飞机除冰液加热控制系统设计分析

孙盼峰

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

随着我国经济的不断发展，带动了人们的整体生活水平，人们的出行工具逐渐从步行转换为飞机、汽车等交通工具。飞机为众多交通工具中运行速度最快的工具，在遇到寒冷天气时，机身表面易出现结冰现象，无法保证飞机的稳定运行，如何去除机身表面的冰层成为亟待解决的问题。本研究为保证飞机的稳定运行，设计出飞机除冰液加热控制系统。通过控制器对飞机除冰设备进行控制及加热，可使除冰液在短时间内加热至预设温度，同时该系统具有持续循环的作业能力，可有效去除飞机机翼表面的冰层，并预防冰层的产生。可为飞机的除冰作业提供数据支撑。

1 飞机除冰液加热控制系统整体结构设计

本研究对飞机除冰液加热控制系统的整体结构进行设计时，将该系统的整体结构划分为信号采集系统、中央控制处理器以及执行机构等部分。中央控制处理器为飞机除冰液加热控制系统的核心设备，在该处理器的支持下，可对各个子系统采集的数据进行算法计算，同时可对执行机构进行整体控制。当飞机除冰液加热控制系统执行除冰任务时，可使喷枪出口的稳定迅速达到系统设定温度，并保持恒温状态。飞机除冰液加热控制系统整体结构如图1所示。

图1 飞机除冰液加热控制系统整体结构框图

1.1 信号采集子系统

本研究对信号采集子系统进行设计时，在信号采集子系统内部安装多种类型的传感器，同时该系统内还包含流量计等设备，通过多种不同设备的安装，有利于提升信号采集子系统的稳定性。传感器的类型主要包括：温度、风压以及感光传感器。信号采集子系统的工作方式为：首先，对飞机除冰液加热控制系统进行整体分析，结合该系统的实际要求，将所需参数上传至中央控制处理器；其次，由中央控制处理器对参数进行计算，将计算结果作为主要依据，实现多项参数的实时采集；最后将参数信息传输至信息采集子系统内部。通过对信息进行实时采集，可为飞机除冰液加热控制系统提供充足的数据支持，使该系统达到加热的预期效果。

1.2 参数显示子系统

本研究对参数显示子系统进行设计时，将其划分为状态界面和参数设置界面两部分。其中状态界面主要负责对飞机除冰液加热控制系统的运行状态进行实时显示，可为操作者提供加热控制系统运行过程中的状态参数，有利于操作者更加直观地观察飞机除冰液加热控制系统的运行状态，若系统出现故障问题，维修人员可在最短的时间内，通过状态界面完成故障点的查找，并及时实现故障点的排除。参数设置界面的主要功能为参数设置功能，操作者通过该界面可实现参数的设置，使飞机除冰液加热控制系统按照预先设置的参数进行运转。为保证加热控制系统内燃料的燃烧状态可满足设计要求，在参数设置界面内提供不同的燃烧参数，可扩大该界面的应用区域[1]。

1.3 执行机构子系统

本研究对执行机构子系统进行设计时，在执行机构子系统内部安装多个液压比例阀、燃油预热装置以及点火电极等设备，通过不同设备的支持下，有利于提升飞机除冰液加热控制系统的整体性能。利用中央控制处理器的功能，对系统内喷油嘴的开关进行控制。为满足飞机除冰液的加热需求，应精准控制系统的进油量及进风量等参数。

2 飞机地面除冰过程能量分析及模型建立

通常情况下，若飞机在起飞之前遇到降雪天气，为保证飞机的飞行安全，需要对飞机进行地面除冰操作，该操作的主要目的是去除飞机机身关键部位的冰雪。大部分机场均采用除冰液进行除冰作业，除冰液的操作过程是将处于高温状态下的除冰液喷洒至机身表面积冰部位，该过程对除冰液的温度及流量要求较高。为提升系统的工作效率，对飞机除冰装备参数进行整体优化，最大限度地降低航班延误情况的发生概率。

