目视助航灯光坡度灯（PAPI）自动除防霜装置研究

赵德鹏，杨盛华，李建

（天津滨海国际机场，天津 300000）

我国北方的冬季，雾霾天气较多。当湿度和温度构成一定环境条件时，我们经常会在车窗等玻璃上见到结霜现象。此时，位于机场跑道和滑行道上的目视助航灯光灯具，因发光窗口由玻璃透镜组成，所以玻璃灯罩上也会出现结霜现象。其中，坡度灯因镜面面积较大，结霜现象更加明显。目视助航灯光设备中坡度灯系统是机场目视助航的重要组成部分，飞机降落的必备目视助航设施之一，使用频繁，作用重大。坡度灯系统由4 组相同的照明装置组成，作用是为飞行员提供正确进近坡度的指示。当飞机正在或者接近进近坡时，飞行员看到离跑道最近的两个灯具为红色，离跑道较远的两个灯具为白色；当飞机高于进近坡度时，飞行员看到离跑道最近的灯具为红色，离跑道最远的3 个灯具为白色；当飞机高于进近坡度更多时，飞行员看到全部灯具均为白色。当低于进近坡度时，看到离跑道最近的3 个灯具为红色，离跑道最远的灯具为白色；在飞机低于进近坡度更多时，看到全部灯具均为红色。但还有一种情况容易给飞行员造成误判，就是在坡度灯角度正常时，外部透镜因达到结霜条件产生结霜现象时，就会严重影响坡度灯的红白分区显示效果，进而影响飞机员进近时对下滑角度的正确判断，造成安全隐患。本文针对这一现象，进行坡度灯自动除防霜装置研究，从而进一步解决影响飞行员对飞机降落过程中进近坡度的判断情况。

1 坡度灯自动除防霜装置研究的意义和背景

随着全世界民航运输业蓬勃发展，身处民航机场一线的保障人员始终以“安全第一，预防为主”为方针，不断地在工作中进行革新，大力推动平安民航建设。基于坡度灯对降落飞机的重要性和使用现状，我们非常有必要采用相应的技术改进措施进行坡度灯自动除防霜装置研究。

以往在温度较低湿度较大的天气环境下，坡度灯在刚开启运行时，就会接到塔台空中管制员的反馈，坡度灯显示不正确。经助航灯光维护人员到达现场进行检查，坡度灯仰角和内部元器件均正常，唯一的异常现象就是窗口镜面有结霜情况，影响坡度灯的正常发光。在进行人工清除后，飞行员反映坡度灯显示恢复正常。所以，每年到了冬季，灯光维护人员就需要重点对坡度灯系统进行全面的检查。发现结霜后，立即对其进行人工清除。但是，随着机场航班量的不断增加，坡度灯所处位置（图1）极为特殊。在跑道正常使用期间，巡视频次严重受限。另外，结霜现象多发生在夜间，如果跑道临时启用，坡度灯表面已经结霜，仅依靠人工现场进行清除，其时效性无法保证，这样就会影响机场航班起降正常率。并且坡度灯系统具有严格的校飞程序确定的准确角度数据。如果长期进行人工使用外物进行除霜，对坡度灯的角度和透镜的通透性也会存在不同程度的影响，存在一定的安全隐患。

图1 坡度灯位置及坡度灯（PAPI）图解（以3°为例）

2 坡度灯自动除防霜装置国内外研究现状分析

目前业内机场还未有过此类科研，此次科技创新项目当属全国首例，坡度灯自动除防霜装置是在不改变坡度灯外部机械机构和内部电子线路的前提下进行研究，不会影响坡度灯的正常发光和使用。

3 坡度灯自动除防霜装置研究内容

3.1 镜面结霜产生原因

在通常情况下，随着温度的降低，空气中的水蒸气会饱和液化成水；当温度低于0℃时水蒸气会凝结成霜。然而，目视助航灯光灯具上产生结霜情况与家中玻璃还有所不同。它的结霜与外界树枝、草叶、地面上的结霜是相同的道理。结霜的条件必须是晴朗无风的夜晚，且空气湿度比较大，坡度灯起初关闭时温度高，慢慢会散热辐射冷却，自身温度降低，周围空气温度升高，就会在表面形成霜。所以，霜都是在辐射冷却的物体表面上形成的，物体表面越容易辐射散热并迅速冷却，它上面就越容易形成霜。只要在灯具关闭时，控制透镜周围的环境温度和湿度两种因素之一，就可预防结霜现象的产生。

