目視助航燈光坡度燈（PAPI）自動除防霜裝置研究

趙德鵬，楊盛華，李建

（天津濱海國際機場，天津 300000）

我國北方的冬季，霧霾天氣較多。當濕度和溫度構(gòu)成一定環(huán)境條件時，我們經(jīng)常會在車窗等玻璃上見到結(jié)霜現(xiàn)象。此時，位于機場跑道和滑行道上的目視助航燈光燈具，因發(fā)光窗口由玻璃透鏡組成，所以玻璃燈罩上也會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。其中，坡度燈因鏡面面積較大，結(jié)霜現(xiàn)象更加明顯。目視助航燈光設備中坡度燈系統(tǒng)是機場目視助航的重要組成部分，飛機降落的必備目視助航設施之一，使用頻繁，作用重大。坡度燈系統(tǒng)由4 組相同的照明裝置組成，作用是為飛行員提供正確進近坡度的指示。當飛機正在或者接近進近坡時，飛行員看到離跑道最近的兩個燈具為紅色，離跑道較遠的兩個燈具為白色；當飛機高于進近坡度時，飛行員看到離跑道最近的燈具為紅色，離跑道最遠的3 個燈具為白色；當飛機高于進近坡度更多時，飛行員看到全部燈具均為白色。當?shù)陀谶M近坡度時，看到離跑道最近的3 個燈具為紅色，離跑道最遠的燈具為白色；在飛機低于進近坡度更多時，看到全部燈具均為紅色。但還有一種情況容易給飛行員造成誤判，就是在坡度燈角度正常時，外部透鏡因達到結(jié)霜條件產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象時，就會嚴重影響坡度燈的紅白分區(qū)顯示效果，進而影響飛機員進近時對下滑角度的正確判斷，造成安全隱患。本文針對這一現(xiàn)象，進行坡度燈自動除防霜裝置研究，從而進一步解決影響飛行員對飛機降落過程中進近坡度的判斷情況。

1 坡度燈自動除防霜裝置研究的意義和背景

隨著全世界民航運輸業(yè)蓬勃發(fā)展，身處民航機場一線的保障人員始終以“安全第一，預防為主”為方針，不斷地在工作中進行革新，大力推動平安民航建設?；谄露葻魧德滹w機的重要性和使用現(xiàn)狀，我們非常有必要采用相應的技術改進措施進行坡度燈自動除防霜裝置研究。

以往在溫度較低濕度較大的天氣環(huán)境下，坡度燈在剛開啟運行時，就會接到塔臺空中管制員的反饋，坡度燈顯示不正確。經(jīng)助航燈光維護人員到達現(xiàn)場進行檢查，坡度燈仰角和內(nèi)部元器件均正常，唯一的異?，F(xiàn)象就是窗口鏡面有結(jié)霜情況，影響坡度燈的正常發(fā)光。在進行人工清除后，飛行員反映坡度燈顯示恢復正常。所以，每年到了冬季，燈光維護人員就需要重點對坡度燈系統(tǒng)進行全面的檢查。發(fā)現(xiàn)結(jié)霜后，立即對其進行人工清除。但是，隨著機場航班量的不斷增加，坡度燈所處位置（圖1）極為特殊。在跑道正常使用期間，巡視頻次嚴重受限。另外，結(jié)霜現(xiàn)象多發(fā)生在夜間，如果跑道臨時啟用，坡度燈表面已經(jīng)結(jié)霜，僅依靠人工現(xiàn)場進行清除，其時效性無法保證，這樣就會影響機場航班起降正常率。并且坡度燈系統(tǒng)具有嚴格的校飛程序確定的準確角度數(shù)據(jù)。如果長期進行人工使用外物進行除霜，對坡度燈的角度和透鏡的通透性也會存在不同程度的影響，存在一定的安全隱患。

圖1 坡度燈位置及坡度燈（PAPI）圖解（以3°為例）

2 坡度燈自動除防霜裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前業(yè)內(nèi)機場還未有過此類科研，此次科技創(chuàng)新項目當屬全國首例，坡度燈自動除防霜裝置是在不改變坡度燈外部機械機構(gòu)和內(nèi)部電子線路的前提下進行研究，不會影響坡度燈的正常發(fā)光和使用。

3 坡度燈自動除防霜裝置研究內(nèi)容

3.1 鏡面結(jié)霜產(chǎn)生原因

在通常情況下，隨著溫度的降低，空氣中的水蒸氣會飽和液化成水；當溫度低于0℃時水蒸氣會凝結(jié)成霜。然而，目視助航燈光燈具上產(chǎn)生結(jié)霜情況與家中玻璃還有所不同。它的結(jié)霜與外界樹枝、草葉、地面上的結(jié)霜是相同的道理。結(jié)霜的條件必須是晴朗無風的夜晚，且空氣濕度比較大，坡度燈起初關閉時溫度高，慢慢會散熱輻射冷卻，自身溫度降低，周圍空氣溫度升高，就會在表面形成霜。所以，霜都是在輻射冷卻的物體表面上形成的，物體表面越容易輻射散熱并迅速冷卻，它上面就越容易形成霜。只要在燈具關閉時，控制透鏡周圍的環(huán)境溫度和濕度兩種因素之一，就可預防結(jié)霜現(xiàn)象的產(chǎn)生。

