CN105644791A - 结冰探测系统及具有该结冰系统的飞行器 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行器的结冰探测系统，该系统包括：至少一个机身温度传感器；结冰探测器，结冰探测器包括结冰探头，在结冰探头上安装有探测器温度传感器和制冷元件；以及控制器，该控制器与机身温度传感器和第一结冰探测器相联通。控制器根据接收到的机身温度和探测器温度来控制制冷元件的动作。通过该结冰探测系统，既能保证结冰探头首先结冰，又能防止结冰探头过度灵敏。还公开了一种包括该结冰探测系统的飞行器。

Description

结冰探测系统及具有该结冰系统的飞行器

技术领域

本发明涉及一种结冰探测系统，该结冰探测系统特别地用于飞行器。本发明还涉及具有该结冰探测系统的飞行器。

背景技术

结冰探测器是保障飞行器的飞行安全的一项重要措施。在飞行器飞行时，由于气流的作用，在飞行器的一些部位处会发生结冰现象，例如在飞行器的机翼、尾翼、发动机进气罩等部位处。严重的结冰会危及飞行器的飞行安全。为此，在飞行器上需要安装结冰探测器。当探测器探测到飞行器发生或即将发生结冰情况时，探测器会发出结冰信号，提醒飞行员开启飞行器上的防冰系统，以防止结冰，或者去除已经形成的冰。

目前，随着飞行器整体设计的发展，对结冰探测器的设计也提出了越来越高的要求。例如，飞行器的机翼设计不断改进，开发出了超临界机翼、层流机翼等，这些导致机翼前缘越来越纤薄，造成气流在机翼的上下表面上加速，形成负压区，且机翼的局部温度降低，从而更容易结冰。此外，随着飞行器的发动机功率不断提高，其进气道唇口处的气流加速也越来越剧烈，其结果是，即使在环境温度为10℃的条件下也存在结冰的风险。

另一方面，对结冰探测器来说，为了提高飞行安全，需要将结冰探测器设计为先于飞机表面结冰。但是，与期望的相反，有时会发生结冰探测器还未结冰或结冰量还未达到触发警报的阈值，而飞机表面已经开发生结冰的情况，在环境温度接近或略低于0℃的情况下尤其如此。

为此，在现有的结冰体探测器中，通常采用对探头局部降温的手段来使探头结冰提前。讲题探头温度的方法主要包括探头外形设计以及设置主动制冷装置。例如，在美国专利US7,104,502中披露了通过改进结冰探测器的支撑部的几何形状，以使气流加速并增加紊流的程度，从而降低探测器的表面温度。不过，对探测器几何形状的设计受到飞行条件的制约。比如，在飞行速度较低的情况下，气流加速和紊流程度的提高有限，从而对结冰探测器的局部降温效果一般，而在高速飞行的情况下，降温效果会过于显著，反而会造成虚假报警的问题。

在美国专利US4,570,881中公开了在结冰探测器上加装制冷元件的方案，从而实现对结冰探测器的主动制冷。不过，该美国专利中也没有涉及对制冷幅度的控制，因而仍有可能降温不足而起不到报警作用，或者降温过甚而造成虚假报警。

因此，需要一种既能保证结冰探头首先结冰，又能防止结冰探头过度灵敏的结冰探测系统。

发明内容

本发明是为解决以上所提到的现有技术中问题而作出的。进一步地，本发明的目的是提供一种改进的结冰探测系统，该结冰探测系统能够对结冰探头进行受控的主动制冷，从而在确保结冰探头首先结冰的同时，避免结冰探头过于灵敏而发生虚假报警。

本发明的上述目的通过一种用于飞行器的结冰探测系统来实现，该系统包括：至少一个机身温度传感器，该机身温度传感器安装在飞行器的机身上，传感飞行器的机身温度；第一结冰探测器，该第一结冰探测器包括结冰探头，在结冰探头上安装有探测器温度传感器和制冷元件；以及控制器，控制器与机身温度传感器和第一结冰探测器相联通，接收由机身温度传感器测量到的机身温度、由探测器温度传感器测量到的探测器温度以及由第一结冰探测器发出的第一结冰信号；其中，控制器被构造成，当机身温度传感器和探测器温度传感器所测量到的温度满足以下关系时，该控制器启动制冷元件：

