過(guò)冷大水滴結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

張 洪，張文倩，鄭 英

過(guò)冷大水滴結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

張 洪＊，張文倩，鄭 英

（華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074）

過(guò)冷大水滴結(jié)冰是飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)領(lǐng)域出現(xiàn)的新問(wèn)題和新挑戰(zhàn)，大水滴結(jié)冰探測(cè)是保障飛機(jī)飛行安全的關(guān)鍵技術(shù)，制約飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)的整體發(fā)展。論文搜集和整理了相關(guān)科技文獻(xiàn)，從結(jié)冰機(jī)理和探測(cè)原理角度分析了結(jié)冰探測(cè)技術(shù)所面臨的新挑戰(zhàn)和機(jī)遇，通過(guò)對(duì)最新適航規(guī)范的分析，總結(jié)了大水滴結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的新要求。按技術(shù)成熟度為主線對(duì)過(guò)冷大水滴結(jié)冰探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和全面總結(jié)，并首次提出探頭型結(jié)冰探測(cè)器的水滴軌跡檢測(cè)和溢流特性檢測(cè)分類(lèi)方法。

過(guò)冷大水滴；結(jié)冰；結(jié)冰探測(cè)；適航規(guī)范；水滴軌跡檢測(cè)；溢流特性檢測(cè)

0 引 言

1994年，著名的美國(guó)印第安納州羅斯藍(lán)（Roselawn）空難揭示了過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件（SLD）的存在［1－2］，從而導(dǎo)致SLD結(jié)冰防護(hù)研究方向的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)關(guān)注粒徑小于50μm的過(guò)冷水滴結(jié)冰條件，即美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）25部附錄C所限定的結(jié)冰條件，通常稱(chēng)為常規(guī)結(jié)冰條件［3］。羅斯藍(lán)空難后，過(guò)冷大水滴的結(jié)冰氣象、結(jié)冰機(jī)理、結(jié)冰探測(cè)技術(shù)、防除冰技術(shù)以及適航審定等在國(guó)內(nèi)外成為研究熱點(diǎn)［4－7］。由于過(guò)冷大水滴結(jié)冰機(jī)理復(fù)雜、防護(hù)手段匱乏，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)完善方案解決飛機(jī)所面臨的大水滴結(jié)冰防護(hù)難題。

SLD結(jié)冰為飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，也為結(jié)冰探測(cè)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。傳統(tǒng)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)關(guān)注結(jié)冰厚度、強(qiáng)度及程度，以及結(jié)冰形狀（冰形）和結(jié)冰類(lèi)型（冰型）等結(jié)冰狀態(tài)，重在研究冰凍結(jié)在傳感器上產(chǎn)生的結(jié)果。SLD結(jié)冰探測(cè)要求能區(qū)分常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰條件，因而SLD結(jié)冰動(dòng)力學(xué)研究的理論支撐更為重要。國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的研究［8－10］，但技術(shù)狀態(tài)均未達(dá)到機(jī)載應(yīng)用要求。

本文按SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)要求、存在問(wèn)題、相關(guān)技術(shù)方法和技術(shù)發(fā)展對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)和整理，旨在整理出較為明晰的SLD結(jié)冰探測(cè)研究進(jìn)展脈絡(luò)。涉及的文獻(xiàn)涵蓋相關(guān)適航審定計(jì)劃和規(guī)范、相關(guān)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)論文及專(zhuān)利等。

1 SLD結(jié)冰及其防護(hù)策略

SLD結(jié)冰具有更復(fù)雜的結(jié)冰動(dòng)力學(xué)特性。過(guò)冷大水滴粒徑大、慣性動(dòng)量大，因而撞擊特性復(fù)雜，撞擊過(guò)程常伴隨有破碎和飛濺現(xiàn)象［11－12］。此外，大水滴溫度較高（通常在－5～0℃），潛熱釋放量大，凍結(jié)機(jī)理也很復(fù)雜，在機(jī)翼上凍結(jié)時(shí)具有溢流（Run－back）現(xiàn)象，凍結(jié)與撞擊區(qū)域往往不一致，在冰形上也呈現(xiàn)一些新的特點(diǎn)［13－14］。

