目視助航燈光坡度燈（PAPI）自動除防霜裝置研究

趙德鵬，楊盛華，李建

（天津濱海國際機場，天津 300000）

我國北方的冬季，霧霾天氣較多。當濕度和溫度構成一定環境條件時，我們經常會在車窗等玻璃上見到結霜現象。此時，位于機場跑道和滑行道上的目視助航燈光燈具，因發光窗口由玻璃透鏡組成，所以玻璃燈罩上也會出現結霜現象。其中，坡度燈因鏡面面積較大，結霜現象更加明顯。目視助航燈光設備中坡度燈系統是機場目視助航的重要組成部分，飛機降落的必備目視助航設施之一，使用頻繁，作用重大。坡度燈系統由4 組相同的照明裝置組成，作用是為飛行員提供正確進近坡度的指示。當飛機正在或者接近進近坡時，飛行員看到離跑道最近的兩個燈具為紅色，離跑道較遠的兩個燈具為白色；當飛機高于進近坡度時，飛行員看到離跑道最近的燈具為紅色，離跑道最遠的3 個燈具為白色；當飛機高于進近坡度更多時，飛行員看到全部燈具均為白色。當低于進近坡度時，看到離跑道最近的3 個燈具為紅色，離跑道最遠的燈具為白色；在飛機低于進近坡度更多時，看到全部燈具均為紅色。但還有一種情況容易給飛行員造成誤判，就是在坡度燈角度正常時，外部透鏡因達到結霜條件產生結霜現象時，就會嚴重影響坡度燈的紅白分區顯示效果，進而影響飛機員進近時對下滑角度的正確判斷，造成安全隱患。本文針對這一現象，進行坡度燈自動除防霜裝置研究，從而進一步解決影響飛行員對飛機降落過程中進近坡度的判斷情況。

1 坡度燈自動除防霜裝置研究的意義和背景

隨著全世界民航運輸業蓬勃發展，身處民航機場一線的保障人員始終以“安全第一，預防為主”為方針，不斷地在工作中進行革新，大力推動平安民航建設。基于坡度燈對降落飛機的重要性和使用現狀，我們非常有必要采用相應的技術改進措施進行坡度燈自動除防霜裝置研究。

以往在溫度較低濕度較大的天氣環境下，坡度燈在剛開啟運行時，就會接到塔臺空中管制員的反饋，坡度燈顯示不正確。經助航燈光維護人員到達現場進行檢查，坡度燈仰角和內部元器件均正常，唯一的異常現象就是窗口鏡面有結霜情況，影響坡度燈的正常發光。在進行人工清除后，飛行員反映坡度燈顯示恢復正常。所以，每年到了冬季，燈光維護人員就需要重點對坡度燈系統進行全面的檢查。發現結霜后，立即對其進行人工清除。但是，隨著機場航班量的不斷增加，坡度燈所處位置（圖1）極為特殊。在跑道正常使用期間，巡視頻次嚴重受限。另外，結霜現象多發生在夜間，如果跑道臨時啟用，坡度燈表面已經結霜，僅依靠人工現場進行清除，其時效性無法保證，這樣就會影響機場航班起降正常率。并且坡度燈系統具有嚴格的校飛程序確定的準確角度數據。如果長期進行人工使用外物進行除霜，對坡度燈的角度和透鏡的通透性也會存在不同程度的影響，存在一定的安全隱患。

圖1 坡度燈位置及坡度燈（PAPI）圖解（以3°為例）

2 坡度燈自動除防霜裝置國內外研究現狀分析

目前業內機場還未有過此類科研，此次科技創新項目當屬全國首例，坡度燈自動除防霜裝置是在不改變坡度燈外部機械機構和內部電子線路的前提下進行研究，不會影響坡度燈的正常發光和使用。

3 坡度燈自動除防霜裝置研究內容

3.1 鏡面結霜產生原因

在通常情況下，隨著溫度的降低，空氣中的水蒸氣會飽和液化成水；當溫度低于0℃時水蒸氣會凝結成霜。然而，目視助航燈光燈具上產生結霜情況與家中玻璃還有所不同。它的結霜與外界樹枝、草葉、地面上的結霜是相同的道理。結霜的條件必須是晴朗無風的夜晚，且空氣濕度比較大，坡度燈起初關閉時溫度高，慢慢會散熱輻射冷卻，自身溫度降低，周圍空氣溫度升高，就會在表面形成霜。所以，霜都是在輻射冷卻的物體表面上形成的，物體表面越容易輻射散熱并迅速冷卻，它上面就越容易形成霜。只要在燈具關閉時，控制透鏡周圍的環境溫度和濕度兩種因素之一，就可預防結霜現象的產生。

