浮空器結冰探測與預警系統設計

張文華 蔣鵬程

摘 要 浮空器是一種可長時間留空的飛行器。浮空器體積尺寸通常較大，長時間、全天候的特點使其易受積雪和積冰的影響，結冰不僅增加囊體重量，且破壞了浮空器氣動外形，導致其升力下降，飛行阻力升高，穩定性能下降，有可能發生失穩災難事故，本文提出一種適用于浮空器的分布式多傳感器結冰探測和預警系統，并構建結冰預警專家系統模型和軟件設計需求，對浮空器在結冰環境中安全運行具有現實意義。

關鍵詞 浮空器;結冰探測;預警系統

引言

基于浮空器續航時間長、低噪音、運行成本低、裝載能力強等特點，近年來被廣泛應用于電子對抗、超視距通訊、氣象偵查、載人觀光旅游等不同領域。浮空器工作過程中，積雪和積冰都會對其安全性產生影響。目前，結冰探測系統作為檢測結冰狀態的系統在飛機飛行中扮演著相當關鍵的角色，它能給出飛機航行中結冰的信息與結冰嚴重程度的信息，配合除冰裝置，可使飛機在結冰氣象條件下減小失事的可能性，本文提出一種適用于浮空器的分布式多傳感器結冰探測和預警系統，為確保浮空器長時間駐空和安全運行提供了重要保障。

1浮空器結冰機理與特點

浮空器在大氣中飛行時，其外表面與懸浮在大氣中的液態過冷小水滴撞擊后，水滴破碎，曲率瞬間變小，其冰點隨即變大，同時水滴變成了貼附在表面很薄的水膜，增大了換熱面積，其相變產生的熱量瞬間被散走，使得撞擊到浮空器外表面的水滴很快凍結。

采用飛行器結冰專用軟件FENSAP-ICE對浮空器進行CFD計算，分析發現常規形浮空器通常在結冰條件下尾翼前緣是主要發生結冰部位，囊體無結冰，結冰量隨風速和俯仰角增大而增大;在小風速和小俯仰角姿態過冷水滴受重力影響大，囊體上表面極易結冰;囊體前部外形對尾翼水滴運動軌跡影響較大，在凍霧和凍雨條件下，囊體前部可以遮擋水滴撞擊部分尾翼[1]。

2浮空器結冰探測系統設計要求與設計

2.1 結冰探測系統設計要求

針對浮空器工作要求與結冰特點，其結冰探測系統應該具備全方位的結冰探測功能，反應靈敏，能夠對極薄的結冰現象進行感知，并快速告警，且具有結冰厚度累計分析功能。

2.2 結冰探測系統設計

由于浮空器體積大、高度低、空中飛行時極易遭受多種結冰氣象情況，且結冰部位多，為了充分掌握浮空器飛行時結冰情況，擬采用分布式多傳感器（風速、溫濕度、結冰）結冰探測系統進行結冰預警，并在地面天氣雷達配合下提高結冰預警的質量。

浮空器結冰探測系統由2個前向結冰傳感器和2個垂向結冰傳感器組成，同時由風速風向儀和溫濕度傳感器提供環境數據由于判定結冰強度，傳感器布設布置見圖1。

浮空器頭部安裝超聲波風速風向儀，能夠從各空間方向上測量風速風向，為浮空結冰強度判斷提供依據。底部安裝溫濕度傳感器測量大氣溫度和濕度，使地面了解浮空器及其系統設備是否在允許的溫適度范圍內，同時作為其他參數修正的依據。在浮空器前端、頂部、垂尾及平尾安裝結冰傳感器，冰信號器工作原理是結冰傳感器靈敏的振動元件在相對于冰層的不同厚度而產生的振蕩頻率的不同。

3浮空器結冰預警系統設計

結冰預警系統是為了有效整合各傳感器數據并及時向操作人員發出結冰預警信息，本文以某系留氣球為例，構建建結冰預警專家系統模型。預警邏輯為在風速5m/s～10m/s時，當累積結冰次數達5次后，二級結冰告警（聲光提示：加強觀察）;當累積結冰次數達10次后，一級結冰告警（聲光提示：清除冰雪），在風速10m/s～20m/s時，當累積結冰次數達3次后，二級結冰告警;當累積結冰次數達6次后，一級結冰告警。在風速>20m/s時，當累積結冰次數達2次后，一級結冰告警。當結冰信號器不再告警時，根據球體環境溫度酌情減少，環境溫度一直處于0℃以下時，保持累積次數不變;環境溫度高于0℃以上時，每隔60min減少1次。

4結束語

浮空器與傳統飛機在結冰部位及探測方面存在巨大差異，通過全新設計結冰探測與預警系統，經試驗驗證，效果良好，能有效解決結冰探測和預警問題，保障浮空器安全運行。

參考文獻

[1] 張大林，陳維建.飛機機翼表面霜狀冰結冰過程的數值模擬[J].航空動力學報，2004，（01）：137-141.

作者簡介

張文華，男，工程師，現就職單位：中航工業特種飛行研究所，研究方向：飛行器環控系統設計。

蔣鵬程，男，高級工程師，現就職單位：中航工業特種飛行研究所，研究方向：飛行器環控系統設計。