SLD溢流特性使飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)變得更為棘手。常規(guī)結(jié)冰防護(hù)中，當(dāng)飛機(jī)機(jī)翼或其他敏感部位結(jié)冰時(shí)，采用熱氣、電熱、氣囊或是電脈沖等技術(shù)實(shí)施防冰或除冰［15－17］。SLD結(jié)冰可能在常規(guī)防護(hù)區(qū)外凍結(jié)，此時(shí)飛機(jī)可以選擇2種防護(hù)策略，即擁有足夠大的防護(hù)區(qū)域或盡快逃離結(jié)冰環(huán)境。受防除冰技術(shù)限制，飛機(jī)無(wú)法承受增大防護(hù)區(qū)帶來(lái)的能耗和成本代價(jià)，因而采用“規(guī)避”策略，盡快脫離SLD結(jié)冰環(huán)境更為現(xiàn)實(shí)。

2 適航規(guī)范相關(guān)規(guī)定及要求

美國(guó)FAA的適航規(guī)范規(guī)定了常規(guī)結(jié)冰的大氣結(jié)冰條件［3］，中國(guó)民用航空局的適航規(guī)范CCAR 25部也具有相同規(guī)定［18］。水滴粒徑用水滴平均有效直徑（MVD：Median Volume Diameter）衡量，要求申請(qǐng)審驗(yàn)的飛機(jī)證明能在連續(xù)最大和間斷最大的結(jié)冰條件下安全飛行，除了液態(tài)水含量（LWC：Liquid Water Content）、空氣溫度等參數(shù)約定外，所規(guī)定的MVD為15～40μm之間（連續(xù)最大）和15～50μm之間（間斷最大）。

2010年美國(guó)FAA發(fā)布了飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在過(guò)冷大水滴、混合態(tài)和冰晶結(jié)冰條件下的合格審定要求［19］，2014年FAA適航規(guī)范又新增FAR25.1420規(guī)范和FAR25附錄O［20］，前者規(guī)范飛機(jī)在SLD結(jié)冰下的適航要求，后者則對(duì)SLD結(jié)冰條件進(jìn)行了定義。附錄O定義的過(guò)冷水滴包括凍毛毛雨和凍雨，最大粒徑在100～500μm之間的水滴稱(chēng)為凍毛毛雨，而凍雨的最大水滴粒徑則大于500μm。

FAR25.1420（a）（1）要求申請(qǐng)審驗(yàn)的飛機(jī)在遭遇附錄O定義的結(jié)冰條件后能夠安全操縱。飛機(jī)必須提供一種裝置，能夠探測(cè)附錄O結(jié)冰條件下的結(jié)冰。在探測(cè)到附錄O定義的結(jié)冰條件后，飛機(jī)在脫離所有結(jié)冰條件時(shí)能夠安全操縱。

從新的適航規(guī)范可以看出，結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)不僅要適應(yīng)新的附錄O結(jié)冰條件，并且需要區(qū)分是附錄C規(guī)定的結(jié)冰條件還是附錄O規(guī)定的結(jié)冰條件。

3 傳統(tǒng)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和問(wèn)題

3.1傳統(tǒng)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的主流結(jié)冰探測(cè)技術(shù)基于凍結(jié)原理，當(dāng)傳感器敏感部件有冰凍結(jié)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)冰的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械等特性以檢測(cè)結(jié)冰量［21］，此類(lèi)探測(cè)器稱(chēng)為凍結(jié)型結(jié)冰探測(cè)器。此外，還有一類(lèi)結(jié)冰條件型結(jié)冰探測(cè)器，通過(guò)探測(cè)飛行環(huán)境中的水滴粒徑、溫度、含水量等結(jié)冰條件來(lái)進(jìn)行結(jié)冰告警。