2.1 地面除冰过程能量分析

飞机地面除冰的方法是将处于高温状态下的除冰液喷洒至需要除冰的区域，利用除冰液自身的热量实现冰雪的融化，在除冰操作开始之前，为达到除冰的效果，需要对除冰液进行加热。除冰液具有降低冰点的作用，将其喷洒于机体表面，可在机体表面形成保护膜，能够起到预防结冰的效果。本研究应用除冰液进行机体表面除冰时，将机翼作为主要研究对象，利用能量平衡的原理，建立飞机地面除冰过程的能量平衡方程，该过程需要忽略射流冲击对飞机机身产生的影响。由于热传递的过程较为复杂，为简化计算过程，做出相应的假设：其一，若除冰操作开始之前遇到降雪天气，此时可将太阳辐射设置为零；其二，在低温环境下实施除冰操作时，可忽略除冰液的热量损失；其三，忽略射流冲击对飞机机翼除冰操作产生的影响；其四，忽略风速对飞机机翼除冰操作产生的影响[2]。

结合上述假设即可得到飞机地面除冰过程的能量平衡方程，其公式为

Q-Qconvection-Qradiation-Qmelt-Qheat=0

(1)

式中：Q为除冰液的热量,J；Qconvection为机翼表面与空气之间产生的对流交换热量,J；Qradiation为机翼表面与空气之间产生的热辐射热量,J；Qmelt为冰层融化过程中需要的热量,J；Qheat为机翼表面温度上升过程中需要的热量,J[3]。

飞机除冰液热量的计算公式为

Q=cmΔT

(2)

将飞机除冰液热量的计算公式带入至质量计算公式，得到的公式为

Q=c0ρ0F0t(T0-Tsurface)

(3)

式中：c0为比热容,J/(kg·℃)；ρ0为除冰液的除冰液密度,kg/m3；F0为除冰液流量,L/min；t为除冰液的喷射时间,min；T0为除冰液的实际温度,℃；Tsurface为机翼表面温度,℃[4]。

飞机处于静止状态下时，机翼表面即可与空气之间产生对流交换热，其热流量的基本计算公式为

φconvection=hA(Tw-Tf)

(4)

通过对式(4)进行整理可得到对流交换热的计算公式为

Qconvection=hcA(Tsurface-Tair)t

(5)

式中：hc为对流换热系数,W/(m2·℃)；A为机翼表面面积,m2；Tsurface为机翼表面温度,℃；Tair为外界环境温度,℃。

通常情况下空气对流换热的取值范围在1～10，当自然对流换热系数取较大值时，该数值的计算公式为

(6)

式中：Nu为努赛尔数；λ为空气导热系数,W/(m·℃)；L为机翼宽度,m[5]。

机翼表面与空气之间形成的辐射的热流量的计算公式为

φconvection=εAσT4

(7)

通过对辐射热流量的计算公式进行展开计算，即可得到热辐射热量的计算公式：

(8)

式中：ε为发射率；σ为玻尔兹曼常数，其数值为5.67×10-8W/(m2·K4)；其他参数的含义为同上。

除冰液均匀地喷洒至冰层之上时，冰层需要一定时间进行融化，融化过程中可产生一定热量，该热量包括融化潜热和显热两部分，其公式为：

Qmelt=Qsensible+Qlatent

(9)

式中：Qsensible为冰层融化需要的显热热量,J；Qlatent为冰层融化需要的潜热热量,J。

冰层融化需要的显热热量的计算公式为

Qsensible=cmΔT

(10)

将式(10)代入至质量计算公式中，可得到的方程式为

Qsensible=ρiceAHicecice(Tair-0)

(11)

冰层融化需要的潜热热量的计算公式为

Qlatent=mh

(12)

将式(12)代入至质量计算公式中，可得到的方程式为

Qlatent=ρiceAHicehmelt

(13)