实验（表1）表明：表1 相对湿度较低时，风量的增加对提高蒸发温度的正面影响大于空气总水分增加的负面影响，宏观上表现为风量的增加能减少结霜量；相对湿度很大时，负面作用在低风量时作用更加明显，而正面作用在高风量时则更加明显，风量增加时结霜速度是先增加后减小。因此，低风量高湿度的工况下结霜的概率最大。

表1 凝水量随风量和相对湿度的变化（g,干球温度为0℃）

3.2 除防霜装置功能研究

因在坡度灯开启状态下，光源会产生热量，此时一般不会产生结霜情况。所以，坡度灯自动除防霜装置应实现，在坡度灯关闭状态下，进行启动。在冬季，当湿度因素达到结霜点时，首先启动增加风量的方式，预防坡度灯镜面结霜现象。在极寒的天气时，风量不足以预防镜面结霜时，应考虑除霜模式，此时增加吹风温度，进行暖风除霜。

4 坡度灯自动除防霜装置方案探究

4.1 装置启动方式设计

坡度灯在正常开启时，一般不会产生结霜现象，所以该装置启动设计附加电流互感器控制识别坡度灯开关状态。还应利用温度、湿度传感器对装置启动进行分析。如图2 所示，该图为自动除霜装置的设计结构框图，设计想法是当坡度灯关闭后，当坡度灯附近的环境满足结霜的条件时，为了防止透镜结霜，此时除防霜装置可以自启动风机进行吹风模式，当环境温度极低冷风模式无法完全清除结霜时，系统会自动启动加热棒与风机配合进行热风模式。当到结霜的季节时，也可以人为地进行远程开关自动除防霜装置的单吹风和热风两种模式。

图2 自动除霜装置框图

4.2 装置供电方式分析

因考虑续航时间等因素，供电方式暂时采用就近设施取电方式。后期可进行太阳能电池板取电方式。

4.3 增设监控装置

本监控装置采用PC 机式监控系统，主要通过摄像机（监控器）通过视频线缆接入视频卡（功能为视频采集和模数转换），视频卡处理后的数据可写入存储设备,保证数据在一定的时间内不丢失，并通过4G 无线网络把数据实时的传输到站内监控PC 机上进行监控显示。

4.4 总体技术路线

如图3 所示，该框图为自动除霜装置的总体技术路线，实现自动除霜装置首先要进行总体方案设计，根据总体方案主要分成三个模块，为自动除防霜装置模块、供电装置模块和监控装置模块。自动除霜装置主要先从站内开发，后期到现场和供电装置一起进行开发调试，监控装置主要和厂家进行沟通设计来完成，之后组装进行现场联合调试，并且测试数据，对除霜装置进行完善，最后进行试运行阶段。

图3 总体技术路线框图

5 坡度灯自动除防霜装置应用前景与经济效益指标及分析

坡度灯自动除防霜装置的研究，可以有效地避免坡度灯窗口在冬季结霜的情况，即使天气环境急剧恶劣，也会提高除霜的实效性，确保坡度灯透镜处于无霜通透状态。

安装自动除防霜装置应用前景，是在冬季天气湿度较大、温度较低容易结霜的综合环境下，预防助航灯光坡度灯结霜情况出现，可保证冬季突然启用某条跑道时，坡度灯透镜表面通透无霜。

此装置暂应用于机场跑道坡度灯系统中，彻底解决以往人工发现窗口结霜后采取人为除霜的方法。如果坡度灯自动除防霜装置试验成功，就可以节约人员检查的时间，保障坡度灯系统的正常使用。

坡度灯自动除霜装置的研究，对跑道坡度灯的时刻正常使用起到了非常重要的效果，随着航班量的增加，坡度灯的使用会越加频繁，此项研究投入后我们既可以对坡度灯的运行状态进行实时监控，又可以保障跑道突然启用坡度灯的正常运行，进而节省助航灯光清晨巡视维护时间和人力，提高工作效率。

6 结语

天津机场已经进入大型繁忙机场行列，飞行区部始终秉承着“安全第一，预防为主”的方针，不断地在工作中进行革新，大力推动平安民航建设。基于坡度灯对降落飞机的重要性和使用现状，我们非常有必要采用相应的电子技术进行坡度灯自动除防霜装置的研究。坡度灯自动除防霜装置的研究，可以有效地避免坡度灯窗口在冬季结霜的情况，即使天气环境急剧恶劣，也会提高除霜的实效性。确保机场在运行过程中，坡度灯透镜处于无霜通透状态。