-飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用

第1卷第2期2010年5月航空工程进展ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGVol.1No.2May　2010收稿日期:2010-05-04;　修回日期:2010-05-22通信作者:李航航,[e-mail]文章编号:1674-8190(2010)02-112-04飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用李航航,周敏(北京航空工程技术研究中心,北京　100076)EngineeringApplicationofIcingDetectionTechniqueandAnti-icingandDeicingSystemonAircraftLiHanghang,ZhouMin(BeijingAeronauticalTechnologyResearchCenter,Beijing100076,China)摘　要:飞机结冰是飞行过程中所面临的严重安全隐患,不同气象条件下会产生各种不同的结冰类型。文章介绍了几种常见冰型、成冰机理及其对飞机结构和系统可能产生的危害程度,分析研究了目前国内外飞机结冰探测技术的现状和发展趋势,总结了各种防除冰措施在飞机上的应用和技术特点,并以波音777飞机防除冰系统设计为例,说明典型飞机结构防除冰系统设计的特点和功能。关键词:飞机;冰型;结冰机理;结冰探测;防除冰系统中图分类号:V321.229　　　　　　文献标识码:AAbstract:Icingisoneofmainfactorsthatthreatentheflightsafetyofanaircraft.Therearedifferentkindsoficingshapesunderdifferentweatherconditions.Thedifferentkindsoficingshapesandicingmechanismandtheharmforaircraftstruc-tureandsystemsarepresentedinthispaper.Thedevelopmentoficingdetectiontechniqueisanalyzed,andtheapplicationandtechnicaltraitofdifferentkindsofanti-icinganddeicingsystemaresummarized.Taketheanti-icinganddeicingsys-temofBoeing777forexample,thedesigntraitandfunctionoftypicalanti-icinganddeicingsystemareintroduced.Keywords:aircraft;icingshape;icingmechanism;icingdetection;anti-icinganddeicingsystem0　引言飞机结冰是指在特定气象条件下在飞机表面产生水分凝结成冰的现象,多发生在飞机的升力表面(如机翼、尾翼)、螺旋桨和旋翼、发动机进气道、风挡玻璃、外露传感器等部件的迎风表面。飞机结冰严重威胁飞机的飞行安全。飞机发生轻度结冰就会降低飞机的飞行性能,主要表现为升力下降、阻力增加、升阻比大幅下降等,进而造成飞行姿态控制困难。严重结冰时可能造成飞机在小迎角下出现失速或操纵翼面发生失效等现象而造成机毁人亡。据资料统计,飞机在飞行中因结冰问题而导致空难事故的概率超过15%。近年来,已经发生了多起因飞行结冰而造成的重大空难事故。如2009年6月法国A330客机在大西洋上空飞行时遇到恶劣天气发生结冰引起飞机坠毁,造成228人遇难;2006年6月,我国一架特种飞机在执行任务中也因严重结冰而发生一等空难,造成数十人死亡。据美国FAA/NASA统计,飞机出现结冰后导致空难事故中有10%以上是因为飞机结冰造成舵面操纵失效[1]。