淺談浮空器結(jié)冰探測系統(tǒng)設計

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)冰探測和預警系統(tǒng)，并構(gòu)建結(jié)冰預警專家系統(tǒng)模型和軟件設計需求，對浮空器在結(jié)冰環(huán)境中安全運行具有現(xiàn)實意義。

關鍵詞：浮空器;結(jié)冰探測;預警系統(tǒng)

0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。

2浮空器結(jié)冰探測系統(tǒng)設計要求與設計

2.1 結(jié)冰探測系統(tǒng)設計要求

針對浮空器工作要求與結(jié)冰特點，其結(jié)冰探測系統(tǒng)應該具備全方位的結(jié)冰探測功能，反應靈敏，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)冰預警，并在地面天氣雷達配合下提高結(jié)冰預警的質(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。

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)冰預警系統(tǒng)設計

在進行現(xiàn)場試驗時，產(chǎn)品完成的任務能夠表明其自身的使用壽命典型任務，那就說明實驗結(jié)果具有代表性，它所檢測出的結(jié)果與產(chǎn)品的真實性能相符合。然而在短時間內(nèi)現(xiàn)場條件是無法全部達成的。比如以其環(huán)境試驗中的氣候試驗為例，有些產(chǎn)品需要在冷熱不同環(huán)境下試驗一年以上，但是自然界中端冷和極端熱環(huán)境是無法保證其可以及時出現(xiàn)并被利用的。這些現(xiàn)場條件是無法控制的，這就給現(xiàn)場試驗帶來了很大的難度。所以在實際工作中，通常都在最后的研制環(huán)節(jié)采用現(xiàn)場試驗來進行復驗。在大多數(shù)的產(chǎn)品研制、設計以及驗收工作中，基本都是采用實驗室試研制以及生產(chǎn)中的可靠性試驗與環(huán)境試驗分析。

性能試驗指的是在實驗室中通過相關的試驗來測試產(chǎn)品的性能，它的目的有兩個：第一，對研制產(chǎn)品的性能進行評估，檢驗其是否達到設計的要求;第二，制定一套合理科學的性能評判基準，以此來完成對試驗中、試驗后所得到數(shù)據(jù)的比較，進而對產(chǎn)品性能的變化趨勢以及其性能進行合理的評估。性能試驗是其他試驗的基礎，產(chǎn)品研制階段樣機制造出來后應立即進行性能試驗，看其是否滿足設計要求，試驗過程中暴露出來的缺陷應作為改進措施的直接依據(jù)，一般情況下要經(jīng)過反復設計和改進后才能使研制的產(chǎn)品通過性能試驗，然而通過了性能試驗的產(chǎn)品在實際環(huán)境條件下不一定能正常工作，因此性能試驗后要進行環(huán)境試驗。

結(jié)冰預警系統(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)冰預警信息，本文以某系留氣球為例，構(gòu)建建結(jié)冰預警專家系統(tǒng)模型。預警邏輯為在風速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，通過全新設計結(jié)冰探測與預警系統(tǒng)，經(jīng)試驗驗證，效果良好，能有效解決結(jié)冰探測和預警問題，保障浮空器安全運行。

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作者簡介

劉賢明（1982.2—）安徽合肥人，高級工，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究。