Sistem de Degivrare prin Unde Ultrasonice de Forfecare pe Înveliș la Palele Rotorului

Un nou concept non-termal de degivrare pentru palele rotorului unui elicopter, este introdus. Calculele teoretice prevăd că anumite modele ultrasonice generate de undele de forfecare orizontale produc o interfaţă de stres suficientă între structura gazdă şi cea de gheaţă pentru îndepartarea stratului de gheaţă format. Obţinute experimental, curbele de dispersie generate de forfecarea cu ultrasunete sunt comparate cu prezicerile teoretice pentru un sistem format din mai multe straturi ca cele de oţel şi de gheaţă. Traductoarele de forfecare electromagnetice (EMAT) sunt utilizate pentru a genera unde orizontale de forfecare în structură.

Rezultate experimentale validează prezicerile teoretice pentru modurile de forfecare pe o placă de oţel de 9 mm şi aceeaşi placă acoperită cu un strat de gheaţă de 3,5 mm. Pentru a obţine o frecvenţă curbă pe domeniul de dispersie, două transformări dimensionale Fourier sunt aplicate pe 64 de tipuri de unde formate de 16,384 de mostre de puncte pentru fiecare in parte. Rezultatele experimentale susţin prezicerile teoretice pentru cazul în care avem o placă plană de oţel de 9 mm şi o alta placă plană de 9 mm acoperită cu un strat de 3,5 mm de gheaţă în termen de 5% şi 8%. Testele experimentale sunt efectuate într-un prototip de degivrare format din actuatori piezoelectrici şi o placă de aluminiu. Studiile privind efectele undelor ultrasonice asupra rezistenţei gheţii la diferite frecvenţe şi amplitudini sunt efectuate în continuare. În timp ce amplitudinea stratului de forfecare creşte, grosimea stratului de gheaţa scade.

Odată ce frecvenţa conducătoare se apropie de rezonanaţa ultrasonică a sistemului, puterea de aderare a gheţii pe suprafaţa învelisului scade. O reducere de 100% a stratului de gheaţă fixat pe înveliş a fost atinsă, când elementul de comandă a fost adus la o frecvenţă de rezonanaţă şi o amplitudine de 450V pentru o perioadă de 90 de secunde. Acest element de comandă a topit un strat de gheaţă de 1,5 mm într-un timp mai mic de 5 minute când a fost dus pentru prima data la o rezonanaţă de frecvenţă ultrasonica a sistemului (130 KHz) şi la o amplitudine de 450V. În aceleaşi condiţii date, sistemul previne înghetarea apei pe o structură de aluminiu la o temperatură de -150C. Vibraţiile ultrasonice au efect pe o zonă de 8 cm departare de locul în care se află elementul de comandă.

INTRODUCERE

Palele elicopterelor si a tiltrotorului opereaza la temperaturi de pana la -100C motiv pentru care tind sa colecteze gheata pe majoritatea bordurilor de atac ale palelor. Apa poate ingheta in momentul impactului cu bordul de atac al palelor rotorului, cand exista o combinatie intre o temperatura apropiata celei de inghet, viteza mare si o concentratie mare de umezela in mediul ambiant. Performanta acesteia scade in timp ce gheata se acumuleaza, alterand stagnarea punctului geometric al palei. Nivele mari de vibratii apar datorita depunerii stratului de gheata pe pale. Formele inegale si o distributie neuniforma datorata ghetii modifica considerabil curgerea in jurul profilului aerodinamic modificand portanta si rezistenta la inaintare ale palei. Trecerile premature, vibratiile datorate dezechilibrului masic si separarea curgerii devine o preocupare semnificanta legata de siguranta pentru aparat si echipaj. Cuplul necesar pentru a mentine portanta aeronavei creste odata cu ingrosarea stratului de gheata. Datorita fluctuatiilor mari ale rezistentei la inaintare pentru perioade scurte de timp duc la cresterea cuplului. Limitele transmisiei sau alea motorului pot fi atine in timpul acestor fluctuatii periculoase, fiind imposibil pentru pilot, mentinerea unei conditii de zbor date. Rostul de gheata este o problema majora ce a fost semnalata in urma acumularii de gheata pe palele rotative ale unei aeronave.

Skavuzo a demonstrat cum forţa de forfecare de la intersecţia stratului de gheaţă şi bordul de atac al profilului creşte liniar odată cu grosimea gheţii. Când forţa de forfecare creşte depăşind valoarea ultimă a rezistenţei de fixare, gheaţa se va desprinde, degajând bucăţi de gheaţă ce pot provoca deteriorari serioase aeronavei. Este crucial pentru sistemele de degivrare şi prevenire a îngheţului montate pe rotor, să intervină în cazul condiţiilor menţionate anterior.

Cele două tipuri de gheaţă ce apar pe palele rotative sunt de tip brumă şi smalţ (Figura 1). Acestea apar în urma diferitelor condiţii de zbor afectate de: viteaza de înaintare şi cea indusă, conţinutul de apă din atmosferă, distribuţia şi marimea picăturilor şi temerpatura întâlnită. Ultimii doi factori, distribuţia picăturilor şi temperatura par să aibă cea mai mare influenţă asupra tipului de gheaţă format. Ideal, un sistem ce ar prevenii formarea unui strat de gheaţă, ar fi implementat pentru a preîntampina toate efectele negative ce pot aparea pe palele rotorului.

Numeroase sisteme anti/degivrare au fost create şi aplicate pe rotoarele aeronavelor. În Tabelul 1 este prezentat un rezumat al sistemelor de degivrare şi anti-înghet existente pe palele anumitor rotoare. Capacele de protecţie alea bordului de atac sunt confecţionate din materiale metalice pentru prevenirea corodării. Aceste materiale sunt înlocuite de materiale polimere cu rezistenţă mare la eroziune. Aceasta este zona protejată de capacele de eroziune pe care gheaţa aderă în condiţii de formare a gheţii. Sistemele de degivrare termică nu sunt adecvante acestor noi capace de protecţie a bordului de atac deoarece conductivitatea termică mică a materialelor polimere duc la topirea acestora când sunt supraîncălzite.