JP4424617B2 - 着氷状態を検出するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的に、例えば飛行中の航空機における、着氷状態を検出するための方法及び装置に関する。

現代の多くの航空機、つまり商業用航空機、一般航空機、ビジネス航空機、及び軍用航空機にあっては、ほぼあらゆる気象条件下で飛行できるようにデザインされる。そうした航空機が遭遇することがある、ひとつの潜在的に危険な気象条件は飛行中における着氷である。着氷状態において飛行するとき、航空機は過冷却された水滴が浮遊する領域を航行し、これらが航空機の重要な表面（翼の前縁やエンジンの吸気口、航行制御装置の表面など）に衝突し、さらには氷が合体して凍結する。氷が合体すると、航空機の性能を悪化させ、及び／又は、（例えば剥離した氷が航空機の構成要素に衝突して）航空機を破損させる。

航空機への着氷を解決しようとするひとつのアプローチは、航空機に、飛行中用の対凍結機器や解凍機器を備えることである。また、別のアプローチではあるが、そうした機器と関連して用いることができるものとして、機内に着氷検出装置を設けることもある。そのような検出装置は、（ａ）対凍結機器／解凍機器を起動させたり、（ｂ）着氷状態が存している旨、パイロットに警告を与え、そうした状態に費やす時間をパイロットが最小限にできるようにさせることである。ひとつの代表的な氷検出装置は、磁気抵抗装置であって、合体した氷を検出することができる。この装置についてのひとつの潜在的な不都合は、氷が合体してから初めて着氷状態を検出できるので、対凍結装置や解凍装置を起動させる前に航空機の性能が劣化したり、装置の起動前に既に着氷環境の飛行が終わってしまうことである。

そのような劣化は、航空機の安全上の論点にはならなくても、航空機の燃料効率を低下させて、従って航空機の運行コストを高騰させる。

本発明は、一般的には、例えば航空機などの乗り物の外部着氷状態ないし着氷が始まる状態の始まりを検出するための装置及び方法に関する。本発明のひとつの観点による装置は、空気流の温度に対応した第１の信号を指示すべく構成されてなる温度センサを具備する。装置はさらに、空気流の水分含有量に対応した第２の信号を指示すべく構成されてなる水分含有量センサを具備する。処理ユニットは、第１の信号と第２の信号とを受信すべく温度センサと水分含有量センサとに接続されており、少なくとも第１及び第２の信号に基づいて、少なくとも第１及び第２の信号を合わせると少なくとも着氷が始まる状態に対応するとき、指示を提供する。

本発明のさらに特定の観点においては、水分含有量センサは、液体水分含有量センサと、全水分含有量センサと、氷結晶センサとのうちの少なくともひとつを具備している。温度センサと、水分含有量センサと、処理ユニットとは航空機に取り付けられるべく構成されており、温度センサと水分含有量センサとは、単一のハウジングの内部に配置される。

本発明の別の観点による方法は、乗り物の外部空気流の温度に対応した第１の信号を受信する段階と、空気流の水分含有量に対応した第２の信号を受信する段階と、少なくとも第１及び第２の信号に基づき、少なくとも第１及び第２の信号を合わせると少なくとも着氷が始まる状態に対応するとき、指示を自動的に発生させる段階と、を具備する。本発明の更なる観点によれば、方法はさらに温度センサが、水の局所的な凝固点と同じか、または、それを下回る静温度に対応する温度を検出したことを判定する段階と、水分含有量センサが液体水分を検出したことを判定する段階と、両方のセンサについて、水の局所的な凝固点と同じか、または、それを下回る静温度に対応する温度を検出したことが温度センサが判定し、かつ、液体水分を検出したことを水分含有量センサが判定した場合にのみ、指示を発する段階と、を具備する。本発明のさらに別の観点によれば、方法はさらに、空気流の空気圧に対応した第３の信号を受信する段階と、第１の信号と第３の信号とに基づき、第１の信号が水の凝固点と同じか、または、それを下回る温度に対応しているか否かを判定する段階と、を具備する。