因此,研究飞机飞行中可能出现的结冰现象、结冰机理以及飞机是否结冰、结冰后的除冰效果等问题成为各国航空飞行器设计必须解决的迫切难题。1　飞机结冰机理及危害分析1.1　飞机结冰机理分析容易发生积冰的云层主要有层云(StratiformCloud)和积云(CumuliformCloud)两大类。层云类包括层云、层积云、高层云和雨层云,发生结冰的高度多在0～7km范围,其垂直方向厚度多小于2.0km,水平方向长度最大可达几百公里,液态水含量通常在0.1～0.9g/m3范围,能使飞机发生连续积冰。积云类包括积云、高积云、雨积云等,发生结冰的高度多在1.2～7.3km范围,其水平方向长度一般不超过10km,厚度与长度相当,液态水含量较高,最高可达3.9g/m3以上,能使飞机发生间断积冰[2-3]。飞机在大气环境温度0℃以下飞行时,云中过冷水滴撞击在飞机机体表面即会结冰。飞机结冰与云层温度、液态水含量(LWC)、水滴直径(MVD)、云层范围等参数有关。云中液态水含量决定结冰严重程度,水滴直径决定结冰区域大小和结冰形状,云层范围决定结冰层厚度。而云中水滴的状态又跟云层温度有着密切关系。当云中温度为0℃～-15℃时,多为过冷水滴;当云中温度为-15℃～-30℃时,多为过冷水和冰晶共存;低于-30℃时多为冰晶。飞行结冰温度范围一般为0℃～-20℃,此时云中多为过冷水滴。据相关统计,当云层温度在-2℃～-10℃范围内,飞机遭遇积冰的次数最多,强积冰主要发生在-2℃～-8℃,但动力装置的进气部件和汽化器由于受到气流绝热膨胀降温和液体蒸发吸热的作用,可在环境温度高达5℃～10℃时发生结冰。云层范围越大,飞机飞经云层的时间越长,部件表面上所结的积冰冰层的厚度越厚。按照结冰过程及冰层特性,飞机上的冰层可分为毛冰、透明冰和混合冰[4]。毛冰是由微小的超冷液态水滴与低于结冰温度的机体表面接触后形成的。由于水滴直径很小,最初结冰后的水滴数量不足以在完全结冰前形成连续的一片冰,结果形成小冰块与空气的混合体,出现粗糙、不透明、易碎的晶状沉积物。毛冰的表面粗糙,呈乳白色。绝大多数毛冰可用除冰系统清除或采用防冰措施预防。透明冰是由空气中的超冷水滴与低于0℃的机体表面接触时凝固形成的。由于飞机的运动以及水滴结冰时会释放一定热量,从而使水滴在凝固之前向后流动,飞行速度越高,凝固过程越慢,水滴凝固前向后流动的距离越长,其结果就会在飞机表面形成一层固态的、透明的、基本没有空气的透明冰。透明冰很光滑,通常紧紧附着在飞机表面,累积增多后形成脊冰,透明冰很难清除。混合冰是毛冰和透明冰的混合体,是一种常见的结冰体。有时候,潮湿空气与低于0℃的机体表面接触会形成霜。表面霜沉积的典型条件是飞机停放在晴朗(凉爽)的夜晚、无风且空气湿度很大,或者飞机短时从低于凝固点的空气中飞到暖湿空气中。结冰强度又称结冰速率,是指飞机在结冰气象条件下飞行时,部件迎风表面上所结冰层的增长速度。它与飞行速度、部件外形、云层中液态水含量、部件水滴收集区的结冰冻结系数等有关。对于飞机结冰强度的表述,不同国家略有区别,如美国空军是按照在一定飞行速度下单位时间内冰率计单位表面积上所结冰层的质量来描述飞机的结冰强度;俄罗斯则按照机翼前缘处单位时间内的最大结冰厚度来描述;国际上还有按照飞机飞过单位云层距离时,冰率计表面上的最大结冰厚度来描述飞机的结冰强度。上述描述都反映了飞机在飞行过程中可能发生结冰现象的强弱,是判断飞机在结冰区飞行可能出现结冰的危险程度。并且随着积冰研究的深入和新机型的不断出现,对积冰强度的定义及其标准也经历了一个不断更新发展的过程。1.2　结冰对飞机的影响及危害分析飞行结冰是一种非常严重的危险情况,它会破坏空气的平滑流动、增加阻力、改变机翼的气动特性、引起舵面控制失效或反效[5-7]。飞机的机翼、尾翼、螺旋桨、风挡、发动机唇口等迎风面都会出现结冰,飞机上的天线、通气孔、进气道和整流罩也会出现结冰。飞机结冰后不仅会改变飞机的气动特性而引起飞机操纵失控,还会造成飞机结构的严重振动或损伤,脱落的冰层经常会打坏飞机的运动部件或机体结构。