飞机结冰探测器原理及安装简析

李盼，朱家乐

飞机结冰探测器原理及安装简析

李盼，朱家乐

（西安民机有限公司，陕西西安710089）

飞机结冰是飞机飞行过程面临的严重安全隐患，如何利用结冰探测器准确地探测到结冰十分关键。本文介绍了结冰探测器的多种探测原理及其探测能力，结冰探测器安装时的区域计算和验证方法，并说明目前现有飞机的结冰探测器使用情况，为飞机结冰探测器的安装和选用提出指导。

结冰；结冰探测器；冰积聚；结冰试验

飞机在结冰条件下飞行时，为保证飞行安全，驾驶员必须在飞机临界表面形成危险量的结冰前使飞机飞离结冰区，或者及时启动结冰防护系统，确保临界表面不会积聚危险量的冰。因此获得正确的结冰探测信号，指示机组人员开启防除冰系统非常关键。

结冰探测器用于探测飞机结冰，当飞机进入结冰气象条件，或者飞机关键部位结冰厚度达到一定程度时，发出报警信号，机组人员据此开启飞机防除冰系统，降低飞机在结冰条件下失事的可能性。

结冰探测器研究至今，结冰探测原理已发展到十几种，包括视觉观察、障碍式、压差式、潜热式、微波式、超声脉冲回波、光学折射、红外线、热流等，这些原理有些已经应用于各种结冰探测的系统中，有些还处于研究阶段。本文选取几种结冰探测原理进行介绍。

1 结冰探测原理

1.1 视觉提示

在白天情况下，一种最简单的探测结冰条件的方法是飞行员关注在风挡玻璃的非防护区域如风挡雨刷上的冰积聚（见图1），飞行机组可以从视觉观察推断出结冰速率信息。

图1 雨刷冰积聚

对于夜间的结冰探测，通常采取照明方式提示冰积聚。通常情况下照明灯光会透过风挡玻璃，但不会引起飞行员的注意；当出现结冰时，照明灯光会分散，指示冰积聚。

1.2 潜热

利用潜热原理的结冰探测器有两种方式来指示出现结冰。

第一种是使用通过电阻元件的周期电流脉冲来加热探针。如果探针上有冰积聚，那么在温度上升时将会暂停在0℃（32℉），电子设备会感应并指示这种情况[1]。

第二种方式是通过测量维持探针在预定温度所需的功率来提供结冰条件指示。由水滴的撞击会引起功率增加，从而表明飞行环境中存在水；在空气总温（TAT）低于10℃（50℉）时，可能会遇到结冰条件。

1.3 振动

利用振动原理的探测器一般用于探测冰积聚，探测表面结冰时对探测器有三种影响：

（1）结冰质量增加导致共振频率降低；

（2）结冰硬度增加使得共振频率增加；

（3）阻尼增加使得振幅减小。

当前广泛使用的结冰探测器普遍采用轴向振动的圆柱探针作为传感器，结冰探测器的探针通常垂直于气流，当探针表面出现冰层时，随着冰积聚质量的增加，其轴向固有频率会产生偏移，使谐振频率也产生偏移，从而输出结冰信号。这种结冰探测器采用侵入式安装，即感应元件位于表面之外。运用这种原理的结冰探测器能够探测和测量厚度从0.13 mm到12.7 mm的结冰。

目前这种结冰探测器是在运输类飞机上运用最广泛的探测器，具有强度高、可靠性好、性能稳定等特点。MD一80、B-747、B-767和A380等飞机安装的均为这种原理的结冰探测器。典型的利用振动原理的结冰探测器如图2所示。

图2 运用振动原理的结冰探测器

1.4 电磁束干扰

电磁束干扰原理是利用位于探测器的软管一侧的电磁束源和软管另一侧的传感器来探测结冰。当在软管上出现结冰时，电磁信号被中断，电子单元感应到传感器信号的中断从而指示结冰，可利用多种传感器的组合来探测结冰，如可见光、红外线、激光和核束等[2]。

