有線振動傳感器探測云層結冰氣象狀況

有線振動傳感器探測云層結冰氣象狀況

Wire Sensors Alert to Dangerous Conditions in the Clouds

飛機積冰嚴重影響飛行安全，積冰會導致飛機的空氣動力性能變差，進而影響飛機的穩定性和可操縱性。飛機積冰不僅發生在地面上，飛機機翼和發動機也可能在空中發生結冰現象。為了及時獲知云層中的氣象狀況，預防飛機結冰風險，美國國家航空航天局（NASA）一直致力于建立更加有效的模型。在NASA幫助下開發的預測工具不僅可應用于客機防冰，還拓展應用到了其它領域。

NASA格倫研究中心飛機結冰研究部的工程師邁克爾?金解釋說，飛機在飛行過程中結冰的罪魁禍首是過冷水滴，確定其在云層中含量的最佳途徑是在配備特殊設備的試驗飛機上安裝精密傳感器進行空中測量。這種精密傳感器探測儀雖然對研究極其有用，但是這種試驗飛機并不能每天都開展飛行測試，因而無法為飛行員和航空公司提供實時結冰預警信息。

NASA的地基結冰遙感系統（NIRSS）極有可能解決這一問題。該系統采用垂直指向的Ka波段雷達測量空氣中水滴的大小；采用激光雷達云冪儀利用激光脈沖測量云底高度；采用輻射計測量不同海拔高度空氣和液態水的溫度。利用這3種儀器獲得的數據，研究人員可以推斷出任意給定時間點的云層結冰氣象狀況。為了驗證該系統的運行效果，研究人員需要將NIRSS系統的預測結果與空氣中的實際情況進行比較。云層中的實際結冰氣象情況可采用試驗飛機通過實際飛行測量獲得，但是，這種測量成本非常高昂。為了解決這一問題，21世紀初，NASA發布了一項公告，征集新的數據采集方式。最終，在NASA的幫助下，位于美國蒙大拿州博茲曼市的anasphere公司開發了一款價格低廉的輕質傳感器，其可隨氣象氣球進入云層進行測量。

約翰?博格納爾是anasphere公司的創始人，曾經為開展化學分析研究開發了多種輕質的氣象儀器。在得知NASA的需求后，他計劃采用相同的原理來制造NASA所需的傳感器。他解釋說：“通過研究結冰氣象監測研究方面的文獻，我發現，在20世紀80年代，有一位工程師開發了一種用于大氣測量的有線振動傳感器。”當這種傳感器在大氣中不斷升高時，其會遇到過冷水滴，過冷水滴在有線傳感器表面結冰，而隨著冰的積聚，傳感器導線的振動頻率會發生改變，傳感器將這些變化記錄下來，并將檢測結果實時傳送回地面站，用于分析并確定空氣中過冷水滴的含量。這種傳感器的測量效果良好，但約翰?博格納爾進一步深入研究后發現，由于傳統的傳感器需要采用電磁鐵和電磁線圈來產生和測量振動，因此，其重量很大。

為了減輕傳感器的重量，約翰?博格納爾希望利用小型壓電元件使導線振動，并對振動進行測量。在與NASA進行溝通后，約翰?博格納爾從NASA獲得了1項第一階段小企業創新研究（SBIR）計劃項目合同，以開發這種新型傳感器。壓電傳感器并不能有效地產生振動，因此，約翰?博格納爾采用了一種機械致動器來引發導線的振動。此外，該傳感器結構簡單、耐用、輕質、功耗低，且運行效果良好，所以，非常適用于氣象氣球，NASA對該傳感器產品非常滿意，隨后授予了anasphere公司1項第三階段SBIR合同，主要為NASA的氣象氣球研究制造傳感器。該傳感器可以有效提高人們對于結冰等有害天氣的預測能力，并可將危險氣象情況及時通知相關機構。

▲ 工程師準備放飛安裝有過冷水滴傳感器的氣象氣球

除NASA以外，美國能源部（DOE）也在利用這種有線振動傳感器研究北極大氣下部云層的形成過程，了解云層對氣候的影響，如云層反射和吸收熱能的方式，以及云層對地球輻射平衡的影響等。約翰?博格納爾解釋說：“這種有線振動傳感器的優勢在于價格低廉。當使用大型且昂貴的傳感器時，如果使用一個傳感器進行垂直檢測，就必須上下移動傳感器，這樣，當對一個點進行測量時，就不能夠對其上方和下方的氣象狀況進行測量。而采用anasphere公司研制生產的傳感器，相同的成本可同時配置多個傳感器，同步查看不同高度的云層的氣象情況和變化過程。”此外，DOE還采用了anasphere公司生產的另一種產品——tethersondes（系留探測器）。該產品可系在長線上，便于回收。目前，過冷水滴傳感器主要作為tethersondes工具包的可選附件單獨出售。

anasphere公司生產的有線振動傳感器目前已進入中國市場，德國無線電探空儀制造商GRAW公司的中國子公司期望將其應用于農業市場。當出現危害農作物的凍霧等天氣時，該傳感器就會發出警報。

有線振動傳感器的銷售額占anasphere公司營業收入的比重并不大，因為該傳感器是為NASA專門定制的，僅供一次性使用且價格低廉，因此，幾乎沒有利潤。但約翰?博格納爾認為，在anasphere公司開發的小型化、低成本產品中，過冷水滴傳感器是一項成功的產品。他說：“如果沒有NASA，也許我就不會有深入研發該傳感器的動力。因為該產品的利潤率很低，如果沒有NASA的投資，anasphere公司從收益方面考慮就不會將其資源投入到這一項目上。但是，與NASA的合作也幫助anasphere公司與有防冰需求的組織和機構建立了緊密的聯系。此外，NASA相關人員還幫助anasphere公司的傳感器產品樹立起了品牌，奠定了一定的市場基礎。如果沒有NASA的這些支持與幫助，anasphere公司成功的幾率就可能會大大降低。這也體現了NASA在anasphere公司整個發展過程中起到的關鍵作用。” (唐 甜)