电流脉冲激励时 , 将在金属平板和线圈之间产生 一个相互排斥的力 。
1 电脉冲除冰系统的原理与应用
111 电脉冲除冰机理 E ID I系统是电动-机械除冰系统的一种 , 其主
电路结构如图 1所示 。
图 3 流过脉冲线圈的电流
由于线圈和金属平板中的电流都是环形流动 的 , 可以假设在任意一段很短的距离内 , 电流流 经的都是小段的平行导体 , 而电流又是连续的 , 那么情况就和流过电流方向相反的平行两导体相 互排斥的情况相同了 。图 4 示出最终线圈与金属 平板会产生相互排斥的力的作用 。
以上关系曲线一定程度上反应了欲得到某一
68 飞 机 设 计
第 28卷
电流所需要的系统参数的变化趋势 , 而电流大小 会影响到脉冲力作用 , 是决定除冰效果好坏的关 键 。因此可作为试验设计和试验结果评估的依据 。
第 p个单元的阻抗为 ΔRp , 流过电流为 xp , 各个 单元存在自感 M pp 和互感 M pq , 并且有与线圈间 互感 M pk 。
国内在这方面研究起步较晚 , 无论理论还是 实践方面都与发达国家差距较大 。
2 系统充放电电路设计与分析
211 模型与计算方法 抽象出的理想模型相当于二阶的 RLC放电回
路 , 电路模型见图 6。
图 6 电脉冲除冰系统的电路模型
开关闭合之后 , 原本储存在 C 中的能量开始 向 R 和 L 释放 , 在整个动态过程结束之后 , 能量 全部转化到线圈 L 中 , 开关断开 。如有需要 , 电 容再次充电 。由基尔霍夫第二定律不难得出整个 电路中电压的关系为 :
3 电动力学模型的建立与分析计算
311 建模方法与相关假设
文献 [ 5 ]中给出了两种较复杂的建模方法 ,
分别是 Henderson 模型和 B ernhart - Schrag 模 型 ,
经过比较分析 , 这里选用 B ernhart- Schrag模型进
行系统关键参数的计算 。由于翼型的复杂性 , 在
第 28卷 第 1期 飞 机 设 计 2008年 2月 A IRCRA FT D ES IGN
文章编号 : 1673- 4599 (2008) 01- 0064- 07
V o l128 N o11 Fe b 2008
图 4 两平行导体流过反向电流时的受力情况
安装时 , 在机翼蒙皮内侧放置电脉冲线圈 , 线圈与蒙皮间有一小间隙 , 防止线圈与蒙皮相碰 。 根据前缘的尺寸和形状 , 沿翼展放置适当个数的 线圈 。线 圈 由 前 粱 或 安 装 于 翼 肋 上 的 横 粱 支 承 [ 3 ] , 图 5示出一个典型安装在翼展方向的系统 。
图 1 电脉冲除冰系统基本电路
工作原理 : 电源电压经升压电路升压 , 给电 容器充电 , 充电到需要电压值后断开电源 , 触发 可控硅整流器 ( SCR )使电容器向线圈放电 , 线圈 中流过强大的瞬时脉冲电流产生的磁场 , 作用在 金属蒙皮内 , 使之产生感应涡流 (如图 2 所示 ) , 使线圈与蒙皮之间产生作用时间为 m s级 、大小 为几百至上万 N 的排斥力 。此脉冲力使蒙皮在弹 性变形范围内进行小振幅 、高加速度的运动 , 冰 被击碎松解 , 并依靠气流吹走脱落 。在本文研究 中将使用一块金属平板作为试验对象 , 其材料与 机翼蒙皮相同 。
im
=
u0
ωL
e-δt
( 16 )
212 计算结果与分析
用 MATLAB 编写 M 文件可以计算在电压 U 、
线路总电阻 R 、线圈电感 L 、电容值 C 中的一个
为变量 , 其余 3个值是定值时的线圈电流的变化
趋势 。
图 7～图 9 依次给出了电容充电电压 、线路
电阻 、线圈电感和电容值对峰值电流的影响 。根
Key words: electro- impulse de - icing ( E ID I) ; electro - dynam ical model; coil current; eddy cur2 rent; normal force
美国一项统计指出在 1983～2003年间 , 由结 冰造成的事故 约占飞 行总 事故 的 13%。去年 4 月 , 美国联邦航 空管 理局 ( FAA ) 的记 录表 明在 2004到 2005年的结冰季节里 , 共发生了 6 起相 关事故 [ 1 ] 。在国内进入 90年代以来 , 由于结冰原 因造成的事故也呈逐年上升趋势 , 特别是 2006年 的 “613空难 ”, 由于多次穿越结冰区而导致机上
- uC + uR + uL = 0
(1)
又有
i = - C duC
(2)
dt
进一步可以得到
uR
= Ri
= - RC duC dt
(3)
uL
=L