如2008年法国A330客机空难就是由于结冰堵塞了飞机动静压传感器而使其失灵造成的。风洞试验表明:在机翼前缘或上表面增加约1mm的粗糙霜、雪和冰的沉积物可使升力减少30%以上,阻力增加50%以上,具体数值随结冰范围的不同而不同[8-9]。NASA的研究报告研究表明[10],在所有受保护的表面的结冰被清除后,由于未受保护表面,如天线、襟翼铰链、舵面操纵摇臂、机身前部、风挡、风挡雨刷、机翼斜支柱、固定起落架等仍旧存在结冰,与积冰有关的总阻力对飞机的危害影响会依然存在。2　飞机结冰探测技术现状及发展趋势2.1　飞机结冰探测技术现状对结冰探测技术的研究,国外早在20世纪40年代就已经开始。如美国的Rosemount宇航公司、俄罗斯的Implus设计局、法国的Liebherr宇航公司、瑞士的Vibro-Meter公司等。国内对该项技术的研究起步较晚,技术力量也较薄弱。主要有国营113第2期　　　　　　　　　　　　　　　李航航等:飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用181厂、哈尔滨工程大学、华中科技大学等。对飞机结冰现象的探测主要依靠结冰信号器,该类信号器依据产品外形可以分为外伸式和内埋式两种。根据所采用的关键技术可以分为放射线技术、热交换技术、谐振技术、磁滞伸缩技术、导电环技术等[11]。(1)放射线技术传感器:利用安装在信号器内的放射元素锶90的放射性来工作的。当没有冰层沉积时,放射线发出的电子束全部被吸收管吸收形成电子负压,使晶体管处于非导通状态。当出现冰沉积时,部分电子被冰层吸收,使得到达吸收管的电子束减少,电压升高,晶体管导通而发出结冰告警信号。代表产品为法国Liebherr宇航公司的1278-1N型传感器。(2)热交换技术传感器:利用一个恒定功率热源向热敏元件加温,同时测量并不断比较热敏元器件上不同点位之间的增温速率,温差变化越大说明结冰的可能性和冰层厚度越大。其中代表产品为美国Rosemount宇航公司的873、875型传感器。(3)谐振技术传感器:利用线圈中的电磁激励原理使传感器中的弹性敏感元器件产生机械谐振,当有冰层沉积时,弹性敏感元件就会发生刚度变化而引起振动频率改变,从而给出结冰告警信号。代表产品为俄罗斯Implus设计局的CO-121BM型传感器。(4)磁滞伸缩技术传感器:利用电磁振动原理将传感器设计在一个固定频率点进行超声振动,当有结冰沉积时,其振动频率相应改变,变化达到一定程度时就出现告警信号。该技术的代表产品为俄罗斯的Implus设计局的KABHT-2型传感器。(5)导电环传感器:利用电桥电路中的测温电阻在低温下的阻值变化引起电桥电路的不平衡,使导电环接通或断开而给出告警信号。该传感器的代表产品为XYF-1型传感器。上述传感器由于技术原理不同,因此在使用上各具特点,适用于各种不同机型的不同要求。2.2　发展趋势进入21世纪以后,以英国为代表的航空技术发达国家已经开发了一新型的光电传感器,即光纤式传感器。该类传感器是利用光的发射与接收原理,通过在光纤中传播的发射光被接收后的信号强弱来判断结冰的严重程度。其具备以下优点:灵敏度高,能够探测出0.1mm以下冰层厚度;预警时间短,预警响应时间不大于2s;探测范围宽,最大探测冰层厚度超过5.0mm;具有冰型判别功能,能够实现结冰告警,进行除冰效果判断,实现对飞机结冰的控制管理。缺点是体积较大,并易受强光干扰。此外,欧美等航空技术先进的国家已经在研发基于神经元网络技术的飞机结冰探测系统,还计划将气象信息与飞机姿态信息相综合,构成结冰安全自动控制和管理的飞行员专用信息系统。3　飞机防除冰系统设计及工程应用3.1　飞机防除冰系统设计在飞行实践中,飞机结冰的危害逐渐被人们所认识。从20世纪20年代开始,飞机设计师们就开展了以飞机防除冰系统为中心的飞机结冰研究工作。经观测、统计飞机结冰与气象的关系以后,于20世纪40年代末,一些国家制定了飞机防除冰系统设计气象标准,其基本内容大致相同;至20世纪50年代末,飞机防除冰系统设计和应用