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空客:快速环保的飞机除冰技术——激光直接界面图形化处理技术

空客:快速环保的飞机除冰技术——激光直接界面图形化处理技术
2020年06月02日 18:57 新浪网 作者 轻水兰洲

  江苏激光联盟导读:近日,针对飞机的除冰顽疾,空客发布,他们联合IWS以及TU Dresden联合研究发展了一种激光加工处理工艺来满足一事两需。一方面,在其表面集结的冰会自己掉落,另外一方面,除冰系统只需要非常少的热量来进行除冰。他们联合研发的激光表面图形化处理技术可以实现对飞机机翼的有效驱冰。

  飞机表面上的结冰是一件非常危险的事情。飞机结冰后会导致飞机的拉拖拽力增大和燃油消耗的增加,同时飞机的爬升力下降,从而严重的损坏飞机的灵活性和飞行安全。来自弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute forMaterial and Beam Technology)IWS、空客和德累斯顿工业大学(Technische Universitt Dresden,简写为:TU Dresden )联合研究发展了一种激光加工处理工艺来满足一事两需。一方面,在其表面集结的冰会自己掉落,另外一方面,除冰系统只需要非常少的热量来进行除冰。他们联合研发的激光表面图形化处理技术可以实现对飞机机翼的有效驱冰。

空客:快速环保的飞机除冰技术——激光直接界面图形化处理技术

  飞机旋翼结冰前后的对比图

  飞机机翼表面的结冰对飞机的飞行安全有着极大的危害。飞机翅膀或者其他的关键部位如尾部表面的一薄层结冰都会非常严重的影响飞机的空气动力学效果。此时飞机的爬升力就会显著下降,飞机飞行所需要的拖拽力就会显著增加。在飞机的探测器和传感器等部位的结冰则会造成飞机飞行速度测量错误而导致产生飞行安全方面的危险。这就是为什么雪和冰在飞机飞行前都先需要进行清除的原因。在地面,飞机的除冰尚需要特殊的运动车辆来喷洒化学试剂来碰撞结冰的表面。同时还会采取一种防止结冰的技术处理来防止飞机结冰。然而,这种采取流体的办法对环境是非常有害的而且还很昂贵。更为甚的是,一架飞机一般大概需要400 到 600升的化学除冰剂。在飞机的飞行过程中也需要进行防冰和除冰。在大多数的情况下,防冰系统如加热装置在地面就开始进行这一工作以防止结冰。采用加热进行防冰的最大弊端就是增加了燃油的消耗,影响到了飞机的飞行距离。

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  飞机机翼表面上进行激光界面图形化后的SEM照片,来自空客

  图解:(a-b)激光界面直接图形化的表面SEM照片 (箭头表示LSFL和 HSFL的周期排列);(c-d) LIPSS处理后的两个表面的SEM照片 ( 箭头表示 LSFL 和 HSFL 的周期性排列;(e-f))荷叶的表面进行SEM观察时的形貌图;(g,h)粗糙的表面形貌图;(ij)多孔的表面SEM图.

  Fraunhofer IWS的研究人员采用一种被称之为激光直接界面图形化的技术,同来自空客和TU Dresden的技术团队进行紧密合作,发展一种可以可以在飞机机翼表面形成复杂的、迂回曲折的微纳结构来实现去除并的集聚和加速驱冰。他们是采用超短脉冲激光在飞机机翼的轮廓表面制备出多层级的3D微结构。

  激光表面处理后,一部分表面的结冰就会失去控制而剥落,是否剥落主要取决于结冰状态,或者是结冰到一定厚度后离开物体表面。同时,该技术只需要原来技术20% 的热量消耗。另外一个优点就是该技术可以潜在的减少除冰化学试剂对环境的损害以及乘客等待飞机除冰的时间。同时这技术还提升了飞机的机动性和减少了燃油的消耗。还可以减少飞机飞行所需要携带的燃油的重量,同时由于减少了加热除冰系统的功率,也可以同时降低一部分加热器的重量。这些优势结合在一起,同传统的驱冰技术相比,其优势就更加明显了。

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  结冰研究隧道中对风力机叶片表面模拟霜冰和明冰的冻结过程,时间at 50、100、 300、 600秒时的结冰变化

  这一联合研究团经过多方实验和验证,最终陪研究出一种具有复杂形状的表面图形化织构处理技术。目前模拟的飞机机翼正在空客进行风洞测试。测试时采用激光界面图形织构化处理和未处理的样件在实际工况下进行模拟测试。测试时的温度低于零下10摄氏度,并在不同的条件下的湿度均进行测试。

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  激光处理后进行风洞测试时在一定时间之后叶片上的结冰自动脱落,来自空客