T₁<0℃，且T₂>T₁-T₀；

其中，T₁是由机身温度传感器测量到的机身温度，T₂是由探测器温度传感器测量到的探测器温度，而T₀是温度差设定值且大于等于0，相反，若检测到的温度满足T₁>0℃，或者满足T₂<T₁-T₀，则控制器将决定不启动制冷元件或停止制冷元件的工作。

通过如上所述的结冰探测系统，通过机身温度传感器、探测器温度传感器以及与这些传感器联通的控制器，在具备结冰条件的情况下，例如当飞行器机身的温度下降到0℃以下时，可确保结冰探测器上先发生结冰，从而及时地提供结冰信号，同时又将结冰探测器上的温度与机身温度之间的差值控制在一个预设的范围内，从而防止结冰探测器过于灵敏而给出虚假的结冰信号，导致虚假报警。

较佳地，其中的温度差设定值可预先存储在控制器内，且该温度差设定值的一个例子是2℃。

在一个进一步优选的实施例中，结冰探测系统包括两组机身温度传感器，分别为第一机身温度传感器组和第二机身传感器组。

包括两组机身温度传感器的结冰探测系统尤其有利地应用于结冰探测系统包括两种工作模式的情形中。这两种工作模式分别为保守模式和经济模式。此时，将第一机身温度传感器组测量到的温度设为T₃，将第二机身温度传感器组测量到的温度设为T₄，则控制器被构造成接收T₃和T₄，并且，当结冰探测系统处于保守模式时，控制器将T₃和T₄中较大的那一个的值赋予T₁，当结冰探测系统处于经济模式时，控制器将T₃和T₄中较小的那一个的值赋予T₁。

进一步地，第一机身温度传感器组可包括多个第一机身温度传感器，第二机身温度传感器组可包括多个第二机身温度传感器。此时，控制器被构造成，取多个第一机身温度传感器所测量到的温度中的最高温度作为T₃，并且取多个第二机身温度传感器所测量到的温度中的最高温度作为T₄。

在结冰探测系统包括保守模式和经济模式的情形中，除了之前提到的第一结冰探测器之外，结冰探测系统还可包括第二结冰探测器，第二结冰探测器与控制器相联通，从而控制器能够接收来自第二结冰探测器的第二结冰信号。该第二结冰探测器不同于第一结冰探测系统，其上没有安装探测器温度传感器和制冷元件。

此时，当结冰探测系统处于保守模式时，控制器使用来自第一结冰探测器的第一结冰信号，当结冰探测系统处于经济模式时，控制器使用来自第二结冰探测器的第二结冰信号。

较佳地，结冰探测系统还包括控制面板，控制面板与控制器相联通，由此，飞行器的飞行员可通过控制面板来选择结冰探测系统的保守模式和经济模式。

一般来说，机身温度传感器安装在飞行器的机翼和/或发动机上，第一结冰探测器和第二结冰探测器安装在飞行器的机头上。

本发明还涉及一种包括了上述结冰探测系统的飞行器。

附图说明

图1示出了装备有本发明的结冰探测系统的飞行器。

图2示出了结冰探测系统的结冰探头的示意性结构图。

图3以流程图的形式示出了控制器对结冰探头上的制冷元件的控制。

图4以流程图的形式示出了一种用来确定飞机机身表面上(例如机翼、发动机等)的温度的方案。

图5以流程图的形式示出了一种用来确定结冰信号的方案。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。应当理解，图中所示的只是本发明的优选实施方式，相关领域中的技术人员可以对其中的细节作各种等效变换，而这些等效变换同样在本发明所要求的保护范围之内。

