一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置及方法

1.本发明涉及飞机防除冰技术领域，特别是涉及一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置及方法。

背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.飞机结冰是导致飞行安全事故的主要隐患之一。飞行过程中，机翼前缘等部件表面结冰不仅增加了飞机的重量，而且会破坏飞机表面的气动外形，改变绕流流场，使得飞机最大升阻比下降、失速攻角减小，影响飞机的操作性和稳定性，严重时甚至会造成安全事故。
4.发明人发现，现有的飞机防除冰方法包括膨胀管除冰,普通电热防除冰,气热防除冰,防冻液防除冰等方法,但随之带来影响气动外形,能量耗损巨大,污染环境等新问题。而液滴在润湿异性表面的定向运动具有重要应用价值，如油水分离、水收集等，已成为表界面领域的研究热点。液滴之所以能够在固体表面发生定向运动,主要是因为其表面结构或材料属性产生某种驱动力,驱动液滴在固体表面发生定向运动,比如表面能梯度、laplace压力梯度等。
5.如果能利用液滴的这种定向运动，将水滴在结冰之前集中到机翼的某个区域，进行分区集中处理，可大大降低能耗，提高防除冰效率。

技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置及方法，通过对飞机机翼进行表面微处理，从而使机翼表面具有梯度表面能，在该梯度表面上，打在机翼上的液滴会向表面能高的区域自发运动，从而实现液滴的定向运动和收集。最终，液滴会汇集于梯度表面后方的水收集区，在水收集区内，当液滴结冰后，位于机翼蒙皮下方的加热装置就会起动，以热量使冰融化脱落，以较小的加热区域和较低的功耗实现更好的除冰效果，解决了现有飞机防除冰技术影响气动外形,能量耗损巨大,污染环境的问题。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明提供一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，包括设置于机翼前端表面的表面能梯度面，表面能梯度面和水收集区相接呈漏斗状；所述表面能梯度面包括多排设置的高表面能区域，高表面能区域呈三角形设置，且每一高表面能区域设置多排等边三角形结构，等边三角形结构和高表面能区域均有一个边角朝向水收集区设置。
9.作为进一步的技术方案，所述等边三角形结构设置成亲水条带-疏水条带相间的形式。
10.作为进一步的技术方案，所述亲水条带平行于飞机机身方向设置于等边三角形结构，亲水条带为沟槽形。
11.作为进一步的技术方案，所述表面能梯度面每一排设置多个高表面能区域，相邻排高表面能区域相接，相邻高表面能区域互相连通。
12.作为进一步的技术方案，所述高表面能区域的等边三角形结构依次排列，且相邻等边三角形结构互相连接。
13.作为进一步的技术方案，所述表面能梯度面呈梯形，所述水收集区呈矩形。
14.作为进一步的技术方案，所述水收集区的蒙皮下方铺设有加热装置。
15.作为进一步的技术方案，所述表面能梯度面整体表面能高于机翼的其他区域。
16.作为进一步的技术方案，所述表面能梯度面通过光刻工艺对机翼表面进行表面微处理得到，表面能梯度面的表面能呈梯度分布。
17.第二方面，本发明提供一种如上所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置的工作方法，包括以下步骤：
18.机翼表面黏附液滴时，液滴在固体表面能和压力差的作用下，会从低表面能区域自发地运动到高表面能区域，高表面能区域相互连通，且内部具有亲水性更高的沟槽型亲水条带，液滴会沿着沟槽运动，当液滴在高表面能区域的某一个三角形区域内储存设定量时会向下一个三角形转移；通过逐次的转移过程，液滴最终汇集在水收集区内；
19.液滴结冰时，在水收集区的蒙皮下方铺设的加热装置通电加热，将积冰融化，使其脱落。
20.上述本发明的有益效果如下：
21.本发明通过对飞机机翼进行表面微处理形成表面能梯度面，从而使机翼表面具有梯度表面能，在该梯度表面上，打在机翼上的液滴会向表面能高的区域自发运动，从而实现液滴的定向运动和收集。最终，液滴会汇集于梯度表面后方的水收集区，在水收集区内，当液滴结冰后，位于机翼蒙皮下方的加热装置就会起动，以热量使冰融化脱落，大大减小热除冰的功耗，以较小的加热区域和较低的功耗实现更好的除冰效果。
22.本发明表面能梯度面通过光刻技术对机翼表面进行表面微处理制造得到，不会改变机翼的表面形状，保护了气动外形，避免了绕流流场的破坏，不会造成飞机最大升阻比下降、失速攻角减小现象的出现，保证了飞机的操作性和稳定性。
23.本发明机翼表面的液滴在固体表面能和laplace压力差的作用下，会从低表面能区域自发地运动到高表面能区域，且在沟槽型亲水条带的导向作用下定向汇集到水收集区，大大降低了能耗。