  来自空客的研究伙伴透漏,激光界面织构图形化的样件在结冰的时候具有自我限制的特点。实际上,激光处理后,结冰会在达到一定程度后自行掉落,而并不需要加热就可以实现结冰的自行坠落。额外的实验也表明,对于没有激光处理的样件,则需要花费70秒的时间和60W的加热功率来进行去冰。但对于激光处理后的样件,在同样厚度的结冰条件下,采用加热的办法除冰并采取同上述去冰一样的加热功率,仅仅只需要5秒钟就卡行业内去冰。这表明激光处理后的样件在去冰时期速度提升了超过90%。而对没有进行激光处理的表面,则需要花费超过75W或25% 的热量来进行去冰。

  这一实验结果非常令人惊奇,首次从立项到现实,展示了激光进行大面积的表面织构化处理而取得如此显著的驱冰效果。

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  飞机机翼上的激光处理后表面是排斥水的,即水不粘附,来自空客

  将激光微纳表面织构化技术应用于金属表面的处理来实现防水和防冰,这是受到大自然的启发。这一启发就是人们常说的荷叶效应。研究人员采用激光界面织构图案化技术制备出类似碎裂的表面可以显著的减少水滴的粘附。

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  激光处理与否的表面在零下几度时仅几秒钟就发生的结冰和不结冰的对比图,来自空客

  飞机表面上的结冰对飞行安全至关重要,尤其是在着陆阶段。在飞机穿过大气层且温度在零点以下的时候,其表面会在毫秒(即千分之一秒)内迅速的结冰。这将由于空气动力学受到影响而打破着陆的控制系统的灵活性和机动性。在以前我们都是采用来自飞机发动机中的热量来对系统进行加热。如今我们(指空客)和Fraunhofer IWS以及TU Dresden在欧盟项目的资助下开展的这一项目,其目的是为了将传统的除冰技术进行替代升级,并使用环境友好、成本效益更好的技术来实现除冰。 该团队的下一步就是针对不同型号的飞机来实现优化。紧接着进行进行实际飞机的飞行测试,测试飞机的信号拟定为A350飞机。

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  激光直接处理得到的复杂 蜿蜒而行的微纳结构可以防止结冰和加速冰的脱落

  目前研究团队已经取得了通过超短脉冲激光进行界面织构图形化的关键技术。这一技术可以在多个场景得到应用,如在风机叶片上制备功能性结构或其他部件可能需要用来除冰或不能结冰的部位。同时该技术还可以用在其他不同的领域,如需要进行保护的产品、生物兼容性的植入物和提高电子材料的接触性能等。同时该技术目前可以实现大面积的激光处理,且可以实现高速度的快速处理,但唯一美中不足的就是,处理起来在方便的程度上有点遗憾。

  延伸阅读:

  1.飞机受冻也是飞机必须经过的一项严苛的考研。所以:只为了绝对的安全!飞机在极寒测试中饱受摧残。 麦金莱气象实验室内承受冰冻试验的F-117, 每个工作间又下辖多个分室。这些功能各异、设备先进的工作室可以对全球20多种气候环境进行研究和模拟。如“雨实验室”每小时下的暴雨可达15英寸,并能下雪和结冰;“风实验室”,从风平浪静到刮起30米/秒的飓风,所用时间不到3分钟;“气温实验室”可以使室内温度从80摄氏度迅速降至零下40摄氏度;在“雷(电)实验室”里,刚才还是晴空万里、微风和煦,转眼之间就是乌云密布、电闪雷鸣;“沙漠实验室”则装有140盏高能太阳灯,在灼热的灯光照耀下,室内温度与非洲沙漠正午时的闷热别无两样。而最大的实验室要属“海洋实验室”,水温、海上风浪、深度可以自行调节。

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  麦金莱气象实验室内承受冰冻试验的F-117 及机翼上的结冰

  2.飞机防除冰比较常用的有四种方式:化学液体防冰,气热防冰,电热防冰和机械除冰。

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  气热防冰,是将热气源导入到机翼、尾翼前沿等需要防冰的部位,防止结冰。

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  电热防冰,是将带状、丝状或薄膜状的加热元件嵌入飞机易结冰的部位结构内部,采用通电加热的方式防、除冰。

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  机械除冰,指在机翼前沿安装一层可膨胀的橡胶管带,平时这些管带紧贴机翼,结冰后,给管带进行充放压,产生周期性的膨胀收缩,表面的冰层会破碎,并被气流吹走。

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  化学溶液除冰,是将防冻液喷洒到飞机结冰表面进行防冻和除冰,防冻液是冰点很低的化学液体,它们使水的冰点降低,使已形成的冰层融化,通常情况下是飞机停留在地面上产生结冰时,使用除冰车喷洒的方式进行除冰。

  来源:Design Rules for LaserTreated Icephobic Metallic Surfaces for Aeronautic Applications,Vittorio Vercillo Simone Tonnicchia JeanMichel Romano Antonio GarcíaGirón Alfredo I. AguilarMorales Sabri Alamri Stefan S. Dimov Tim Kunze Andrés Fabián Lasagni Elmar Bonaccurso,First published:24 February 2020 https://doi.org/10.1002/adfm.201910268,Advanced Functional Materials;

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