依據(jù)傳感器安裝形式不同，凍結(jié)型結(jié)冰探測(cè)器又可分為探頭型和齊平保形安裝型。探頭型結(jié)冰探測(cè)器一般安裝于飛機(jī)機(jī)腹，探頭伸出到空氣流中，檢測(cè)過(guò)冷水滴撞擊所導(dǎo)致的結(jié)冰。齊平保形安裝型探測(cè)器的可齊平保形安裝在飛機(jī)機(jī)翼上，直接探測(cè)機(jī)翼上的結(jié)冰。由于安裝維護(hù)方便，國(guó)內(nèi)外機(jī)型多裝載探頭型結(jié)冰探測(cè)器。

在各類(lèi)結(jié)冰探測(cè)物理方法中，機(jī)械諧振原理在技術(shù)上最為成熟，其敏感元件多為諧振膜片或諧振筒。以Goodrich公司的結(jié)冰探測(cè)器為例，其探頭由磁致伸縮材料構(gòu)成，用電磁線圈驅(qū)動(dòng)形成機(jī)械諧振筒，諧振頻率為：

式中：f為諧振頻率，與探頭剛度K和質(zhì)量m有關(guān)；k為探頭常數(shù)。

當(dāng)冰在探頭上凍結(jié)時(shí)，諧振筒剛度和質(zhì)量均會(huì)增加，由于質(zhì)量影響是主要的，結(jié)冰將導(dǎo)致諧振頻率降低。當(dāng)諧振頻率降低到門(mén)限頻率時(shí)，探測(cè)器啟動(dòng)加熱除冰，停止加熱后探頭冷卻并重新結(jié)冰。在“結(jié)冰－除冰－冷卻”的循環(huán)過(guò)程中，用循環(huán)周期時(shí)間指示結(jié)冰強(qiáng)度信息［22］。

3.2SLD結(jié)冰探測(cè)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

3.2.1凍結(jié)系數(shù)問(wèn)題

在探頭型結(jié)冰探測(cè)器為主流的背景下，SLD結(jié)冰探測(cè)首先面臨的問(wèn)題是探頭凍結(jié)系數(shù)過(guò)小的問(wèn)題。

羅斯藍(lán)空難中，失事的ATR 72－212型飛機(jī)依常規(guī)安裝有Goodrich的探頭型結(jié)冰探測(cè)器，但卻沒(méi)有對(duì)SLD結(jié)冰條件做出準(zhǔn)確的報(bào)警［23］，主要原因是在SLD條件下，探頭凍結(jié)系數(shù)過(guò)小，導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)失效。

常規(guī)結(jié)冰條件下，探頭結(jié)冰量表示為：

式中：W為結(jié)冰量，E為水收集率，m為液態(tài)水含量（LWC），V為空速。結(jié)冰探測(cè)探頭與飛機(jī)機(jī)翼相比，體積小且曲率半徑大，水收集率E更大，探頭的結(jié)冰探測(cè)靈敏度高，有利于結(jié)冰報(bào)警。

在SLD結(jié)冰條件下，過(guò)冷水滴在探頭上將發(fā)生破碎、飛濺和溢流，撞擊到探頭上的過(guò)冷水滴不會(huì)全部?jī)鼋Y(jié)到探頭上，因而探頭結(jié)冰量應(yīng)更正為［22］：

式中：n為凍結(jié)系數(shù)，大小在0～1之間。n定義為：

式中：ma為探頭結(jié)冰質(zhì)量，mi為撞擊到探頭上的水滴質(zhì)量。

SLD結(jié)冰過(guò)程中，凍結(jié)系數(shù)n往往小于1，具體數(shù)值不僅與水滴粒徑MVD、液態(tài)水含量LWC、溫度和空速等因素有關(guān)，還與結(jié)冰物體幾何形狀和尺寸有密切聯(lián)系，通常體積小則凍結(jié)系數(shù)小。由于探頭體積小，其凍結(jié)系數(shù)比飛機(jī)機(jī)翼小，將導(dǎo)致所測(cè)結(jié)冰強(qiáng)度偏小甚至失效。