本発明によれば、飛行中の航空機の機内において、着氷状態又は着氷が始まる状態を検出するための方法及び装置が開示される。以下の説明と図１〜図５においては、本発明の所定の実施形態に関して、かかる実施形態を良く理解出来るように、多くの特定の細部が明らかにされる。しかしながら、当業者は理解するだろうが、本発明にはさらに追加的な実施形態があり、本発明の実施に際しては、以下に述べる詳細のいくつかは必須ではない。
図１は、本発明の実施形態による着氷検出装置１１０が搭載された、航空機１００を示した模式的な斜視図である。本実施形態によるひとつの観点としては、航空機１００は、胴体部分１０４と、胴体部分１０４に取り付けられた翼部分１０１と、安定性を与えると共に航空機のピッチ軸線及びヨー軸線まわりの制御を行うための尾翼部分１０３と、を具備している。航空機１００はさらに推進装置１０２を具備し、例えば２機のエンジンを備える場合には、対応する翼１０１から吊下されたポッドナセルに、各エンジンを配置させて備える。別の実施形態においては、航空機１００はこれ以外の一般的な構造としても良い。

上述したいずれの実施形態においても、着氷検出装置１１０は、温度センサ１２０と、水分含有量センサ１３０とを備え、これらはそれぞれ、リンク１６０（入力リンク１６０ａ及び１６０ｂ）を介して処理ユニット１４０に接続されている。処理ユニット１４０は、温度センサ１２０と水分含有量センサ１３０からデータを受信すべく構成されていて、これらのセンサから受信した情報に基づき、航空機１００の外部環境が着氷状態又は着氷が始まる状態になったとき、これを判定する。そのような状態になったとき、処理ユニット１４０は自動的に指示信号を発生し、該信号は、出力リンクｃを介して指示器１５０へと伝達される。本実施形態によるひとつの観点としては、指示器１５０は、航空機の操縦室にいる乗務員だけに排他的に情報を提供する。別の実施形態においては、そうした情報は、航空機１００に搭載されているグループベースの機器及び／又は記録機器にも提供される。この実施形態による着氷検出装置１１０の詳細については、図２〜図５Ｂを参照して後述する。

図２は、実施形態による着氷検出装置１１０を示した模式的な斜視図である。本実施形態によるひとつの観点は、温度センサ１２０と水分含有量センサ１３０とが、互いに離れて配置されて航空機１００に取り付けられていることである（図２は航空機１００の外面を示している。）。別の実施形態においては、図５を参照して詳しく後述するように、温度センサ１２０と水分含有量センサ１３０とは、単一の装置にまとめられている。いずれの実施形態においても、温度センサ１２０と水分含有量センサ１３０とは、処理ユニット１４０に機能上結合されていて、少なくとも着氷が始まる状態が存在しているとき、これを判定するのに必要な情報を処理ユニット１４０に提供する。本願において、少なくとも着氷が始まる状態という用語には、一般に氷の形成に好ましい状態、及び／又は、氷が実際に形成する状態が含まれる。

図２に示したひとつの観点による実施形態では、温度センサ１２０は静温度プローブを備え、このプローブは、航空機１００の機外の空気流の静温度(static temperature)を直接測定できる。別の実施形態においては、温度センサ１２０は全温度センサ、例えばカリフォルニア州、パームデールのＳｐａｃｅＡｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ社から入手可能な型番３００５３６ ＴＡＴセンサなどの全温度センサを具備する。着氷が始まる状態は代表的には静温度に基づいて判定するので、もしも、温度センサ１２０が全温度プローブを備える場合には、装置１１０はさらに圧力センサ１７０を備え、そのデータを用いて、処理ユニット１４０は全温度(total air temperature)に基づき、静温度を決定できるようにする。本実施形態によるひとつの観点としては、圧力センサ１７０は、代表的に航空機１００に備えられる、ピトー静圧管プローブ装置を備える。別の実施形態においては、圧力センサ１７０は、これ以外の別の装置を備えても良い。これらのいずれの実施形態においても、圧力センサ１７０は、航空機１００の外部環境について、全圧(total air pressure)と静圧(static air pressure)とを検出し、対応する信号を入力リンク１６０ｄ及び１６０ｅを介して処理ユニット１４０へと伝達する。この情報に基づき、処理ユニット１４０は静温度を計算し、その情報に水分含有量センサ１３０から受信した情報を組み合わせ、着氷が始まる状態であるか否かを判定する。別の実施形態においては、別個の装置が圧力データから静温度を計算しても良い。そのような装置は、ニューヨーク、バッファローにある Ｉｎｓｉｇｈｔ Ａｖｉｏｎｉｃｓ社から入手可能である。

