СИГНАЛИЗАТОР ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВИНТА ВЕРТОЛЕТА
HELICOPTER ROTOR BLADE ICING WARNING INDICATOR

Изобретение относится к области средств регистрации обледенения и предназначено для использования на винтокрылых летательных аппаратах.
Известно устройство для обнаружения обледенения лопасти несущего винта вертолета (патент РФ №2341414 от 13.02.2007 г., опубл. в БИ №35, 2008, МПК B64D 15/20, G08B 19/02), которое измеряет температуру аэродинамического нагрева на передних поверхностях, по крайней мере, двух секций лопасти несущего винта, разнесенных по ее длине, сравнивает их и по увеличению разности температур контролируемых поверхностей выдает информацию об обледенении лопасти.
Недостатком аналога является необходимость размещения на лопасти несущего винта вертолета термочувствительных элементов, что усложняет ее конструкцию.
Известно устройство для обнаружения обледенения лопастей несущего винта вертолета (Hansman R.J., Rieder R.J., Krishnaswamy S. Infrared Sensors for Detecting Icing on Helicopter Blades. NACA Tech Briefs, Jul 2001), содержащее фотоприемник, работающий в инфракрасном диапазоне длин волн, установленный на фюзеляже и направленный вверх на лопасти винта, оптическую систему, фокусирующую инфракрасное излучение лопасти на поверхность чувствительного элемента фотоприемника и электронный блок, обрабатывающий сигнал фотоприемника. По разности температур, возникающей в процессе обледенения между передней кромкой лопасти и ее остальной поверхностью, делается вывод о наличии или отсутствии обледенения.
Недостатком второго аналога является отсутствие контроля распространения обледенения вдоль лопасти, что затрудняет рациональный выбор энергетических затрат, необходимых для устранения обледенения.
В качестве прототипа выбран сигнализатор обледенения лопастей винта вертолета (патент РФ №2335434 от 01.03.2007 г., опубл. в БИ №28, 2008 г., МПК B64D 15/22), состоящий из приемной оптической системы, фотоприемника, блока обработки сигналов, импульсного генератора, модулятора, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптический излучатель, соединенный с выходом импульсного генератора, излучающий через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с входом блока обработки сигналов, к выходу которого подключены входы индикатора наличия обледенения и устройства управления противообледенительной системой.
Прототип позволяет с высокой точностью определять наличие или отсутствие льда в поперечном направлении передней кромки лопасти винта. Однако для рационального управления энергетическими затратами противообледенительной системы вертолета необходимо иметь информацию не только о наличии льда на передней кромке лопасти винта, но и о распределении обледенения в ее продольном направлении, а также о степени обледенения, поэтому информативность сигнализации прототипа низкая.
В прототипе в случае отсутствия льда на отражающей поверхности передней кромки лопасти излучение на выход анализатора не проходит и оптический сигнал через приемную оптическую систему на вход фотоприемника не поступает, соответственно не формируется сигнал с блока обработки сигналов на индикатор наличия обледенения и на устройство управления противообледенительной системой. Однако сигнал на входе фотоприемника может отсутствовать, например, и в случае возникновения неисправности оптического излучателя, повреждения передающей или приемной оптических систем, а также подогреваемых обтекателей излучателя и фотоприемника. При таких и других подобных неисправностях данный сигнализатор становится неработоспособным, однако при этом он не формирует аварийный сигнал о наличии неисправности, поэтому надежность сигнализации прототипа низкая.
