一种电磁感应加热超材料装置及飞行器的制作方法

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种电磁感应加热超材料装置及飞行器。

背景技术：

1、飞行器在高空中飞行，面临着高空低温高湿的环境，机身的迎风部位，例如风挡、机尾翼前缘、螺旋桨、发动机进气道等，表面容易结冰。结冰之后，表面冰层会增加飞行器的重量，不仅如此，还会影响飞行器的气动性能，使得飞行器的飞行阻力增加，升力减小，并增大了失速速度，使得飞行器的飞行安全裕度大幅度减小。结冰不仅会使得气动性能恶化，同时还会使发动机的功率下降，仪表读数不准，风挡视界不清，极易造成安全事故发生。

2、另一方面，表面冰层还会影响对电磁波的反射，进而增大飞行器的整体雷达散射截面积，影响飞行器的生存能力。雷达散射截面积（radar cross section，rcs）是一个衡量目标反射雷达波能力的物理量，单位为平方米（m²），为了便于对比，通常换算成对数的形式（dbsm）。越小的雷达散射截面积意味着目标反射的探测雷达波越少，被探测的可能性越低，目标生存性能越强。

3、因此，飞行器结冰时飞行中一个不容忽视的问题，飞行器上必须要装载除冰系统，用于除去机身表面的冰层。

4、目前，应用最广泛的是电加热防除冰系统。通过在飞行器的关键部位（如螺旋桨前缘、风挡玻璃等）安装电热丝或电热膜。通电后，电加热元件发热，使得机身表面温度升高，防止结冰或融化冰层。该技术方案虽然能实现均匀加热，但是电加热元件以及电加热元件的供电金属片将会引起较大的电磁散射，增加飞行器的雷达散射截面积，对飞行器的性能造成非常大的影响。电加热防除冰系统中电加热系统的供电金属片结构示意图，举例如图1所示，为一个矩形形状的金属片。当频率为1ghz的电磁波从图1的左侧垂直入射供电金属片，不同极化下的雷达散射截面积仿真结果如图2所示。从图2中可以看出，对比hh极化和vv极化，在±30°的入射角域范围内，hh极化的雷达散射截面积值-15.69 dbsm比vv极化雷达散射截面积值-72.33 dbsm高出大约47db。将雷达散射截面积值的单位从db换算成m2，可以得到hh极化的雷达散射截面积值为0.027m2，vv极化的雷达散射截面积值为5.8*10^（-8）m2,两者的雷达散射截面积相差约46万倍。因此，该供电金属片在hh极化入射时将造成较大的雷达散射截面积，有明显的缺陷。

技术实现思路

1、本发明实施例提出一种电磁感应加热超材料装置及飞行器，至少解决了如何既能实现升温加热，也不会产生较大雷达散射截面积的技术问题。

2、本发明一方面提出了一种电磁感应加热超材料装置，其包括阻抗匹配器、第一线圈和蒙皮，所述蒙皮上设置有电磁超材料；所述电磁超材料包括多个第二线圈，所述多个第二线圈均设置在第一线圈的周围并均与第一线圈无接触；

3、所述第一线圈用于通过阻抗匹配器接收射频电源的输出功率，并产生交变电磁场；所述阻抗匹配器用于实现所述射频电源与第一线圈之间的阻抗匹配；

4、所述多个第二线圈中的每个第二线圈用于在所述交变电磁场中产生感应的交变电流，并产生热量使得电磁超材料升温。

5、较佳地，所述射频电源和阻抗匹配器通过导线连接，所述阻抗匹配器和第一线圈也通过导线连接。

6、较佳地，所述第一线圈的形状为圆环，所述多个第二线圈的形状均为圆环；或者

7、所述第一线圈的形状为方形环，所述多个第二线圈的形状均为方形环。

8、较佳地，所述多个第二线圈完全相同，每个第二线圈的尺寸均小于所述第一线圈的尺寸。

9、较佳地，所述第一线圈的材质为铜，所述多个第二线圈的材质均为铁磁性材料、铝或铜。

10、较佳地，所述蒙皮的形状为倒v字形，所述多个第二线圈分别设置在蒙皮的两侧；所述第一线圈设置在呈倒v字形的蒙皮的底部开口处，所述第一线圈与所述蒙皮无接触。

11、较佳地，位于蒙皮左下侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离为最小距离，位于蒙皮右下侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离也为最小距离，对应于蒙皮左下侧和蒙皮右下侧处的电磁超材料产生的升温最高；