図２に示した実施形態のひとつの観点としては、水分含有量センサ１３０は液体水分含有量測定プローブ、例えばコロラド州、ボールダーにある Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ社から入手可能な、ジョンソン−ウィリアムズ・プローブなどの液体水分含有量測定プローブでも良い。こうしたプローブは、空気流の水分が衝突させるべく配置した加熱ワイヤに生じる熱損失から、通り抜ける空気流について液体水分含有量を判断できる。別の実施形態においては、水分含有量センサ１３０は、これ以外の構成のものでも良い。例えば、水分含有量センサ１３０は、氷結晶検出能力、及び／又は、全水分検出能力を備えて、混合フェーズ状態や着氷が始まる状態を決定する。この実施形態の特定の観点としては、氷結晶検出能力、及び／又は、全水分検出能力は、液体水分検出能力に加えて備えられる。これらのいずれの実施形態においても、水分含有量センサ１３０は、信号を発生し、入力リンク１６０ａを介して信号を伝達するが、この信号は、航空機１００が通過中の空気流が水分を含んでいるか否かを指示するものである。

上述したいずれの実施形態においても、処理ユニット１４０は、温度センサ１２０と、水分含有量センサ１３０とから（任意的事項としてはさらに圧力センサ１７０から）、情報を受信する。処理ユニット１４０は、航空機の飛行データシステムにおける（上記機能を実行すべくプログラムされた）既存の部分を含んだり、スタンドアロンのユニットを含んだりして、いずれかによって出力信号を得て、これを出力リンク１６０ｃを介して指示出力１５０へと伝達する。ひとつの実施形態においては、指示出力１５０は、操縦士が視覚的にアクセスすべく配置された視覚的な表示であって、操縦士は着氷が始まる状態であることを知らされ、これに応じて、例えば航空機の飛行経路を変更し、及び／又は、対凍結装置や解凍装置を起動させる。別の実施形態においては、指示出力１５０は、聴覚的なアラームや、あるいは、その他の技術によって操縦士に知らせる手段でも良い。これらのいずれの実施形態においても、処理ユニット１４０はデータを収集し、処理して、適切な出力信号を提供するが、これについては図３〜図４Ｂを参照して詳しく後述する。

図３は、少なくとも着氷が始まる状態にあるかを判断するために、例えば処理ユニット１４０にて実行される、本発明の実施形態による方法３００を示したフローチャートである。本実施形態のひとつの観点としては、方法３００は、空気流の静温度を決定する段階と（段階３０２）、空気流の液体水分含有量を決定する段階と（段階３０４）、を備える。方法３００はさらに、静温度が、事前に選択されたしきい値以下であるか否かを判定する段階（段階３０６）を具備する。本実施形態のひとつの観点によれば、事前に選択されるしきい値は、すべての飛行条件について固定された値であるが、他の実施形態にあっては、しきい値はある種の飛行条件、例えば飛行高度に依存した値でも良い。いずれの実施形態においても、静温度がしきい値を越えている場合には、方法は着氷状態を指示することはしない（段階３０８）。静温度がしきい値以下であるならば、方法３００は段階３１０へと進む。

