CN112550723B - 一种过冷大水滴结冰探头及探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过冷大水滴结冰探头及探测器，属于航空探测技术领域，包括探头本体和过冷水相态感知膜，探头沿来流方向设有前端迎风锥面、中段锥面、后端迎风锥面和尾端锥面；过冷水相态感知膜安装于探头本体的外表面；过冷大水滴撞击前端迎风锥面后，一部分从前端迎风锥面溢流并受气流影响在中段锥面区域停驻、结冰，另一部分直接撞击到后端迎风锥面并结冰；过冷水相态感知膜分别探测过冷水探头本体表面溢流和冻结的动态过程，通过获取过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，实现对过冷大水滴结冰探测。本发明旨在高效、可靠地实现飞行器飞行过程中的过冷大水滴结冰探测功能，为飞行器结冰防护系统提供准确的结冰状况数据。
Description
技术领域
本发明属于航空探测技术领域，更具体地，涉及一种过冷大水滴结冰探测器及探测方法。
背景技术
飞机的诞生为人们出行提供了便利，但由于过冷水滴的存在，结冰现象已经导致了大量的航空事故。在这些事故中，过冷大水滴(Super cooled Large Droplets，简称SLD)结冰尤为危险。飞机的常规结冰包线包含了中位体积直径(MVD)处于15μm至50μm范围内的水滴，而SLD的MVD达到了50μm甚至数百微米，其撞击、飞溅特性更加复杂，且因水滴温度较高、体积较大而具备流过飞机结冰防护区形成溢流冰的能力，导致以常规结冰包线为设计和验证规范的结冰探测器无法做出正确响应。
专利申请CN110606209A公开了一种结冰探测器，通过围绕前缘缝翼阵列型排布的多个探测单元，实现在任何迎角条件下的SLD探测功能。该专利原理清晰、实现便捷，但探测器依赖大量独立的结冰探测单元，且由前缘向防除冰区域末端延伸，因此安装面积较大，针对不同翼型具有一定的特异性，需要单独设计排布模式及识别算法。
专利申请CN107132278A公开了一种过冷水滴结冰探测装置，通过多个不同直径的圆柱体结冰传感器组成探测阵列，分别针对不同MVD的水滴进行探测，以确定SLD结冰情况。该专利实用性强，但对探头的直径设计有一定要求，一般其直径较小，以提高水滴收集率。直径较小的探头冻结系数不高，可能导致严重的溢流问题，降低了探测器的准确率。
专利申请CN110077601A公开了一种过冷水滴结冰探测器和混合态结冰探测器，通过将不同直径的圆柱形探头堆叠放置，形成针对多种MVD水滴的紧凑型探测器，同时，引入了内流道及冰晶收集槽，一方面提升了探头的冻结系数，一方面丰富了探测器的功能。该专利设计巧妙，但在探头底部安装的光纤式结冰传感器视场易受到局部冰层遮挡，难以全面地反映探头表面的结冰情况，存在虚警及漏警隐患。
专利申请CN102336272A公开了一种SLD结冰探测器探头，探头具有三段结构，第一段的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜能；第三段的外表面用于大水滴在其上结冰。可以通过探头上的结冰位置和区域，对大水滴结冰进行区分和识别。但是，该专利并没有给出如何测量探头表面结冰状态的方法。
专利申请CN106018199A公开了一种基于过冷水滴运动与撞击的数值计算方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法，其曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；在SLD条件下，水滴将同时撞击到构型的前部和后部，探测器上出现多个不连续的结冰区域。但是，该专利也未给出如何测量探头表面结冰状态的具体方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种过冷大水滴结冰探头及探测器，旨在高效、可靠地实现飞行器飞行过程中的过冷大水滴结冰探测功能，为飞行器结冰防护系统提供准确的结冰状况数据。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种过冷大水滴结冰探头，包括：探头本体和过冷水相态感知膜；
所述探头本体为回转体结构，并沿来流方向依次设有前端迎风锥面、中段锥面、后端迎风锥面和尾端锥面；所述过冷水相态感知膜分别安装于所述前端迎风锥面、中段锥面和后端迎风锥面的外表面；
