现象依然会有几率出现，它无疑对飞行安全产生重大影响。因此在了解了飞机结冰的机理并采取与之相对应的预防措施及处理措施，具有非常重要的意义。因此如今的飞机，特别是商用飞机，为了保证飞机在结冰气候条件下的飞行安全，同时满足适航条例，高效的结冰防护系统必不可少。1.2飞机除冰的方法 飞机的防冰/除冰技术一直是飞机系统设计与飞机维护的重要课题，它可以使飞机高效的解除
9、结冰状态。随着现代飞机技术的高速发展，人们渐渐地意识到了传统除冰方法存在的不足，有待改善，因此不断的研究和开发着更新型有效的除冰技术，希望可以达到最佳的除冰效果，保证航班的安全飞行。1.2.1传统的飞机除冰方法介绍在过去，我们除去飞机上的冰层的方法主要囊括下面几种，分别是电热技术、机械方式、除冰液等除冰方式。1.除冰液除冰：这种方式就是借助于向飞机的外表层喷洒除冰液来进行除冰的。主要借助的是冰点降低远离，把很多的化学试剂，例如丙二醇等多种化学混合试剂喷洒到飞机外表面，例如飞机挡风玻璃等进行除冰。2.机械方法除冰：讲的是采用机械的方法破坏冰层结构及其与表面的黏附力，然后由气流吹走残余的积冰。常见
10、的方法有膨胀管出冰系统和电脉冲除冰系统。（1）膨胀管出冰系统：它是最早的机械除冰系统，利用管内交替充气和放气，使得导管产生交替的膨胀和收缩，将附着在管外的冰破碎成小块且破坏了冰与管表面的附着力，然后利用外力将冰出去。除冰后，膨胀管收缩，以保持既定的气动力外形。（2）电脉冲除冰系统：整个系统由脉冲电路模块、冲击发生模块和感应线圈组成，在金属蒙皮的下表面装设一个脉冲线圈，借助于瞬时放电方法在该蒙皮上构成一个电磁涡流场，从而使该金属蒙皮产生脉冲电磁力，此力会造成金属蒙皮产生迅速振动并使附着在飞机外表面的冰层发生形变而逐渐的破损并掉下来。3.电热技术除冰：这种除冰的方式是借助于热能来除冰，具体的过程是
11、给飞机上的部件进行通电使其发热，进而使附着在其表面的冰块逐渐的融化。该装置通常是由供电电源、切换开关、热量控制器、加热元器件等等构成。由这些元件构成的系统拥有非常高的可靠性，并且在自动化方面非常容易实现。1.2.2对传统飞机除冰方法的分析1.除冰液除冰：向飞机喷洒除冰液虽是在我国最常见的飞机除冰方法，但仍具有明显缺陷。目前我国机场未对除冰废液进行处理就排放到周围环境中，二醇有机物本身具有一定的毒性，大量的排放会对机场周围的生态环境造成不良的影响，且喷洒防冰液用量大、有效时间短、除冰效果差，已日渐无法满足当今人们的要求。图 1.2 除冰车喷洒除冰液Fig 1.2 Spray the aircra
12、ft decing fluid2.机械方法除冰：膨胀管除冰系统虽然具有工作可靠且节省能量的优点，但他的弱点是由于除冰时的胶管凸出，时间久后必然会破坏掉原来的气动力外形，致使阻力变大，因此不能适用于现代的高速飞机，而且膨胀管除冰不能很彻底的除冰，还会有一些残留冰，这更使得阻力增加；电脉冲除冰系统工作温度范围大，所需能量仅为电热除冰系统的的十分之一，相较之下相当节能，重量轻结构紧密，且系统稳定高效不产生积冰，技术具有众多优点收到国内外相关领域广泛关注，但同时，电脉冲除冰系统是一种利用电磁进行除冰的机械除冰方法，多次振动所导致的结构的疲劳与电磁场产生的电磁辐射都需要进一步的研究讨论，只有解决了这些问
13、题，电脉冲除冰系统才能更好的应用。3.电热技术除冰：电热系统属于较复杂的系统，虽然重量轻但还是增加了整机的重量，相对于其他除冰方法方法消耗电能巨大，系统工作时冰块融化易引起二次积冰，影响飞行性能，且由于当前技术有限，现在常用的加热元件材料不锈钢箔电热转化效率低也是尚待解决的难题。1.2.3新型防除冰技术的发展随着民航业不断发展，传统的飞机除冰技术虽然目前新时代发展的较为成熟，但也各自存在缺点，已无法满足人们更加高的需求，飞机产业发展迫切需要一种环保、可靠、高效的飞机防除冰技术。下面介绍几种新型防除冰技术做出简要介绍。1.超声波结冰防护技术：它也被称为超声振动结冰防护技术该技术是通过超声换能器对
14、需要进行除冰的结构进行激励，使结构产生超声振动来达到除冰目的，属于机械力学式的结冰维护技术。它具有效率高、耗能低、可靠性好及对飞机气动外形和结构影响小的优点。由于超声波振动在冰与基底结构之间除了产生超声振动效果外，还会有一定的热效应和空化效应，这些效应对除冰效果的具体影响还需进一步研究。2.疏水材料防冰：疏水材料是利用自然界存在的物体对水的非浸润性现象，当疏水性材料表面有微小突起时，一些空气会夹在水与材料表面之间，大大减少了水与材料表面的直接接触面积，因水珠无法与机体表面进行热传导结冰，所以水珠很容易被气流带走而不粘附于飞机表面。它从根本上避免了结冰的发生，且有不耗能的优点，但由于超疏水材料表
15、面一般结构粗糙，且非常容易损坏 ，导致其性能大幅度下降，因此目前如何长久保持材料的疏水性是今后研究的重点问题。3.红外加热除冰技术：红外线辐射除冰属于热力除冰的一种，借助于红外线加热原理，用红外线发生装置产生红外线，然后将器投射到飞机外表面的结冰地点，借助于其产生的热量给飞机外表面进行除冰。在这个投射的过程中，红外线是不会穿透到飞机的表面，因此不会对内部的人员产生任何的不良影响，被大量运用于飞机的外表面的除冰当中，在红外线源足够大的情况下能够迅速地大范围除冰，具备众多优点，十分适合在机场广泛应用。本篇论文将对红外除冰技术的效果进行针对性分析。1.2.4对红外加热除冰技术的特点及可行性分析喷洒除冰液来为飞机除冰的方式，虽然已经知道其缺点危害，但依据我国技术现状，它在长期内可能依旧是机场中最普遍的除冰技术。但相信随着科学技术继续深入研究，更先进优秀的除冰方式定会取代除冰液，其中热力除冰发展势头就相当迅猛。热力除冰一直是相当成熟实用的飞机除冰方式，其中利用红外线加热技术的除冰方式更是在节能环保方面表现得尤为突出。通过红外加热后融化的积冰变成水不会对机体产生任何损害，没有污染物残留，且在加热过程中也做到了干燥机身的作用。红外线的加热能效，与被加热物体的吸收程度也密切相关，吸收率越高，红外线辐射效果就越好，经实验发现并对红外辐射的吸收率在90%以上，可以达到良好的加
