一种用于直升机尾桨叶防冰的PTC柔性加热膜及加热组件的制作方法

一种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜及加热组件
技术领域
1.本发明属于桨叶防冰设计技术领域，具体涉及一种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜。


背景技术：

2.直升机在空中飞行时，遇到结冰条件，空中的过冷水滴会与旋翼翼型前缘部分撞击，水滴不断收集，会在直升机前缘部分结冰，破坏翼型的流场，使得升力骤降。旋翼尾桨叶防冰系统可以防止尾桨叶结冰。防冰系统指不允许防冰部位产生结冰现象的系统，在结冰环境中，防冰系统需要一直开启工作，保证防冰部位不会产生结冰现象。旋翼防除冰系统经过多年的研究发展，在直升机上应用的尾桨叶防冰系统按使用能量的不同可以分为以下几类：液体防冰系统、气热防冰系统和电加热防冰系统。目前，电热防冰系统应用较为广泛，在多种型号直升机上都采用的这种防冰方式，如美国的ch-47、ch-53、uh-60、s-92，法国的as332、nh-90，俄罗斯的mi-8、mi-17、mi-26等直升机。
3.目前直升机尾桨叶上采用的电加热的防冰系统都是以金属作为发热元件的，主要是由金属加热元件、温度传感器、控制器、集流环等部分组成，其中，金属加热元件将电能转换成热能，温度传感器和控制器的作用是探测尾桨叶加热组件和桨叶界面的温度，进行控制，防止温度超温，集流环是将机体上的电能提供到尾桨叶上。将加热组件布置在尾桨叶前缘，加热元件将防冰电能转换成热能，可以起到防冰的作用。现有的以金属作为发热元件的电加热防冰系统，组件构成较多，附加重量较多。
4.ptc(positive temperature coefficient)材料又名正温度系数热敏材料，这类材料具备电阻率随温度升高而增大的特性，即它具有热敏、限流、延时等自动“开关”的功能。目前，很多研究团队对ptc材料作为自控温发热材料的进行了设计开发，北京航空航天大学的李运泽教授团队设计了以ptc材料作为加热元件的航天器局部热控系统，南京航空航天大学朱孔军教授团队利用ptc陶瓷热敏电阻自动控温和过热保护的特性，设计了应用在固定翼飞机机翼处防/除冰的基于ptc陶瓷材料的加热单元，当前尚无将ptc材料应用于直升机尾桨叶防冰领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的：本发明通过提供一种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，将ptc材料应用于直升机尾桨叶防冰，不需要控制器以及复杂的控制律，可以减轻整个尾桨防冰系统的重量。
6.发明的技术方案：一方面，提供一种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，所述ptc柔性加热膜具备柔韧性，从外向内依次包括柔性橡胶层1、ptc涂层2、梳齿电极层3和耐高温支撑层；ptc涂层2在梳齿电极层3供电条件下发热，具有ptc效应。
7.可选地，所述ptc涂层2包括ptc陶瓷粉末、有机相、柔性组份和导电组份；ptc涂层2采用喷涂的方式喷涂于梳齿电极涂层3上。
8.可选地，有机相选用低密度聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物或石蜡中的一种或多种；柔性组份选用丁苯橡胶；导电组份选用金属粉末或石墨。
9.可选地，梳齿电极层3包括一组相对设置的梳齿状电极，梳齿状电极与导线4连接。
10.可选地，梳齿状电极是由铜箔制成的梳齿状的电极，用于使ptc涂层发热更加均匀。
11.可选地，柔性橡胶层1为丁苯橡胶层；采用喷涂的方式喷涂到ptc涂层1上面，用于保护内部的ptc涂层。
12.可选地，所述耐高温支撑层包括粘接为一体的玻璃纤维层5和pi膜层6，用于增加ptc柔性加热膜整体的抗拉伸能力及机械强度。
13.另一方面，提供一种加热组件，设置于直升机尾桨叶的前缘，用于直升机尾桨叶防冰，所述加热组件从外向内依次包括金属保护层、导热橡胶层、ptc柔性加热膜和隔热橡胶层；隔热橡胶层位于ptc柔性加热膜和尾桨叶前缘蒙皮之间。
14.本发明的优点：本发明提供的用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，可以通过调节ptc涂层的材料配比来得到不同电阻、ptc效应和居里温度，可以满足不同的尾桨叶防冰需求。其具有一定的柔性，与加热组件的其他部分相结合，可以适应不同的复杂的桨叶外形。应用在直升机尾桨叶防冰系统上，可以将电能转换成热能，由于其电阻随温度增大而增大，外界提供的电压不变时，其发热功率随温度的增加而减小，具有自适应控温的特性，相比普通的金属加热元件，其不需要控制器以及复杂的控制律，可以减轻整个尾桨防冰系统的重量。