当过冷大水滴撞击所述前端迎风锥面后产生破碎、溢流现象，一部分过冷大水滴从所述前端迎风锥面溢流并受气流影响在所述中段锥面区域停驻、结冰，另一部分过冷大水滴直接撞击到所述后端迎风锥面并结冰；所述过冷水相态感知膜用于分别探测过冷水在所述前端迎风锥面、所述中段锥面和所述后端迎风锥面表面溢流和冻结的动态过程，通过获取所述过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，实现对过冷大水滴结冰探测。
优选地，所述前端迎风锥面、中段锥面、后端迎风锥面和尾端锥面均设有用于安装所述过冷水相态感知膜的凹槽，且所述凹槽的深度保证所述过冷水相态感知膜在所述凹槽内并与所述探头本体外表面平齐。
优选地，所述过冷水相态感知膜为平面扇环形状，用于完整贴合所述探头本体的凹槽位置。
优选地，所述过冷水相态感知膜包括前端感知膜、中段感知膜和后端感知膜，所述前端感知膜设置于所述前端迎风锥面，所述中段感知膜设置于所述中段锥面，所述后端感知膜设置于所述后端迎风锥面；
所述前端感知膜、中段感知膜和后端感知膜的线缆由预留于所述探头本体的线孔引至探头本体内部并汇集，再通过出线孔引至所述探头本体外部。
优选地，所述过冷水相态感知膜的电极排布方式包括但不限于正交网格形式或双电极测点阵列形式。
按照本发明的另一方面，提供了一种过冷大水滴结冰探测器，包括上文所述的过冷大水滴结冰探头，还包括：
数据处理系统，用于获取过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，并在时域中将瞬态分布信息数据串联，推算出描述溢流及冻结现象的过程信息；并根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量，依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型，最终实现过冷大水滴的结冰探测。
优选地，所述数据处理系统根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量具体包括：在所提取的相变时间、结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离参数中，依据皮尔森相关性分析方法判断各个参数与水滴中位体积直径的关联程度，筛选并构建核心特征量。
优选地，所述数据处理系统依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型具体包括：使用所述核心特征量结合过冷水滴类型标签，对水滴类型映射模型进行训练，直至水滴类型映射模型对水滴类型的识别正确率高于99％。
优选地，所述水滴类型映射模型包括但不限于知识规则模型、决策树模型、支撑向量机模型、神经网络模型。
优选地，还包括安装柱，所述安装柱设置于所述探头本体的顶部，其用于将过冷大水滴结冰探头固定至飞行器机身并布设线缆。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用基于弛豫极化原理的过冷水动态特征感知薄膜对探头表面过冷水滴的分布、冻结状况进行探测，有效提高了过冷大水滴结冰情况的识别准确率，对保证飞机防除冰系统的高效可靠运行具有现实意义。
2、本发明采用回转体探头结构，有效避免了传统探头顶面与底面气动构型突变对过冷水滴轨迹过冷大水滴探测造成的影响。
3、本发明通过训练水滴类型映射模型，并通过过冷水动态感知薄膜对探头表面过冷水滴的分布、冻结状况的探测结果大幅增加了水滴类型映射模型的输入数据维度，提高了对过冷大水滴结冰情况的有效识别准确率。
4、本发明的过冷大水滴探测器结构紧凑，安装方便，适应性强，具备在复杂气象条件下稳定工作的能力，是飞行器过冷大水滴结冰探测领域的一项重要成果。
附图说明
图1是本发明实施例提出的过冷大水滴结冰探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例提出的过冷大水滴结冰探头的剖面示意图；
图3是本发明过冷大水滴结冰探头的一个实施例的过冷水滴区分原理示意图；
图4是本发明过冷大水滴结冰探测器的一个实施例的过冷水相态感知膜测量原理示意图；
图5是本发明过冷大水滴结冰探测器的一个实施例的过冷水动态过程感知示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：前端迎风锥面101；中段锥面102；后端迎风锥面103；尾端锥面104；前端感知膜201；中段感知膜202；后端感知膜203。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
