用于具有悬停能力的飞行器的桨叶和从该桨叶除冰的方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年10月26日提交的欧洲专利申请第18202975.1号的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于具有悬停能力的飞行器、特别是推力换向式飞机或直升机的桨叶。

本发明还涉及一种用于从具有悬停能力的飞行器、特别是推力换向式飞机或直升机的桨叶中除冰的方法。

背景技术

已知在直升机桨叶的翼部和/或控制表面上结冰可能使直升机的空气动力学特性变差，并且在某些情况下可能使得对其进行控制特别困难。

通常，直升机在飞行中或在桨叶旋转的情况下静止在地面上时，在直升机的桨叶上结冰。

更具体地，当桨叶处于接近或低于零摄氏度的温度时，往往在桨叶的前缘上结冰。

为了减小由于在桨叶的前缘上结冰而引起的风险，已知在直升机上使用防结冰系统或除冰系统。

从US5,686,003中已知了一种用于飞行器桨叶的前端部分的除冰系统的例子。

更详细地，在US5,686,003中所示的除冰系统基本上在桨叶的上述前端部分的前缘处包括：

-形状记忆材料层：

-施加在桨叶的前缘上的聚合物层；以及

-介于形状记忆材料层和聚合物层之间的发热层。

形状记忆材料层限定了桨叶的外表面的一部分。

形状记忆材料在暴露于诸如热的能量源时能够通过马氏体相变来改变其形状并产生力。

在检测到冰时，发热层被激活并且形状记忆材料膨胀，从而在冰上施加力并使该冰在桨叶的外表面上破裂。

形状记忆层的热激活所需的热量由包含电阻的层或由液-固相变产生的熔融潜热来提供。

行业内已经意识到需要减小如下风险：空气中的大气物质或颗粒损坏形状记忆材料层，从而使除冰系统对于直升机的飞行安全是无法使用的并且是不安全的。

由于桨叶在其各自的自由端部处具有接近于声速的切向速度，因此加剧了这种风险。这些特别高的切向速度可能使上述颗粒加速，从而对形状记忆层的冲击更加剧烈。

当直升机在低空悬停或在旋翼运转的情况下处在地面上时，由于桨叶的旋转往往会在旋转中夹带残留物和灰尘，因此这种风险特别高。

WO-A-98/24690公开了一种三维活性复合膜，其由两层聚合物和它们之间的增强金属丝网形成，该三维活性复合膜通过外部形状记忆合金金属丝网或附接在其上的其他类型的机械致动器致动以呈现选定的不同三维图案(形状)。更特别地，复合膜包括两个弹性外层和在它们之间延伸的增强构件。增强构件的边缘通过一个外层附接至外部形状记忆合金致动网的边缘，该外部形状记忆合金致动网的面积类似于所述增强构件的面积，但小于所述外层的面积。致动网由于直接加热而被驱动得收缩或伸展，从而引起加强构件的正常偏转，并因此引起所述外层的正常偏转。

US-A-5,558,304公开了用于给外壳除冰的设备包括由形状记忆金属构成的元件，当该元件通过其转变温度而被加热时，该形状记忆金属从较弱的低温形式(马氏体)转变为较强的高温形式(奥氏体)。利用形状的改变使外壳偏转，从而使积聚在其上的冰脱落。

发明内容

本发明的目的是生产一种根据权利要求1的具有悬停能力的飞行器的桨叶。

本发明还涉及一种根据权利要求13的用于从飞行器的旋翼的桨叶中除冰的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面通过非限制性例子并参照附图来描述优选实施方式，在附图中：