段階３１０において、方法３００は、液体水分含有量がしきい値以上であるか否かを判断する。本実施形態の特定の観点によれば、しきい値はゼロでない値で、取るに足らない量の液体水分含有量が検出されたとき、ポジティブな指示を発しないようになっている。液体水分含有量がしきい値未満である場合には、方法３００は着氷状態を指示することはしない（段階３０８）。もしも、液体水分含有量がしきい値以上であるならば、方法３００は、少なくとも着氷が始まる状態であると指示する（段階３１２）。

図４Ａ〜図４Ｂは、本発明の別の実施形態による段階３０２と段階３０６についてさらに詳しく示している。まず、図４Ａを参照すると、段階３０２（空気流の静温度を決定する段階を含む）は、第１に、全温度に対応した信号を、例えば全温度プローブから受信する（段階４０２）。方法はさらに、例えば図２において説明した圧力センサ１７０から、全圧に対応した信号を受信し（段階４０４）、また、静圧に対応した信号を受信する（段階４０６）。段階４０８においては、静温度を計算するが、それには、例えば、全温度、及び静圧と全圧との比率に基づいた、容易に利用可能な技術を用いる。別の実施形態においては、静温度は、これ以外の方法によって計算しても良い。例えば、静温度を計算するには、受信した全温度信号（段階４０２）と、航空機の速度と高度との指示値とに基づいて計算することができ、これらはさらに、上述した全圧及び静圧の信号から計算できる。これらのいずれの実施形態においても、段階３０２においては、直接、静温度センサによって空気流の静温度を決定するか、あるいは、間接的に、全圧温度センサから受信したデータに計算を行って静温度を決定する。

次に図４Ｂを参照すると、段階３０６（静温度がしきい値未満であるか否かを判断する）は、静温度の値を受信する段階と（段階４２０）、全圧に対応する信号（段階４２２）と、静圧に対応する信号（段階４２４）とを受信する段階を備える。方法はさらに、航空機が飛行している高度について、圧力−高度の計算を行う（段階４２６）。全圧と静圧とに基づいて、方法ではさらに、圧力高度に基づき、局所的凍結温度を計算する（段階４２８）。段階４３０においては、方法は、局所的凍結温度と、静温度の値とを比較して、静温度の値が局所的凍結温度以下であるか否かを判断する。そうであれば、方法は、液体水分含有量がしきい値以上であるか否かを判断する（図３を参照して説明した段階３１０）。そうでなければ、方法は、着氷が始まる状態であると指示することはない（図３に示した段階３０８）。
上述したいずれの実施形態においても、以上の方法は、航空機の飛行データシステムや独立したシステムなど、適当な計算装置によって完成する。上述した過程を実行するためのルーチンは、ハードウェア又はソフトウェアに符号化され、あるいは、コンピュータの可読媒体に記憶される。上述したいずれの実施形態においても、上述した段階のいくつか又はすべては、自動的に完了する。この構成の利点は、乗務員の作業負荷を軽減させて、装置の再現性と信頼性とを高めることである。

図２を参照して上述した実施形態のひとつの観点によれば、着氷検出装置１１０は、水分含有量センサ１３０から離間して配置された温度センサ１２０を備える。図５に示した別の実施形態においては、着氷検出装置５１０は、温度センサ５２０と水分含有量センサ５３０とは、単一のハウジング５１１にまとめられている。本実施形態のひとつの観点としては、ハウジング５１１は、基部５１４と、基部５１４から延設された支持体５１５と、支持体５１５によって支持された流路５１２とを具備している。流路５１２は、入口５１６と、入口５１６に対して下流側に設けられた出口５１７とを備え、出口５１７は、流れの軸線に沿って、入口に対して整列されている。流路５１２は、流路５１２に捕捉された空気流の中へ延びるように、プローブ支柱５３１を支持している。プローブ支柱５３１は、加熱ワイヤ５３２を支持していて、捕捉された空気流に含まれる水分（例えば液体水分）に衝突すべく配置されている。本実施形態の特定の観点としては、温度センサ５２０は、プローブ支柱５３１の陰になる面に配置され、捕捉した空気流の水分に直接さらされないようにしている。従って、温度センサ５２０は、捕捉した空気流の水分に影響されずに、実際の全温度又は静温度を測定できる。検出装置５１０は、オプションとして、プリプロセッサ５４１（例えば加熱ワイヤ５３２と温度センサ５２０とから受信した信号を整える）を備えても良く、出力リンク５６０ａ及び５６０ｂを介して（上述した処理ユニット１４０と同様な）処理ユニットへ出力信号を伝達する。