如图1所示，本发明提出了一种过冷大水滴结冰探头，具有分段式的探头本体，利用边界层原理使常规过冷水滴及过冷大水滴在探头表面的冻结区域具有较大差异性。探头本体表面安装基于弛豫极化原理的过冷水相态感知膜，探测过冷水滴在探头表面的溢流、冻结等动态过程。
如图2所示，所述探头本体为回转体结构，具体的为四个圆锥体首位相接而成。所述探头本体沿来流方向由前端迎风面101、中段锥面102、后端迎风锥面103和尾端锥面104共四个部分组成。
本发明的过冷大水滴结冰探头利用边界层原理使常规过冷水滴及过冷大水滴在探头表面的冻结区域具有较大差异性。具体的，如图3所示，依据边界层中的粘性力上升原理，通过调整前端迎风锥面101的倾斜角度及长度，合理地增大常规水滴在探头后部的中段锥面102、后端迎风锥面103、尾端锥面104周围理想绕流的边界层厚度，同时使过冷大水滴能够撞击探头后部区域。
边界层速度厚度δ(x)与雷诺数Rex及前缘距离x有直接关联，其设计依据为：
依据上述原理，常规水滴撞击探头前端迎风锥面101后将直接结冰，而过冷大水滴在撞击前端迎风锥面101后将产生破碎、溢流的现象，液态水比例明显增加。另外，一部分过冷大水滴从前端迎风锥面101溢流并受气流影响在中段锥面102附近驻停、结冰，一部分过冷大水滴直接撞击到探头后端迎风锥面103并结冰。同时，常规水滴的运动轨迹则因受边界层粘性力影响较大，其理想绕流沿探头表面法向向外推移，阻碍了常规水撞击后端迎风锥面103。通过回转体探头的外形设计，使探头在来流速度矢量的法平面周向上均具有区分常规水滴与过冷大水滴的能力，从而具备更强的测量环境适应性。
更进一步的说明，如图3所示，所述前端迎风锥面101与所述中段锥面102连接处的直径要小于所述后端迎风锥面103与所述尾端锥面104连接处的直径，以保证过冷大水滴可以顺利撞击所述后端迎风锥面103的过冷大水滴撞击区域。
如图1和图2所示，本发明中，在所述探头本体的凹槽内安装基于弛豫极化原理的过冷水相态感知膜，所述过冷水相态感知膜为薄膜结构。具体的，基于冰与水的弛豫极化现象差异性，通过平面铜箔电极RC等效模型，构建正交网格式过冷水相态感知膜。在平面铜箔电极阵列中，依据德拜弛豫理论，分别测量相邻及正交的电极间等效电导Geqi及等效电容Ceqi，其计算式如下所示：
其中，Z*为模型复阻抗，θ为相位角，ω为角频率，σeqi为等效电导率，Seqi为等效极板正对面积，deqi为等效极板间距，ε′eqi为等效复介电常数实部。通过冰与水等效电导Geqi及等效电容Ceqi的频率特性差异，实现对探头表面过冷水相态的感知。进一步地，结合薄膜网格的扫描式测量模式，实现对探头表面过冷水、冰层分布的探测。
更进一步的说明，如图2所示，所述过冷水相态感知膜由前端感知膜201、中段感知膜202、后端感知膜203三部分组成，所述前端感知膜201安装于所述前端迎风锥面101，所述中段感知膜202安装于所述中段锥面102，所述后端感知膜203安装于所述后端迎风锥面103。
优选地，所述过冷水相态感知膜为平面扇环形状，用于完整贴合所述探头本体的凹槽位置并与所述探头本体外表面平齐。
进一步地，所述过冷水相态感知膜的电极排布方式包括但不限于正交网格形式或双电极测点阵列形式。
本发明的实施例还提出了一种过冷大水滴结冰探测器，该探测器依据相关性原理提取动态过程数据中心的核心特征量，并以此训练水滴类型映射模型；结合探测器的探头、过冷水相态感知膜以及水滴类型映射模型，通过对探测器表面不同区域水滴的溢流、冻结等动态过程的探测，判断结冰状况与过冷水滴类型。
具体的，所述过冷大水滴结冰探测器除了包括上文所述的过冷大水滴结冰探头外，还包括数据处理系统以及安装柱，其中，
所述数据处理系统，用于获取过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，并在时域中将瞬态分布信息数据串联，推算出描述溢流及冻结现象的过程信息。具体的，分别依据前端感知膜201、中段感知膜202、后端感知膜203相邻两帧数据及采集时间间隔，计算前端迎风锥面101、中段锥面102、后端迎风锥面103的结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离等描述水滴溢流、冻结的动态过程的参数。其中，结冰速率v指平均结冰厚度h增加的速率，由t1及t2时刻累积结冰体积差值除以薄膜面积S与时间间隔Δt的乘积获得：
式中xi为各个测量网格采集得到的结冰体积值，n为测量网格数目。水滴溢流距离则指时间间隔Δt内，水滴构成的水膜几何中心在探头表面移动的距离。
