CN102991666A - 具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮 - Google Patents

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王光秋
薛帮猛
岳广全
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Abstract

本发明涉及一种具备增升、减阻等流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，包括玻璃纤维层（2）和铝合金层（1），玻璃纤维层（2）和铝合金层（1）相互交替；蒙皮表面设置有绝缘材料层（4）和电极层，电极分为上、下两层，二者分别位于绝缘材料层（4）两侧，呈非对称分布，上电极层（3）暴露在空气中，连接交流电源，下电极层（5）位于绝缘材料层（4）之下，接地。本发明可以直接应用于飞机制造工程，不会被高速气流损坏，也不会因破坏原有气动外形而带来寄生阻力。本发明利用等离子体对空气的加热及脉冲膨胀波波作用实现防除冰功能，可以有效对流动分离进行控制，推迟失速，增加最大升力系数，减小压差阻力。

Description

具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮
技术领域
本发明涉及一种具备增升、减阻等流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，属于飞机气动设计和结构设计领域。
背景技术
由玻璃纤维和金属交替叠加而成的纤维金属层板（Glare）蒙皮（以下简称为叠层板），已经应用于空客A380，如说明书附图1所示，其与传统金属蒙皮相比在抗拉强度、裂纹扩展特性、减重等方面具有明显优势。但这种蒙皮没有改善飞机气动性能、防除冰等额外的功能。
在飞机表面安装等离子体激励器，如说明书附图2所示，可以抑制流动分离，推迟失速，从而达到增升减阻，改善飞机气动性能的目的。如果采用纳秒脉冲电源，则可以在接近实用的流动速度下对分离流进行有效控制。此外，等离子体激励器工作时会加热空气并施加脉冲膨胀波，因此在防冰除冰方面也有应用潜力。但如何将等离子体激励器妥善安装在飞机表面是一个技术难题，简单的粘贴不仅难以承受高速流动的冲击，还会因破坏原气动外形带来寄生阻力。
申请号200910080994.1的中国专利公开了一种等离子体格尼襟翼，在机翼尾缘安装等离子体激励器，代替传统机械式格尼襟翼，进行增升控制；申请号201010602315.5的中国专利公开了一种用等离子体激励器进行层流控制、分离控制的方法；申请号201010253098.3的中国专利公开了一种用等离子体激励器进行翼尖涡控制的装置和方法。但上述发明专利都未说明通过何种方式将等离子体激励器安装于飞机表面，离工程应用还有很大距离。
发明内容
本发明的目的是：针对叠层板飞机蒙皮功能单一，等离子体激励器难以稳固安装于飞机表面的问题，本发明提供一种具备增升减阻、防除冰等多种功能的叠层板飞机蒙皮。将等离子体激励器的金属电极和电介质层结合在叠层板蒙皮结构内，从而克服了现有等离子体流动控制技术在安装方面的不足，充分满足飞机飞行工况下对激励器的安装要求。同时使此种蒙皮结构具备流动控制和防除冰功能。
本发明采取的技术方案为：一种具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，包括玻璃纤维层（2）和铝合金层（1），玻璃纤维层（2）和铝合金层（1）相互交替；蒙皮表面设置有绝缘材料层（4）和电极层，电极分为上、下两层，二者分别位于绝缘材料层（4）两侧，呈非对称分布，上电极层（3）暴露在空气中，连接交流电源，下电极层（5）位于绝缘材料层（4）之下，接地。
所述电极层（3、5）材料为铜或者铝合金，厚度为1/10mm～1/100mm之间。
所述上、下电极（3、5）间水平距离-2mm<L<2mm，L小于0表示二者间有重叠。
所述绝缘材料层（4）为聚酰亚胺（Kapton）、聚四氟乙烯纤维板（Teflon）或者环氧树脂纤维板。
用于给上下电极（3、5）供电的电源（6）电压为5000～10000伏特，电源信号波形可以是微秒正弦波、微秒方波、微秒三角波、微秒锯齿波，也可以是纳秒脉冲。
与现有实验室内的等离子体流动控制技术相比，本发明可以直接应用于飞机制造工程，不会被高速气流损坏，也不会因破坏原有气动外形而带来寄生阻力。本发明可以有效对流动分离进行控制，推迟失速，增加最大升力系数，减小压差阻力。此外本发明还可应用工作时产生的热效应和脉冲膨胀波波震动效应防除冰，该项应用为本发明的原创性应用。
本成果开创性地将等离子体激励器的电极-电介质层-电极结构与叠层板结构融为一体，将二者一体设计，一体加工成型，解决了等离子体激励器安装固定问题，发明了同时具备流动控制功能和防除冰功能的新型飞机蒙皮。
附图说明
图1典型的常规纤维金属层板蒙皮结构示意图，1：铝合金层，2：玻璃纤维层；
图2等离子体激励器示意图，3：上电极，4：绝缘层，5：下电极，6：电源；
图3包含等离子体激励器的新型蒙皮结构示意图；
图4微秒放电等离子体激励器工作原理示意图；
图5纳秒脉冲放电等离子体激励器工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的制造和应用作进一步详细的说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
一种具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，包括玻璃纤维层（2）和铝合金层（1），玻璃纤维层（2）和铝合金层（1）相互交替；蒙皮表面设置有绝缘材料层（4）和电极层，电极分为上、下两层，二者分别位于绝缘材料层（4）两侧，呈非对称分布，上电极层（3）暴露在空气中，连接交流电源，下电极层（5）位于绝缘材料层（4）之下，接地。
所述电极层（3、5）材料为铜片或者铝合金片，厚度为1/10mm～1/100mm之间。
所述上、下电极（3、5）间水平距离-2mm<L<2mm，L小于零表示二者间有重叠。
所述绝缘材料层（4）为聚酰亚胺（Kapton）、聚四氟乙烯纤维板（Teflon）或者环氧树脂纤维板。
本发明的制造和安装：首先，要对蒙皮中的铝合金层进行表面处理，增加其粘接性能；按照预成型的飞机蒙皮形状设计和制造成型模具；将经表处理的铝合金板、玻璃纤维层、绝缘材料层和电极层按顺序，如图3所示，铺叠在成型模具内，然后在热压罐内的高温高压环境中一次压制成型。将成型后的蒙皮结构通过C扫描的方法进行无损检测，检查各层之间粘接效果，以保证蒙皮结构的成型质量。将本发明作为飞机蒙皮安装于飞机机翼、增升装置和其他关键部位表面，可进行增升减阻控制；将本发明安装于机翼前缘、尾翼前缘、发动机唇口等部位，可以用于防除冰。
本发明的工作原理：将激励器表面电极接高压（如5000-10000伏特）、高频交流电（如微妙交流或纳秒脉冲），下电极接地。采用微秒波电源时，激励器附近空气被电离，产生一个大气压下的等离子体。带电粒子在交流电场的作用下引起与物面相切的离子风，如图4所示。附面层内流动获得流向动量输入后加速，抵抗逆压梯度的能力加强，可有效抑制流动分离，进而推迟失速发生，增加最大升力系数，降低由流动分离带来的压差阻力。微秒放电等离子体激励器可以对来流流速小于30米/秒的流场中的分离现象有效控制。
用于给上下电极（3、5）供电的电源（6）电压为5000～10000伏特，电源信号波形可以是微秒正弦波、微秒方波、微秒三角波、微秒锯齿波，也可以是纳秒脉冲。
采用纳秒脉冲电源时，激励器附近产生瞬时高温高压，接着产生膨胀冲击波，如图5所示，继而会诱发出对旋漩涡。在这些激励效果下，流场中的分离现象可以得到抑制，有效控制的来流流速可达50米/秒或更高。
在增升减阻的同时，纳秒脉冲激励可以使上电极附近空气温度升高100K以上，直接加热空气比加热机翼表面更有效的防冰。利用冲击波的周期性振动效果，可以起到辅助除冰的效果。

