CN205256681U - 结冰条件探测系统及具有该系统的飞行器 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行器的结冰条件探测系统，该系统中的第一结冰探测器安装在气动表面上的小直径过冷水滴撞击区域中，其第二结冰探测器安装在启动表面上的过冷大水滴撞击区域中。该系统还包括处理单元，该处理单元与第一结冰探测器和第二结冰探测器电气连接，以接收并处理来自第一和第二结冰探测器的结冰信号。通过该结冰条件探测系统，可有效地探测出气动表面上的结冰，并能够分辨过冷大水滴结冰条件和典型结冰条件。还提供了一种包括上述结冰条件探测系统的飞行器。

Description

结冰条件探测系统及具有该系统的飞行器

技术领域

本实用新型涉及一种结冰条件探测系统，该系统主要用于在飞行器的飞行过程中探测飞行器上的结冰条件，具体是探测过冷大水滴结冰条件，并且，本实用新型的系统还可用于分辨典型结冰条件和过冷大水滴结冰条件。

背景技术

飞行器上通常装备有结冰条件探测系统，以提示飞行员飞行器遭遇了结冰条件，从而可由飞行员根据该提示来开启防冰系统，或者由飞行器上的控制系统自动启动防冰系统。

飞行器的上结冰的原因之一是，在飞行器的飞行过程中，周围环境中的过冷水滴会撞击到飞机的气动表面上，例如撞击到机翼前缘、发动机进气道前缘、尾翼前缘等。当过冷水滴接触到这些动力表面之后将结冰，从而影响飞行器的飞行气动条件和操稳性能。

根据撞击到飞行器上的过冷水滴的平均直径，可将结冰条件主要分成两类，一类包括平均直径在15～50μm的过冷水滴(参见FAR25的附录C)；另一类包括平均直径在50～500μm的微冻雨和500μm以上的冻雨。

在下文中，为便于表述，将第一类的结冰条件称为“典型结冰条件”，其中所涉及的是小直径过冷水滴，而将第二类的结冰条件称为“过冷大水滴结冰条件”，其中所涉及的是过冷大水滴。由于过冷水滴的平均直径不同，这两种结冰条件的水滴撞击特性会有所不同，进而造成结冰条件以及对飞行器的影响也会不同。相对而言，过冷大水滴的运行惯性较大，飞行器的气动表面上的气流对过冷大水滴的运行轨迹影响较小，因此，过冷大水滴能够撞击到气动表面上的范围可以延伸到比小直径过冷水滴相对靠后的位置，即，有可能在飞行器气动表面上的非防护区结冰。

为避免过冷大水滴结冰条件对飞行器的飞行产生不利影响，需要安装在飞行器上的结冰条件探测系统能够监控过冷大水滴结冰条件。进一步地，该结冰条件探测系统较佳地能够分辨典型结冰条件和过冷大水滴结冰条件。

美国专利No.US6,269,320公开了一种安装在飞行器机头上的结冰条件探测器，其通过对设备的气动外形的涉及，使过冷大水滴能够撞击到设置在设备的特定部位处的探头上，而小直径的小直径过冷水滴则撞击不到该探头。这样，该结冰条件探测器可以探测到过冷大水滴结冰条件，并且能够分辨出典型结冰条件和过冷大水滴结冰条件。

中国专利申请公开No.CN102336272也公开了一种具有楔形探头的结冰探测器。该结冰探测器通过对气动外形的设计，使过冷大水滴在直径较小的小直径过冷水滴的结冰区域之后(依据气流方向)冻结，从而达到探测过冷大水滴结冰条件以及分辨过冷大水滴结冰条件和典型结冰条件的目的。

对于以上提到的现有技术中的结冰探测器来说，这些结冰探测器都安装在飞行器的机头上，因而并不直接检测气动表面。因此，在临界结冰条件下，有可能发生飞行器的某些气动表面已经结冰，而探测器探头上还未结冰或未到报警下限的情况。

因此，仍然需要一种改进的结冰条件探测系统，它能够有效地探测出气动表面上的结冰，并能够分辨过冷大水滴结冰条件和典型结冰条件。

实用新型内容

本实用新型是针对以上所分析的现有技术中所存在的问题而作出的，其目的是提供一种结冰条件探测系统，该系统能够有效地检测出飞行器的气动表面上的结冰条件，尤其是能够检测出过冷大水滴结冰条件，并分辨过冷大水滴结冰条件和典型结冰条件。