24.本发明加热装置设置在蒙皮下方，不会改变机翼外表面的结构及形状，保护了机翼的气动外形，避免了对绕流流场的影响，保证了飞机的操作性和稳定性。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1是本发明根据一个或多个实施方式的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置的表面能梯度面和加热区的整体结构示意图；
27.图2是本发明根据一个或多个实施方式的表面能梯度面和加热区的具体结构及液滴运动方向示意图；
28.图3是本发明根据一个或多个实施方式的高表面能区域结构示意图；
29.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
30.其中，1、机翼；2、表面能梯度面；3、水收集区；4、高表面能区域；5、加热装置；6、亲水条带。
具体实施方式
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.正如背景技术所介绍的，现有的飞机防除冰方法包括膨胀管除冰,普通电热防除冰,气热防除冰,防冻液防除冰等方法,但随之带来影响气动外形,能量耗损巨大,污染环境等新问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置及方法。
33.实施例1
34.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，包括，设置在机翼1表面上的表面能梯度面2和水收集区3。
35.表面能梯度面2位于机翼1的前端，即靠近飞行方向的一侧，表面能梯度面2通过光刻技术对机翼1表面进行表面微处理制造得到的，表面能梯度面2的表面能呈梯度分布。
36.为了使液滴能够保持球形向表面能梯度面2处滚动，需要将机翼1的前缘加工成疏水区，这样在飞行过程中，当液滴打在机翼前缘时，液滴会在惯性力作用下，滚动到表面能梯度面2。
37.表面能梯度面2的具体形式为：通过光刻方式，在机翼1上表面加工出具有不同表面能的区域，由此形成表面能梯度。在高表面能区域，呈现亲水性；在低表面能区域呈现疏水性。其中，表面能梯度面2整体表面能高于机翼1的其他区域。
38.通过光刻的方式进行表面能梯度面2的设置，不会改变机翼1的形状，保护了气动外形，避免了绕流流场的破坏，不会造成飞机最大升阻比下降、失速攻角减小现象的出现，保证了飞机的操作性和稳定性。
39.由于机翼1整体为亲水-疏水形貌，液滴落在不同形貌上时，液滴和机翼1表面的接触角是不同的。在疏水区域，液滴的接触角会大于在亲水区域的接触角，即疏水区域的液滴更接近球形。当液滴处于亲水-疏水交界处时，由于两侧的接触角不同，由此产生的拉普拉斯压力差也会不同，即液滴会在自身几何形状所产生的作用力下，自发地由疏水区域向亲水区域移动，从而实现液滴整体地从机翼1前缘向表面能梯度面2区域聚集。
40.如图2所示，表面能梯度面2和水收集区3相接整体呈漏斗形，“漏斗”的前半部分为呈梯形的表面能梯度面2，“漏斗”的后半部分为呈矩形的水收集区3。表面能梯度面2梯形长底边靠近机翼前缘，梯形短底边靠近机翼后缘。
41.其中，表面能梯度面2由多个高表面能区域4构成，多个高表面能区域4均匀分布在表面能梯度面2上。
42.在本实施例中，高表面能区域4呈三角形设置，多个高表面能区域4在表面能梯度面多排设置，每一排有多个高表面能区域4，上下排的高表面能区域4之间连接，且相邻高表
面能区域4之间也形成三角形，高表面能区域4的其中一个角朝向机翼后侧设置，也即朝向水收集区设置，由多排高表面能区域的设置，将液滴逐渐向水收集区汇集。
43.具体的，每个高表面能区域4由3个形状相同的等边三角形结构组成，3个等边三角形结构分别倒立设置在高表面能区域4的三个角处且互相连接，每一等边三角形的其中一个角朝向机翼后侧设置，也即朝向水收集区设置；相邻的高表面能区域4的设置方式与其内部的等边三角形结构相同，每一排高表面能区域4平行排列，且相邻的高表面能区域4互相连通，每个高表面能区域4均倒立设置，使得高表面能区域4中的一个角指向机翼1后侧。
44.这种设置使得分布在梯形的表面能梯度面2区域内的高表面能区域4的整体表面能高于梯形的表面能梯度面2区域内的其他区域，液滴在固体表面能和laplace压力差的作用下，会从低表面能区域自发地运动到高表面能区域4，又因为高表面能区域4相互之间是联通的，液滴会在表面能区域4之间转移。
45.倒立的三角形结构的设置，增大了高表面能区域4与机翼1前缘水滴的接触面积，能够更好的汇集水滴，且起到导向的作用，从而将水滴导向到机翼1后侧。
46.为了更好的让液滴能够自发的向机翼1的后侧转移，将高表面能区域4中的等边三角形结构设置成亲水条带-疏水条带相间的形式，亲水条带6沿平行于飞机机身方向设置于等边三角形结构，亲水条带6为沟槽形具有导向作用，单条沟槽宽度小于液滴直径，即每滴液滴将横跨多条微沟槽，液滴能够沿沟槽运动。
47.当液滴在高表面能区域4的某一个等边三角形结构内储存一定量时会向下一个等边三角形结构转移，通过逐次的转移过程，液滴最终汇集在水收集区3内，即高表面能区域4内部表面能较大，外部表面能较小，液滴会在高表面能区域4内运动，当运动到和下一个高表面能区域4的连接处时，液滴会沿连接区进入下一个高表面能区域4。
