基于太阳能光热与石墨烯电热的飞行器防除冰控制方法与流程

本发明涉及飞行器防冰除冰，尤其涉及基于太阳能光热与石墨烯电热的飞行器防除冰控制方法。

背景技术：

1、飞行器在低温、高湿或者含有过冷水滴的环境中飞行时，机翼、尾翼及旋翼叶片等表面容易结冰，进而影响飞行器的气动性能和飞行安全。现有电热防除冰方式通常需要持续消耗机载电能，在氢电混合动力飞行器或者电动飞行器中，容易增加能源系统负担。

2、太阳能光热可以为待防除冰表面提供热量，石墨烯电热则具有响应速度快、便于分区控制的特点；

3、但现有控制方式通常仅根据表面温度或者太阳辐照强度启停电加热，难以准确区分低温未结冰状态和实际结冰状态，也未能根据不同区域的受光条件、结冰程度及气动重要性合理分配有限的电热功率。

4、因此，需要设计一种基于太阳能光热与石墨烯电热的飞行器防除冰控制方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于太阳能光热与石墨烯电热的飞行器防除冰控制方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于太阳能光热与石墨烯电热的飞行器防除冰控制方法，飞行器的待防除冰表面被划分为多个热控制区域，各热控制区域分别设有太阳能光热层、石墨烯电热区域和温度检测单元，包括以下步骤：

4、s1：获取环境温度、环境湿度、液态水含量、太阳辐照强度、太阳入射方向、飞行速度、飞行姿态、飞行器能源状态以及各热控制区域的表面温度；

5、s2：根据环境温度、环境湿度、液态水含量、飞行速度和表面温度确定各热控制区域的结冰风险，根据太阳辐照强度、太阳入射方向和飞行姿态确定各热控制区域的太阳能光热功率，并调用预先建立的区域热响应模型，预测各热控制区域在无冰状态下的温度响应，根据表面温度、太阳能光热功率及防冰目标温度确定初始电热功率需求；

6、s3：对满足结冰检测触发条件的热控制区域施加检测加热脉冲，根据实际温度响应与无冰状态下的预测温度响应之间的偏差判断该热控制区域是否结冰；对于判定结冰的热控制区域，根据所述偏差确定结冰修正量，将其控制目标温度切换为除冰目标温度，并根据除冰目标温度和结冰修正量确定修正后的电热功率需求；对于未满足结冰检测触发条件或者未判定结冰的热控制区域，以防冰目标温度作为控制目标温度，并将初始电热功率需求作为修正后的电热功率需求；

7、s4：根据飞行器能源状态确定允许电热功率，在所述允许电热功率和各热控制区域的温度上限约束下，按照各热控制区域的控制优先级分配电热功率，通过对应的石墨烯电热区域进行防冰加热或者除冰加热；

8、s5：在加热过程中更新太阳能光热功率、表面温度和电热功率需求；对于未结冰的热控制区域，当当前表面温度和预测的下一控制周期表面温度均不低于防冰目标温度时，降低或者停止电热功率；对于判定结冰的热控制区域，当表面温度达到除冰目标温度时，降低或者暂停除冰加热并再次施加检测加热脉冲，当复检得到的实际温度响应与无冰状态下的预测温度响应之间的偏差不超过预设清冰响应偏差时，结束除冰并将控制目标温度切换为防冰目标温度。

9、进一步的，多个热控制区域至少包括飞行器迎风前缘区域、上表面区域和下表面区域；太阳能光热层设置在对应待防除冰表面的外侧，石墨烯电热区域设置在太阳能光热层的内侧并与其导热连接，各石墨烯电热区域分别设有独立供电通道，各热控制区域之间的热传导参数预先标定并用于所述区域热响应模型。

10、进一步的，结冰风险的确定包括：

11、根据环境温度和表面温度相对于预设结冰温度的偏差确定温度风险分量；

12、根据环境湿度和液态水含量确定水分风险分量；

13、根据飞行速度确定对流换热风险分量；

14、对所述温度风险分量、水分风险分量和对流换热风险分量进行融合，得到结冰风险；当结冰风险达到预设风险阈值且表面温度不高于预设检测温度时，判定对应热控制区域满足结冰检测触发条件。

15、进一步的，各热控制区域的太阳能光热功率根据该热控制区域的太阳辐照强度、有效受光面积、太阳能光热转换效率、太阳光线与区域表面法向之间的夹角以及遮挡系数确定，所述夹角根据太阳入射方向和飞行姿态确定。