實驗（表1）表明：表1 相對濕度較低時，風量的增加對提高蒸發溫度的正面影響大于空氣總水分增加的負面影響，宏觀上表現為風量的增加能減少結霜量；相對濕度很大時，負面作用在低風量時作用更加明顯，而正面作用在高風量時則更加明顯，風量增加時結霜速度是先增加后減小。因此，低風量高濕度的工況下結霜的概率最大。

表1 凝水量隨風量和相對濕度的變化（g,干球溫度為0℃）

3.2 除防霜裝置功能研究

因在坡度燈開啟狀態下，光源會產生熱量，此時一般不會產生結霜情況。所以，坡度燈自動除防霜裝置應實現，在坡度燈關閉狀態下，進行啟動。在冬季，當濕度因素達到結霜點時，首先啟動增加風量的方式，預防坡度燈鏡面結霜現象。在極寒的天氣時，風量不足以預防鏡面結霜時，應考慮除霜模式，此時增加吹風溫度，進行暖風除霜。

4 坡度燈自動除防霜裝置方案探究

4.1 裝置啟動方式設計

坡度燈在正常開啟時，一般不會產生結霜現象，所以該裝置啟動設計附加電流互感器控制識別坡度燈開關狀態。還應利用溫度、濕度傳感器對裝置啟動進行分析。如圖2 所示，該圖為自動除霜裝置的設計結構框圖，設計想法是當坡度燈關閉后，當坡度燈附近的環境滿足結霜的條件時，為了防止透鏡結霜，此時除防霜裝置可以自啟動風機進行吹風模式，當環境溫度極低冷風模式無法完全清除結霜時，系統會自動啟動加熱棒與風機配合進行熱風模式。當到結霜的季節時，也可以人為地進行遠程開關自動除防霜裝置的單吹風和熱風兩種模式。

圖2 自動除霜裝置框圖

4.2 裝置供電方式分析

因考慮續航時間等因素，供電方式暫時采用就近設施取電方式。后期可進行太陽能電池板取電方式。

4.3 增設監控裝置

本監控裝置采用PC 機式監控系統，主要通過攝像機（監控器）通過視頻線纜接入視頻卡（功能為視頻采集和模數轉換），視頻卡處理后的數據可寫入存儲設備,保證數據在一定的時間內不丟失，并通過4G 無線網絡把數據實時的傳輸到站內監控PC 機上進行監控顯示。

4.4 總體技術路線

如圖3 所示，該框圖為自動除霜裝置的總體技術路線，實現自動除霜裝置首先要進行總體方案設計，根據總體方案主要分成三個模塊，為自動除防霜裝置模塊、供電裝置模塊和監控裝置模塊。自動除霜裝置主要先從站內開發，后期到現場和供電裝置一起進行開發調試，監控裝置主要和廠家進行溝通設計來完成，之后組裝進行現場聯合調試，并且測試數據，對除霜裝置進行完善，最后進行試運行階段。

圖3 總體技術路線框圖

5 坡度燈自動除防霜裝置應用前景與經濟效益指標及分析

坡度燈自動除防霜裝置的研究，可以有效地避免坡度燈窗口在冬季結霜的情況，即使天氣環境急劇惡劣，也會提高除霜的實效性，確保坡度燈透鏡處于無霜通透狀態。

安裝自動除防霜裝置應用前景，是在冬季天氣濕度較大、溫度較低容易結霜的綜合環境下，預防助航燈光坡度燈結霜情況出現，可保證冬季突然啟用某條跑道時，坡度燈透鏡表面通透無霜。

此裝置暫應用于機場跑道坡度燈系統中，徹底解決以往人工發現窗口結霜后采取人為除霜的方法。如果坡度燈自動除防霜裝置試驗成功，就可以節約人員檢查的時間，保障坡度燈系統的正常使用。

坡度燈自動除霜裝置的研究，對跑道坡度燈的時刻正常使用起到了非常重要的效果，隨著航班量的增加，坡度燈的使用會越加頻繁，此項研究投入后我們既可以對坡度燈的運行狀態進行實時監控，又可以保障跑道突然啟用坡度燈的正常運行，進而節省助航燈光清晨巡視維護時間和人力，提高工作效率。

6 結語

天津機場已經進入大型繁忙機場行列，飛行區部始終秉承著“安全第一，預防為主”的方針，不斷地在工作中進行革新，大力推動平安民航建設。基于坡度燈對降落飛機的重要性和使用現狀，我們非常有必要采用相應的電子技術進行坡度燈自動除防霜裝置的研究。坡度燈自動除防霜裝置的研究，可以有效地避免坡度燈窗口在冬季結霜的情況，即使天氣環境急劇惡劣，也會提高除霜的實效性。確保機場在運行過程中，坡度燈透鏡處于無霜通透狀態。