3.2.2識(shí)別SLD結(jié)冰條件

規(guī)避型SLD防護(hù)策略，為結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究提出了新要求，即結(jié)冰探測(cè)器不僅要指示飛機(jī)結(jié)冰強(qiáng)度或程度，還需辨別出常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰2種結(jié)冰環(huán)境，以便飛機(jī)在不同的結(jié)冰條件下采取合適的防護(hù)策略以規(guī)避危險(xiǎn)。

迄今為止，傳統(tǒng)凍結(jié)型結(jié)冰探測(cè)器尚無(wú)法識(shí)別SLD結(jié)冰條件，因而需要針對(duì)SLD結(jié)冰條件研究新型探測(cè)技術(shù)以滿(mǎn)足飛機(jī)SLD結(jié)冰防護(hù)要求。

4 SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展

根據(jù)最新適航審定要求，在SLD結(jié)冰探測(cè)層面有2方面的問(wèn)題亟待解決。其一，解決眼前的適航審定需求。利用現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的SLD結(jié)冰探測(cè)方案，滿(mǎn)足適航審定的要求，保障飛機(jī)在不同結(jié)冰條件下的安全飛行。其二，研究新型結(jié)冰探測(cè)方法，以求根本上解決SLD結(jié)冰探測(cè)問(wèn)題。

按照這種需求，下文將按技術(shù)成熟度分層次介紹SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)。首先，介紹應(yīng)對(duì)當(dāng)前適航審定需求的可行技術(shù)方法；其次，對(duì)新型探頭型SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)行闡述；最后討論SLD結(jié)冰探測(cè)領(lǐng)域的其他發(fā)展方向。

4.1目前可行技術(shù)方法

探頭型結(jié)冰探測(cè)器具有安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但針對(duì)SLD結(jié)冰探測(cè)的探頭型結(jié)冰探測(cè)技術(shù)尚不成熟，采用目測(cè)式方法和齊平保形安裝型探測(cè)器成為應(yīng)急手段。

4.1.1目測(cè)式方法的應(yīng)用

目測(cè)式探測(cè)方法歷來(lái)是機(jī)組人員判斷飛機(jī)結(jié)冰的重要手段，飛行員通過(guò)觀察風(fēng)擋玻璃的邊框、雨刷桿、機(jī)翼前緣等部件上的結(jié)冰，可獲得大部分結(jié)冰信息。對(duì)飛行員的調(diào)查說(shuō)明，經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員完全有可能通過(guò)目測(cè)方法判斷多數(shù)常規(guī)結(jié)冰狀況。電子式結(jié)冰探測(cè)器的發(fā)展曾經(jīng)逐步取代目測(cè)式方法，但SLD問(wèn)題的出現(xiàn)，目測(cè)式方法又開(kāi)始受到關(guān)注［24－25］。

要確定飛機(jī)是否在附錄O中的結(jié)冰條件，目測(cè)式方法可以達(dá)到適航審定要求［26－28］。文獻(xiàn)［27］指出，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和分析，如果證實(shí)可視參考物上的結(jié)冰能包含附錄O條件，則可作為結(jié)冰探測(cè)手段進(jìn)行審定?？湛湍承┬吞?hào)客機(jī)曾在駕駛窗口前安裝了目視結(jié)冰探測(cè)棒（見(jiàn)圖1），用于飛行員觀察結(jié)冰情況。

目測(cè)式方法用溢流情況判別SLD結(jié)冰條件。以圓柱形探測(cè)棒為例，在常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰條件下，結(jié)冰部位將有較明顯的區(qū)別［29］。目測(cè)式方法過(guò)分依賴(lài)飛行員主觀判別限制了其應(yīng)用范圍［26］，只能作為過(guò)渡性輔助手段。

圖1 空客A330飛機(jī)目視結(jié)冰探測(cè)棒Fig.1 Visual icing indicator of Aircraft A330

SLD結(jié)冰會(huì)出現(xiàn)在機(jī)翼溢流區(qū)，所以可在機(jī)翼溢流區(qū)直接探測(cè)SLD結(jié)冰，在這方面齊平保形安裝型結(jié)冰探測(cè)器更具有優(yōu)勢(shì)［24－25］。目前適合設(shè)計(jì)為齊平保形安裝的探測(cè)技術(shù)很多，主流的有壓電平膜式和光纖式。