本实用新型的上述目的通过一种结冰条件探测系统来实现，该系统用于探测飞行器上的结冰条件，飞行器具有气动表面，该气动表面包括小直径过冷水滴撞击区域和过冷大水滴撞击区域，小直径过冷水滴撞击区域的范围小于过冷大水滴撞击区域的范围，且包括在过冷大水滴撞击区域的范围内；该结冰条件探测系统包括：

至少一个第一结冰探测器，该第一结冰探测器安装在小直径过冷水滴撞击区域中，并且，当第一结冰探测器探测到结冰条件时，发出第一结冰信号；

至少一个第二结冰探测器，该第二结冰探测器安装在过冷大水滴撞击区域中，并且，当第二结冰探测器探测到结冰条件时，发出第二结冰信号；以及

处理单元，该处理单元与第一结冰探测器和第二结冰探测器电气连接，以接收第一结冰信号和/或第二结冰信号。

此处，处理单元与第一和第二结冰探测器之间的电气连接可通过无线或有线的形式实现。并且，处理单元在接收到第一和第二结冰信号中的至少一个之后，可基于该信号进行下一步的操作，比如触发警报器，提醒飞行员开启飞行器的防冰系统，或者处理单元直接自动开启防冰系统。

通过具有上述结构的结冰探测系统，由于结冰探测器直接设置在气动表面上，因此能够更加可靠地检测气动表面上的结冰条件。并且，通过在小直径过冷水滴撞击区域和过冷大水滴撞击区域之内超出小直径过冷水滴撞击区域的范围内分别设置结冰探测器，因此本实用新型的结冰条件探测系统可分辨出过冷大水滴结冰条件和典型结冰条件。

较佳地，第一结冰探测器和第二结冰探测器安装在气动表面上的未加热区域中。这样，可避免结冰探测器受加热的影响而无法结冰。

较佳地，第一结冰探测器和第二结冰探测器中的至少一个安装在气动表面上压力系数最小的部位处。这样，可使结冰探测器所处的位置具有更低的局部温度，从而更加容易结冰。

为了促进结冰，可进一步地在第一结冰探测器和第二结冰探测器中的至少一个上设置制冷元件，用于对结冰探测器进行主动制冷。

较佳地，第一结冰探测器和第二结冰探测器中的至少一个选自如下类型的探测器中的一种：光纤式结冰探测器、平膜式结冰探测器。这些类型的结冰探测器可与气动表面齐平地安装。

在本实用新型的一种实施方式中，该系统可包括多个第一结冰探测器，以及/或者包括多个第二结冰探测器。

进一步地，该系统还包括至少一个第三结冰探测器，该第三结冰探测器安装在气动表面的过冷大水滴撞击区域的范围之外。

此外，该系统还可包括至少一个大气数据传感器，该大气数据传感器与处理单元电气连接，从而处理单元能够接收来自大气数据传感器的大气数据信号。

此处的大气数据信号包括飞行器的飞行速度、飞行高度、环境温度和飞行器翼形攻角中的至少一种。

这样，处理单元可根据接收到的大气数据信号，在第一结冰信号和第二结冰信号中进行选择。由此，根据所选择的结冰信号，处理单元进行下一步的动作，例如触发警报器、主动启动防冰系统等。

在本实用新型中，所涉及的气动表面可为以下表面中的至少一种：机翼前缘、发动机进气道前缘和尾翼前缘。

本实用新型还提供一种飞行器，该飞行器包括如上所述的结冰条件探测系统。

附图说明

图1示意性地示出了不同直径的过冷水滴撞击到机翼上的情形。

图2示出了本实用新型的结冰条件探测系统的第一实施例的示意图。

图3示出了本实用新型的结冰条件探测系统的第二实施例的示意图。

图4以流程图的形式示出了本实用新型的结冰条件探测系统的公所方式。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述。应当理解，图中所示的只是本实用新型的优选实施方式，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实用新型所要求的保护范围之内。

