飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)器原理及安裝簡(jiǎn)析

李盼，朱家樂(lè)

飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)器原理及安裝簡(jiǎn)析

李盼，朱家樂(lè)

（西安民機(jī)有限公司，陜西西安710089）

飛機(jī)結(jié)冰是飛機(jī)飛行過(guò)程面臨的嚴(yán)重安全隱患，如何利用結(jié)冰探測(cè)器準(zhǔn)確地探測(cè)到結(jié)冰十分關(guān)鍵。本文介紹了結(jié)冰探測(cè)器的多種探測(cè)原理及其探測(cè)能力，結(jié)冰探測(cè)器安裝時(shí)的區(qū)域計(jì)算和驗(yàn)證方法，并說(shuō)明目前現(xiàn)有飛機(jī)的結(jié)冰探測(cè)器使用情況，為飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)器的安裝和選用提出指導(dǎo)。

結(jié)冰；結(jié)冰探測(cè)器；冰積聚；結(jié)冰試驗(yàn)

飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行時(shí)，為保證飛行安全，駕駛員必須在飛機(jī)臨界表面形成危險(xiǎn)量的結(jié)冰前使飛機(jī)飛離結(jié)冰區(qū)，或者及時(shí)啟動(dòng)結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)，確保臨界表面不會(huì)積聚危險(xiǎn)量的冰。因此獲得正確的結(jié)冰探測(cè)信號(hào)，指示機(jī)組人員開(kāi)啟防除冰系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

結(jié)冰探測(cè)器用于探測(cè)飛機(jī)結(jié)冰，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入結(jié)冰氣象條件，或者飛機(jī)關(guān)鍵部位結(jié)冰厚度達(dá)到一定程度時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)組人員據(jù)此開(kāi)啟飛機(jī)防除冰系統(tǒng)，降低飛機(jī)在結(jié)冰條件下失事的可能性。

結(jié)冰探測(cè)器研究至今，結(jié)冰探測(cè)原理已發(fā)展到十幾種，包括視覺(jué)觀察、障礙式、壓差式、潛熱式、微波式、超聲脈沖回波、光學(xué)折射、紅外線、熱流等，這些原理有些已經(jīng)應(yīng)用于各種結(jié)冰探測(cè)的系統(tǒng)中，有些還處于研究階段。本文選取幾種結(jié)冰探測(cè)原理進(jìn)行介紹。

1 結(jié)冰探測(cè)原理

1.1 視覺(jué)提示

在白天情況下，一種最簡(jiǎn)單的探測(cè)結(jié)冰條件的方法是飛行員關(guān)注在風(fēng)擋玻璃的非防護(hù)區(qū)域如風(fēng)擋雨刷上的冰積聚（見(jiàn)圖1），飛行機(jī)組可以從視覺(jué)觀察推斷出結(jié)冰速率信息。

圖1 雨刷冰積聚

對(duì)于夜間的結(jié)冰探測(cè)，通常采取照明方式提示冰積聚。通常情況下照明燈光會(huì)透過(guò)風(fēng)擋玻璃，但不會(huì)引起飛行員的注意；當(dāng)出現(xiàn)結(jié)冰時(shí)，照明燈光會(huì)分散，指示冰積聚。

1.2 潛熱

利用潛熱原理的結(jié)冰探測(cè)器有兩種方式來(lái)指示出現(xiàn)結(jié)冰。

第一種是使用通過(guò)電阻元件的周期電流脈沖來(lái)加熱探針。如果探針上有冰積聚，那么在溫度上升時(shí)將會(huì)暫停在0℃（32℉），電子設(shè)備會(huì)感應(yīng)并指示這種情況[1]。

第二種方式是通過(guò)測(cè)量維持探針在預(yù)定溫度所需的功率來(lái)提供結(jié)冰條件指示。由水滴的撞擊會(huì)引起功率增加，從而表明飛行環(huán)境中存在水；在空氣總溫（TAT）低于10℃（50℉）時(shí)，可能會(huì)遇到結(jié)冰條件。

1.3 振動(dòng)

