浅谈浮空器结冰探测系统设计

摘 要：浮空器是一种可长时间留空的飞行器。浮空器体积尺寸通常较大，长时间、全天候的特点使其易受积雪和积冰的影响，结冰不仅增加囊体重量，且破坏了浮空器气动外形，导致其升力下降，飞行阻力升高，稳定性能下降，有可能发生失稳灾难事故，本文提出一种适用于浮空器的分布式多传感器结冰探测和预警系统，并构建结冰预警专家系统模型和软件设计需求，对浮空器在结冰环境中安全运行具有现实意义。

关键词：浮空器;结冰探测;预警系统

0引言

基于浮空器续航时间长、低噪音、运行成本低、装载能力强等特点，近年来被广泛应用于电子对抗、超视距通讯、气象侦查、载人观光旅游等不同领域。浮空器工作过程中，积雪和积冰都会对其安全性产生影响。目前，结冰探测系统作为检测结冰状态的系统在飞机飞行中扮演着相当关键的角色，它能给出飞机航行中结冰的信息与结冰严重程度的信息，配合除冰装置，可使飞机在结冰气象条件下减小失事的可能性，本文提出一种适用于浮空器的分布式多传感器结冰探测和预警系统，为确保浮空器长时间驻空和安全运行提供了重要保障。

1浮空器结冰机理与特点

浮空器在大气中飞行时，其外表面与悬浮在大气中的液态过冷小水滴撞击后，水滴破碎，曲率瞬间变小，其冰点随即变大，同时水滴变成了贴附在表面很薄的水膜，增大了换热面积，其相变产生的热量瞬间被散走，使得撞击到浮空器外表面的水滴很快冻结。

采用飞行器结冰专用软件FENSAP-ICE对浮空器进行CFD计算，分析发现常规形浮空器通常在结冰条件下尾翼前缘是主要发生结冰部位，囊体无结冰，结冰量随风速和俯仰角增大而增大;在小風速和小俯仰角姿态过冷水滴受重力影响大，囊体上表面极易结冰;囊体前部外形对尾翼水滴运动轨迹影响较大，在冻雾和冻雨条件下，囊体前部可以遮挡水滴撞击部分尾翼。

2浮空器结冰探测系统设计要求与设计

2.1 结冰探测系统设计要求

针对浮空器工作要求与结冰特点，其结冰探测系统应该具备全方位的结冰探测功能，反应灵敏，能够对极薄的结冰现象进行感知，并快速告警，且具有结冰厚度累计分析功能。

2.2 结冰探测系统设计

由于浮空器体积大、高度低、空中飞行时极易遭受多种结冰气象情况，且结冰部位多，为了充分掌握浮空器飞行时结冰情况，拟采用分布式多传感器（风速、温湿度、结冰）结冰探测系统进行结冰预警，并在地面天气雷达配合下提高结冰预警的质量。浮空器结冰探测系统由2个前向结冰传感器和2个垂向结冰传感器组成，同时由风速风向仪和温湿度传感器提供环境数据由于判定结冰强度。

浮空器头部安装超声波风速风向仪，能够从各空间方向上测量风速风向，为浮空结冰强度判断提供依据。底部安装温湿度传感器测量大气温度和湿度，使地面了解浮空器及其系统设备是否在允许的温适度范围内，同时作为其他参数修正的依据。在浮空器前端、顶部、垂尾及平尾安装结冰传感器，冰信号器工作原理是结冰传感器灵敏的振动元件在相对于冰层的不同厚度而产生的振荡频率的不同。

3浮空器結冰预警系统设计

在进行现场试验时，产品完成的任务能夠表明其自身的使用寿命典型任务，那就说明实验结果具有代表性，它所检测出的结果与产品的真实性能相符合。然而在短时间内现场条件是无法全部达成的。比如以其环境试验中的气候试验为例，有些产品需要在冷热不同环境下试验一年以上，但是自然界中端冷和极端热环境是无法保证其可以及时出现并被利用的。这些现场条件是无法控制的，这就给现场试验带来了很大的难度。所以在实际工作中，通常都在最后的研制环节采用现场试验来进行复验。在大多数的产品研制、设计以及验收工作中，基本都是采用实验室试研制以及生产中的可靠性试验与环境试验分析。

性能试验指的是在实验室中通过相关的试验来测试产品的性能，它的目的有两个：第一，对研制产品的性能进行评估，检验其是否达到设计的要求;第二，制定一套合理科学的性能评判基准，以此来完成对试验中、试验后所得到数据的比较，进而对产品性能的变化趋势以及其性能进行合理的评估。性能试验是其他试验的基础，产品研制阶段样机制造出来后应立即进行性能试验，看其是否满足设计要求，试验过程中暴露出来的缺陷应作为改进措施的直接依据，一般情况下要经过反复设计和改进后才能使研制的产品通过性能试验，然而通过了性能试验的产品在实际环境条件下不一定能正常工作，因此性能试验后要进行环境试验。

结冰预警系统是为了有效整合各传感器数据并及时向操作人员发出结冰预警信息，本文以某系留气球为例，构建建结冰预警专家系统模型。预警逻辑为在风速5m/s～10m/s时，当累积结冰次数达5次后，二级结冰告警（声光提示：加强观察）;当累积结冰次数达10次后，一级结冰告警（声光提示：清除冰雪），在风速10m/s～20m/s时，当累积结冰次数达3次后，二级结冰告警;当累积结冰次数达6次后，一级结冰告警。在风速>20m/s时，当累积结冰次数达2次后，一级结冰告警。当结冰信号器不再告警时，根据球体环境温度酌情减少，环境温度一直处于0℃以下时，保持累积次数不变;环境温度高于0℃以上时，每隔60min减少1次。

4结束语

浮空器与传统飞机在结冰部位及探测方面存在巨大差异，通过全新设计结冰探测与预警系统，经试验验证，效果良好，能有效解决结冰探测和预警问题，保障浮空器安全运行。

参考文献：

[1] 张大林，陈维建.飞机机翼表面霜状冰结冰过程的数值模拟[J].航空动力学报，2019

[2] 孙庆国.远程气象探测系统设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2018

[3] 黄炯.中高层气象气球的应用研究[C].第31届中国气象学会年会.2019

作者简介

刘贤明（1982.2—）安徽合肥人，高级工，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究。