CN102336272A - 结冰探测器探头及包括该探头的结冰探测器 - Google Patents

Abstract

一种结冰探测器探头，其特征在于，包括沿气流方向(i)依次设置的三段，其中，第一段(I)的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段(II)的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面(III)用于大水滴在其上结冰。通过上述技术方案，可以对大水滴结冰进行区分和识别，从而对大水滴结冰进行有效地探测。此外，还可以对常态结冰的种类做出有效探测，从而有助于结冰厚度的精确探测。

Description

结冰探测器探头及包括该探头的结冰探测器

技术领域

本发明涉及一种用于结冰探测器的探头以及包括该探头的结冰探测器，其尤其适用于对飞行器表面的结冰状况进行探测。

背景技术

在飞行器结冰安全防护领域，人们习惯将中位容积直径(MedianVolumetric Diameter，MVD)在50微米以内的水滴称为常态水滴，而将中位容积直径超过50微米的水滴称为大水滴。

其中，过冷大水滴(Supercooled Large Droplet，SLD)所引起的非常态结冰一直都是飞行器结冰安全防护及结冰探测的难点。这是因为大水滴具有较常态水滴更大的质量，从而具有更大的惯性和更大的内含潜热，因此在结冰过程中更容易在飞行器表面上流动并且需要消耗更长的时间。这样，当过冷大水滴接触到物体表面时，并不像常态水滴那样会在接触部分或其附近迅速变成冰，而是会在物体表面上移动一段距离之后再发生冻结。这样，结冰就会发生在飞行器的非结冰防护部位，如机翼、尾翼前缘之后的上下翼面上，从而形成所谓的“后流冰”。这种结冰对飞行器飞行安全的危害比常态结冰更为严重。

目前人们已经研制出了几种针对过冷大水滴进行探测的探测器，例如，公开号为US2002/0158768A1和WO03/002410A1的两个专利，其基本技术方案是：针对常态水滴和大水滴设计不同的流道或水滴捕获流场，并应用两个独立的结冰探测器，使常态水滴的结冰和大水滴的结冰分别冻结在这两个结冰探测器上，从而对大水滴的非常态结冰进行识别和探测。这样的装置虽然能够实现对大水滴的识别和探测，但是其缺陷在于：探测器结构复杂、体积较大并且加工较为困难。

除此以外，对于中位容积直径在50微米以内的常态水滴，现有的各种结冰探测器在结冰探测上仍然存在难以克服的缺陷。这就是无法对常态水滴引起的结冰种类(例如，明冰、淞冰和混合冰)进行准确的判断，从而在对冰层厚度进行探测时，会因此形成对冰层厚度的测量值的误差。这是因为对于厚度相同但是类型不同的结冰，它们的探测电信号是不相同的，因此对应于同一个电信号，其可能表示类型不同且厚度不同的多种结冰状况。这样，在收到探测信号后就难以对结冰的厚度进行准确判定。

另外，需要注意的是，本申请中所涉及的词语“冰”应当包括各种冰、霜及其混合物。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，从而提出一种结冰探测器的探头。在该结冰探测器探头中，通过使探头沿着气流方向具有一定的尺寸，使得气流中具有不同中位容积直径的水滴在沿着气流方向的不同位置处形成结冰，从而实现对常态水滴和大水滴，以及常态水滴中各中位容积直径范围内的水滴的区分。这样，能够实现对大水滴结冰的准确探测。

根据本发明的一个方面，提出一种结冰探测器探头，其包括沿气流方向依次设置的三段，其中，第一段的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面用于大水滴在其上结冰。

通过这一设置，使得常态水滴能够在到达第三段的外表面之前即基本完成减速和放热过程并形成结冰，从而在第三段外表面处的结冰几乎完全是大水滴结冰，这样常态水滴就不会对大水滴的探测造成影响，有效地提高了对大水滴结冰探测的准确性。

优选地，第二段可以具有一定的长度，从而确保常态水滴完成结冰以及大水滴基本实现减速和潜热释放。

优选地，第二段的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中基本持续受到附面层的作用。这样可以确保大水滴在运动过程中沿着探头的外表面运动，而不会被气流吹走。