Claims (9)

1.一种具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，包括玻璃纤维层（2）和铝合金层（1），玻璃纤维层（2）和铝合金层（1）相互交替；其特征在于：蒙皮表面设置有绝缘材料层（4）和电极层，电极分为上、下两层，二者分别位于绝缘材料层（4）两侧，呈非对称分布，上电极层（3）暴露在空气中，连接交流电源，下电极层（5）位于绝缘材料层（4）之下，接地。
2.根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，其特征在于：电极层（3、5）材料为铜或者铝合金，厚度为1/10mm～1/100mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，其特征在于：上、下电极（3、5）间水平距离-2mm<L<2mm，L小于0表示二者间有重叠。
4.根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，其特征在于：绝缘材料层（4）为聚酰亚胺（Kapton）、聚四氟乙烯纤维板（Teflon）或者环氧树脂纤维板。
5.一种根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮上下电极（3、5）供电的电源（6）电压为5000～10000伏特。
6.根据权利要求5所述的电源（6）特征在于：信号波形可以是微秒正弦波、微秒方波、微秒三角波、微秒锯齿波或纳秒脉冲。
7.一种制造根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮的方法，其特征在于：采用复合材料的铺层技术，将该新型叠层板飞机蒙皮结构的不同层按照顺序铺叠在模具上，然后在热压罐内的高温高压环境中一次压制成型。
8.根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，其特征在于：安装于飞机机翼或增升装置或飞机表面的其他位置。
9.根据权利要求1所述的具备流动控制和防除冰功能的叠层板飞机蒙皮，其特征在于：安装于机翼前缘或尾翼前缘或发动机唇口。
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