В прототипе блок обработки сигналов обрабатывает не только отраженный от лопасти сигнал оптического излучателя, но и различного рода мешающие засветки, поступающие на вход фотоприемника в моменты времени, когда отражающая поверхность передней кромки лопасти несущего винта находится вне поля зрения приемной оптической системы, так как работа блока обработки сигналов не синхронизирована с положением лопасти в пространстве, поэтому помехозащищенность прототипа низкая.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение информативности и надежности сигнализации, помехозащищенности, а также рационализация управления энергетическими затратами противообледенительной системы вертолета.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в сигнализаторе обледенения лопастей винта вертолета, содержащем, приемную оптическую систему, фотоприемник, блок обработки сигналов, импульсный генератор, модулятор, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптический излучатель, соединенный с выходом импульсного генератора, излучающий через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с первым входом блока обработки сигналов, к первому выходу которого подключен вход устройства управления противообледенительной системой, предусмотрены следующие отличия: фотоприемник выполнен в виде N фоточувствительных элементов, где N - целое число больше единицы, подключенных своими выходами соответственно к N входам блока обработки сигналов, первые N выходов которого соединены соответственно с N входами индикатора наличия обледенения, включающего в себя N элементов индикации, а также введены блок пороговых напряжений и блок аварийной сигнализации, при этом первый и второй выходы блока пороговых напряжений подключены соответственно к (N+1)-му и (N+2)-му входам блока обработки сигналов, вторые N выходов блока обработки сигналов соединены соответственно с N входами блока аварийной сигнализации, выход синхронизатора соединен с входом стробирования блока обработки сигналов, а анализатор повернут относительно поляризатора на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается информативность и надежность сигнализации, помехозащищенность, а также рационализируется управление энергетическими затратами противообледенительной системы вертолета.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображены: приемная оптическая система 1; фотоприемник 2, выполненный в виде N фоточувствительных элементов 3; блок обработки сигналов 4; импульсный генератор 5; модулятор 6; синхронизатор 7; оптический излучатель 8; передающая оптическая система 9; поляризатор 10; оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя 11; оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника 12; анализатор 13; устройство управления противообледенительной системой 14; индикатор наличия обледенения 15, включающий в себя N элементов индикации 16; блок пороговых напряжений 17; блок аварийной сигнализации 18; механизм вращения несущего винта вертолета 19; лопасть несущего винта вертолета 20.
Синхронизатор 7 посредством механизма вращения несущего винта вертолета 19 сопряжен с лопастью 20. Выход синхронизатора 7 соединен с входом модулятора 6 и входом стробирования блока обработки сигналов 4. Выход модулятора 6 подключен к входу импульсного генератора 5, выход которого соединен с входом оптического излучателя 8. Оптический излучатель 8 через передающую оптическую систему 9, поляризатор 10, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя 11 излучает в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти 20. Передающая оптическая система 9 формирует плоский луч, направленный в сторону несущего винта вертолета и расходящийся в направлении вдоль отражающей поверхности передней кромки его лопасти 20. Оптический излучатель 8 сопряжен через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника 12, анализатор 13 и приемную оптическую систему 1 с фотоприемником 2. N фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2 подключены своими выходами соответственно к N входам блока обработки сигналов 4, первые N выходов которого соединены соответственно с N входами индикатора наличия обледенения 15, включающего в себя N элементов индикации 16. Первый и второй выходы блока пороговых напряжений 17 подключены соответственно к (N+1)-му и (N+2)-му входам блока обработки сигналов 4. Вторые N выходов блока обработки сигналов 4 соединены соответственно с N входами блока аварийной сигнализации 18. Анализатор 13 повернут относительно поляризатора 10 на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации.
Сигнализатор обледенения работает следующим образом.
В моменты времени, когда лопасть 20 занимает положение, при котором отражающая поверхность ее передней кромки находится в поле зрения приемной оптической системы 1, на выходе синхронизатора 7 формируются электрические импульсы, которые, воздействуя на модулятор 6, включают в работу генератор 5, в результате чего в эти моменты времени на его выходе формируется последовательность импульсов, которая модулирует по амплитуде излучение оптического излучателя 8. Излучение оптического излучателя 8 проходит через передающую оптическую систему 9, поляризатор 10 и оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя 11.
Поляризованное оптическое излучение достигает отражающей поверхности передней кромки лопасти 20, отражается от нее и, пройдя через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника 12, достигает анализатора 13, плоскость поляризации которого неортогональна плоскости поляризации поляризатора 9 и повернута относительно нее на угол, обеспечивающий некоторый уровень проходящего через анализатор 13 отраженного оптического излучения, а затем, пройдя через приемную оптическую систему 1, попадает на фоточувствительные элементы 3 фотоприемника 2, который преобразует принятое оптическое излучение в электрический сигнал. Приемная оптическая система 1 формирует такое поле зрения фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2 вдоль отражающей поверхности лопасти 20, что на каждый из них попадает оптическое излучение лишь с определенного участка этой поверхности.