壓電平膜型結(jié)冰探測(cè)器也是基于機(jī)械諧振原理，最早由瑞士Vibrometer公司研制，可齊平保形安裝在飛機(jī)機(jī)翼或發(fā)動(dòng)機(jī)唇口，直接探測(cè)結(jié)冰敏感部位的結(jié)冰。壓電平膜型結(jié)冰探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其探測(cè)敏感部件由彈性平膜片和壓電膜片構(gòu)成，在電路驅(qū)動(dòng)下以特定頻率產(chǎn)生諧振，諧振頻率同樣遵循公式（1），有冰附著時(shí)，諧振體剛度變大，質(zhì)量增加，但由于剛度為主導(dǎo)因素，將導(dǎo)致諧振頻率增加。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)最早研制成功壓電平膜結(jié)冰探測(cè)器［30－31］，探測(cè)器靈敏度達(dá)到0.1mm，厚度量程為3mm。

圖2 壓電平膜探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of PZT thin－film diaphragm detector

20世紀(jì)70年代，國(guó)外已開(kāi)展結(jié)冰探測(cè)的光學(xué)方法研究，80年代開(kāi)始采用光纖作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，但近年才獲得了一些技術(shù)突破［32］。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)自2004年開(kāi)始光纖結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的研究，并發(fā)表有光纖式結(jié)冰傳感器相關(guān)專(zhuān)利［33－34］。典型的光纖式結(jié)冰探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括一束或多束發(fā)射光纖和接收光纖，當(dāng)有冰覆蓋時(shí)，光在冰內(nèi)部和邊界發(fā)生散射和反射，接收光纖接收的光通量與結(jié)冰厚度有明確關(guān)聯(lián)，進(jìn)而獲得結(jié)冰厚度信息。

圖3 光纖式探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of fibre optic detector

在機(jī)翼溢流區(qū)齊平保形安裝結(jié)冰探測(cè)器直接探測(cè)SLD結(jié)冰，但將增加探測(cè)器的布裝數(shù)量和安裝成本，由此引起機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低以及系統(tǒng)復(fù)雜性增加明顯。此外，在不同結(jié)冰條件和飛行姿態(tài)下，凍結(jié)區(qū)域?qū)l(fā)生變化，因而對(duì)探測(cè)器安裝位置進(jìn)行精確計(jì)算和詳細(xì)試驗(yàn)變得非常重要。

4.2探頭型SLD結(jié)冰探測(cè)的探索

前述可行技術(shù)方案雖可基本滿(mǎn)足適航審定的迫切問(wèn)題，但技術(shù)先進(jìn)性和可維護(hù)性卻顯不足。鑒于探頭型探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)，迫切需要研究滿(mǎn)足SLD結(jié)冰探測(cè)要求的新型探頭型探測(cè)技術(shù)。分析文獻(xiàn)中相關(guān)方法特點(diǎn)，可將其歸為2類(lèi)，一類(lèi)探測(cè)水滴軌跡，另一類(lèi)則探測(cè)溢流特性。

4.2.1基于水滴軌跡檢測(cè)的方法

水滴在高速氣流中受多種力影響，其中慣性力和流體粘性力影響最大。相同氣流條件下，大水滴的慣性力大，其飛行軌跡與小水滴相比有明顯差異。水滴軌跡檢測(cè)方法的基本思路是，在精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，不同粒徑的水滴具有不同飛行軌跡，在相應(yīng)路徑上設(shè)置探頭，則可辨別結(jié)冰條件。