上述した少なくともいくつかの実施形態による装置におけるひとつの特徴は、それらの装置が、温度と水分含有量とに対応した信号から、自動的に、少なくとも着氷が始まる状態であることを判断できることである。上述のように、この構成によれば、乗務員の作業負荷を軽減させて、装置の性能を高められる。上述した実施形態による装置の少なくともいくつかにおける特徴は、それらの装置が、合体した氷が形成されなくても、氷の形成に好ましい状態を検出できることである。その結果、操縦士はより迅速に着氷状態の存在に対して応答することができ、例えば航空機の飛行経路を変更したり、及び／又は、着氷保護装置を起動させたりできる。

以上のように、本発明を例示するため本発明の特定の実施形態について説明したけれども、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、様々な変形例が可能である。従って、本発明は特許請求の範囲以外の記載によっては限定されない。

図１は、本発明の実施形態による着氷検出装置が搭載された航空機を示した模式的な斜視図である。 図２は、本発明の実施形態による着氷検出装置を構成する要素を示した模式的な斜視図である。 図３は、少なくとも着氷が始まる状態を検出できる、本発明の実施形態による方法を示したフローチャートである。 図４Ａは、少なくとも着氷が始まる状態を検出できる、本発明の別の観点による方法を示したフローチャートである。 図４Ｂは、少なくとも着氷が始まる状態を検出できる、本発明の別の観点による方法を示したフローチャートである。 図５は、本発明の実施形態による、水分含有量センサと温度センサとを備えてなる着氷検出装置を示した模式的な断面図である。

Claims (23)

