浮空器結(jié)冰探測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張文華 蔣鵬程

摘 要 浮空器是一種可長時間留空的飛行器。浮空器體積尺寸通常較大，長時間、全天候的特點使其易受積雪和積冰的影響，結(jié)冰不僅增加囊體重量，且破壞了浮空器氣動外形，導致其升力下降，飛行阻力升高，穩(wěn)定性能下降，有可能發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)難事故，本文提出一種適用于浮空器的分布式多傳感器結(jié)冰探測和預(yù)警系統(tǒng)，并構(gòu)建結(jié)冰預(yù)警專家系統(tǒng)模型和軟件設(shè)計需求，對浮空器在結(jié)冰環(huán)境中安全運行具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞 浮空器;結(jié)冰探測;預(yù)警系統(tǒng)

引言

基于浮空器續(xù)航時間長、低噪音、運行成本低、裝載能力強等特點，近年來被廣泛應(yīng)用于電子對抗、超視距通訊、氣象偵查、載人觀光旅游等不同領(lǐng)域。浮空器工作過程中，積雪和積冰都會對其安全性產(chǎn)生影響。目前，結(jié)冰探測系統(tǒng)作為檢測結(jié)冰狀態(tài)的系統(tǒng)在飛機飛行中扮演著相當關(guān)鍵的角色，它能給出飛機航行中結(jié)冰的信息與結(jié)冰嚴重程度的信息，配合除冰裝置，可使飛機在結(jié)冰氣象條件下減小失事的可能性，本文提出一種適用于浮空器的分布式多傳感器結(jié)冰探測和預(yù)警系統(tǒng)，為確保浮空器長時間駐空和安全運行提供了重要保障。

1浮空器結(jié)冰機理與特點

浮空器在大氣中飛行時，其外表面與懸浮在大氣中的液態(tài)過冷小水滴撞擊后，水滴破碎，曲率瞬間變小，其冰點隨即變大，同時水滴變成了貼附在表面很薄的水膜，增大了換熱面積，其相變產(chǎn)生的熱量瞬間被散走，使得撞擊到浮空器外表面的水滴很快凍結(jié)。

采用飛行器結(jié)冰專用軟件FENSAP-ICE對浮空器進行CFD計算，分析發(fā)現(xiàn)常規(guī)形浮空器通常在結(jié)冰條件下尾翼前緣是主要發(fā)生結(jié)冰部位，囊體無結(jié)冰，結(jié)冰量隨風速和俯仰角增大而增大;在小風速和小俯仰角姿態(tài)過冷水滴受重力影響大，囊體上表面極易結(jié)冰;囊體前部外形對尾翼水滴運動軌跡影響較大，在凍霧和凍雨條件下，囊體前部可以遮擋水滴撞擊部分尾翼[1]。

2浮空器結(jié)冰探測系統(tǒng)設(shè)計要求與設(shè)計

2.1 結(jié)冰探測系統(tǒng)設(shè)計要求

針對浮空器工作要求與結(jié)冰特點，其結(jié)冰探測系統(tǒng)應(yīng)該具備全方位的結(jié)冰探測功能，反應(yīng)靈敏，能夠?qū)O薄的結(jié)冰現(xiàn)象進行感知，并快速告警，且具有結(jié)冰厚度累計分析功能。

2.2 結(jié)冰探測系統(tǒng)設(shè)計

由于浮空器體積大、高度低、空中飛行時極易遭受多種結(jié)冰氣象情況，且結(jié)冰部位多，為了充分掌握浮空器飛行時結(jié)冰情況，擬采用分布式多傳感器（風速、溫濕度、結(jié)冰）結(jié)冰探測系統(tǒng)進行結(jié)冰預(yù)警，并在地面天氣雷達配合下提高結(jié)冰預(yù)警的質(zhì)量。

浮空器結(jié)冰探測系統(tǒng)由2個前向結(jié)冰傳感器和2個垂向結(jié)冰傳感器組成，同時由風速風向儀和溫濕度傳感器提供環(huán)境數(shù)據(jù)由于判定結(jié)冰強度，傳感器布設(shè)布置見圖1。

浮空器頭部安裝超聲波風速風向儀，能夠從各空間方向上測量風速風向，為浮空結(jié)冰強度判斷提供依據(jù)。底部安裝溫濕度傳感器測量大氣溫度和濕度，使地面了解浮空器及其系統(tǒng)設(shè)備是否在允許的溫適度范圍內(nèi)，同時作為其他參數(shù)修正的依據(jù)。在浮空器前端、頂部、垂尾及平尾安裝結(jié)冰傳感器，冰信號器工作原理是結(jié)冰傳感器靈敏的振動元件在相對于冰層的不同厚度而產(chǎn)生的振蕩頻率的不同。

3浮空器結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)是為了有效整合各傳感器數(shù)據(jù)并及時向操作人員發(fā)出結(jié)冰預(yù)警信息，本文以某系留氣球為例，構(gòu)建建結(jié)冰預(yù)警專家系統(tǒng)模型。預(yù)警邏輯為在風速5m/s～10m/s時，當累積結(jié)冰次數(shù)達5次后，二級結(jié)冰告警（聲光提示：加強觀察）;當累積結(jié)冰次數(shù)達10次后，一級結(jié)冰告警（聲光提示：清除冰雪），在風速10m/s～20m/s時，當累積結(jié)冰次數(shù)達3次后，二級結(jié)冰告警;當累積結(jié)冰次數(shù)達6次后，一級結(jié)冰告警。在風速>20m/s時，當累積結(jié)冰次數(shù)達2次后，一級結(jié)冰告警。當結(jié)冰信號器不再告警時，根據(jù)球體環(huán)境溫度酌情減少，環(huán)境溫度一直處于0℃以下時，保持累積次數(shù)不變;環(huán)境溫度高于0℃以上時，每隔60min減少1次。

4結(jié)束語

浮空器與傳統(tǒng)飛機在結(jié)冰部位及探測方面存在巨大差異，通過全新設(shè)計結(jié)冰探測與預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)試驗驗證，效果良好，能有效解決結(jié)冰探測和預(yù)警問題，保障浮空器安全運行。

參考文獻

[1] 張大林，陳維建.飛機機翼表面霜狀冰結(jié)冰過程的數(shù)值模擬[J].航空動力學報，2004，（01）：137-141.

作者簡介

張文華，男，工程師，現(xiàn)就職單位：中航工業(yè)特種飛行研究所，研究方向：飛行器環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計。

蔣鵬程，男，高級工程師，現(xiàn)就職單位：中航工業(yè)特種飛行研究所，研究方向：飛行器環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計。