一种冰晶探测器探头及包括该探头的复杂结冰条件探测器

摘要

本发明属于飞行器领域，并公开了一种冰晶探测器探头和复杂结冰条件探测器，该冰晶探测器探头包括从上至下的依次设置的第一段和第二段，所述第一段与所述第二段平滑连接，所述第一段的外表面设置为适于分离气流中液态水滴与冰晶并接受冰晶撞击的形状，所述第一段内安装有加热装置和多个微粒冲击传感器；所述第二段为隔热层，以避免第一段与外部的探头安装设备产生热交换。该复杂结冰条件探测器包括冰晶探测器探头和结冰探测器探头。本发明能使气流中液态水不对探头迎风面产生明显冲击，并且冰晶对冰晶探测器探头的迎风面产生脉冲撞击，从而实现对冰晶与液态水滴的区分,这样，能够实现对冰晶结冰的准确探测。

说明书

技术领域

本发明属于飞行器领域，更具体地，涉及一种冰晶探测器探头及包括该探头的复杂结冰条件探测器。

背景技术

在飞行器结冰安全防护领域，冰晶指水结冰形成的中值质量尺寸(median mass dimension，MMD)范围为50-200微米(等效球尺寸)的颗粒。冰晶颗粒对飞行的威胁比雨水要严重的多，当飞机遇上冰晶云时易产生干结冰，在飞行中一旦发生积冰，飞机的空气动力性能就会变差，流线型也受到破坏，表面粗糙度大大增加，使正面阻力增大，升力和推力减小，影响飞机的稳定性，使操纵困难，严重时会造成飞机失事。结冰严重的高度通常是外界温度在-5℃至-15℃附近，此时冰晶粘度大，容易附着在机体表面。

在冰晶探测研究方面，国际上的主要方法是通过飞机健康参数或粒子探测器进行探测，美国Droplet Measurement Technologies公司提出了一种基于光纤的粒子探测器，可以测量水滴粒径及冰晶、尘霾等，但存在仪器过于昂贵、精密且笨重等问题。美国Freer等人提出了一种基于后向散射原理的云层探针技术，通过粒子散射的特性区分水滴、尘霾及冰晶，该方法具有很好的发展前景，但目前探测稳定性较差、且实现应用难度较大。NASA拟通过飞机发动机的健康参数反演出发动机表面的冰晶附着情况，该反演算法在某些固定工作状态下可以很好地判断冰晶附着情况，但在实际飞行中却很难区分冰晶对发动机的影响及节流阀动作对参数的影响。

申请公开号为CN103323849 A的发明专利申请利用机载雷达完成对云层的冰晶测量，其基本技术方案是：识别具有小于雷达回波灵敏度阈值水平的回波水平信号强度的雷达回波，当天气条件和飞行条件中的至少一个与具有小于雷达回波灵敏度阈值水平的回波水平信号强度的识别的雷达回波同时存在是，可识别具有冰晶的空域区域。授权公开号为CN102830107 B的发明专利利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用激光器作为发射源，通过光学接收部分的4个探测通道归一化水的拉曼散射信号,实现对云中水的相态进行探测，最后通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。这样的装置虽然能够实现对冰晶的识别和探测，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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冰晶探测器探头及包括该探头的复杂结冰条件探测器,冰晶探测器探头的外形使气流中液态水不对探头迎风面产生明显冲击，并且冰晶对冰晶探测器探头的迎风面产生脉冲撞击，从而实现对冰晶与液态水滴的区分,这样，能够实现对冰晶结冰的准确探测。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种冰晶探测器探头，其特征在于，包括从上至下的依次设置的第一段和第二段，所述第一段与所述第二段平滑连接，其中，

所述第一段的外表面设置为适于分离气流中液态水滴与冰晶并接受冰晶撞击的形状，此外，所述第一段的外表面包括靠近气流的迎风面和背离气流的、与所述迎风面相连的背风面，所述迎风面的面积能满足冰晶撞击，并且该迎风面能使流经第一段的气流在迎风面处产生漩涡，从而带走气流中的液态水，所述背风面用于使附近气流产生边界层分离；

所述第一段内安装有加热装置和多个微粒冲击传感器，所述加热装置用于使冰晶探测器探头上无积水积冰，所述微粒冲击传感器用于检测冰晶撞击迎风面产生的压力变化；

所述第二段为隔热层，以避免第一段与外部的探头安装设备产生热交换。

优选地，所述第一段的迎风面为垂直于气流方向的梯形的平面；

所述第一段的背风面为上小下大的类锥面的形状；

所述第一段的顶面为类弓形的平面。

优选地，所述第一段的迎风面为两个，每个所述迎风面均为与气流方向的夹角为锐角的梯形平面，并且这两个迎风面的夹角也为锐角；

所述第一段的背风面为类锥面，并且其与所述迎风面平滑连接；

所述第一段的顶面呈现为类水滴形的平面。

优选地，所述加热装置以气加热或电加热的方式进行加热，或其采用具有加热功能的复合材料制成。

优选地，所述第二段隔热层采用气冷或水冷的方式进行隔热，或者其采用具有隔热功能的复合材料制成。

优选地，所述冰晶探测器为上小下大的形状，以保持飞行过程中的稳定。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种复杂结冰条件探测器，其特征在于，包括冰晶探测器探头，所述冰晶探测器探头安装在结冰探测器探头上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明结构简单，体积较小，易于加工；

2.本发明可用于机载，且能实时探测结冰状况；

3.本发明的冰晶探测器探头的外形使气流中液态水不对探头迎风面产生明显冲击，并且冰晶对冰晶探测器探头的迎风面产生脉冲撞击，从而实现对冰晶与液态水滴的区分,这样，能够实现对冰晶结冰的准确探测，而且能使气流中的不同中位容积直径的液态水滴、不同中值质量尺寸的冰晶都能得到有效检测。