1. 乗り物の外部着氷状態を検出するための装置であって、この装置が、
   空気流の温度に対応した第１の信号を指示すべく構成されてなる温度センサと、
   空気流の水分含有量に対応した第２の信号を指示すべく構成されてなる水分含有量センサと、
   第１の信号と第２の信号とを受信すべく温度センサと水分含有量センサとに接続され、温度センサが検出した温度が水の局所的な凝固点以下の静温度に対応し、かつ、水分含有量センサが液体水分を検出した場合に、少なくとも着氷が始まる状態を示すポジティブ指示を提供する処理ユニットと、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 水分含有量センサは、液体水分含有量センサと、全水分含有量センサと、氷結晶センサとのうちの少なくともひとつを具備していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 温度センサと、水分含有量センサと、処理ユニットとが航空機に取り付けられるべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 温度センサと水分含有量センサとは、単一のハウジングの内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 水分含有量センサは、空気流の含有水分によって打たれるように配置された、加熱ワイヤを具備していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 温度センサと水分含有量センサとは、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 温度センサは、空気流の全温度を検出すべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 温度センサは、空気流の全温度を検出すべく構成されていて、処理ユニットは、少なく
   ともある程度第１の信号に基づいて、空気流の静温度を決定すべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 水分含有量センサは、プローブを具備し、空気流が流れ軸線に沿って移動するとき、空気流に対面するように配置された第１の面をプローブは備え、プローブはさらに、第１の面とは反対側を向いている第２の面を備えており、温度センサは、プローブの第２の面に少なくとも近接して配置されてなる、静空気温度センサを備え、装置はさらに、ハウジングを備え、水分含有量センサと温度センサのまわりにハウジングは配置され、ハウジングは空気流を受け入れるべく配置されてなる開口部を有し、開口部とプローブの第１の面とが流れ軸線に沿って整列されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 空気流の圧力に対応した第３の信号を受けるべく、処理ユニットは圧力センサに機能上結合され、処理ユニットは、第１、第２、及び第３の信号に基づいた指示を提供すべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 航空機は、胴体部分と、翼部分と、尾翼部分と、推進装置とを有し、それぞれの温度センサと水分含有量センサと処理ユニットは、胴体部分と、翼部分と、尾翼部分と、推進装置とのうちの少なくともひとつに支持されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 乗り物の外部着氷状態を検出するための装置であって、この装置が、
    空気流の温度を検出し、温度に対応した第１の信号を指示すべく構成されてなる温度検出手段と、
    空気流の水分含有量を検出し、水分含有量に対応した第２の信号を指示すべく構成されてなる水分含有量検出手段と、
    温度検出手段と水分含有量検出手段とに接続され、第１の信号と第２の信号とを受信し、温度検出装置が検出した温度が水の局所的な凝固点以下の静温度に対応し、かつ、水分含有量検出手段が液体水分を検出した場合に、少なくとも着氷が始まる状態を示すポジティブ指示を提供する処理ユニットと、
    を備えていることを特徴とする装置。
13. 温度検出手段と、水分含有量検出手段と、処理手段とが航空機に取り付けられるべく構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 温度検出手段と水分含有量検出手段とは、単一のハウジングの内部に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
15. 温度検出手段と水分含有量検出手段とは、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 水分含有量検出手段は、プローブを具備し、空気流が流れ軸線に沿って移動するとき、空気流に対面するように配置された第１の面をプローブは備え、プローブはさらに、第１の面とは反対側を向いている第２の面を備えており、温度検出手段は、プローブの第２の面に少なくとも近接して配置されてなる、静空気温度検出手段を備え、装置はさらに、ハウジングを備え、水分含有量検出手段と温度検出手段のまわりにハウジングは配置され、ハウジングは空気流を受け入れるべく配置されてなる開口部を有し、開口部とプローブの第１の面とが流れ軸線に沿って整列されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
17. 乗り物の外部着氷状態を検出するための方法であって、この方法が、
    乗り物の外部空気流の温度に対応した第１の信号を受信する段階と、
    空気流の水分含有量に対応した第２の信号を受信する段階と、
    温度センサが、水の局所的な凝固点以下の静温度に対応する温度を検出したことを判定する段階と、
    水分含有量センサが液体水分を検出したことを判定する段階と、
    両方のセンサについて、温度センサが検出した温度が水の局所的な凝固点以下の静温度に対応すると温度センサが判定し、かつ、液体水分を検出したことを水分含有量センサが判定した場合にのみ、指示を発する段階と、
    を備えていることを特徴とする方法。
18. 第２の信号を受信する段階は、液体水分含有量センサと、全水分含有量センサと、氷結晶センサとのうちの少なくともひとつから第２の信号を受信する段階になっていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 第１の信号を受信し、第２の信号を受信し、指示を自動的に発生する段階は、航空機の機内において実行されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 第１及び第２の信号を受信する段階は、単一のハウジングの内部に配置されているセンサからの第１の信号と第２の信号とを受信する段階であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 第１の信号を受信する段階は、温度センサから第１の信号を受信する段階を備え、第２の信号を受信する段階は、温度センサから離間して配置されてなる水分含有量センサから、第２の信号を受信する段階を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 第１の信号を受信する段階は、空気流の全温度に対応する第１の信号を受信する段階を備え、方法がさらに、少なくともある程度第１の信号に基づいて、空気流の静温度を決定する段階を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. 方法がさらに、
    空気流の空気圧に対応した第３の信号を受信する段階と、
    第１の信号と第３の信号とに基づき、第１の信号が水の凝固点と同じか、または、それを下回る温度に対応しているか否かを判定する段階と、
    を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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