di dt
=-
LC
d2 uC d t2
(4)
将上述式 (3) 、 (4)代入式 (1)得
LC
d2 uC d t2
+ RC duC dt
+ uC
=0
(5)
这是一个关于 uC 的常系数二阶方程 , 当 R
(2) 电路总等效电阻的变化导致放电时间和 到达峰值电流的时间都变化 , 但包括峰值电流在 内所受到的影响是比较小的 ;
(3) 电感增大时电流峰值减小 , 电容增大峰 值电流增大 , 但电容的变化对峰值电流的影响大 一些 ;
(4) 峰值电流出现的时间基本上在整个放电 周期的 1 /5到 1 /4时间范围内 。
收稿日期 : 2007- 08- 17; 修订日期 : 2007- 12- 05
40人全部遇难 。 目前使用的防 /除冰方法包括 : 引气式防冰 、
气囊除冰 、防冻剂防冰和电热防冰等 , 但它们都 存在一定局限性 , 不能满足新飞行器的性能要求 , 因此开发研究安全可靠的除冰系统是当务之急 , 电脉冲除冰的新技术应运而生了 。
A stronautics, B eijing 100083, China)
Abstract: Electro- Impulse De- Icing is classified as a electric- m echanical m ethod to expel ice on air2 craft. This technology arose in the 80 th age last century. Interiorly, as a result of commencing late it is lack of interrelated research and conclusion about electro- impulse de- icing. This paper addresses an essentiality and study methods about the system and gives out the results of calculation and design for the circuit at first, and then p resents an electro- dynam ical model to calculates key parameters and p rotracts their graphs. A t last, valuable analysis and evaluation according to a design examp le is given to solve further p roblem s.
据工程上实现的元器件参数性能要求 , 对定值的
选取为 : U = 1 000 V , R = 011Ω , L = 10μH , C =
第 1期 姚 远 等 : 电脉冲除冰系统的建模与计算分析
67
400μF, 每组计算了 20个相应变量的点 , 各点连 接得到曲线图 。图 10 是在一个放电周期内 20 个 对应时间点上线圈电流随时间的变化曲线 。
β
=
ω a rc sinω
( 13 )
0
利用三角函数的幅相换算关系 , 最后得到二
阶 RLC放电回路的电容电压表达式和电感电流表
达式分别为 :
uC
=
u0ω0 ω
e-δt
sin (ωt
+β)
( 14 )
i = - C duC dt
=
u0
ωL
e-δt
sin
(ωt)
( 15 )
不难看出 , 峰值电流的大小为
2
L 时,
C
特征根
p1 ,
p2 是一对共轭复数
δ= R
(6)
2L
ω2 = 1 - R 2
(7)
LC 2L
那么 , 特征根为
p1, 2 = - δ ±ωj
(8)
谐振频率
ω o
=
1
= δ2 +ω2
(9)
LC
推出
可以得到
ω=
ω2 0
- δ2
δ
=
ω 0
co
sβ
ω
=
ω 0
sinβ
( 10 ) ( 11 ) ( 12 )
NASA 的刘易斯研究中心在冰风洞已做了大 量关于该除冰系统的测试 , 另一部分在美国进行 的飞行测试是由 NASA 和 Cessna飞机公司共同进 行的 。试验过的机型包括 : Cessna - 206, B eech,
Tw in O tter, Gates Learjet, LearFan, Rohr Falcon, Boeing 757[ 4 ] , 在所有这些被试验对象中 , 都成 功地完成了除冰 。
迄今为止 , 美 、欧等国的许多研究中心和相
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