15.本发明提出的用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，已与加热组件其余部分结合制成加热组件，并且已经过冰风洞试验验证，可以实现防冰的功能。
附图说明：
16.图1是ptc柔性加热膜整体示意图；
17.图2是ptc柔性加热膜具体构成示意图。
具体实施方式：
18.下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
19.实施例1
20.本发明提出了一种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，如图1所示。
21.这种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜靠ptc涂层2发热，具有ptc效应。ptc效应具体是指：材料的电阻随温度的增加而增加，一旦超过一定的温度(居里温度)电阻值随温度的升高呈现阶跃式的增高；当外界提供的电压不变时，电阻增加，加热功率相应下降，能够自动调节加热温度。其余几层材料是对ptc涂层2进行封装保护。
22.ptc涂层主要是由ptc陶瓷粉末，多种有机相，柔性组分，导电组分组成，采用喷涂法制成。其中ptc陶瓷粉末用来提供ptc效应，多种有机相低密度聚乙烯ldpe,乙烯-乙酸乙烯共聚物eva，石蜡pf等来调整ptc涂层的居里温度，柔性组分采用丁苯橡胶来改善ptc涂层的柔韧性，导电组分金属粉末、石墨等来调节ptc涂层的导电能力。通过调节ptc陶瓷粉末、多种有机相，柔性组分和导电组分的配比，就可以调节出具有不同电阻、不同局里温度、不
同ptc效应同时还具有一定柔韧性的ptc柔性加热膜，以来满足不同尾桨叶防冰的要求。
23.这种用于直升机尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜结构布局主要由几层不同的材料构成如图2所示，玻璃纤维层5由一层玻璃纤维构成，与pi膜层6粘接成为一体，可以增加ptc柔性加热膜整体的抗拉伸能力及机械强度，玻璃纤维层5上面是梳齿电极层3，梳齿电极是由铜箔制成的梳齿状的电极，可以使得ptc涂层发热更加均匀，导线4通过焊接的方式与梳齿电极层3相连接，ptc涂层2采取喷涂的方式喷在梳齿电极涂层3上面，最上面一层是柔性橡胶层1，同样是采用喷涂的方式喷涂到ptc涂层2上面，可以保护内部的ptc涂层。柔性橡胶层1具体为丁苯橡胶层。
24.本发明相比于传统金属加热组件的优势；
25.目前直升机尾桨叶防冰系统上都是用的金属发热元件，但是基于金属片电阻加热元件的防除冰加热组件仍然有着一定限制，主要有以下几点不足：
26.1、由于桨叶复杂的外形，金属的加热元件一般都是片状或丝状的，需要对其进行专门设计，使其适用于外形复杂的桨叶；
27.2、基于金属片电阻加热元件的功率密度为恒定值，需要通过在其结构内部布置温度传感器或者设计加热控制律来控制通电加热的时间，防止内部超温，结构复杂；
28.3、温度传感器容易出现失效和控制电路故障等问题，控制律的设计非常复杂，为了兼顾适应不同温度和直升机飞行状态，设计的控制加热时序和时长是较为保守的，带来了系统整体可靠性降低和能耗较大的问题。
29.ptc材料为一种新型发热材料，将其作为发热元件应用在尾桨防冰系统上：
30.1、能够整体发热，可以实现复杂曲面的外表面防冰，无需对基体内部结构做较大更改；
31.2、其具有自动控温和过热保护的特性，可以避免复杂的内部电阻丝结构设计和电路布置，减少整个系统的重量，增加可靠性；
32.3、其可根据外界变化的环境温度自适应改变发热功率，自适应控制更加的精细，使得尾桨叶防冰能耗更低。
33.目前，ptc材料在防冰系统上面的应用，基本上都是应用在固定翼的防冰系统上，在直升机尾桨防冰系统上面还未实现应用，在固定翼上面应用的ptc涂层一般都不具有柔性，如果直接应用到直升机桨叶上，会在桨叶的运动下产生开裂，因此ptc材料要实现在旋翼防除冰上的应用不能照搬固定翼上面的ptc材料的使用方式，必须结合旋翼的飞行的特点进行相应设计。
34.直升机桨叶在飞行中一直在做挥舞、摆振、扭转复杂变形运动，针对直升机尾桨叶的特点，本发明利用了ptc材料的自适应控温的特性，提出了一种基于尾桨叶防冰的ptc柔性加热膜，其具有一定的柔韧性，可以适应尾桨叶的复杂的外形以及尾桨叶的大变形运动。
35.实施例2
36.本实施例，提供一种加热组件，设置于直升机尾桨叶的前缘，用于直升机尾桨叶防冰，所述加热组件从外向内依次包括金属保护层、导热橡胶层、ptc柔性加热膜和隔热橡胶层；隔热橡胶层位于ptc柔性加热膜和尾桨叶前缘蒙皮之间。其中，金属保护层为包铁，用于保护内部材料；导热橡胶层用于ptc柔性加热膜产生的热量导出到金属保护层。