<飞行器及其结冰探测系统>

图1示出了装备有本发明的结冰探测系统的飞行器1。该飞行器1包括机头11、机翼12和设置在机翼上的发动机13。

本发明的结冰探测系统包括至少一个结冰探测器20。结冰探测器20较佳地设置在飞行器1的机头11上。进一步地，结冰探测系统还包括至少一个机身温度传感器，该机身温度传感器可选择性地设置在机翼12上和发动机13中的至少一个上。例如，在图1所示的飞行器1中，在机翼12上设置有第一机身温度传感器31，而在发动机13上设置有第二机身温度传感器32。

当然，如已经提到的，本发明的结冰探测系统也可只包括设置在机翼12上的第一机身温度传感器31，或者只包括设置在发动机13上的第二机身温度传感器32。

图2示意性地示出了结冰探测器20的结冰探头21的结构。其中，结冰探头21上设置有探测器温度传感器22。较佳地，探测器温度传感器22可设置在结冰探头21的迎向气流(如图2中的箭头A所示)的一侧。此外，在结冰探头21的至少一侧(图2中显示的是两侧)上设置制冷元件23。该制冷元件23的一个实例是帕尔帖效应制冷元件。

回到图1，结冰探测系统还包括控制器40，该控制器40与机身温度传感器31、32和结冰探测器的探测器温度传感器22相联通，接收由这些温度传感器所感测到的温度值，并基于这些温度值来控制结冰探测器的制冷元件23的动作。

该控制器40还与控制面板50相连通，从而能够将监测到的飞行器温度数据传输给控制面板50，并且可选择地，可接收来自控制面板50的指令，以调整控制策略。控制面板50可设置在例如飞行器1的驾驶舱内，从而飞行员至少可以监控飞行器飞行过程中机身以及结冰探测器的温度。并且较佳地，飞行员还可通过控制面板50向控制器40发出指令，从而允许手动干预飞行器的防冰操作。例如，可由飞行员选择结冰探测器的工作模式。

<结冰探测系统的动作方式>

下面将参照图3～5来详细描述本发明的结冰探测系统的动作方式。

图3中从总体上示出了本发明的结冰探测系统的动作方式。其中，在飞行器1的飞行过程中，由机身温度传感器31、32测量飞行器机身表面上的温度(以下称为第一温度)，而由探测器温度传感器22测量结冰探测器20处的温度(以下称为第二温度)。控制器所测量到的第一温度和第二温度。

接着，控制器40进行两步判断。首先，在第一步中判断第一温度是否在0℃以上，若第一温度在0℃以上，则确定制冷元件不进行工作。若监测到的第一温度低于0℃，则进行第二步判断。

在第二步判断中，判断第一温度是否高于第二温度，且第一温度和第二温度之差是否大于一个设定值T₀。例如，，可将温度差的设定值T₀设定为2℃，并将该设定值存储在控制器中。在此，若用T₁来表示第一温度，用T₂来表示第二温度，则在第二步判断中的判断式可表达为T₂<T₁-T₀。

当第二步判断的结果为“是”时，则确定制冷元件不进行工作。反之，若在第二步判断中得出的结果为“否”，则控制器启动制冷元件23工作，以对结冰探测器20的结冰探头21进行主动冷却，降低其温度。

在制冷元件23工作期间，控制器40继续接收来自机身温度传感器的第一温度和来自探测器温度传感器的第二温度，并重复进行以上所提到的两步判断。一旦其中的任意一步判断结果为“是”，即，一旦检测到第一温度超出0℃，或者，虽然第一温度在0℃以下，但第一温度高出第二温度例如存储在控制器中的设定值T₀时，则控制器停止制冷单元的工作。

通过可进行以上控制动作的控制器40，可确保结冰探测器的结冰探头先于飞行器机身结冰，同时，将飞行器机身上(诸如机翼、发动机等处)的温度与结冰探测器处的温度之差控制在设定的范围内。由此，可解决现有技术中的结冰探测器所存在的不报警或假报警的问题。