12、位于蒙皮左中侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离为中间距离，位于蒙皮右中侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离也为中间距离，对应于蒙皮左中侧和蒙皮右中侧处的电磁超材料产生中等的升温；

13、位于蒙皮中间的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离均为最大距离，对应于蒙皮中间处的电磁超材料产生的升温最低。

14、较佳地，所述电磁超材料产生的温度随着所述电磁超材料的至少一个第二线圈与第一线圈之间距离的减小而升高。

15、较佳地，所述电磁超材料的不同升温通过调节所述交变电流的峰值大小、所述电磁超材料的至少一个第二线圈与第一线圈之间的距离中的至少一者来实现。

16、较佳地，所述阻抗匹配器用于将第一线圈的阻抗调整至近似于或者等于射频电源的源阻抗的共轭复数。

17、较佳地，所述阻抗匹配器包括一个或者多个可调电感和/或可调电容，所述阻抗匹配器用于通过调节所述可调电感的电感值和/或可调电容的电容值将第一线圈的阻抗调整至近似于或者等于射频电源的源阻抗的共轭复数。

18、本发明另一方面提出了一种飞行器，包括上面描述的电磁感应加热超材料装置，所述电磁感应加热超材料装置包括所述射频电源，所述电磁感应加热超材料装置设置于所述飞行器的机身内部。

19、本发明的有益效果在于：

20、本发明所述电磁感应加热超材料装置既能通过电磁感应的方式进行升温加热，也不会产生较大雷达散射截面积。

21、本发明通过对机身结冰区域的电磁超材料进行电磁感应加热升温除冰，所使用的电磁感应加热超材料装置（电磁感应加热超材料装置包括射频电源、阻抗匹配器、第一线圈和电磁超材料）都位于飞行器的机身内部，与机身表面的结构无接触，不存在现有技术中的电加热防除冰系统的供电金属片，因此不增大飞行器的雷达散射截面积。

22、本发明创新性的利用机身表面可以减小雷达散射截面积的电磁超材料本身的涡流效应，在不对机身除冰区域增加额外改变的情况下达到升温效果。

1.一种电磁感应加热超材料装置，其特征在于，包括阻抗匹配器、第一线圈和蒙皮，所述蒙皮上设置有电磁超材料；所述电磁超材料包括多个第二线圈，所述多个第二线圈均设置在第一线圈的周围并均与第一线圈无接触；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一线圈的形状为圆环，所述多个第二线圈的形状均为圆环；或者

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第二线圈完全相同，每个第二线圈的尺寸均小于所述第一线圈的尺寸。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一线圈的材质为铜，所述多个第二线圈的材质均为铁磁性材料、铝或铜。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒙皮的形状为倒v字形，所述多个第二线圈分别设置在蒙皮的两侧；所述第一线圈设置在呈倒v字形的蒙皮的底部开口处，所述第一线圈与所述蒙皮无接触。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，位于蒙皮左下侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离为最小距离，位于蒙皮右下侧的至少一个所述第二线圈与第一线圈之间的距离也为最小距离，对应于蒙皮左下侧和蒙皮右下侧处的电磁超材料产生的升温最高；

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁超材料的不同升温通过调节所述交变电流的峰值大小、所述电磁超材料的至少一个第二线圈与第一线圈之间的距离中的至少一者来实现。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻抗匹配器用于将第一线圈的阻抗调整至近似于或者等于射频电源的源阻抗的共轭复数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述阻抗匹配器包括一个或者多个可调电感和/或可调电容，所述阻抗匹配器用于通过调节所述可调电感的电感值和/或可调电容的电容值将第一线圈的阻抗调整至近似于或者等于射频电源的源阻抗的共轭复数。

10.一种飞行器，包括如权利要求1至9任意一项所述的电磁感应加热超材料装置，所述电磁感应加热超材料装置包括所述射频电源，所述电磁感应加热超材料装置设置于所述飞行器的机身内部。