优选地，第二段可以包括常态结冰区，用于常态水滴在其上结冰。

优选地，常态结冰区的形状从侧面看大致呈现楔形。楔形的外表面可以有效地实现在水滴减速和放热的同时，不会被气流吹走，并且楔形的外表面可以进一步地提高整个探头对气流中水滴的捕获性。

优选地，常态结冰区包括大致平面部分。

当然，上述楔形和平面的含义也应当包括外表面具有一定弧形的情况。

优选地，常态结冰区在其外表面下包括沿气流方向设置的多个结冰探测装置。并且，第一段也可以包括结冰探测装置。通过沿着气流方向设置的一系列结冰探测装置，可以准确地探测出结冰在探头外表面上的分布状况。并且，根据事先实验模拟而获得的结果，可以对常态结冰的类型做出准确的判断，这是实现结冰厚度准确探测的重要依据。

此外，在上述方案中，还完全可以省去第三段的结构，这种简化的结构虽然不能对大水滴结冰做出识别，但是仍然可以实现对常态结冰种类的区分。

优选地，第二段还包括过渡区，用于和第三段平滑流线型地相连。

优选地，第三段可以包括滞止区，其大致呈现向内凹陷的形状。滞止区的作用在于在第三段的外表面上形成负压涡区，从而使得流经的大水滴被困在其中，难以从中脱出。这样，大水滴就有更加充足的时间形成结冰，从而获得针对大水滴结冰的准确探测结果。

优选地，第三段还可以包括位于其后部的尾区，该尾区用于使得整个结冰探测器探头形成基本平滑的气动外形，以减小对环境流场的破坏。

优选地，第一段包括位于前端的头部，其具有小的等效曲率半径，从而更有利于实现对水滴的捕获。优选地，等效曲率半径大致可以为3-6毫米。

优选地，结冰探测器探头包括位于其外表面下的制冷装置，以加快水滴的放热过程。

优选地，结冰探测器探头的外表面沿其周向方向包括多个独立的探测表面，从而可以根据环境参数选用合适的表面进行探测。

优选地，结冰探测器探头可以保形地设置在飞行器的外表面，也可以通过安装支架连接在飞行器的外表面。

此外，根据本发明的另一个方面，提出一种结冰探测器，其包括根据本发明的结冰探测器探头。

附图说明

下面将参照下列附图对本发明的优选实施方式进行详细描述，其中：

图1是根据本发明优选实施方式的结冰探测器探头的侧面示意图；

图2是根据本发明另一个优选实施方式的结冰探测器探头的侧面示意图；

图3是根据本发明又一个优选实施方式的结冰探测器探头沿着气流方向的端视图；

图4是根据本发明的结冰探测器探头的一种安装方式的示意图，其中探头被贴合安装在飞行器的外表面上。

具体实施方式

图1显示了根据本发明一个优选实施方式的结冰探测器探头。如图所示，其基本包括沿气流方向i依次相连的三段I、II和III，每一段在结冰探测中都具有特定的作用。

第一段I用于对气流中的水滴(包括常态水滴和大水滴)进行捕获收集，以供后续的测量，其外表面包括截面形状为半径非常小的圆弧(例如6毫米)的头部s，从而具有了对过冷水滴(包括常态水滴和大水滴)的较高的捕获特性。

第二段II用于使得大水滴能够充分减速并且释放潜热，从而为稍后大水滴在第三段形成结冰创造条件。这要求大水滴能够在第二段II的外表面上持续运动较长的时间。因此，第二段II的外表面可以具有足够的长度以满足减速和潜热释放的需要，并且其外表面可以设计为使得大水滴在运动过程中受到附面层的作用而不会被气流吹走。

进一步地，第二段II还可以沿气流方向i被细分，从而包括位于相对靠前的常态结冰区a和相对靠后的过渡区b。靠前的常态结冰区a能够使得常态水滴在其外表面上充分冻结，从而区分常态结冰和大水滴结冰，避免对大水滴的探测造成影响，因此其也可以具有一定的长度，以确保中位容积直径在50微米以内的常态水滴能够差分减速、释放潜热并最终冻结。靠后的过渡区b用于实现与第三段III的平滑流线型连接，以确保已经完成减速和放热的大水滴能够继续沿气流方向i流动到后面的第三段III上。

具体来说，常态结冰区a的外表面从侧面看去大致呈现关于其中线m-m对称的楔形，其两外表面p、q大致呈现平面并沿着气流方向i斜向后地延伸，从而形成一定的夹角。并且常态结冰区a的前端也与第一段I的后端流线型相连，从而尽可能地让更多的水滴流到第二段II中。