16、进一步的，所述区域热响应模型根据各热控制区域的等效热容量、对流换热系数、有效换热面积、石墨烯电热转换效率和热控制区域之间的热传导参数建立，以当前表面温度、太阳能光热功率、石墨烯电热功率、相邻热控制区域的表面温度、环境温度和飞行速度为输入，输出无冰状态下的预测温度响应。

17、进一步的，检测加热脉冲的功率小于对应热控制区域的除冰加热功率，持续时间短于一次除冰加热周期；

18、所述实际温度响应包括检测加热脉冲作用期间的实际升温速率和停止检测加热脉冲后的实际温度恢复时间，所述预测温度响应包括相同飞行工况和相同检测加热脉冲下的预测升温速率和预测温度恢复时间；

19、当实际升温速率低于预测升温速率的差值或者实际温度恢复时间大于预测温度恢复时间的差值达到对应的预设结冰确认阈值时，判定对应热控制区域结冰，并根据所述差值以及飞行速度、环境温度和飞行姿态确定结冰修正量。

20、进一步的，各热控制区域的控制优先级根据结冰风险、结冰修正量、表面温度相对于对应控制目标温度的偏差以及该热控制区域对飞行器气动性能的影响程度确定；

21、当允许电热功率小于各热控制区域修正后的电热功率需求之和时，按照控制优先级由高至低分配电热功率，其中，迎风前缘区域的控制优先级高于上表面区域和下表面区域的控制优先级。

22、进一步的，各热控制区域的控制模式包括：

23、光热保持模式，用于区域热响应模型预测太阳能光热功率和区域热储备能够使表面温度维持在防冰目标温度以上的未结冰热控制区域；

24、电热补偿模式，用于区域热响应模型预测需要电热补偿的未结冰热控制区域；

25、脉冲除冰模式，用于判定结冰的热控制区域，按照由加热阶段和响应检测阶段组成的控制周期输出石墨烯电热功率。

26、进一步的，根据表面温度相对于防冰目标温度的温度差以及热控制区域的等效热容量确定区域热储备，根据区域热储备和预测热损失确定表面温度下降至防冰目标温度的剩余维持时间；

27、当太阳能光热功率不足以补偿预测热损失且剩余维持时间不超过预设时间阈值时，将对应热控制区域由光热保持模式切换至电热补偿模式；

28、当太阳能光热功率能够补偿预测热损失且表面温度连续达到防冰目标温度的时间不短于预设保持时间时，将对应热控制区域由电热补偿模式切换至光热保持模式。

29、进一步的，当任一热控制区域的表面温度达到温度上限时，停止对应石墨烯电热区域的供电；当温度检测单元、石墨烯电热区域的供电通道或者飞行器能源系统出现异常时，对对应热控制区域实施限功率或者停止加热，并优先保证飞行器推进系统和飞行控制系统的供电。

30、与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、1：根据太阳辐照强度、太阳入射方向和飞行姿态确定各热控制区域的太阳能光热功率，并根据太阳能光热功率与区域热储备调节石墨烯电热功率，能够优先利用太阳能光热，减少飞行器防除冰过程中的电能消耗。

32、2：通过施加检测加热脉冲，将实际温度响应与区域热响应模型预测的无冰状态温度响应进行比较，以判断热控制区域是否结冰，能够减少仅根据表面温度进行结冰判断所产生的误判。对于未结冰区域，以防冰目标温度进行温度保持；对于判定结冰的区域，则切换至除冰目标温度，并结合结冰修正量确定电热功率需求，使防冰控制和除冰控制与区域实际状态相适应。

33、3：根据结冰风险、结冰修正量、温度偏差和区域气动敏感程度分配电热功率，使有限电能优先用于已结冰区域和迎风前缘等重要区域。同时，通过光热保持模式、电热补偿模式和脉冲除冰模式之间的切换，降低石墨烯电热区域的无效运行和频繁启停。

34、4：在表面温度达到除冰目标温度后，再次通过检测加热脉冲进行除冰复检，避免仅以表面温度达到设定值作为除冰结束依据，从而提高除冰完成判断的可靠性。

35、综上所述，本发明通过太阳能光热功率评估、无冰温度响应预测、检测加热脉冲结冰识别、分区域电热功率分配和除冰复检，实现太阳能光热与石墨烯电热的协同控制，在保证防除冰效果的同时降低电能消耗，并提高结冰判断和除冰结束判断的准确性。