【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電子材料領(lǐng)域，具體為一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、飛機(jī)飛行過程中遇到含有過冷水滴的云層時(shí)，其暴露在環(huán)境中的表面部件容易發(fā)生因過冷水滴迅速積聚并凍結(jié)成積冰的情況，這種現(xiàn)象就是飛機(jī)結(jié)冰；飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重危害飛機(jī)的飛行安全，如破壞翼型的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致升力系數(shù)和升阻比減小并可能使飛機(jī)提前發(fā)生失速。飛機(jī)防除冰技術(shù)是減少結(jié)冰事故、提高飛機(jī)安全性能的重要手段。
2、目前飛機(jī)上的除冰系統(tǒng)按照使用方式的不同，主要?jiǎng)澐譃橐韵聨最悾阂后w結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)、熱結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)以及其它結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)。其中電熱防除冰系統(tǒng)的基本原理是通過飛機(jī)內(nèi)表面的加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量傳導(dǎo)到飛機(jī)外表面從而達(dá)到防冰和除冰的目的。由于其效率高、可靠性好、易于控制等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛，最具發(fā)展?jié)摿Φ娘w機(jī)防除冰方法之一。
3、對(duì)于低可探測(cè)的飛機(jī)目標(biāo)而言，由于其任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性，除考慮到飛機(jī)可能存在的結(jié)冰問題外，還要考慮其復(fù)雜的電磁環(huán)境帶來的電磁兼容問題。為了不使飛機(jī)的除冰部位影響到電磁散射功能，需要設(shè)計(jì)一種除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)。雖然電加熱除冰系統(tǒng)由于其具有結(jié)構(gòu)簡單，除冰效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于飛機(jī)的除冰；但是，電加熱系統(tǒng)由于金屬網(wǎng)絡(luò)的引入必然帶來電磁散射問題；因此，如何實(shí)現(xiàn)高效率除冰和電磁低散射兼容成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前對(duì)于如何在這類飛機(jī)上合理使用電熱防除冰系統(tǒng)的研究較少，而對(duì)于防除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的研究空白。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：
3、一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
4、步驟1、進(jìn)行高透射率的周期圖案化的阻抗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；阻抗網(wǎng)絡(luò)的基本單元為正方形，為底層襯底和圖形化的上層電阻膜構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，相同的基本單元以矩陣的方式周期排布構(gòu)成阻抗網(wǎng)絡(luò)，滿足-1db的透射頻段為2-16ghz，相對(duì)帶寬為155.56％；在2-18ghz內(nèi)全部是-10db以下的低反射頻段。
5、圖案化的阻抗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可以得到高透射率的結(jié)構(gòu)，使用周期圖案的阻抗網(wǎng)絡(luò)圖案在獲得高透射率的前提下，可使通電產(chǎn)生的熱量盡可能均勻地分布在機(jī)翼的整個(gè)覆著表面上。
6、步驟2、對(duì)目標(biāo)飛機(jī)機(jī)翼的模型在機(jī)翼空氣流場(chǎng)分析中使用navier-stokes方程進(jìn)行求解；將包含質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的三個(gè)方程綜合表達(dá)為積分形式的navier-stokes方程：
7、
8、其中fc表示對(duì)流通量，fv表示粘性通量，w為守恒變量，ω為控制體，q為熱通量，s為機(jī)翼(控制體)的表面。
9、再引入完全氣體熱力學(xué)關(guān)系式和stokes理想氣體假設(shè)封閉上述navier-stokes方程，得到：
10、
11、ρh＝ρe+p
12、γ為絕熱系數(shù)，對(duì)空氣取1.4，(μ,v,ω)表示速度的三個(gè)分量，ρ表示密度，p表示壓力，h為總焓，e為能量。
13、在不同的工況條件下得到機(jī)翼的空氣流場(chǎng)的壓力(流動(dòng)參數(shù))，為水滴撞擊特性計(jì)算和機(jī)翼結(jié)冰情況計(jì)算提供數(shù)據(jù)。
14、然后，進(jìn)行水滴撞擊特性的計(jì)算，用水滴收集系數(shù)進(jìn)行表達(dá)，是指在單位時(shí)間內(nèi)水滴撞擊在單位翼展長度上的實(shí)際撞擊量wm與其最大可能的撞擊量wmax之比，用em表示，em＝wm/w，其中wm的定義式為：
15、wm＝v0(you-yol)lwc＝v0(you-yol)lwc·l
16、v0為飛機(jī)速度，you、yol為與機(jī)翼上下表面相切的水滴軌跡在遠(yuǎn)場(chǎng)中的弦長方向的起始坐標(biāo)，you、yol為you、yol與弦長的比值，lwc為液態(tài)水含量，l為物體特征尺寸(弦長)。
17、wmax的定義式為：
18、wmax＝v0·m·lwc＝v0·h·lwc·l
19、m為機(jī)翼在弦長方向的投影高度，h是m與弦長比值。
20、將液態(tài)水含量、水滴平均直徑及計(jì)算所得的空氣流場(chǎng)的壓力代入水滴撞擊計(jì)算中，得到機(jī)翼前緣的水滴撞擊系數(shù)(水滴撞擊系數(shù)在機(jī)翼前緣最大)，結(jié)冰情況也相對(duì)應(yīng)在機(jī)翼前緣最嚴(yán)重。經(jīng)過對(duì)不同工況的計(jì)算，求出目標(biāo)機(jī)翼結(jié)冰區(qū)域在弦長方向的長度l1。