目前已经研制了一种基于电磁束干扰原理的针对直升机的先进结冰严重程度指示系统，此系统监测旋翼转速，振动等级，发动机扭矩，燃油量，静压和动压，空气温度和液态水含量。机组手动输入乘客数量，货物质量和飞机结构参数，机载计算机处理数据并提供结冰程度和飞机性能异常的指示。

1.5 光学折射

光学折射探测结冰的原理是感应从积聚的冰上折射出的光[3]。图3显示了这种类型的探测器的一个实例，探测器侵入气流之中并且密封，利用光束来监测探针上的任何物质的不透明度和光学折射率。传感器探针是光学分光计和光学开关的集成，探针非透明度的变化表现为霜冰，折射率的变化表现为明冰。传感器所激发的光的波长对于人眼是不可见的，因此不能当作任何的导航灯。

图3 基于折射的结冰探测器传感器

利用光学折射原理的结冰探测器可安装在任何类型的航空器上，只要其具有足够的空速来防止水在光学部件上积聚。

2 结冰探测器安装

飞机结冰探测除了采用合适的结冰探测器外，还应将结冰探测器安装在合适的位置，以便遇到结冰条件时，结冰探测器的感应元件要能够及时有效地探测结冰。图4为结冰探测器安装示例[4]。

图4 结冰探测器安装示例

为确定结冰探测器的安装位置，可通过建立飞机的三维模型，运用计算流体力学进行外部流场分析，得出飞机周围的流动形式[5]，初步选定结冰探测器的安装位置，并对候选的传感器位置在不同的攻角、空速、侧滑角和结冰飞行批准的飞机构型下进行流场和附面层厚度分析。

理论分析之后，需要做试验进行验证。结冰探测器的验证包括测定的自然结冰条件下的飞行试验和试验室试验。自然结冰飞行试验应当在规定的结冰环境和要求的飞机构型及飞机状态下表明结冰探测器执行预定的功能[6]，如飞行试验期间没有找到符合适航规定的结冰条件进行试验，可以使用试验室试验（如冰风洞试验或结冰喷水机试验）来表明结冰探测器能够及时有效探测结冰。

3 结束语

目前，结冰探测器在理论研究方面发展迅速，各种新型结冰探测方法的研究和开发都具备了一定的理论基础。在选用结冰探测器时，飞机应根据具体外形、气动特性、飞行环境等特点采用合适的结冰探测器，安装在合适的探测位置。运输类飞机可采用目前运输类飞机广泛使用的振动原理的结冰探测器，旋翼类飞机可采用电磁束干扰原理的结冰探测器。新型结冰探测器也可应用于其他相关行业，具有很好的研发前景和应用价值。

[1]张滨华.一种基于振动原理的结冰探测方法[J].仪器仪表学报，2003（8）：20-23.

[2]王起达.机翼结冰探测技术进展[J].航空制造技术，2009（5）：25-28.

[3]Aircraft Inflight Ice Detectors and Icing Rate Measuring In struments[Z].SAE AIR4367，2007.

[4]沈浩．浅析运输类飞机机体防冰适航新规章[J]．民用飞机设计与研究，2010（4）：63-66.

[5]Cabler S J.M.AC20-73A Aircraft Ice Protection[Z].FAA，2016.

[6]Kaszycki M，AC25-28Compliance of Transport Category Airplanes with Certification Requirements for Flight in Icing Conditions[Z].FAA，2014.

Brief Analysis of Principle and Installation of Aircraft Ice Detector

LI Pan，ZHU Jia-le
（Xi’an Civil Aircraft Co.，Ltd.，Xi’an 710089，China）

Icing on aircraft is serious safety risks for aircraft in flight.It is critical to use icing detector to accurately detect the ice.This paper introduces several detection principles of the icing detector and its detection ability，the area calculation and verification method of the icing detector installation，and explains the current situation of the icing detector of the existing aircraft，and provide advice for the ice detector selection of aircraft.

ice；ice detection；ice accumulation；icing test

TP212

B

1672-545X（2017）07-0165-03

2017-04-09

李盼（1989-），女，江苏徐州人，工程师，本科，主要研究方向：飞机结冰、除冰；朱家乐（1986-），男，云南曲靖人，工程师，本科，主要研究方向：飞机防冰、除雨。