-图1示出了飞行器、特别是直升机的俯视图，该飞行器包括具有多个根据本发明制造的桨叶的旋翼；

-图2是根据本发明制造并被结合在图1的旋翼中的桨叶的大大放大的俯视图；

-图3是沿着图2的III-III线的大大放大的截面图；

-图4以大大放大的比例示出了图2和图3的桨叶在第一操作构造中的一些细节，为清楚起见，多个部件被移除；以及

-图5以大大放大的比例示出了图4的桨叶处于第二操作构造的细节，为清楚起见，多个部件被移除。

具体实施方式

参照图1，附图标记1表示飞行器、特别是具有悬停能力的飞行器，其在所示的情况下是直升机。

直升机1基本上包括机身2、设置在机身2的顶部的主旋翼3以及尾旋翼5。

机身2在相对的两个端部包括机头17和支撑尾旋翼5的尾部支柱4。

主旋翼3又包括：

-可围绕轴线A旋转的旋翼毂6；以及

-从旋翼毂6延伸并铰接在旋翼毂6上的多个桨叶7。

类似地，尾旋翼5又包括可围绕横向于轴线A的轴线B旋转的旋翼毂8以及从旋翼毂8延伸并铰接在旋翼毂8上的多个桨叶14。

参照图2，每个桨叶7沿着相关轴线C延伸，轴线C横向于轴线A。

每个桨叶7又包括：

-由表面9界定的主体11；

-外表面12；以及

-用于除去沉积在表面12上的冰13的除冰系统10。

在相对于轴线A的径向并与轴线A相对的方向上，每个桨叶7从旋翼毂6开始还包括：

-铰接在旋翼毂6上的根部部分15；

-主要部分16；以及

-限定端部18的端部部分。

每个桨叶7还包括：

-前缘40；

-后缘41(仅在图1和图2中可见)；

-彼此相对并在前缘40和后缘41之间延伸的顶表面42和底面43。

特别地，随着桨叶7的旋转，该桨叶7的前缘40在该桨叶7的后缘41之前撞击空气。

直升机1还包括与旋翼3的各个桨叶7相关联的多个系统10。

由于系统10彼此相同，桨叶7彼此相同，因此在本说明书的下文中，描述单个系统10和相关的单个桨叶7。

更详细地，除冰系统10又包括：

-形状记忆材料的层20，该层可激活以根据温度改变其形状；以及

-激活层21，该激活层适于能选择性地激活以产生激活层20所需的热量。

层20被施加在主体11的表面9上。

材料形成层20在其低于温度阈值时呈现第一未变形构造(图3和图4)，而在其高于上述阈值时呈现第二变形构造(图5)。

当以未变形构造设置时(图3和图4)，层20呈现与主体11的表面9相同的形状，并因此基本上不对冰13施加作用。

相反，当以变形构造设置时(图5)，层20呈现由交替的多个凸峰22和凹谷23形成的波状构造。凸峰22与表面9间隔开并朝表面12突出。如图5所示，凸峰22对冰13施加作用，使其碎裂。凹谷23粘附在表面9上。

层21在与层20相邻的位置处嵌入在主体11中，从而该层21产生的热量使层20的温度升高并激活该层20。

在所示的情况下，层21由电阻(仅在图3至图5中示意性示出)形成，该电阻由设置在旋翼毂6上或直升机1的固定部分上的发电机供电。

除冰系统10包括覆盖层25，该覆盖层25限定了桨叶7的表面12的一部分26，冰13沉积在该部分上；

层25被放置在层20的在主体11的相反一侧的顶部上，可在层20的作用下选择性地移动，从而对冰13施加机械作用并将其从桨叶7中除去(图5)，并且层25适于保护层20免受外部物质的影响。