本发明还对结冰探测系统的动作方式进行进一步的优化。下面将对两种优化方式进行具体说明。

<优选实施例一>

较佳地，本发明的结冰探测系统可包括两种工作模式，即保守模式和经济模式。在一个较佳的结构中，通过在飞行器的驾驶舱中设置的控制面板50，飞行员可手动选择结冰探测系统的保守模式或经济模式。

进一步地，在本实施例中，设置两组机身温度传感器，即，第一机身温度传感器组和第二机身温度传感器组。将这两组机身温度传感器分别安装在机身的不同位置处，例如分别安装在机翼12和发动机13上。进一步地，第一机身温度传感器组包括至少一个第一机身温度传感器31，同样地，第二机身温度传感器组包括至少一个第二机身温度传感器32。

以图1所示的飞行器1为例，在两侧的机翼12上分别安装有一个第一机身温度传感器31，而分别安装在两侧机翼12上的两个发动机13上各自安装有一个第二机身温度传感器32。由此，在图1所示的优选的飞行器1中共包括四个机身温度传感器，分别是安装在机翼上的两个第一机身温度传感器31和安装在发动机上的两个第二机身温度传感器32。

在本实施例中，控制器40接收由第一机身传感器31传感到的第三温度T₃和由第二机身传感器32传感到的第四温度T₄。在第一机身传感器组包括两个或更多第一机身传感器31的情形中，将这些第一机身传感器31传感到的温度中的最大值作为T₃。同样地，在第二机身传感器组包括两个或更多第二机身传感器32的情形中，将这些第二机身传感器32传感到的温度中的最大值作为T₄。

在在接收到第三温度T₃和第四温度T₄之后，控制器40依据结冰探测系统的具体工作模式来确定第一温度T₁的数值。当结冰探测系统在保守模式下工作时，将第三温度T₃和第四温度T₄中较高的那一个的值作为第一温度T₁的值。而当结冰探测系统在经济模式下工作时，将将第三温度T₃和第四温度T₄中较低的那一个的值作为第一温度T₁的值。

在确定了第一温度T1的值之后，控制器40按照图3所示的方法来进行对制冷元件的控制。

<优选实施例二>

与优选实施例一相同，优选实施例二也涉及两种工作模式，即保守模式和经济模式。进一步地，优选实施例二主要涉及对结冰信号的选择。

在本实施例中，除了以上所公开的安装有探测器温度传感器22和制冷元件23的结冰探测器(以下称“第一结冰探测器”)20之外，还另外设置第二结冰探测器20’。该第二结冰探测器20’上没有安装温度传感器和制冷元件。

控制器40根据结冰探测系统所处的工作模式来确定结冰信号。具体来说，当结冰探测系统在保守模式下工作时，控制器40依据第一结冰探测器20给出的结冰信号来决定是否进行除冰动作。而当结冰探测系统在经济模式下工作时，控制器40依据第二结冰探测器20’给出的结冰信号来决定是否进行除冰动作。

<其它变形例>

在以上所公开的实施例的基础上，还可作进一步的变形，以优化本发明的结冰探测系统。

例如，还可在飞行器上设置大气数据传感器。控制器40与该大气数据传感器相连接。由此，控制器40还可得到有关飞行器的速度、周围温度、攻角等参数，并基于这些参数进一步优化对制冷元件的控制。

进一步地，可以将结冰探测系统的控制器和结冰探测器集成为一个部件，以提高装置的集成性。

以上所述的具体实施方式中的实施例、优选实施例以及其它变形例中所描述的技术特征可以进行任意的组合，只要它们之间不互相矛盾即可。例如，优选实施例一中的两组机身温度传感器的设计和优选实施例二中的两个结冰探测器的设计可以都应用到同一个结冰探测系统中，也可只在结冰探测系统中采用其中一种。

Claims (12)

