一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶

本发明涉及旋翼桨叶，具体涉及一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶。

背景技术：

1、结冰作为影响飞行器安全的重要因素之一，会破坏飞机的气动外形，导致升力下降、阻力增加，临界攻角减小，降低飞机的操纵性和稳定性。相对于固定翼飞机，直升机桨叶具有弦长短、厚度薄的特性，其结冰范围相对较大，气动性能受到的影响也更大；另外，直升机活动的高度更易发生结冰现象。我国地形条件、天气条件复杂，对飞行器的全疆域、全天候飞行能力提出了重大挑战。直升机在高原高寒高湿地区执行任务时，常常会发生结冰现象。且直升机在执行搜救任务以及勘测舰船行进路线等方面发挥了重要作用，因此，直升机极地作业的结冰防护也愈加引起重视。

2、当前对飞机的长航时、全天候能力提出了更高的需求，迫切需要更高效、低能耗的防除冰方式，尤其是近些年来大放异彩的各类无人机，其由结冰引发的安全事故也受到越来越多的关注。无人机巡航处于容易发生结冰的低温云层高度，而且尺寸较小，其升力面受结冰影响发生失速的概率更大。最关键的是，无人机机载能量和载重有限，尤其是对于四旋翼无人机或者多旋翼无人机来说，常见的电加热、热引气、以及除冰液等主动除冰方式难以应用，造成目前大多数无人机并没有装备防除冰系统。因此无人机因为结冰造成的安全事故时有发生，以至于目前世界上大部分的无人机都禁止在容易结冰的季节执行任务。

3、近些年来被动防冰技术因不需要额外的能耗而引发了关注。目前研究较多的是采用各种(超)疏水表面或者防冰涂层进行防冰。其防冰的原理是通过增加冰晶成核势垒，延长冰晶成核时间；或者降低冰晶与表面的附力，使积冰容易去除。然而单纯依靠表面处理技术或者防冰涂层无法完全防止结冰的发生，因此往往还需要配合主动防除冰方式使用，如气热或者电加热防除冰技术。另一类被动防冰方法则是通过对机翼外形几何的设计，在不影响气动性能的前提下，减少翼型表面的积冰；即使无法阻止结冰的发生，也能够因为其特殊的几何设计，减弱结冰以后翼型气动性能的下降，称为抑冰设计。

4、波浪形前缘的灵感最早来自于座头鲸的胸鳍，研究者发现座头鲸胸鳍前缘的正弦形状凸起能够让鳍在大攻角的情况下依然保持足够的升力，从而让座头鲸发挥出色的机动性。在低雷诺数情况下前缘凸起能够推迟失速攻角，提高升力降低阻力。人们同时还发现带有波浪形前缘的翼型失速时，升力和阻力的变化比较缓和，不像基准翼型一样会发生升力的突降或者阻力的陡升，因此，波浪形前缘可以降低叶片受到的气动激振力。

5、旋翼桨叶的叶尖区域线速度最大，是桨叶的气动敏感区。叶尖形状直接影响到旋翼的气动性能。直升机旋翼在旋转过程中运行工况变化很大，以直升机前飞为例，旋翼的桨叶是在气流速度不对称的条件下工作的，并且随着飞行速度的增大这种不对称性会加剧。当飞行速度超过一定的数值之后，后行桨叶会因气流分离而失速，前行桨叶也会在表面出现激波，称为动态失速现象。一方面这限制了直升飞机飞行速度的进一步提升，通常限制马赫数在0.92以下，否则会出现动态失速引发叶片受到周期性的激振力和俯仰力矩。另一方面，当叶尖速度过高时会造成很大的噪声。

6、目前针对波浪形前缘的研究主要集中在气动和噪声领域，而将其用于抑制结冰性能的研究十分少见，因此，本专利中提出的带有波浪形前缘的翼型设计方案，通过利用波浪形前缘的独特流动结构影响过冷水滴的运动轨迹，从而改变过冷水滴与翼型的撞击率，进而影响飞行积冰特性，使得波浪形前缘对于较小的体积中径的液滴具有较好的抑制结冰效果。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，利用波浪形前缘的独特流动结构影响过冷水滴的运动轨迹，通过改变过冷水滴与翼型的撞击率，影响飞行积冰特性，使得波浪形前缘对于较小的体积中径的液滴具有较好的抑制结冰效果，以解决现有技术中实现零/低功耗的达到防冰效果的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，所述防冰旋翼桨叶在旋翼整体或者部分展长为抑冰翼型，所述抑冰翼型具体为带有波浪形前缘的翼型，所述防冰旋翼桨叶的表面覆盖有防冰涂层。