此外，本领域技术人员可以想到，所述楔形的两外表面p、q并不需要是完全的平面，也可以具有一些弯曲从而呈现一定的曲面，也能同样地实现本发明的目的。并且，楔形的常态结冰区a还可以起到进一步捕获收集气流中的水滴的作用。

进一步地，还可以在常态结冰区a的外表面p、q的内侧和第一段I的外表面内侧大致沿气流方向设置多个结冰传感装置。该设置的作用在于，可以对结冰的种类做出准确判断，从而进一步作为精确探测结冰厚度的依据。

具体说来，和常态水滴与大水滴的区别相类似，即使在常态水滴中，与不同常态结冰相对应的不同中位容积直径的常态水滴之间也存在区别。与淞冰相对应的常态水滴的中位容积直径最小，质量也最小，因而其减速和降温的速度也最快，相应地最容易发生结冰。与明冰相对应的常态水滴的中位容积直径较大，质量也较大，因而其减速和降温的速度也较慢，相应地比较难发生结冰。而与混合冰相对应的常态水滴的中位容积直径介于两者之间，其结冰的难易程度也同样介于两者之间。

因此，上述三种常态水滴在第一段I和常态结冰区a上发生结冰时，其表现是不同的。与淞冰对应的常态水滴在接触到第一段I的头部s的同时即可以完全释放其潜热，因此如果结冰类型为淞冰，那么结冰只分布在第一段I的头部s及其附近。与混合冰对应的常态水滴在接触到第一段I的头部s时不会立刻完全释放潜热，其中直径较大的一部分水滴会在气流的作用下向后流动一段距离后再开始结冰，因此如果结冰类型为混合冰，那么结冰将在常态结冰区a的外表面上延伸一段距离。与明冰对应的常态水滴在接触到第一段I的头部s的同时几乎不会立刻结冰，被捕获的水滴将向后流动更长的距离后才会形成冰。

因此，通过设置沿气流方向分布的多个结冰探测装置(例如光纤式结冰传感器)，可以知道结冰沿气流方向的分布范围，从而进一步根据预先确定的规则判断出结冰的类型，以作为精确探测结冰厚度的依据。其中，预先确定的判断规则可以通过实验的方法获得，通过对各种结冰条件进行模拟，可以得出一系列的环境条件和结冰分布范围与结冰种类的关系。

第三段III用于使得流经的大水滴尽可能多地集中在其上冻结，而不会在气流的作用下被吹走，从而为是否发生大水滴结冰的定性判断和进一步的结冰厚度的定量分析提供准确的探测数据。

由于大水滴在之前第一段I和第二段II的外表面上的流动中已经充分减速并释放潜热，因此此时在第三段III上能够较为容易地变成冰。此外，还可以对第三段III的外表面形状进行特别设计，使其能够更好地实现上述功能。

具体来说，在第三段III上可以包括滞止区t，其外表面形状大致呈现向内弯曲的凹陷区，因此，气流在流经此滞止区t时会受表面形状的影响而形成负压涡区。大水滴在被卷入涡区后很难从中脱出，因此会在其中停留相当长的一段时间。这样，大水滴将有充分的时间完全释放出其中的潜热并形成冰，并且大水滴结冰将会更加集中地出现在滞止区t中。

此外，第三段III还可以在其后部包括尾区u，其形状可以根据流体力学的原理运用现有技术而设计，用于使得整个结冰探测器探头形成基本平滑的气动外形，从而可以减小探头对环境流场的影响。

下面将就本实施例中探头的使用过程进行简单描述，从而能够更好地理解本发明的内容和优势。

当该探头被置于流场中时，气流中的水滴能够被第一段I的头部s充分地捕获，并且其中与淞冰相对应的水滴能够立刻释放出全部潜热并在头部s及其附近形成淞冰。接下来剩余的水滴将在气流的影响下向后流动。在流经第二段II的常态结冰区a时，与混合冰和明冰相对应的水滴将先后完成减速和潜热释放的过程，并分别形成沿气流方向分布在常态结冰区a的外表面上的混合冰和明冰。而大水滴在上述过程中由于具有较大的尺寸和质量，因此尚未完成减速和潜热释放，将仍然保持水滴形态并继续向后流动，并经过过渡区b而流至第三段III上。并且由于第二段II的外表面设计为使得大水滴在运动过程中受到附面层的作用而不会被气流吹走，因此大水滴能够始终在探头表面上持续减速并放热。当大水滴流至第三段III时，由于减速和放热已经基本完成，因此会最终形成大水滴结冰以供探测，尤其是在滞止区t处，大水滴的结冰将集中发生，这对大水滴结冰的定性和定量探测都是非常有利的。