實驗（表1）表明：表1 相對濕度較低時，風量的增加對提高蒸發(fā)溫度的正面影響大于空氣總水分增加的負面影響，宏觀上表現(xiàn)為風量的增加能減少結(jié)霜量；相對濕度很大時，負面作用在低風量時作用更加明顯，而正面作用在高風量時則更加明顯，風量增加時結(jié)霜速度是先增加后減小。因此，低風量高濕度的工況下結(jié)霜的概率最大。

表1 凝水量隨風量和相對濕度的變化（g,干球溫度為0℃）

3.2 除防霜裝置功能研究

因在坡度燈開啟狀態(tài)下，光源會產(chǎn)生熱量，此時一般不會產(chǎn)生結(jié)霜情況。所以，坡度燈自動除防霜裝置應實現(xiàn)，在坡度燈關閉狀態(tài)下，進行啟動。在冬季，當濕度因素達到結(jié)霜點時，首先啟動增加風量的方式，預防坡度燈鏡面結(jié)霜現(xiàn)象。在極寒的天氣時，風量不足以預防鏡面結(jié)霜時，應考慮除霜模式，此時增加吹風溫度，進行暖風除霜。

4 坡度燈自動除防霜裝置方案探究

4.1 裝置啟動方式設計

坡度燈在正常開啟時，一般不會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，所以該裝置啟動設計附加電流互感器控制識別坡度燈開關狀態(tài)。還應利用溫度、濕度傳感器對裝置啟動進行分析。如圖2 所示，該圖為自動除霜裝置的設計結(jié)構(gòu)框圖，設計想法是當坡度燈關閉后，當坡度燈附近的環(huán)境滿足結(jié)霜的條件時，為了防止透鏡結(jié)霜，此時除防霜裝置可以自啟動風機進行吹風模式，當環(huán)境溫度極低冷風模式無法完全清除結(jié)霜時，系統(tǒng)會自動啟動加熱棒與風機配合進行熱風模式。當?shù)浇Y(jié)霜的季節(jié)時，也可以人為地進行遠程開關自動除防霜裝置的單吹風和熱風兩種模式。

圖2 自動除霜裝置框圖

4.2 裝置供電方式分析

因考慮續(xù)航時間等因素，供電方式暫時采用就近設施取電方式。后期可進行太陽能電池板取電方式。

4.3 增設監(jiān)控裝置

本監(jiān)控裝置采用PC 機式監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過攝像機（監(jiān)控器）通過視頻線纜接入視頻卡（功能為視頻采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換），視頻卡處理后的數(shù)據(jù)可寫入存儲設備,保證數(shù)據(jù)在一定的時間內(nèi)不丟失，并通過4G 無線網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)秸緝?nèi)監(jiān)控PC 機上進行監(jiān)控顯示。

4.4 總體技術路線

如圖3 所示，該框圖為自動除霜裝置的總體技術路線，實現(xiàn)自動除霜裝置首先要進行總體方案設計，根據(jù)總體方案主要分成三個模塊，為自動除防霜裝置模塊、供電裝置模塊和監(jiān)控裝置模塊。自動除霜裝置主要先從站內(nèi)開發(fā)，后期到現(xiàn)場和供電裝置一起進行開發(fā)調(diào)試，監(jiān)控裝置主要和廠家進行溝通設計來完成，之后組裝進行現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試，并且測試數(shù)據(jù)，對除霜裝置進行完善，最后進行試運行階段。

圖3 總體技術路線框圖

5 坡度燈自動除防霜裝置應用前景與經(jīng)濟效益指標及分析

坡度燈自動除防霜裝置的研究，可以有效地避免坡度燈窗口在冬季結(jié)霜的情況，即使天氣環(huán)境急劇惡劣，也會提高除霜的實效性，確保坡度燈透鏡處于無霜通透狀態(tài)。

安裝自動除防霜裝置應用前景，是在冬季天氣濕度較大、溫度較低容易結(jié)霜的綜合環(huán)境下，預防助航燈光坡度燈結(jié)霜情況出現(xiàn)，可保證冬季突然啟用某條跑道時，坡度燈透鏡表面通透無霜。

此裝置暫應用于機場跑道坡度燈系統(tǒng)中，徹底解決以往人工發(fā)現(xiàn)窗口結(jié)霜后采取人為除霜的方法。如果坡度燈自動除防霜裝置試驗成功，就可以節(jié)約人員檢查的時間，保障坡度燈系統(tǒng)的正常使用。

坡度燈自動除霜裝置的研究，對跑道坡度燈的時刻正常使用起到了非常重要的效果，隨著航班量的增加，坡度燈的使用會越加頻繁，此項研究投入后我們既可以對坡度燈的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，又可以保障跑道突然啟用坡度燈的正常運行，進而節(jié)省助航燈光清晨巡視維護時間和人力，提高工作效率。

6 結(jié)語

天津機場已經(jīng)進入大型繁忙機場行列，飛行區(qū)部始終秉承著“安全第一，預防為主”的方針，不斷地在工作中進行革新，大力推動平安民航建設?；谄露葻魧德滹w機的重要性和使用現(xiàn)狀，我們非常有必要采用相應的電子技術進行坡度燈自動除防霜裝置的研究。坡度燈自動除防霜裝置的研究，可以有效地避免坡度燈窗口在冬季結(jié)霜的情況，即使天氣環(huán)境急劇惡劣，也會提高除霜的實效性。確保機場在運行過程中，坡度燈透鏡處于無霜通透狀態(tài)。