以下的公开内容是以飞行器的机翼、特别是机翼前缘作为示例性的气动表面。不过，如以上已经提到的，气动表面也可以是发动机进气道前缘、尾翼前缘等。

图1示意性地示出了不同直径的过冷水滴撞击到机翼的情况。其中，附图标记2表示过冷大水滴，附图标记3表示小直径过冷水滴。从图1中可见，由于小直径过冷水滴3的相对动量较小，容易收到流过机翼表面的气流的影响而改变其运行轨迹。因而，在靠近机翼上下两侧处，小直径过冷水滴3会因运行轨迹改变而掠过机翼表面，而没有撞击到机翼表面上。因此，如图1所示，小直径过冷水滴3在机翼上的撞击范围为图中的线段boc。

而与小直径过冷水滴3相比，过冷大水滴2的动量较大，因此较不容易收到流过机翼表面的气流的影响。这样，过冷大水滴2在机翼表面上的撞击范围要大于小直径过冷水滴3的撞击范围，其扩展到图1中所示的线段abocd。

<第一实施例>

图2示出了本实用新型的结冰条件探测系统的第一实施例。该结冰条件探测系统包括第一结冰探测器10和第二结冰探测器20。其中，第一结冰探测器10安装在飞行器的机翼1上，且位于图2所示的线段bo之间。进一步地，虽然未示出，第一结冰探测器10也可安装在线段oc之间。

第二结冰探测器20安装在过冷大水滴2在气动表面(例如机翼)上的撞击范围中超出小直径过冷水滴的撞击范围之外的区域中，例如图2中所示的线段ab中。同样地，虽然未示出，第二结冰探测器20也可安装在线段cd中。

第一和第二结冰探测器10、20可为例如光纤式结冰探测器、平膜式结冰探测器等，从而可齐平地安装在气动表面上。

本实用新型的结冰条件探测系统还包括处理单元30，该处理单元30与第一和第二结冰探测器10、20通过无线或有线的方式电气连接，以接收第一和/或第二结冰探测器10、20发出的结冰信号，并对接收到的结冰信号进行处理。图中以虚线示意性地示出了本实用新型的结冰条件探测系统的各部分之间的该电气连接。进一步地，处理单元30可与警报器40相连，以基于结冰信号触发警报器40报警。处理单元30和警报器40可安装在飞行器上的合适位置处，例如可安装在驾驶舱中的控制台上。

作为对警报器40的附加或替代技术，可以设置自动控制器(未示出)，该自动控制器根据处理单元30对结冰信号的处理结果，自动启动防冰系统。该防冰系统的一种实例是设置在诸如机翼、发动机进气道前缘之类的气动表面上的加热装置。该加热装置对气动表面进行加热，从而防止结冰。

进一步地，第一和第二结冰探测器10、20较佳地安装在气动表面的未加热部分上，以防止结冰探测器由于被加热而无法结冰并生成结冰信号。更佳地，第一和第二结冰探测器10、20安装在气动表面上压力系数最小的部位。这样，可确保结冰探测器安装在局部温度较低的部位处，从而更容易结冰并触发结冰信号。

进一步地，为了使第一和第二结冰探测器更容易结冰，还可在第一结冰探测器10和/或第二结冰探测器20上安装制冷元件，例如微型半导体制冷片。该制冷元件可主动降低结冰探测器的温度，以促进结冰。

可选地，结冰条件探测系统还包括若干大气数据传感器50，这些大气数据传感器可为例如用于检测飞行器的飞行速度、高度、环境温度、飞行器翼形攻角等信号的传感器。大气数据传感器50也与处理单元30电气连接，以将测量到的大气数据传送给处理单元30。处理单元30根据这些大气数据，可在第一结冰探测器10和第二结冰探测器20所提供的结冰信号中进行选择，以作为触发警报器40的信号。飞行员可根据该警报器40的报警来决定是否需要开启飞行器的防冰系统。或者，也可直接由处理单元30自动开启防冰系统。

<第二实施例>

图3示出了本实用新型的第二实施例。在该实施例中，在表示小直径过冷水滴3在机翼上1的撞击范围的线段boc中设置多个第一结冰探测器10。类似地，在过冷大水滴2的撞击范围内超出线段boc的部分中，即，在线段ab和cd中分别设置有一个第二结冰探测器20。换言之，在图3中设置有两个第二结冰探测器20。当然，也可设置更多的第二结冰探测器。