更详细地说，层25可在以下位置之间移动：

-层20被激活并处于变形构造时所呈现的第一位置(图5)；以及

-层20被去激活并处于未变形构造时所呈现的第二位置(图4)。

在图4所示的第二位置，层25基本上粘附在层20的整个延伸范围上。

相反，在图5所示的第一位置，层25粘附在凸峰22上，因此层25与主体11的表面9间隔开。

优选地，层25在上述的第一构造和第二构造之间弹性地移动。

制造层25的材料至少赋予层25以下特性：

-足够的刚性，以在桨叶7的切向速度下对抗与外部物质(例如，沙粒或灰尘)的冲击，特别是对于直升机1的低空、近地面的飞行状态；以及

-足够的柔性，以跟随层20在相应的未变形构造和变形构造之间的移动而在上述的第一位置和第二位置之间弹性地移动。

更具体地，层25由超塑性材料制成。

层25的材料具有0.5％的最大弹性形变。换句话说，在达到屈服应力时，该材料相对于初始长度的形变为0.5％。

特别地，在-40℃至70℃之间的温度范围内保持该0.5％的最大的弹性形变值。

此外，层25的材料能够在预定数量的疲劳循环、特别是至少一百万次循环之后保持0.5％的最大弹性形变。

层25由超塑性材料制成。

这种超塑性材料的特定例子是具有上述特性的钛合金、其他金属材料或非金属材料。

在图3所示的实施方式中，在前缘40上设置有层20、21和25。

层20、21和25也设置在桨叶7的顶表面42和底面43的与前缘40相邻并在前缘40上相关联(incident)的部分上。

参照图2，在桨叶7的端部18和主要部分16上设置有层25。

相反，不在根部部分15上施加层25。

参照图3至图5，层20和25被直接施加在主体11的表面9的相应的部分30和31上。

对于旋翼毂6和桨叶7的旋转轴线A来说，部分30相对于部分31设置在径向外部。

部分30在桨叶7的前缘40上以及桨叶7的顶表面42和底面43的在前缘40上彼此相关联(incident)的区域上延伸。

部分31在桨叶7的顶表面42和底面43的与前缘40间隔开的区域上延伸。

层20不在主体11的部分31上延伸。

换句话说，在不存在层20的部分31上，层25被直接施加在桨叶7的主体11上。

特别地，借助于分别设置在桨叶7的顶表面42和底面43上的两个粘合区域34和35，层25被直接施加在主体11的部分31上。

层20通过设置在桨叶7的顶表面42和底面43上的相应的凹槽32和33而与胶合区域34和35分开。

凹槽32和33具有横向于桨叶7的轴线C的延伸部。

如果桨叶的构造要求需要，凹槽33可以具有比凹槽32更长的延伸部。

直升机1还包括：

-一个或多个传感器50(仅在图1中示意性示出)，其适于检测桨叶7上冰13的存在；以及

-控制单元51(也仅在图1中示意性示出)，其与传感器50和桨叶7的除冰系统10的层21功能相关。

特别地，当传感器50检测到桨叶7上存在冰13时，控制单元51控制电流在相应的桨叶7的层21的电阻内通过，从而引起相应的层20从相应的未变形构造移动到相应的变形构造。

在下文中，从层20处于去激活构造，因此层25处于图4所示的第二位置的状态开始描述直升机1的操作。

旋翼3的运转引起桨叶7围绕轴线A并相对于旋翼毂6的旋转。

如图4所示，在直升机1的操作期间，在低于0℃的温度条件下，冰13在桨叶7的表面12上形成并沉积在桨叶7的表面12上。

优选地，冰13沉积在表面12的部分26上，特别是在桨叶7的前缘40上。

下文中将参照单个桨叶7和相关的除冰系统10来描述直升机1的操作。

如果传感器50检测到冰13的存在，则控制单元51触发除冰系统10的层21的激活。

这种激活导致电流在电阻形成层21中流动，并因此在层20中产生热量。

由于层20的材料根据其暴露的温度而改变其形状，因此这种热量的产生导致层20移动至图5的变形构造。

如图5所示，层20向变形构造的移动导致层25从桨叶7的主体11移开，直到其到达第一位置。

由于其机械柔性，层25保持与层20的凸峰22的接触，并因此对冰13施加机械作用。

该机械作用导致冰13碎裂和冰13从桨叶7脱离。

一旦形成冰13的大气条件停止，传感器50就停止检测冰13的存在。控制单元51使除冰系统10的层21去激活。

结果，电流停止在层21中流动，层20返回未变形构造，层25返回图4的第二位置。

在所有上述操作期间，层25保护特别脆弱的层20免受大气物质(灰尘和沙粒)的冲击。

这种保护作用特别有意义：

-在桨叶7的端部18处，切向速度以及因此的冲击强度非常大；和/或

-当直升机1处于低空悬停飞行状态或在旋翼3运转中的情况下处在地面上时，由此加强了地面上的固体残留物被夹带并撞击桨叶7的风险。

通过检查根据本发明提供的桨叶7和方法的特性，可以实现的优点是显而易见的。

特别地，每个桨叶7的除冰系统10包括层25，该层25被放置在层20的顶部上并且限定了冰13在其上沉积的部分26。

以这种方式，层25保护层20免受空气中的任何碎屑和大气物质的冲击。这样，大大降低了损坏层20的风险，并确保了除冰系统10的长使用寿命，结果在直升机1的安全性方面具有明显的优势。

层25由超塑性材料制成，该材料：

-具有足够的刚性，以在桨叶7的切向速度下对抗与外部物质(例如，沙粒或灰尘)的冲击，特别是对于直升机1的低空、近地面的飞行状态或直升机在旋翼3和5在运转的情况下1处在地面上的状态；以及

-具有足够的柔性，以跟随层20在相应的未变形构造和变形构造之间的移动而在上述的第一构造和第二构造之间弹性地移动。

由于它是由具有高达0.5％的弹性形变的材料制成的，因此层21能够随层21的移动而在第一位置和第二位置之间弹性移动。

由于在-40℃至70℃之间的可变温度范围内和/或在超过一百万次的疲劳循环下保持弹性阶段的这些最大形变值，因此层25能够在直升机1的大的操作温度范围内和与直升机1的使用寿命相同数量级的时间内保护层20。

层25被设置在对层20的冲击和损坏风险较大的前缘40上。这样，提高了层25的保护作用的有效性。

最后，很明显，可以在不脱离本发明范围的情况下对所要求保护的桨叶7和方法进行修改和变型。

特别地，旋翼3的桨叶7和尾旋翼5的桨叶14都可以设置有各自的除冰系统10。

此外，飞行器可以是推力换向式飞机，其具有从水平位置(直升机模式)旋转到垂直位置(飞机模式)的一个或多个旋翼。