进一步地，所述数据处理系统根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量。具体的，所述数据处理系统根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量具体包括：在所提取的相变时间、结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离参数中，依据皮尔森相关性分析方法判断各个参数与水滴中位体积直径的关联程度，筛选并构建核心特征量。
进一步地，所述数据处理系统依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型，最终实现过冷大水滴的结冰探测。具体的，所述数据处理系统依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型具体包括：使用所述核心特征量结合过冷水滴类型标签，对水滴类型映射模型进行训练，直至水滴类型映射模型对水滴类型的识别正确率高于99％。
优选地，所述水滴类型映射模型包括但不限于知识规则模型、决策树模型、支撑向量机模型、神经网络模型。
更进一步的说明，所述安装柱安装于所述探头的顶部，用于将过冷大水滴结冰探头固定至飞行器机身。需要说明的是，在所述过冷大水滴结冰探头中，所述前端感知膜201、中段感知膜202和后端感知膜203的线缆由预留于所述探头本体的线孔引至探头本体内部并汇集，汇集后的线缆通过出线孔和所述安装柱的内腔引至所述探头本体外部并与所述数据处理系统连接。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-3所示，本实施例中探头呈回转体型，顶部设有安装柱，用于将探头固定至飞行器机身并布设线缆。在本实施例中，所述探头包含前端迎风锥面101、中段锥面102、后端迎风锥面103、尾端锥面104，四个锥面所在的椎体间由限位卡槽及环氧树脂连接。所述探头本体总长度为15-20cm，最宽处为7-10cm。在所述前端迎风锥面101、中段锥面102、后端迎风锥面103上的适当位置留有凹槽用于安装过冷水相态感知膜。所述过冷水相态感知膜包括前端感知膜201、中段感知膜202和后端感知膜203。所述过冷水相态感知膜为薄膜结构，薄膜由环氧树脂平整粘接于凹槽中，安装完成后大致与探头本体外表面保持齐平。过冷水相态感知膜的引线由预留的线孔引至探头本体内部，汇集后再由出线孔引至外部的数据处理系统。
如图4和图5所示，在本实施例中，过冷水相态感知膜的本质为含聚酰亚胺绝缘层的柔性印制电路板，呈平面扇环状，用于完整贴合前端迎风锥面101、中段锥面102和后端迎风锥面103上的凹槽位置。过冷水相态感知膜的电极以正交网格形式排布，每两根平面铜箔电极为一组，间距1mm，电极组间的径向间距为3-10mm，在周向上每隔30°～60°设置一组电极。电极经屏蔽线引入数据处理系统，通过频率扫描及电极遍历的模式，在短时间内采集所有电极组的阻抗特性，具体而言，扫描频率处于1kHz-1MHz范围内，扫描步长在500Hz-200kHz范围内。
数据的处理分为三个阶段，首先是结冰探测阶段，所采用的特征包括：1kHz及200kHz处的等效电容及等效电导、复阻抗方差、复阻抗均值、等效电容的相对离散指标等特征数据。其中，相对离散指标V的计算方法如下所示：
式中等效电容大小为x，频率点数为n。通过上述指标，依据弛豫极化原理，判断当前电极组表面是否存在液态水或冰。然后是动态特征提取阶段，在本实施例中，结合标定试验数据，通过皮尔森相关性分析方法，判断出结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离与水滴中位体积直径的关联程度较高，以此构建核心特征量。因此，统计各电极组表面的过冷水冻结情况，计算结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离作为动态特征。最后是水滴类型识别阶段，涉及水滴类型映射模型，本实施例中采用支撑向量机模型实现数据样本较小前提下的水滴类型快速识别功能。具体而言，结合高斯核函数，对支撑向量机的核心参数进行网格式扫描，训练集和验证集提取自冰风洞试验数据，训练后水滴类型映射模型的识别正确率高于99％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种过冷大水滴结冰探头，其特征在于，包括：探头本体和过冷水相态感知膜；