文獻(xiàn)［8］描述了一種雙探頭型探測(cè)器（見(jiàn)圖4），探測(cè)器由導(dǎo)流裝置和2個(gè)諧振探頭組成。探頭1上的結(jié)冰包括所有結(jié)冰條件，而探頭2則只探測(cè)SLD結(jié)冰。由于氣流在導(dǎo)流裝置前后形成繞流，在流體粘性力作用下，小水滴將被帶走而不會(huì)撞擊到探頭2，由于慣性較大大水滴在探頭2上形成結(jié)冰。根據(jù)探頭信號(hào)輸出的比較可判別是否有SLD結(jié)冰發(fā)生。

圖4 雙探頭探測(cè)器的側(cè)視圖Fig.4 Side view of the detector of a pair of probes

圖5 探測(cè)器外型和水滴撞擊圖Fig.5 Outline of the detector and view of the droplet impinging

美國(guó)專(zhuān)利US03002410A1也基于類(lèi)似原理［9］，圖5（a）為探測(cè)器外型，圖5（b）為水滴撞擊示意圖。特殊導(dǎo)流裝置使得流動(dòng)氣體在空氣出口2處形成氣流漩渦。慣性小的小水滴不能穿過(guò)空氣出口2的氣流漩渦，而越過(guò)探頭1。當(dāng)大水滴流向該裝置時(shí)，由于水滴慣性大，將穿過(guò)氣流漩渦撞擊到探頭上。因而可通過(guò)探頭1上的結(jié)冰狀態(tài)來(lái)檢測(cè)SLD結(jié)冰。

基于水滴軌跡檢測(cè)方法可用于識(shí)別SLD結(jié)冰條件，但文獻(xiàn)中尚沒(méi)有涉及探頭凍結(jié)系數(shù)過(guò)小的問(wèn)題。

4.2.2基于溢流特性檢測(cè)的方法

溢流是SLD結(jié)冰的重要特性，除了在機(jī)翼上布置齊平保形探測(cè)器探測(cè)溢流冰外，通過(guò)安裝在機(jī)腹下的探頭檢測(cè)結(jié)冰溢流特性也是可能的。

溢流特性檢測(cè)方法使所有粒徑的水滴撞擊到同一探頭上，用探頭上的凍結(jié)區(qū)域不同來(lái)鑒別SLD結(jié)冰。以傳統(tǒng)的小體積圓柱體探頭為例（直徑約為1／4inch），常規(guī)結(jié)冰將形成于探頭的迎風(fēng)面，而SLD結(jié)冰則表現(xiàn)出不同程度的溢流特性（見(jiàn)圖1）［29］。

傳統(tǒng)的磁致伸縮振動(dòng)筒是質(zhì)量敏感型結(jié)冰探頭，因而即使在探頭上表現(xiàn)出溢流特性，在原理上也無(wú)法得到SLD結(jié)冰溢流特性。其他測(cè)量原理，比如光學(xué)原理、電學(xué)原理或是其他能分區(qū)域檢測(cè)的設(shè)計(jì)在探頭上，則可以獲得溢流特性。

與水滴軌跡檢測(cè)類(lèi)似，該方法的探頭凍結(jié)系數(shù)過(guò)小也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因而，如何設(shè)計(jì)合適的探頭構(gòu)型，使得探頭具有足夠的水收集率，并降低由于水滴飛濺、破碎帶來(lái)的影響，進(jìn)而提高探頭的凍結(jié)系數(shù)，是擺在科研人員眼前的難題。

4.3 SLD結(jié)冰探測(cè)的其他發(fā)展方向

4.3.1氣動(dòng)性能探測(cè)

