系留气球结冰探测方法

耿德华 蒋鹏程

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）



系留气球结冰探测方法

耿德华 蒋鹏程

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

摘 要：系留气球是一种利用内部浮升气体净浮力升空的飞行器，随着其应用越来越广泛，对结冰探测的要求也越来越高。本文通过对系留气球产品的简介、结冰危害、结冰探测需求等方面出发，提出了利用现有飞机用结冰信号器来解决系留气球结冰探测问题的方法，包括安装位置、结冰程度判断等。

关键词：系留气球；结冰探测；结冰信号器；结冰程度

1. 系留气球介绍

系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力，并用缆绳进行固定的浮空器，可以实现空中定高度长时间地驻留。

国外在军事领域对系留气球的应用非常多，典型的有美国的阵地式系留气球载雷达预警系统（Tethered Aerostat Radar System，TARS）、海军空中中继通信系统（Marine Airborne Re-Transmission System，MARTS）、联合防御对陆攻击空中组网传感器系统（Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor System，JLENS）、快速部署浮空器预警系统（Rapid Aerostat Initial Deployment，RAID）、快速空中浮空器平台系统（Rapidly Elevated Aerostat Platform，REAP）、持续威胁探测系统（Persistent Threat Detection System， PTDS）、持久地面监视系统（Persistent Ground Surveillance System，PGSS）等；俄罗斯的“GePard”车载移动式系留气球、“PUMA”和“JAGUAR”大型系留气球、“DAG-2M”伞兵训练型系留气球等。

根据公开的资料统计，20世纪80年代后，国外总共约60多种系留气球产品投入军事用途，主要任务使命可归为侦察监视、预警探测、通信中继和伞兵训练等用途。侦察监视和预警探测是国外系留气球主要任务使命，总占有率约为80%。

2. 系留气球结冰危害

与飞机依靠翼面的气动特性产生升力不同，系留气球这一类的浮空器依靠浮升气体产生的净浮力升空。因此，结冰对系留气球的危害形式，与对飞机的危害形式是截然不同的。

飞机结冰的危害，主要是改变飞机的气动特性而引起操纵失控，系留气球结冰主要是由于大面积结冰引起的净浮力下降，和坚硬冰块对囊体材料的损伤。其余因结冰导致的外部设备故障，系留气球与飞机类似。

3. 结冰探测技术现状

当前，国内对浮空器的结冰探测研究极少，主要还是集中在飞机结冰探测上，依靠结冰信号器对结冰状况进行感知。

结冰信号器根据产品外形可分为外伸式和内埋式两种，根据采用的关键技术，可分为放射线技术、热交换技术、谐振技术、磁滞伸缩技术、导电环技术、光纤传感技术、神经元网络技术等。

目前，飞机的结冰探测技术已经比较成熟，具有一系列已经成熟完善的产品，对新技术的研发也比较活跃。

4. 系留气球结冰探测要求

飞机结冰信号器的要求是反应灵敏，能够对极薄的结冰现象进行感知，同时要求预警时间快速，兼具冰型判断能力。但对于系留气球而言，由于结冰的危害形式与飞机截然不同，对结冰探测的要求也有明显的区别。

系留气球对于结冰探测要求如下：

（a）结冰告警，一旦处于结冰环境应向操作人员提供告警信号；

（b）持续工作能力，结冰传感器具有加热融冰功能确保持续工作；

（c）结冰厚度累积功能，可以为操作人员提供结冰的严重程度。

5. 结冰信号器在系留气球上的安装位置

系留气球有用结冰信号器一般安装在头部且过冷水滴流速最大区域，便于过冷水的收集冻结从而进行结冰告警。

利用CFD软件对系留气球不同姿态下过冷水滴撞击情况进行分析，如图1、图2、图3、图4所示。

通过上述的过冷水滴撞击轨迹计算，排除整流罩最下部的安装位置，可确定两处结冰信号器安装位置，如图5所示。

6. 结冰厚度累计功能的实现

6.1 实现原理

采用飞机用的结冰信号传感器，均能够实现持续工作能力，即利用结冰信号器自带的融冰功能。但对于系留气球产品而言，由于结冰重量是重点危害形式，需利用结冰信号器实现结冰厚度累计判断功能。

在当前结冰信号器无法探测大厚度冰层的限制条件下，采用软件次数累计计算进行结冰厚度预估。即结冰信号器报警后，自动融冰，软件记录一次报警，重复报警后，记录报警次数、间隔时间、周边环境，利用统计次数判断结冰程度。

6.2 结冰报警验证试验

为验证结冰报警次数与结冰程度之间的对应关系，在气候实验室开展结冰验证实验。

在气候实验室中，调节风速为9m/s～10m/s，水含量为0.6g/s～0.8g/s，粒子直径20μm。试验件包括结冰信号器、系留气球尾翼缩比模型、球上索具及囊体材料平板。

试验过程中照片如图6所示。

试验过程中，采用的结冰信号器报警阈值为结冰厚度0.5mm，融冰时间10s。

6.3 试验结论

经过持续时间不同、风速不同、含水量不同的数次试验后，结果表明：

（a）系留气球不同部件在相同的持续时间、相同的结冰环境下结冰厚度是不同的。

（b）所有部件在相同结冰环境下的结冰厚度，与持续时间有关，但不是线性的。

（c）在结冰环境不改变条件下，部件的结冰厚度，可以通过结冰信号器的报警次数进行时间对应，进而通过时间与结冰厚度之间的曲线判断实际结冰厚度。

结论

对于系留气球产品而言，当前阶段可采用飞机用的结冰信号器进行结冰探测，但其位置需根据实际球体的外形和尺寸进行确定，一般安装在球体头部上方或下方的位置。

系留气球对于结冰探测要求与飞机区别较大，对于关键的结冰程度判断，是可以通过结冰信号器报警次数与时间—结冰厚度曲线的对应关系实现的。但在实际应用中，由于结冰环境时刻在发生改变，需要更加复杂的公式进行实际模拟。

随着系留气球类浮空器产品应用的推广，对该类产品结冰探测的需求会越来越多，其产品的前景及应用技术的需求会越来越广阔。

参考文献

［1］李航航，周敏.飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用［J］.航空工程进展，2010.（1）：112-115.

中图分类号：V351

文献标识码：A