4、进一步，所述波浪形前缘的主要设计参数为在保持翼型气动投影面积与基准翼型一致的前提下，在翼型的前缘生成波浪形的凹凸结构。

5、进一步，所述波浪形前缘的型线包括但不限于三角函数、贝塞尔曲线和尖齿的形状，所述三角函数包括但不限于正弦和余弦。

6、进一步，所述波浪形前缘的波浪线设计呈周期型或渐变型，所述渐变型具体为所述渐变型具体为波长和/或振幅逐渐线性变化。

7、进一步，所述波浪形前缘沿着弦长方向的切面的曲率保持不变或发生变化。

8、进一步，所述波浪形前缘布置的位置和展向长度为在桨叶从叶根到叶尖连续布置，或单独布置在叶根，叶中或者叶尖，其展向长度视需求调整。

9、进一步，所述防冰涂层覆盖于整个桨叶表面或覆盖于螺旋桨叶的前缘或只覆盖于前缘，所述螺旋桨叶的前缘具体为水滴撞击区域。

10、进一步，所述旋翼桨叶的材料为金属或复合材料，所述复合材料为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料和非金属与非金属复合材料中任一一种。

11、进一步，所述波浪形前缘的内表面布置热气加热层，或波浪形前缘的外表面布置有电加热层，所述加热层的外表面喷涂有防冰涂层。

12、进一步，所述电加热层的发热元件为金属丝/片、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中任一一种，电加热层的绝缘层为橡胶或者聚酰亚胺。

13、综上所述，本发明具有以下有益效果：

14、1、本发明利用“几何外形+防冰涂层”的零功耗被动防冰作为主要手段，在旋翼整体或者部分展长采用抑冰翼型设计，利用波浪形前缘引发的独特对涡流动结构，在增强或者维持翼型气动性能的同时，减少液滴在机翼表面的撞击，从而实现抑制结冰形成、减少积冰的目的，同时积冰后翼型的气动性能优于同等结冰条件下的基准翼型；在此基础上，在旋翼表面的关键部位利用聚二甲基硅氧烷(pdms)或长链碳氟化合物(如聚四氟乙烯)等防冰涂层可进一步减少积冰的形成。

15、2、本发明与主动防冰手段(如气热或者电加热)等结合，利用较低的能耗达到更好的防冰效果；同时考虑到旋翼的叶尖处的动态失速现象，利用波浪形前缘能够推迟失速，并且能够缓和失速以后升力和力矩的剧烈波动，减弱气动激振力，降低噪音；该防冰思路在尽量不消耗或者少消耗机载能源、避免增加额外重量的基础上，能够实现较好的气动和防冰联合控制效果。同时该波浪形前缘的设计有望进一步提升旋翼的转速，从而增加旋翼飞机的飞行速度和运载量。

技术特征：

1.一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述防冰旋翼桨叶在旋翼整体或者部分展长为抑冰翼型，所述抑冰翼型具体为带有波浪形前缘的翼型，所述防冰旋翼桨叶的表面覆盖有防冰涂层。

2.根据权利要求1所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘的设计参数为在保持翼型气动投影面积与基准翼型一致的前提下，在翼型的前缘生成波浪形的凹凸结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘的型线包括但不限于三角函数、贝塞尔曲线和尖齿的形状，所述三角函数包括但不限于正弦和余弦。

4.根据权利要求3所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘的波浪线设计呈周期型或渐变型，所述渐变型具体为波长和/或振幅逐渐线性变化。

5.根据权利要求3所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘沿着其弦长方向的切面的曲率保持不变或发生变化。

6.根据权利要求1所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘布置的位置和展向长度为在桨叶从叶根到叶尖连续布置，或单独布置在叶根，叶中或者叶尖，其展向长度视需求调整。

7.根据权利要求1所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述防冰涂层覆盖于整个桨叶表面或只覆盖于螺旋桨叶的前缘，所述螺旋桨叶的前缘具体为水滴撞击区域。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述旋翼桨叶的材料为金属或复合材料，所述复合材料为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料和非金属与非金属复合材料中任意一种。

9.根据权利要求1所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述波浪形前缘的内表面布置热气加热层，或波浪形前缘的外表面布置有电加热层，所述加热层的外表面喷涂有防冰涂层。

10.根据权利要求9所述的一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，其特征在于，所述电加热层的发热元件为金属丝/片、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中任意一种，所述电加热层的绝缘层为橡胶或聚酰亚胺。

技术总结本发明属于旋翼桨叶技术领域，公开了一种基于波浪形前缘和防冰涂层的低功耗防冰旋翼桨叶，防冰旋翼桨叶在旋翼整体或者部分展长采用抑冰翼型设计，抑冰翼型具体为带有波浪形前缘的翼型，防冰旋翼桨叶的表面覆盖有防冰涂层。本发明利用“几何外形+防冰涂层”的零功耗被动防冰作为主要手段，在旋翼整体或者部分展长采用抑冰翼型设计，利用波浪形前缘引发的独特对涡流动结构，在增强或者维持翼型气动性能的同时，减少液滴在机翼表面的撞击，从而实现抑制结冰形成、减少积冰的目的，在旋翼表面的关键部位利用防冰涂层可进一步减少积冰的形成；此外，波浪形前缘还能够减少动态失速造成的流动损失，从而能够提高直升机飞行速度。技术研发人员：张文强,毛雪瑞,王光雨,董磊,徐志强,郑莉,张剑,彭又新,赵勇受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/24