機(jī)翼結(jié)冰會(huì)造成飛機(jī)升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)上升等氣動(dòng)性能變化，可將這種變化表征出來(lái)以指示結(jié)冰狀態(tài)。在文獻(xiàn)［35］中講述超臨界翼型在受到SLD溢流結(jié)冰時(shí)，翼型表面壓差減小，最大升力系數(shù)和失速迎角將顯著增加。此外，不同冰型對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響也是不同的［36－37］。氣動(dòng)性能探測(cè)方法利用氣動(dòng)性能監(jiān)測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)翼的氣動(dòng)性能，進(jìn)而區(qū)分常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰［27，38］。文獻(xiàn)［27］介紹了一種氣動(dòng)性能監(jiān)測(cè)器，利用壓力傳感器和信號(hào)處理器來(lái)量化機(jī)翼表面流場(chǎng)的壓力波動(dòng)。在一個(gè)傳感器桅桿上安裝多個(gè)壓力傳感器測(cè)量機(jī)翼的實(shí)時(shí)壓力。壓力輸出信號(hào)可分成穩(wěn)態(tài)部分和重疊波動(dòng)部分。穩(wěn)態(tài)部分代表氣流的平均動(dòng)態(tài)壓力，重疊的波動(dòng)部分代表湍流。通過(guò)兩部分的無(wú)量綱比率可以得到壓力湍流強(qiáng)度因子［］。

氣動(dòng)性能探測(cè)方法并不是全新方法，但SLD結(jié)冰的出現(xiàn)為其賦予了新的內(nèi)容，由于附加硬件設(shè)備較少，可作為SLD結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。

4.3.2結(jié)冰條件探測(cè)

結(jié)冰條件探測(cè)技術(shù)主要是探測(cè)出空氣中水滴的LWC和MVD，進(jìn)而判別飛機(jī)是否處于危險(xiǎn)的結(jié)冰環(huán)境。文獻(xiàn)［40－41］中論述了利用熱線技術(shù)來(lái)檢測(cè)云層中的水含量的方法。文獻(xiàn)［40］中的是一個(gè)恒溫?zé)峋€式探測(cè)器，該探測(cè)器由分別檢測(cè)液態(tài)水含量LWC和總水含量TWC（Total Water Content，包括冰晶和液態(tài)水）的2個(gè)傳感器組成。每個(gè)傳感器都有一個(gè)收集熱線探頭和一個(gè)參考熱線探頭，并維持相同的常數(shù)溫度。收集探頭暴露在流動(dòng)空氣中，而參考探頭則避開(kāi)云層顆粒的撞擊。根據(jù)收集探頭結(jié)冰造成的熱損失量，可間接計(jì)算空氣中的LWC和TWC。文獻(xiàn)［41］基于類(lèi)似原理來(lái)檢測(cè)冰水含量IWC（Ice Water Content）。文獻(xiàn)［41］講述了利用光纖陣列探測(cè)顆粒粒徑技術(shù)來(lái)診斷顆粒大小的方法。該文獻(xiàn)介紹的是一個(gè)二維立體探測(cè)器，該探測(cè)器利用光電二極管線性陣列可以產(chǎn)生顆粒成像圖。2個(gè)正交的二極管光束在探測(cè)器的中間形成矩形的重疊區(qū)域，在重疊區(qū)域的顆粒會(huì)有2個(gè)獨(dú)立的成像，不在該區(qū)域的顆粒只有1個(gè)成像。根據(jù)形成的衍射成像圖可以間接導(dǎo)出顆粒的大小。

傳統(tǒng)上結(jié)冰條件探測(cè)器作為自然條件下的飛行試驗(yàn)測(cè)試儀器應(yīng)用，但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些在線探測(cè)的應(yīng)用。比如，波音公司率先在新型夢(mèng)幻飛機(jī)B787上采用結(jié)冰條件探測(cè)器，該探測(cè)器亦采用熱線式原理。雖然結(jié)冰條件探測(cè)器目前僅用于常規(guī)結(jié)冰探測(cè)，但也有望突破傳統(tǒng)方法的限制，成為SLD結(jié)冰條件探測(cè)的新方向。

4.3.3遠(yuǎn)程探測(cè)

遠(yuǎn)程結(jié)冰探測(cè)技術(shù)通過(guò)在飛機(jī)上安裝微波或激光雷達(dá)，探測(cè)飛機(jī)前端云層的過(guò)冷水滴或冰晶含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境的預(yù)警探測(cè)［43］。文獻(xiàn)［44］采用環(huán)形偏振激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了對(duì)云層結(jié)冰條件的遠(yuǎn)程探測(cè)，并稱(chēng)可判別云層中SLD結(jié)冰條件。

遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)突破了傳統(tǒng)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的束縛，具有較強(qiáng)的預(yù)警特性，對(duì)SLD結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)的意義是革新性的，具有良好的發(fā)展前景和前沿研究方向。由于技術(shù)難度較大，遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)很難在短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足各國(guó)對(duì)飛機(jī)SLD結(jié)冰安全防護(hù)的適航需求。

5 結(jié)論與展望

由于SLD危害大且難于防護(hù)，飛機(jī)不得已需要采取規(guī)避策略躲避SLD結(jié)冰云區(qū)。規(guī)避策略的前提條件是需要準(zhǔn)確識(shí)別SLD結(jié)冰條件，這種新需求增加了SLD結(jié)冰探測(cè)在結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)中的重要性。但是由于SLD結(jié)冰機(jī)理復(fù)雜，SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)一時(shí)難以突破。而另一方面，適航規(guī)范已經(jīng)對(duì)飛機(jī)在SLD結(jié)冰環(huán)境下的安全飛行提出了明確要求，如何通過(guò)適航審定是擺在在研機(jī)型眼前的迫切任務(wù)。針對(duì)目前現(xiàn)狀，研究者們提出了一些當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)下的SLD結(jié)冰探測(cè)方案，應(yīng)該是可行的，但尚不是最佳解決方案。

探頭型SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，水滴飛行軌跡方法和溢流特性檢測(cè)方法均還有待突破，特別是凍結(jié)系數(shù)過(guò)小的問(wèn)題值得重視。有別于傳統(tǒng)的結(jié)冰探測(cè)方法研究，SLD結(jié)冰探測(cè)的研究已不只限于冰物理研究，流體特性顯得更加重要，如過(guò)冷水滴在導(dǎo)流通道和探頭上的流體力學(xué)和結(jié)冰動(dòng)力學(xué)，傳感技術(shù)和結(jié)冰機(jī)理研究的交叉融合將更有意義。

鑒于SLD結(jié)冰可能凍結(jié)于機(jī)翼防護(hù)區(qū)外，當(dāng)前防除冰技術(shù)難以覆蓋全結(jié)冰區(qū)域，為脫離SLD結(jié)冰環(huán)境，SLD結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的預(yù)警性尤顯重要。遠(yuǎn)程結(jié)冰探測(cè)技術(shù)可能是最具前景的高預(yù)警性SLD結(jié)冰探測(cè)解決方案。

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Research progress on supercooled large droplet icing detection technology

Zhang Hong＊，Zhang Wenqian，Zheng Ying
（School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The Supercooled Large Droplet（SLD）icing is a new problem that emerged in recent years.The ice detection technology of SLD，which restricts the overall development of the aircraft icing protection system，is a key technology for securing the aircraft flight safety.The articles published recently on SLD ice detection are summarized and discussed.The new problems of the ice detection technology when applyied to SLD are presented from the perspectives of the icing mechanism and the detection principle.The new requirements of the SLD icing detection technology are summarized through the analysis of the latest airworthiness specification.According to the technology maturity，the SLD icing detection technologies are introduced in detail.A new classification method for the probe type SLD icing detector is firstly reported including droplet trajectory detection and back－flow characteristics detection.

SLD；icing；icing detection；airworthiness specification；droplet trajectory detection；back－flow characteristics detection

V244.1＋5

：A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）03－0033－07

10.11729／syltlx20160037

2016－02－02；

2016－04－18

＊通信作者E－mail：sunracer＠m(xù)ail.hust.edu.cn

Zhang H，Zhang W Q，Zheng Y.Research progress on supercooled large droplet icing detection technology.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：33－39.張洪，張文倩，鄭英.過(guò)冷大水滴結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（3）：33－39.

張洪（1973－），男，重慶江津人，講師。研究方向：多相流檢測(cè)技術(shù)，飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)。通信地址：湖北省武漢市洪山區(qū)珞瑜路1037號(hào)華中科技大學(xué)南一樓中617（430074）。Email：sunracer＠163.com