2019-04-02 05:54:01
下一代飞机如何防冰

35,000英尺是商用喷气式飞机的标准巡航高度,但在那些高高度的空气温度下降到-51摄氏度以下,并且在机翼上很容易形成冰。为了防止结冰和随后的飞机阻力,现有系统利用燃烧燃料产生的热量。但这些高温,依赖燃料的系统不能用于下一代飞机的全电动,温度敏感材料。

随着科学家们正在寻找新的防冰方法,来自中国西北工业大学和爱荷华州立大学的物理学家采取了不同的方法。他们在“流体物理学”杂志上发表了证据,表明控制着陆和起飞的重要设备可以加倍作为结冰控制。

“目前的防冰方法不适用于基于新航空技术的下一代航空系统,”该文章的作者Xuanshi Meng表示。 “我们找到了控制这些新飞机结冰的绝佳方法。”

这取决于等离子执行器。

等离子体致动器是一种特殊类型的短路电路。当在两个电极上施加高电压时,它使其上方的空气颗粒电离,形成等离子体,并引起流动或风。先前已经操纵了致动器上的等离子体流以控制飞机机翼的空气动力学,改变着陆和起飞的升力和阻力(称为流量控制应用)。但等离子体执行器不仅会释放诱导风。

“当施加高压时,大部分被转换成热量,其余部分转换成致动器上的诱导流动或离子风,因此等离子体执行器具有空气动力学和热效应,”Meng说。

“通过耦合等离子体执行器的空气动力学和热学方面,我们提供了一种全新的高效结冰和流量控制方法。”

西北工业大学的等离子体控制团队在2012年首次实现了等离子体执行器对结冰的影响,当时放置在等离子体激励器放电区域的冰块迅速融化。

为了进一步证明等离子体冰保护的机制,该团队设计了极其薄的表面介质阻挡放电等离子体执行器,并将它们安装在3D打印的塑料NACA 0012翼型上。安装了三种执行器配置,以研究不同的空气动力学如何影响结冰。然后使用高速摄像机以及红外热成像和粒子散射激光来观察诱导流动和热输出如何相互作用。

测试是在静止空气条件下以及结冰风洞内进行的,在风洞中,在翼型上发射冷的空气颗粒。该团队发现,所有三个执行器的热量和流量动态都是密不可分的。

垂直于翼型表面放置的等离子体致动器在沿翼传递热量方面最有效,完全防止结冰。通过比较不同设计之间的传热和流量,该团队得出结论,优化设计需要在局部产生尽可能多的热量,同时还能与进入的气流充分混合。

“这可用于在足够低的温度下设计有效的防冰系统,以防止对下一代飞机的复合材料设计造成压力,”Meng说。

孟的学生Afaq Ahmed Abbasi补充说:“传统的防冰技术使用200摄氏度的高温空气来蒸发水滴,而复合材料则无法承受如此高的温度。但等离子结冰控制可以阻止过冷却液滴的形成车辆表面上的冰没有温度高,这对复合材料有利。“

Meng解释说,他的团队建议使用等离子执行器作为防冰器,这对流体力学专家来说是一个“惊喜”。 Meng承认他们刚刚开始研究,他们仍然需要了解热效应和流动效应是如何联系在一起的,以及它们如何协同工作以消除机翼表面的过冷液滴。

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