Электрические сигналы с фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2 поступают на соответствующие входы блока обработки сигналов 4, в котором подвергаются сравнению по амплитуде с нижним и верхним уровнями пороговых напряжений, вырабатываемых блоком пороговых напряжений 17. Блок обработки сигналов 4 управляется стробирующими импульсами, поступающими на его вход стробирования с выхода синхронизатора 7, и производит обработку сигналов фотоприемника 2 только в те моменты времени, когда лопасть 20 находится в поле зрения его фоточувствительных элементов 3. Синхронизация работы блока обработки сигналов 4 с пространственным положением лопасти 20 повышает помехозащищенность сигнализатора.
В случае отсутствия льда на отражающей поверхности передней кромки лопасти 20 уровень выходного сигнала фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2 находится между нижним и верхним уровнями пороговых напряжений, при этом блок обработки сигналов 4 не формирует на своих соответствующих выходах сигналы на включение элементов индикации 16 индикатора наличия обледенения 15, а также устройства управления противообледенительной системой 14.
Если вследствие соответствующих условий окружающей среды на каких-либо участках отражающей поверхности передней кромки лопасти 20 появляется лед, то оптическое излучение, отраженное от этих участков, деполяризуется. Отраженные волны, у которых плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора 13, проходят через него с минимальным ослаблением, вследствие чего уровень сигнала на выходе фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2, в поле зрения которых попадают участки, покрытые льдом, возрастает. Если уровень какого-либо из этих сигналов превышает верхний уровень порогового напряжения, то блок обработки сигналов 4 формирует на своем соответствующем N-м выходе сигнал на включение соответствующего N-го элемента индикации 16 индикатора наличия обледенения 15.
Элементы индикации 16 индикатора наличия обледенения 15, например светоизлучающие диоды, расположены относительно друг друга таким образом, например, в линию, подобную отражающей поверхности передней кромки лопасти, что по месторасположению и числу активных элементов индикации 16 индикатора наличия обледенения 15 можно судить о распределении обледенения вдоль отражающей поверхности передней кромки лопасти 20 и степени ее обледенения. Блок обработки сигналов 4 в зависимости от числа активных элементов индикации 16 индикатора наличия обледенения 15 вырабатывает сигнал, содержащий информацию о степени обледенения передней кромки лопасти 20, что позволяет устройству управления противообледенительной системой 14 рациональным образом управлять энергетическими затратами, необходимыми для устранения обледенения.
После сброса льда его деполяризующее воздействие на оптическое излучение прекращается, при этом оптический сигнал на выходе анализатора 13 ослабляется, что вызывает уменьшение выходного сигнала фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2 до уровня, находящегося между нижним и верхним уровнями пороговых напряжений, при этом блок обработки сигналов 4 формирует на своих соответствующих выходах сигналы на выключение элементов индикации 16 индикатора наличия обледенения 15, а также устройства управления противообледенительной системой 14.
Если условия окружающей среды не изменились и на отражающей поверхности передней кромки лопасти 20 вновь начнет формироваться лед, то вышеописанный процесс будет повторяться до тех пор, пока обледенение не прекратится.
Если происходит аварийная ситуация, например выход из строя оптического излучателя 8, передающей 9 или приемной 1 оптических систем, обогреваемых обтекателей 11, 12, одного или нескольких фоточувствительных элементов 3 фотоприемника 2, а также другие подобные неисправности, то уровень сигнала на выходе, по крайней мере, одного фоточувствительного элемента 3 фотоприемника 2 становится меньше нижнего уровня порогового напряжения, при этом блок обработки сигналов 4 формирует, по крайней мере, на одном из N входов блока аварийной сигнализации 18 сигнал, приводящий его в действие. Наличие технических средств, оповещающих о возникновении неисправности сигнализатора, повышает надежность сигнализации.
Применение предложенного сигнализатора в составе противообледенительной системы вертолета повысит эффективность ее работы и безопасность полета.