此外，在超出过冷大水滴2的撞击范围、即线段abocd之外的机翼表面上还可设置一个或多个第三结冰探测器60。

处理单元30与以上提到的第一、第二和第三结冰探测器10、20、60电气连接，接收来自这些结冰探测器的结冰信号。

此外，处理单元30还与设置在飞行器上的大气数据传感器50电气连接，并接收来自大气数据传感器50的诸如关于飞行器速度、高度、环境温度以及翼形攻角之类的大气信号，并基于这些信号来选择采用第一、第二和第三结冰探测器10、20、60提供的结冰信号，用于触发警报器40的报警。

<结冰条件探测系统的操作>

下面将结合图4来描述本实用新型的结冰条件探测系统的操作流程。

如图4所示，由第一结冰探测器10和第二结冰探测器20发出结冰信号，该结冰信号由处理单元30接收，并对这些信号进行处理。处理单元30对结冰信号的处理具体如下：

若第一结冰探测器10探测到结冰，并发出结冰信号，同时第二结冰探测器20也探测到结冰，并发出结冰信号，则处理单元30确定探测到了过冷大水滴结冰条件。据此，处理单元30发出探测到过冷大水滴结冰条件的指示。

若第一结冰探测器10探测到结冰，并发出结冰信号，而第二结冰探测器20未探测到结冰，则处理单元30确定探测到典型结冰条件。据此，处理单元30发出探测到典型结冰条件的指示。

若第一和第二结冰探测器10、20都没有探测到结冰，即第一和第二结冰探测器都没有发出结冰信号，则处理单元30确定未探测到结冰条件。此时，处理单元30可不发出任何指示，或者，也可发出未探测到结冰的指示。

若第一结冰探测器10未检测到结冰，而第二结冰探测器20检测到结冰，并发出结冰信号，此时处理单元30进一步检查防冰系统是否处于工作状态。若确认防冰系统处于工作状态，则说明第二结冰探测器20检测到的结冰条件是由于防冰系统工作而在加热区域被熔化的冰水流到未加热区域再次结冰而形成的。此时，处理单元30确认有溢流冰形成，从而发出溢流冰风险指示。

以上对本实用新型的具体实施方式进行了描述。其中，在第一实施例和第二实施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。

Claims (10)

1.一种结冰条件探测系统，所述系统用于探测飞行器上的结冰条件，所述飞行器具有气动表面，所述气动表面包括小直径过冷水滴撞击区域和过冷大水滴撞击区域，所述小直径过冷水滴撞击区域的范围小于所述过冷大水滴撞击区域的范围，且被包括在所述过冷大水滴撞击区域的范围内；其特征在于，所述结冰条件探测系统包括：

至少一个第一结冰探测器，所述第一结冰探测器安装在所述小直径过冷水滴撞击区域中，并且，当所述第一结冰探测器探测到结冰条件时，发出第一结冰信号；

至少一个第二结冰探测器，所述第二结冰探测器安装在所述过冷大水滴撞击区域中，并且，当所述第二结冰探测器探测到结冰条件时，发出第二结冰信号；以及

处理单元，所述处理单元与所述第一结冰探测器和所述第二结冰探测器电气连接，以接收所述第一结冰信号和/或所述第二结冰信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一结冰探测器和所述第二结冰探测器安装在所述气动表面上的未加热区域中。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一结冰探测器和所述第二结冰探测器中的至少一个安装在所述气动表面上压力系数最小的部位处。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一结冰探测器和所述第二结冰探测器中的至少一个上设置有制冷元件。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一结冰探测器和所述第二结冰探测器中的至少一个选自如下类型的探测器中的一种：光纤式结冰探测器、平膜式结冰探测器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个所述第一结冰探测器，以及/或者包括多个所述第二结冰探测器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个第三结冰探测器，所述第三结冰探测器安装在所述气动表面的所述过冷大水滴撞击区域的范围之外。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个大气数据传感器，所述大气数据传感器与所述处理单元电气连接，从而所述处理单元能够接收来自所述大气数据传感器的大气数据信号。

9.如权利要求1～8中任一项所述的系统，其特征在于，所述气动表面为以下表面中的至少一种：机翼前缘、发动机进气道前缘和尾翼前缘。

10.一种飞行器，所述飞行器包括如权利要求1～9中任一项所述的结冰条件探测系统。