48.其工作原理为：在表面能梯度面2的梯形区域内，由于表面能梯度的存在，液滴在不同区域的接触角会不同，会在自身压力差下向亲水区域聚集。而梯形内部的高表面能区域4的各等边三角形结构中，增设了平行于飞机机身方向的微型沟槽。沟槽宽度小于液滴宽度，当液滴在这些沟槽区域内时，由于其沿着沟槽方向和垂直于沟槽方向的能量障碍不同，液滴会更容易沿着沟槽方向移动，而不是垂直沟槽的方向，沟槽区域本身也是亲水性的，又加上沟槽与液滴之间的毛细力，所以液滴会沿着沟槽向机翼1后缘处聚集。
49.水收集区3为矩形结构，在水收集区3的蒙皮下方铺设有加热装置5，当液滴在水收集区3内结冰时，蒙皮下方的加热装置5工作，通过热量使冰融化脱落，实现机翼除冰，加热装置设置在蒙皮下方，不会改变机翼1的外表面形状，保护了气动外形。
50.可以理解的是，本实施例中的加热装置可以是电热丝、电热板、电热管、电热棒等结构，只要能够便于安装在机翼蒙皮下不影响气动外形即可，这里不做过多限制。
51.在表面能梯度面2和水收集区3的共同作用下，液滴会经历汇集-导向-汇集的过程，整个过程自发进行，降低了能量的消耗，最终液滴会汇集到水收集区3处，当出现结冰时，通过蒙皮下方的加热装置5实现以较小的加热区域和较低的功耗来防除冰。
52.机翼1上表面液滴的具体处理过程如下：
53.当飞机在穿过含有液滴的云层时，液滴黏附在机翼1表面；
54.液滴在固体表面能和laplace压力差的作用下，会从低表面能区域自发地运动到高表面能区域4，高表面能区域4相互之间是联通的，且内部具有亲水性更高的沟槽型亲水
条带6，液滴会沿着沟槽运动，当液滴在高表面能区域4的某一个三角形区域内储存一定量时会向下一个三角形转移。通过逐次的转移过程，液滴最终汇集在水收集区3内；
55.在水收集区3的蒙皮下方铺设有电热丝等加热装置5，液滴结冰时，加热装置5通电加热，将积冰融化，使其脱落。
56.本发明可大大减小现有飞机防除冰技术里热除冰方案的功耗，以较小的加热区域和较低的功耗实现更好的除冰效果。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，包括设置于机翼前端表面的表面能梯度面，表面能梯度面和水收集区相接呈漏斗状；所述表面能梯度面包括多排设置的高表面能区域，高表面能区域呈三角形设置，且每一高表面能区域设置多排等边三角形结构，等边三角形结构和高表面能区域均有一个边角朝向水收集区设置。2.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述等边三角形结构设置成亲水条带-疏水条带相间的形式。3.如权利要求2所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述亲水条带平行于飞机机身方向设置于等边三角形结构，亲水条带为沟槽形。4.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述表面能梯度面每一排设置多个高表面能区域，相邻排高表面能区域相接，相邻高表面能区域互相连通。5.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述高表面能区域的等边三角形结构依次排列，且相邻等边三角形结构互相连接。6.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述表面能梯度面呈梯形，所述水收集区呈矩形。7.如权利要求1或6所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述水收集区的蒙皮下方铺设有加热装置。8.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述表面能梯度面整体表面能高于机翼的其他区域。9.如权利要求1所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置，其特征是，所述表面能梯度面通过光刻工艺对机翼表面进行表面微处理得到，表面能梯度面的表面能呈梯度分布。10.如权利要求1-9任一项所述的基于液滴定向运动的飞机防除冰装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：机翼表面黏附液滴时，液滴在固体表面能和压力差的作用下，会从低表面能区域自发地运动到高表面能区域，高表面能区域相互连通，且内部具有亲水性更高的沟槽型亲水条带，液滴会沿着沟槽运动，当液滴在高表面能区域的某一个三角形区域内储存设定量时会向下一个三角形转移；通过逐次的转移过程，液滴最终汇集在水收集区内；液滴结冰时，在水收集区的蒙皮下方铺设的加热装置通电加热，将积冰融化，使其脱落。

技术总结

本发明公开了一种基于液滴定向运动的飞机防除冰装置及方法，属于飞机防除冰技术领域，包括设置于机翼前端表面的表面能梯度面，表面能梯度面和水收集区相接呈漏斗状；所述表面能梯度面包括多排设置的高表面能区域，高表面能区域呈三角形设置，且每一高表面能区域设置多排等边三角形结构，等边三角形结构和高表面能区域均有一个边角朝向水收集区设置。表面能梯度面具有梯度表面能，打在机翼上的液滴会向表面能高的区域自发运动，从而实现液滴的定向运动和收集，液滴会汇集于梯度表面后方的水收集区。收集区。收集区。