利用振動(dòng)原理的探測(cè)器一般用于探測(cè)冰積聚，探測(cè)表面結(jié)冰時(shí)對(duì)探測(cè)器有三種影響：

（1）結(jié)冰質(zhì)量增加導(dǎo)致共振頻率降低；

（2）結(jié)冰硬度增加使得共振頻率增加；

（3）阻尼增加使得振幅減小。

當(dāng)前廣泛使用的結(jié)冰探測(cè)器普遍采用軸向振動(dòng)的圓柱探針作為傳感器，結(jié)冰探測(cè)器的探針通常垂直于氣流，當(dāng)探針表面出現(xiàn)冰層時(shí)，隨著冰積聚質(zhì)量的增加，其軸向固有頻率會(huì)產(chǎn)生偏移，使諧振頻率也產(chǎn)生偏移，從而輸出結(jié)冰信號(hào)。這種結(jié)冰探測(cè)器采用侵入式安裝，即感應(yīng)元件位于表面之外。運(yùn)用這種原理的結(jié)冰探測(cè)器能夠探測(cè)和測(cè)量厚度從0.13 mm到12.7 mm的結(jié)冰。

目前這種結(jié)冰探測(cè)器是在運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)上運(yùn)用最廣泛的探測(cè)器，具有強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。MD一80、B-747、B-767和A380等飛機(jī)安裝的均為這種原理的結(jié)冰探測(cè)器。典型的利用振動(dòng)原理的結(jié)冰探測(cè)器如圖2所示。

圖2 運(yùn)用振動(dòng)原理的結(jié)冰探測(cè)器

1.4 電磁束干擾

電磁束干擾原理是利用位于探測(cè)器的軟管一側(cè)的電磁束源和軟管另一側(cè)的傳感器來(lái)探測(cè)結(jié)冰。當(dāng)在軟管上出現(xiàn)結(jié)冰時(shí)，電磁信號(hào)被中斷，電子單元感應(yīng)到傳感器信號(hào)的中斷從而指示結(jié)冰，可利用多種傳感器的組合來(lái)探測(cè)結(jié)冰，如可見(jiàn)光、紅外線、激光和核束等[2]。

目前已經(jīng)研制了一種基于電磁束干擾原理的針對(duì)直升機(jī)的先進(jìn)結(jié)冰嚴(yán)重程度指示系統(tǒng)，此系統(tǒng)監(jiān)測(cè)旋翼轉(zhuǎn)速，振動(dòng)等級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，燃油量，靜壓和動(dòng)壓，空氣溫度和液態(tài)水含量。機(jī)組手動(dòng)輸入乘客數(shù)量，貨物質(zhì)量和飛機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，機(jī)載計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)并提供結(jié)冰程度和飛機(jī)性能異常的指示。

1.5 光學(xué)折射

光學(xué)折射探測(cè)結(jié)冰的原理是感應(yīng)從積聚的冰上折射出的光[3]。圖3顯示了這種類(lèi)型的探測(cè)器的一個(gè)實(shí)例，探測(cè)器侵入氣流之中并且密封，利用光束來(lái)監(jiān)測(cè)探針上的任何物質(zhì)的不透明度和光學(xué)折射率。傳感器探針是光學(xué)分光計(jì)和光學(xué)開(kāi)關(guān)的集成，探針?lè)峭该鞫鹊淖兓憩F(xiàn)為霜冰，折射率的變化表現(xiàn)為明冰。傳感器所激發(fā)的光的波長(zhǎng)對(duì)于人眼是不可見(jiàn)的，因此不能當(dāng)作任何的導(dǎo)航燈。

圖3 基于折射的結(jié)冰探測(cè)器傳感器

利用光學(xué)折射原理的結(jié)冰探測(cè)器可安裝在任何類(lèi)型的航空器上，只要其具有足夠的空速來(lái)防止水在光學(xué)部件上積聚。

2 結(jié)冰探測(cè)器安裝

飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)除了采用合適的結(jié)冰探測(cè)器外，還應(yīng)將結(jié)冰探測(cè)器安裝在合適的位置，以便遇到結(jié)冰條件時(shí)，結(jié)冰探測(cè)器的感應(yīng)元件要能夠及時(shí)有效地探測(cè)結(jié)冰。圖4為結(jié)冰探測(cè)器安裝示例[4]。