式中：ρice为冰层的密度；Hice为机翼表面积冰厚度；hmelt为融化潜热系数，其数值为3.3×105J/kg。

对机翼表面温度上升过程中需要的热量进行计算，其计算公式为

Qheat=ρAlAHAlcAl(Tsurface-Tair)

(14)

式中：ρAl为机翼蒙皮材料的密度；HAl为机翼蒙皮材料的厚度；cAl为机翼蒙皮材料的比热容；Tsurface为机翼表面温度；Tair为外界环境温度[6]。

2.2 地面除冰过程模型建立

本研究对飞机进行除冰操作时，忽略外界的干扰因素，将除冰液的热量传递作为主要依据，在此基础上完成地面除冰过程模型的建立。为最大限度地提升系统的除冰效率，应不断对参数进行优化。在实际除冰过程中，冰的厚度与机翼的表面温度之间呈动态变化关系。将式(2)～式(14)均代入式(1)，再求出冰厚度与机翼表面温度的微分，即可得到地面除冰过程模型的动态方程：

(15)

通过对式(15)进行整理，除冰过程模型的动态方程为

(16)

3 飞机除冰液加热控制系统主要参数的优化结果与分析

3.1 除冰装备参数的优化过程

本研究为实现对除冰装备参数的优化，利用遗传算法的GUI界面对飞机除冰液的温度和流量参数进行优化求解，其结果即为参数的优化结果。除冰液温度和流量参数的优化步骤为：首先对完成M文件的编写，并在该文件中对优化目标函数进行编写；其次，设置遗传算法的种群参数，根据种群的多样性特征，即可判断出遗传算法的性能；再次，对适应度函数返回的原始适应度数值进行测量，通过相应的变换方法，将原始适应度值转换为符合系统选择的函数范围；最后对运行参数进行设置[7]。

3.2 除冰装备参数的优化结果

除冰过程模型的动态方程即为适应度函数。由于机翼表面积冰厚度与表面温度之间无法用表达式描述，为此本研究对参数进行优化计算时，忽略机翼表面温度的动态变化。采用遗传算法进行求解，得到的结果为函数的最小值，若获取变化率的结果为最大值问题，应将适应度函数乘以-1，即可实现最小值问题的转换。其适应度函数公式为

(17)

通过对式(17)进行计算，得到除冰液的最高温度为84 ℃，最大流量数值为210 L/min。在实际除冰过程中，需要飞机在除冰液的保持时间内完成相关工作，若未在除冰液的保持时间内完成除冰，应重新进行除冰，否则可能造成航班出现延误现象。除冰液在时间保持过程中需要一个约束条件，使飞机在不同的天气条件下均由各自的保持时间。将式(2)～式(15)代入至式(1)中，即可得到除冰时间的计算公式：

(18)

结合参数的优化结果，将降雪天气积冰厚度设置为10 mm，除冰的保持时间符合设计要求。利用遗传算法的工具箱对除冰液的流量和温度参数进行优化求解，并考察不同条件下除冰液的优化数值。当外界环境的温度为-10、-20、-30 ℃时，不同温度下除冰液的流量依次为80、92、105 L/min，除冰液的温度依次为70、75、80 ℃。当除冰液的浓度依次为50%、75%、100%时，除冰液的流量依次为90、85、80 L/min，除冰液的温度依次为80、76、70 ℃。当降雪等级为小雪、中雪、大雪时，除冰液的流量依次为80、120、180 L/min，除冰液的温度依次为70、75、80 ℃[8]。

4 结 语

本研究为保证飞机的飞行安全，对飞机进行地面除冰操作，该操作的主要目的是去除飞机机身关键部位的冰雪。通过飞机除冰液加热控制系统的加热功能对除冰液进行加热，将处于高温状态下的除冰液喷洒至机身表面积冰部位，该过程对除冰液的温度及流量要求较高。为提升系统的工作效率，对飞机除冰装备参数进行整体优化，最大限度地降低航班延误情况的发生概率。其优化结果表明，该系统符合设计要求，可达到除冰的目的。