21、步驟3、將步驟1設(shè)計(jì)的阻抗網(wǎng)絡(luò)共形滿布于目標(biāo)機(jī)翼的吸波結(jié)構(gòu)表面，然后根據(jù)步驟2求解的l1在弦長方向做垂線所得對(duì)應(yīng)的機(jī)翼前緣區(qū)域s+進(jìn)行阻抗網(wǎng)絡(luò)的基本單元再設(shè)計(jì)，將該s+區(qū)域的基本單元中阻抗膜的電阻值r增大。
22、本專利技術(shù)根據(jù)機(jī)翼上積冰在前緣嚴(yán)重的特點(diǎn)，提出了將熱量集中到機(jī)翼前緣的s+區(qū)域的設(shè)計(jì)方法；這是由于機(jī)翼的吸波結(jié)構(gòu)在弦長方向的長度l2＞l1，而電加熱系統(tǒng)由于金屬網(wǎng)絡(luò)的引入必然帶來電磁散射問題不能僅在吸波結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)結(jié)冰區(qū)直接接電，需要在吸波結(jié)構(gòu)的末端接電；因此本專利技術(shù)通過對(duì)阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同區(qū)域的分壓設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這一目的。
23、由電阻值r的公式：
24、
25、其中s1為電流流經(jīng)阻抗網(wǎng)絡(luò)的截面積，ρ′為電阻率，l3為電阻膜的長度；若減小截面積s1的大小，此時(shí)這部分的阻值增大，進(jìn)而增大直流電源在這部分的分壓，根據(jù)平均功率密度公式：
26、
27、pd為單位面積上的平均功率，u為電壓；此時(shí)這部分的發(fā)熱功率增大。當(dāng)s+區(qū)域發(fā)熱功率相對(duì)非s+區(qū)域增大時(shí)，即達(dá)到集中熱量的目的。而發(fā)熱功率增大的這部分區(qū)域剛好覆蓋目標(biāo)機(jī)翼的積冰嚴(yán)重區(qū)域(s+區(qū)域)，從而實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性除冰的目的。
28、步驟4、對(duì)步驟3再設(shè)計(jì)后的阻抗網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行電磁仿真，確保目標(biāo)機(jī)翼依然滿足電磁低散射的性能要求；若不滿足則返回步驟3重新設(shè)計(jì)機(jī)翼前緣區(qū)域s+的基本單元中阻抗膜的圖案形狀，直至目標(biāo)機(jī)翼滿足電磁低散射的性能要求。
29、進(jìn)一步的，所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為阻抗膜的寬度減小。
30、進(jìn)一步的，所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為重新設(shè)計(jì)電阻膜的圖形。
31、進(jìn)一步的，所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為降低非機(jī)翼前緣區(qū)域s+中基本單元的電阻值。
32、進(jìn)一步的，所述降低非機(jī)翼前緣區(qū)域s+中基本單元的電阻值，設(shè)計(jì)方式為阻抗膜的寬度增大。
33、進(jìn)一步的，所述降低非機(jī)翼前緣區(qū)域s+中基本單元的電阻值，設(shè)計(jì)方式為重新設(shè)計(jì)電阻膜的圖形。
34、一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)，采用上述方法設(shè)計(jì)，使用時(shí)機(jī)翼前緣區(qū)域s+與步驟3再設(shè)計(jì)的基本單元對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性共形滿布，吸波結(jié)構(gòu)的非機(jī)翼前緣區(qū)域s+也適應(yīng)性共形滿布，然后接電加熱除冰。
35、綜上所述，本專利技術(shù)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為阻抗膜的寬度減小。
3.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為重新設(shè)計(jì)電阻膜的圖形。
4.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為降低非機(jī)翼前緣區(qū)域S+中基本單元的電阻值。
5.如權(quán)利要求4所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述降低非機(jī)翼前緣區(qū)域S+中基本單元的電阻值，設(shè)計(jì)方式為阻抗膜的寬度增大。
6.如權(quán)利要求4所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述降低非機(jī)翼前緣區(qū)域S+中基本單元的電阻值，設(shè)計(jì)方式為重新設(shè)計(jì)電阻膜的圖形。
7.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述基本單元中的襯底為0.1mm厚的聚酰亞胺薄膜，
8.一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)，其特征在于：采用如權(quán)利要求1-7任一所述方法設(shè)計(jì)，使用時(shí)機(jī)翼前緣區(qū)域S+與步驟3再設(shè)計(jì)的基本單元對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性共形滿布，吸波結(jié)構(gòu)的非機(jī)翼前緣區(qū)域S+也適應(yīng)性共形滿布，然后接電加熱除冰。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為阻抗膜的寬度減小。
3.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為重新設(shè)計(jì)電阻膜的圖形。
4.如權(quán)利要求1所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3中阻抗膜的電阻值增大設(shè)計(jì)方式為降低非機(jī)翼前緣區(qū)域s+中基本單元的電阻值。
5.如權(quán)利要求4所述飛機(jī)除冰/電磁低散射兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述降低非機(jī)翼前緣區(qū)域s+中基本單元的...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳海燕，陳豪男，陳芳，姚鑫，劉倩，薛志超，張麗，謝建良，梁迪飛，周佩珩，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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