圖4 結(jié)冰探測(cè)器安裝示例

為確定結(jié)冰探測(cè)器的安裝位置，可通過(guò)建立飛機(jī)的三維模型，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行外部流場(chǎng)分析，得出飛機(jī)周?chē)牧鲃?dòng)形式[5]，初步選定結(jié)冰探測(cè)器的安裝位置，并對(duì)候選的傳感器位置在不同的攻角、空速、側(cè)滑角和結(jié)冰飛行批準(zhǔn)的飛機(jī)構(gòu)型下進(jìn)行流場(chǎng)和附面層厚度分析。

理論分析之后，需要做試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)冰探測(cè)器的驗(yàn)證包括測(cè)定的自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)和試驗(yàn)室試驗(yàn)。自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在規(guī)定的結(jié)冰環(huán)境和要求的飛機(jī)構(gòu)型及飛機(jī)狀態(tài)下表明結(jié)冰探測(cè)器執(zhí)行預(yù)定的功能[6]，如飛行試驗(yàn)期間沒(méi)有找到符合適航規(guī)定的結(jié)冰條件進(jìn)行試驗(yàn)，可以使用試驗(yàn)室試驗(yàn)（如冰風(fēng)洞試驗(yàn)或結(jié)冰噴水機(jī)試驗(yàn)）來(lái)表明結(jié)冰探測(cè)器能夠及時(shí)有效探測(cè)結(jié)冰。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，結(jié)冰探測(cè)器在理論研究方面發(fā)展迅速，各種新型結(jié)冰探測(cè)方法的研究和開(kāi)發(fā)都具備了一定的理論基礎(chǔ)。在選用結(jié)冰探測(cè)器時(shí)，飛機(jī)應(yīng)根據(jù)具體外形、氣動(dòng)特性、飛行環(huán)境等特點(diǎn)采用合適的結(jié)冰探測(cè)器，安裝在合適的探測(cè)位置。運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)可采用目前運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)廣泛使用的振動(dòng)原理的結(jié)冰探測(cè)器，旋翼類(lèi)飛機(jī)可采用電磁束干擾原理的結(jié)冰探測(cè)器。新型結(jié)冰探測(cè)器也可應(yīng)用于其他相關(guān)行業(yè)，具有很好的研發(fā)前景和應(yīng)用價(jià)值。

[1]張濱華.一種基于振動(dòng)原理的結(jié)冰探測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003（8）：20-23.

[2]王起達(dá).機(jī)翼結(jié)冰探測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2009（5）：25-28.

[3]Aircraft Inflight Ice Detectors and Icing Rate Measuring In struments[Z].SAE AIR4367，2007.

[4]沈浩．淺析運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)體防冰適航新規(guī)章[J]．民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2010（4）：63-66.

[5]Cabler S J.M.AC20-73A Aircraft Ice Protection[Z].FAA，2016.

[6]Kaszycki M，AC25-28Compliance of Transport Category Airplanes with Certification Requirements for Flight in Icing Conditions[Z].FAA，2014.

Brief Analysis of Principle and Installation of Aircraft Ice Detector

LI Pan，ZHU Jia-le
（Xi’an Civil Aircraft Co.，Ltd.，Xi’an 710089，China）

Icing on aircraft is serious safety risks for aircraft in flight.It is critical to use icing detector to accurately detect the ice.This paper introduces several detection principles of the icing detector and its detection ability，the area calculation and verification method of the icing detector installation，and explains the current situation of the icing detector of the existing aircraft，and provide advice for the ice detector selection of aircraft.

ice；ice detection；ice accumulation；icing test

TP212

B

1672-545X（2017）07-0165-03

2017-04-09

李盼（1989-），女，江蘇徐州人，工程師，本科，主要研究方向：飛機(jī)結(jié)冰、除冰；朱家樂(lè)（1986-），男，云南曲靖人，工程師，本科，主要研究方向：飛機(jī)防冰、除雨。