[实用新型]一种过冷水滴结冰探测装置

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体的说涉及一种用于在高空结冰气象条件下(对各种容易结冰的对象开展结冰探测的方法和装置。

背景技术

结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机表面，结冰现象就很容易在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩、仪表传感器等部件表面发生。飞机结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降、稳定性能降低，对飞行安全造成了很大的威胁，因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡。

1994年，美国ATR-72通勤飞机发生空难，事故调查组经过长时间的研究和分析，发现大尺度过冷水滴结冰是造成该飞行事故的主要原因，从而使得研究人员越来越重视大尺度过冷水滴结冰的研究和探测。大尺度过冷水滴结冰(SLD，supercooled large droplet) 是FAR 25附录C中平均水滴直径大于50微米的过冷水滴。这种尺度的过冷水滴由于体积大、质量重、惯性大，气流跟随性较差，容易发生变形、破碎等动力学现象，其运动轨迹与小尺度过冷水滴有较大的区别，同时，在冻结的过程中热量释放速度缓慢，使得其在飞行器表面无法立刻发生冻结，一部分液态水溢流到防冰表面的下游，从而在防冰区外形成无法防除的冰脊现象，这种冰脊对飞行安全的危害比前缘结冰更大、更加无法预测和控制，是防冰系统设计必须重点关注的问题。而在大、小尺度过冷水滴相互混合的复杂结冰气象条件下，设计和研制一种可以区分大、小尺度过冷水滴的结冰探测方法和相关的装置，是为飞行器防冰系统提供合理触发信号的关键。

目前的结冰探测装置主要由光学、力学、电学等原理进行设计。最初的光学结冰探测装置是依靠飞行员的眼睛，后来逐渐采用具有CCD高感光元器件的相机或摄像机。由于飞行器飞行的环境比较恶劣，经常处于穿云飞行的状态，因此，在这种云雾较大的环境下，这种原理的结冰探测装置局限性较大，很容易发生误判的情况。现在，光纤结冰探测装置可以克服对周围云雾环境的影响，开始成为非接触结冰探测的研究热点。这种结冰探测是通过光反射、散射和透射等原理进行结冰探测的方法。但是，这种探测方法也有缺点，光纤的发射端并不是一个点光源，而是具有较大直径的面光源，而且其发射的光线有很大一部分，由于在穿过冰这种特殊的多孔介质材料时发生了损耗和偏折等现象，造成了测量精度和准度较大的依赖于光纤发射端形状、尺寸和面积等，并且受结冰的内部结构特征影响很大，这是目前这种结冰探测装置经常报虚警或测量误差较大的关键原因。电学方法的结冰探测装置是利用导电丝在结冰状态下其电阻受到变化的规律而设计的一种结冰探测装置，但其过于敏感，即使雨滴或灰尘在其导电丝表面，也会产生信号的变化，从而影响结冰探测的准确性。

力学方法的结冰探测装置仍然是目前主流的结冰探测装置，在各种型号的飞行器大量采用和应用，具有可靠性高的特点。力学方法的结冰探测装置是依靠各种产生振动的元器件或装置，对安装于飞行器表面的结冰探测棒进行振动，通过测量其固有振动频率，来估算其表面结冰质量的方法。但是这种方法也有很多问题，最为主要的缺陷就是无法区分大、小尺度过冷水滴的结冰条件，所以存在结冰探测精确性不够的缺点。而大、小尺度过冷水滴的结冰防护，对防冰系统的设计和能耗需求差异较大，是影响飞行安全的重要原因。目前，研究人员提出的SLD结冰探测器外形设计方法，均缺乏外形设计的依据，更多是依靠经验和直观的猜想进行设计。中国空气动力研究与发展中心的易贤等发明的SLD结冰探测器，与华中科技大学葛俊峰等发明的SLD结冰探测器，在设计方法上非常类似和接近，最终的外形也几乎相同，均是一扩一缩的菱形结构。而且这种结冰探测器在零飞行攻角或很小飞行攻角的飞行条件下，可能在区分大、小尺度过冷水滴的条件具有一定作用，但是在较大飞行攻角条件下，存在测量误差较大，甚至无法判别大、小过冷水滴的情况。

发明内容

本发明的目的是针对上述传统力学结冰探测装置的缺陷，进行补充和改进的一种可以区分大、小尺度过冷水滴的新型结冰探测方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种过冷水滴结冰探测装置，包括设置在测试表面的圆柱阵列，所述圆柱阵列包括沿着同一轴线依次设置三个直径互不相等的圆柱，圆柱的排列从一端到另一端直径逐步增加，相邻两个圆柱表面不接触；