附图说明

图1是本发明实施例1中冰晶探测器的主视图；

图2是本发明实施例1的冰晶探测器的俯视图；

图3是本发明实施例1的冰晶探测器安装在结冰探测器上的结构示意图；

图4是本发明实施例2中冰晶探测器的主视图；

图5是本发明实施例2中冰晶探测器的俯视图；

图6是本发明实施例2的冰晶探测器安装在结冰探测器上的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

参照图1～图3，一种冰晶探测器探头，包括从上至下的依次设置的第一段Ⅰ和第二段Ⅱ，所述第一段Ⅰ与所述第二段Ⅱ平滑连接，其中，

所述第一段Ⅰ的外表面设置为适于分离气流中液态水滴与冰晶并接受冰晶撞击的形状，此外，所述第一段Ⅰ的外表面包括靠近气流的迎风面a和背离气流的、与所述迎风面a相连的背风面b，所述迎风面a的面积能满足冰晶撞击，并且该迎风面a能使流经第一段Ⅰ的气流在迎风面a处产生漩涡，从而带走气流中的液态水，所述背风面b用于使附近气流产生边界层分离，以避免探头后侧积水积冰。这要求气流中的水滴在侧面的外表面上停留时间较短。因此，侧面的外表面应具有相当短的长度以避免结冰。

所述第一段Ⅰ内安装有加热装置和多个微粒冲击传感器c，所述加热装置用于使冰晶探测器探头上无积水积冰，所述微粒冲击传感器c用于检测冰晶撞击迎风面a产生的压力变化，微粒冲击传感器c可以区分冰晶和少量撞击到迎风面a的液态水滴，同时可以对冰晶的质量、速度等参数进行检测。

所述第二段Ⅱ为隔热层，以避免第一段Ⅰ与外部的探头安装设备产生热交换。

当高速运动的气流遇到障碍物(冰晶探测器探头)时，会在探头前产生漩涡，使气流沿着探头迎风面a流至侧面，气流产生的漩涡可带走气流中大量分散的液态水滴，而固态的冰晶仍然会直接撞击到探头。

具体来说，液态水滴撞击到迎风面a上，水滴破碎，由于液体具有流动性，迎风面a会检测到一个较弱且梯度变化较慢的信号，之后水滴沿着探头流走。而冰晶撞击到迎风面a上，迎风面a会检测到一个相对强烈的脉冲信号，同时冰晶被弹开，随着气流流动，冰晶会多次撞击到迎风面a上，迎风面a依次检测到逐渐减弱的脉冲信号。根据信号的类型、大小不同可区分液态水滴和冰晶，以及计算出冰晶的质量、速度等参数。其中，信号的处理算法可通过实验的方法获得，通过对各种液态水滴和冰晶撞击特性的模拟，可以得出一系列的环境条件和冰晶参数与探测器响应的关系。

进一步，所述第一段Ⅰ的迎风面a为垂直于气流方向k的梯形的平面；第一段Ⅰ的迎风面a用于与气流中的冰晶产生撞击，其形状为尺寸较小却足以与适量冰晶产生撞击的梯形，从而具有了对冰晶的较高的检测性能。

所述第一段Ⅰ的背风面b为上小下大的类锥面的形状；

所述第一段Ⅰ的顶面为类弓形的平面。

进一步，所述加热装置以气加热或电加热的方式进行加热，或其采用具有加热功能的复合材料譬如石墨烯加热膜制成。

进一步，所述第二段Ⅱ隔热层采用气冷或水冷的方式进行隔热，或者其采用具有隔热功能的复合材料譬如化学交联聚乙烯发泡材料制成。

进一步，所述冰晶探测器为上小下大的形状，以保持飞行过程中的稳定。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种复杂结冰条件探测器，包括上述冰晶探测器探头e，所述冰晶探测器探头e安装在结冰探测器探头f上，该结冰探测器e可以采用专利号为CN201010229387.X的结冰探测器。冰晶探测器探头e的第二段Ⅱ紧密贴合在可区分气流中常态水滴与过冷大水滴的结冰探测器探头上，该结冰条件探测器通过支架连接在飞行器的外表面上。这样的复杂结冰条件探测系统组合方式使气流中的不同中位容积直径的液态水滴、不同中值质量尺寸的冰晶都能得到有效检测。

实施例2

参照图4～图6，本实施例与实施例1的区别点主要在于第一段Ⅰ的形状不同，本实施例的所述第一段Ⅰ的迎风面a为两个，每个所述迎风面a均为与气流方向k的夹角为锐角的梯形平面，并且这两个迎风面a的夹角也为锐角；

所述第一段Ⅰ的背风面b为类锥面，并且其与所述迎风面a平滑连接，其具有一定流线型，与迎风面a平滑相连，从而可以减小探头对环境流场的影响

所述第一段Ⅰ的顶面呈现为类水滴形的平面。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种复杂结冰条件探测器，包括上述冰晶探测器探头e，所述冰晶探测器探头e安装在结冰探测器探头f上，该结冰探测器e可以采用专利号为CN201010229387.X的结冰探测器。冰晶探测器探头e的第二段Ⅱ紧密贴合在可区分气流中常态水滴与过冷大水滴的结冰探测器探头上，该结冰条件探测器通过支架连接在飞行器的外表面上。这样的复杂结冰条件探测系统组合方式使气流中的不同中位容积直径的液态水滴、不同中值质量尺寸的冰晶都能得到有效检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。