[发明专利]一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统

说明书

技术领域

本发明提供一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，它涉及过冷液滴撞击具有一定速度的样件特定功能表面时形态变化及结冰状况的微观动态观测技术。采用一种新型的过冷液滴制备、样件弹射运动以及高速动态观测方案，搭建此观测系统，相对真实的模拟了飞行器的实际运动情况，便于揭示液滴在功能表面结冰的机理，表征该功能表面的防冰性能，属于仪器仪表技术领域中的分析与测量控制技术领域。

背景技术

随着许多新型飞行器的出现，如大型无人机、远程轰炸机等，飞机蒙皮性能要求提高，传统能耗式防除冰已很难满足飞行器的高性能要求。涂层防冰相比传统技术具有制造成本低、防除冰耗能小、易于实现且不需要附加额外系统等优点，防冰涂层技术发展已受到国内外关注。但涂层防冰的技术尚不成熟，需要大量的实验去检验其性能以及防冰效果，相应的实验设备也非常关键。

目前涂层防冰性能的表征方法还相对局限于静态的水滴结冰实验，或者大型的冰风洞实验。由于飞机穿过易结冰的云层时，速度非常快，因而涂层静态的水滴结冰实验就具有很大的局限性，并不能模拟出涂层在高速下的结冰情况；而大型的冰风洞每次实验费用特别高，而且涂层结冰的研究并不等同于飞机附近流场研究，研究飞机气动性能采用风洞的方式能较好的表征飞机的受力等参数，而结冰实验如果采用具有一定速度的液滴，其液滴本身的运动可能会对其结冰方式产生影响。因而急需一种更能模拟实际情况的实验系统，来分析过冷液滴在表面上的结冰机理。

本发明以此为背景，设计出一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，旨在更好的模拟飞行器在空中结冰时的实际情况，实现对过冷液滴撞击待测样件表面时结冰过程的微观观测，为涂层防冰性能的表征提供了良好的依据。

发明内容：

目的：本发明的主要目的是提供一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，通过对液滴直径，实验温度，样件弹射速度的控制，实现不同条件下待测表面撞击过冷液滴时结冰的微观观测，以表征其防冰性能，进而揭示其防冰机理。

技术方案：为了达到实验的目的，本发明所运用的技术手段是首先搭建了一个保温箱体，并采用制冷措施得到低温可控的冷环境，控制好液滴在滴管里的时间，得到合适温度的过冷液滴，通过弹射器将样件弹出，并用高速相机记录下液滴打在样件上的瞬间，分析其结冰情况。

本发明的一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，包括保温箱体、小型制冷子系统、液滴发生子系统、样件弹射子系统、温度传感器、高速相机图像采集子系统等。它们之间的相互关系是：保温箱体为系统提供封闭环境；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，能滴落连续的液滴；样件弹射子系统安装于保温箱体中部；温度传感器安装于保温箱体内多处，包括保温箱体空间，样品台正面；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外。

所述的保温箱体为长方体，为自行加工设计，包括透明箱体门、保温壁面、电阻丝和合页。它们的具体要求及相互关系是：该透明箱体门位于保温箱体正面，用透明有机玻璃板制作，与侧壁用合页连接，透明玻璃板便于观察，同时易于打开，便于弹射后样件归位、换取样件等操作；该电阻丝位于透明箱体门内壁，用来加热以防止透明箱体门结霜起雾影响观察。该保温壁面采用双层聚氨酯(PU)材料，中间加隔热层；该合页采用现有产品，用于连接透明箱体门与保温壁面。

所述的小型制冷子系统，采用现有产品，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷。它们的具体要求及相互关系是：该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路。该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，可适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高。

所述的液滴发生子系统，包括注射泵、注射器、注射针头和导管。它们的具体要求及相互关系是：该注射泵采用现有产品，能连续提供液滴，注射速度为0.1毫升每小时～1800毫升每小时可调；该注射器采用现有产品，为医用50毫升注射器；该注射针头为自行设计，可以采用不同的口径，得到体积5～20微升可调液滴，并通过控制该注射泵注射速度来改变液滴间隔，调整适合的水滴滴落间隔以及样件台的长度，可以保证在样件运动过程中恰好有水滴打在试验板上；该导管采用现有产品，为橡胶软管。