下面参照图2，其显示了根据本发明的另一个优选实施方式的结冰探测器探头。该探头的结构大致与第一个实施方式相似，但是在一些具体结构上存在不同。例如，在第二个实施例中，第一段I的头部s’不再是圆弧的一部分，而是呈现尖顶状，从而具有更小的等效曲率半径(例如3毫米)，从而获得更高的水滴捕获能力。

此外，还可以对根据本发明的结冰探测器探头做出其它改进，以进一步改善其性能。例如，可以在探头外表面的内侧埋设制冷装置，从而对在其外表面流动的水滴持续制冷，以缩短探头沿着气流方向的总长度。还可以根据本领域的常用技术手段将探头的外部形状调整为比待探测表面更容易结冰，从而可以在待探测表面发生结冰之前即给出存在结冰危险的预警信号。还可以如图3所示，使得探头包括互不相同的多个探测表面(例如三个，x、y和z)，每个探测表面均沿着气流方向延伸并具有根据本发明的结构，并且它们互相之间以侧面连接并形成封闭的结构。这样可以根据不同环境参数(例如气流速度、温度和湿度等)而选用最适合的探测表面进行探测，从而使得探头的外表面形状能够更好地确保大水滴在其上流动时始终受到附面层的作用不会被气流吹走。

下面将描述根据本发明的结冰探测器探头的两种安装方式。其中一种安装方式如图4所示，阴影部分代表根据本发明的探头，其设置为仅在部分周向上具有探测表面，从而通过其它周向部分保形地紧密贴合在飞行器外表面的合适位置上。而在更加简单的安装方式中，结冰探测器探头也可以设置为如图3所示具有完整的周缘，从而通过安装支架而连接在飞行器外表面上。

以上描述的是本发明的优选实施方式。但是应当理解的是，本领域技术人员在阅读了上述说明后，能够很容易想到其它实现本发明的具体方式，而这些具体方式是显而易见的。发明人预期本领域技术人员可以实施合适的改变，并且这些变化都应当被包括在由权利要求书所限定的保护范围中。

Claims (18)

1.一种结冰探测器探头，其特征在于，包括沿气流方向(i)依次设置的三段，其中，第一段(I)的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段(II)的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面(III)用于大水滴在其上结冰。

2.如权利要求1所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第二段(II)具有一定的长度。

3.如权利要求1或2所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第二段(II)的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中基本持续受到附面层的作用。

4.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第二段(II)包括常态结冰区(a)，用于常态水滴在其上结冰。

5.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述常态结冰区(a)的形状从侧面看大致呈现楔形。

6.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述常态结冰区(a)包括大致平面部分。

7.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述常态结冰区(a)在其外表面下包括沿气流方向(i)设置的多个结冰探测装置。

8.如权利要求7所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第一段(I)也包括结冰探测装置。

9.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第二段(II)还包括过渡区(b)，用于和所述第三段(III)平滑流线型地相连。

10.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第三段(III)包括滞止区(t)，其大致呈现向内凹陷的形状。

11.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第三段(III)包括位于其后部的尾区(u)，该尾区(u)使得所述结冰探测器探头形成基本平滑的气动外形。

12.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述第一段(I)包括位于前端的头部(s)，其具有小的等效曲率半径。

13.如权利要求12所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述等效曲率半径大致为3-6毫米。

14.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，包括位于其外表面下的制冷装置。

15.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述结冰探测器探头的外表面沿其周向方向包括多个独立的探测表面。

16.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述结冰探测器探头保形地设置在飞行器的外表面。

17.如上述任一项权利要求所述的结冰探测器探头，其特征在于，所述结冰探测器探头通过安装支架连接在飞行器的外表面。

18.一种结冰探测器，其特征在于，包括前述任一权利要求所述的结冰探测器探头。

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