1.一种结冰探测系统，所述结冰探测系统设置在飞行器上，其特征在于，包括：

至少一个机身温度传感器，所述机身温度传感器安装在所述飞行器的机身上，传感所述飞行器的机身温度；

第一结冰探测器，所述第一结冰探测器包括结冰探头，在所述结冰探头上安装有探测器温度传感器和制冷元件；以及

控制器，所述控制器与所述机身温度传感器和所述第一结冰探测器相联通，接收由所述机身温度传感器测量到的机身温度、由所述探测器温度传感器测量到的探测器温度以及由所述第一结冰探测器发出的第一结冰信号；

其中，所述控制器被构造成，当所述机身温度传感器和所述探测器温度传感器所测量到的温度满足以下关系时，所述控制器启动所述制冷元件：

T₁<0℃，且T₂>T₁-T₀；

其中，T₁是由所述机身温度传感器测量到的所述机身温度，T₂是由所述探测器温度传感器测量到的探测器温度，而T₀是温度差设定值且大于等于0，

并且，当所述机身温度传感器和所述探测器温度传感器所测量到的温度不满足以上的关系，即，当T₁>0℃，或者T₂<T₁-T₀时，所述控制器停止所述制冷元件的工作。

2.如权利要求1所述的结冰探测系统，其特征在于，在所述控制器内预先存储所述温度差设定值。

3.如权利要求1所述的结冰探测系统，其特征在于，所述温度差设定值为2℃。

4.如权利要求1所述的结冰探测系统，其特征在于，包括两组所述机身温度传感器，分别为第一机身温度传感器组和第二机身传感器组。

5.如权利要求4所述的结冰探测系统，其特征在于，所述结冰探测系统被构造成包括两种工作模式，分别为保守模式和经济模式，将所述第一机身温度传感器组测量到的温度设为T₃，将所述第二机身温度传感器组测量到的温度设为T₄，所述控制器被构造成接收T₃和T₄，并且，当所述结冰探测系统处于所述保守模式时，所述控制器将T₃和T₄中较大的那一个的值赋予T₁，当所述结冰探测系统处于所述经济模式时，所述控制器将T₃和T₄中较小的那一个的值赋予T₁。

6.如权利要求5所述的结冰探测系统，其特征在于，所述第一机身温度传感器组包括多个第一机身温度传感器，所述第二机身温度传感器组包括多个第二机身温度传感器，所述控制器被构造成，取所述多个第一机身温度传感器所测量到的温度中的最高温度作为T₃，并且取所述多个第二机身温度传感器所测量到的温度中的最高温度作为T₄。

7.如权利要求1所述的结冰探测系统，其特征在于，所述结冰探测系统还包括第二结冰探测器，所述第二结冰探测器与所述控制器相联通，从而所述控制器能够接收来自所述第二结冰探测器的第二结冰信号，且所述第二结冰探测器上没有安装所述探测器温度传感器和所述制冷元件。

8.如权利要求7所述的结冰探测系统，其特征在于，所述结冰探测系统被构造成包括两种工作模式，分别为保守模式和经济模式，当所述结冰探测系统处于所述保守模式时，所述控制器使用来自所述第一结冰探测器的所述第一结冰信号，当所述结冰探测系统处于所述经济模式时，所述控制器使用来自所述第二结冰探测器的所述第二结冰信号。

9.如权利要求5或7所述的结冰探测系统，其特征在于，所述结冰探测系统还包括控制面板，所述控制面板与所述控制器相联通，通过所述控制面板来选择所述结冰探测系统的所述保守模式和所述经济模式。

10.如权利要求1所述的结冰探测系统，其特征在于，所述机身温度传感器安装在所述飞行器的机翼和/或发动机上，所述第一结冰探测器安装在所述飞行器的机头上。

11.如权利要求7所述的结冰探测系统，其特征在于，所述第二结冰探测器安装在所述飞行器的机头上。

12.一种飞行器，所述飞行器包括如权利要求1～11中任一项所述的结冰探测系统。