所述探头本体为回转体结构，并沿来流方向依次设有前端迎风锥面（101）、中段锥面（102）、后端迎风锥面（103）和尾端锥面（104）；前端迎风锥面（101）与中段锥面（102）底面相接，中段锥面（102）与后端迎风锥面（103）顶端相接，后端迎风锥面（103）与尾端锥面（104）底面相接；所述前端迎风锥面（101）与中段锥面（102）的底面直径小于后端迎风锥面（103）与尾端锥面（104）的底面直径；所述过冷水相态感知膜分别安装于所述前端迎风锥面（101）、中段锥面（102）和后端迎风锥面（103）的外表面；
当过冷大水滴撞击所述前端迎风锥面（101）后产生破碎、溢流现象，一部分过冷大水滴从所述前端迎风锥面（101）溢流并受气流影响在所述中段锥面（102）区域停驻、结冰，另一部分过冷大水滴直接撞击到所述后端迎风锥面（103）并结冰；依据德拜弛豫理论并基于冰与水的弛豫极化现象差异性；所述过冷水相态感知膜的电极以正交网格形式排布，每两根平面铜箔电极为一组，通过频率扫描及电极遍历的模式采集探头表面所有电极组的阻抗特性，通过计算不同频率处等效电容及等效电导、复阻抗方差、复阻抗均值、等效电容的相对离散指标，进而获取结冰速率、结冰面积及水滴溢流距离的动态特征，通过水滴类型映射模型进行水滴类型识别，通过获取所述过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，实现对过冷水大水滴结冰探测。
2.根据权利要求1所述的一种过冷大水滴结冰探头，其特征在于，所述前端迎风锥面（101）、中段锥面（102）、后端迎风锥面（103）和尾端锥面（104）均设有用于安装所述过冷水相态感知膜的凹槽，且所述凹槽的深度保证所述过冷水相态感知膜在所述凹槽内并与所述探头本体外表面平齐。
3.根据权利要求2所述的一种过冷大水滴结冰探头，其特征在于，所述过冷水相态感知膜为平面扇环形状，用于完整贴合所述探头本体的凹槽位置。
4.根据权利要求3所述的一种过冷大水滴结冰探头，其特征在于，所述过冷水相态感知膜包括前端感知膜（201）、中段感知膜（202）和后端感知膜（203），所述前端感知膜（201）设置于所述前端迎风锥面（101），所述中段感知膜（202）设置于所述中段锥面（102），所述后端感知膜（203）设置于所述后端迎风锥面（103）；
所述前端感知膜（201）、中段感知膜（202）和后端感知膜（203）的线缆由预留于所述探头本体的线孔引至探头本体内部并汇集，再通过出线孔引至所述探头本体外部。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种过冷大水滴结冰探头，其特征在于，所述过冷水相态感知膜的电极排布方式包括正交网格形式或双电极测点阵列形式。
6.一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的过冷大水滴结冰探头，还包括：
数据处理系统，用于获取过冷水相态感知膜探测得到的过冷水和冰层的瞬态分布信息，并在时域中将瞬态分布信息数据串联，推算出描述溢流及冻结现象的过程信息；并根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量，依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型，最终实现过冷大水滴的结冰探测。
7.根据权利要求6所述的一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，所述数据处理系统根据所述过程信息提取动态过程数据中的核心特征量具体包括：在所提取的相变时间、结冰速率、结冰面积、水滴溢流距离参数中，依据皮尔森相关性分析方法判断各个参数与水滴中位体积直径的关联程度，筛选并构建核心特征量。
8.根据权利要求7所述的一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，所述数据处理系统依据所述核心特征量训练水滴类型映射模型具体包括：使用所述核心特征量结合过冷水滴类型标签，对水滴类型映射模型进行训练，直至水滴类型映射模型对水滴类型的识别正确率高于99%。
9.根据权利要求8所述的一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，所述水滴类型映射模型包括知识规则模型、决策树模型、支撑向量机模型或神经网络模型。
10.根据权利要求9所述的一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，还包括安装柱，所述安装柱设置于所述探头本体的顶部，其用于将过冷大水滴结冰探头固定至飞行器机身并布设线缆。
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