УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ НАРАСТАНИЯ ЛЬДА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ФОРМЫ
FACILITY FOR DETECTION OF ICE FORMATION ON AIRCRAFT, FOR MEASURING INTENSITY OF ICE GROWING AND DETERMINATION OF ITS SHAPE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области метеорологических измерений и авиационной техники и может быть использовано при определении времени образования, скорости нарастания льда и его формы, т.е. интенсивности обледенения летательного аппарата, что позволяет более точно и за более короткое время оценить опасность этого явления.
Уровень техники
Известно устройство для определения интенсивности обледенения (патент Великобритании 1364845, кл. G1A, 1974). Устройство содержит электрический датчик обледенения, сетку (мерную поверхность), электроконтакт, источник питания, спираль электроподогрева мерной поверхности и элемент электрической схемы. В основу работы положено измерение интенсивности обледенения за счет периодического замыкания электрического контакта мерной поверхности из-за нарастания льда. Большей интенсивности обледенения соответствует большее количество замыканий контакта и соответственно больший заряд на интегрирующем конденсаторе. Такое устройство имеет существенные погрешности, которые обусловлены следующими причинами:
- возможностью «паразитного» замыкания контакта вследствие вибрации на летательном аппарате;
- влиянием воздушного потока на процесс замыкания контакта (изменение динамического напора может приводить к ложным срабатываниям);
- неравномерностью обледенения, которая может приводить к заклиниванию рабочей пружины и выходу из строя датчика;
- невозможностью определять форму нарастающего льда, которая существенно влияет на опасность обледенения.
Прототипом заявленного устройства выбрано «Устройство обнаружения и измерения интенсивности обледенения летательного аппарата» (Патент №2078716 от 10 мая 1997 года).
Это устройство включает в себя приемник обледенения в виде вынесенного в невозмущенный поток и установленного перпендикулярно ему цилиндрического штыря, снабженного нагревателем, содержит оптико-электронное устройство, включающее источник света, передающий объектив, на котором нанесены деления длины, приемный объектив, линейку фотоприемников, дешифратор и передающий объектив. Элементы конструкции установлены таким образом, чтобы в поле зрения передающего объектива находился цилиндрический штырь, устанавливаемый вне летательного аппарата, на котором образуется лед. Изображение штыря с наросшим льдом передается по световоду, проходящему через герметичный проходник, в салон самолета на приемный объектив для визуального контроля. Рядом с передающим объективом установлена линейка фотоприемников, своей осью она перпендикулярна цилиндрическому штырю. При этом растущий на стержне лед последовательно затеняет фотоприемники, которые подключены к дешифратору. Последний по количеству затененных фотоприемников и скорости их затемнения определяет и выдает следующую информацию для записи и регистрации: скорость роста льда и его толщину. Когда лед полностью перекрывает всю линейку фотоприемников, включается нагреватель, сбрасывающий лед с приемного штыря.
Известно, что опасность обледенения летательного аппарата зависит, главным образом, при прочих равных условиях, от толщины нарастания льда, определяемого скоростью его нарастания на лобовых частях летательного аппарата (интенсивность обледенения), геометрической формы льда, ухудшающего аэродинамические качества летательного аппарата, а также от массы нарастающего льда. Последняя характеристика может быть заранее рассчитана для конкретного типа летательного аппарата по данным о толщине нарастающего льда, его плотности и площади летательного аппарата, покрытой льдом при обледенении в полете. Эта площадь является величиной постоянной, если не используются антиобледенительные устройства. Что касается влияния формы нарастания льда, то оно может быть относительно небольшим при обледенении, представленном на фиг.1, когда лед нарастает вдоль потока (полупрозрачный и непрозрачный лед). Если имеется составляющая роста, перпендикулярная воздушному потоку (фиг.2 и фиг.3) (прозрачный лед), то такая форма нарастания льда намного сильнее ухудшает аэродинамические качества обледеневающих деталей летательного аппарата и ее необходимо определять в полете при оценке опасности начавшегося обледенения.
Привлекая, с одной стороны, исследования, посвященные вопросу физики льдообразования при столкновении переохлажденных капель с предметом, а с другой - учитывая температурный нагрев частей самолета вследствие сжатия и трения набегающим потоком воздуха, можно объяснить различный характер нарастания прозрачного льда следующим образом.
Во-первых, если температура близка к 0°С, то нагрев вследствие сжатия и трения около критической точки при скорости 200-250 км/час будет равен ~+2°С, то есть здесь наблюдается температура +2°С. В остальных точках профиля температура должна иметь меньшее значение по мере удаления от критической точки к задним кромкам. Поэтому капли, особенно в том случае, если их много (большая водность), попадающие в область положительных температур профиля при столкновении, не могут замерзнуть и под влиянием силы трения ползут по поверхности от критической точки к боковым его частям. Здесь в результате более интенсивного обдува и связанного с ним интенсивного испарения, а также благодаря более низким температурам поверхности эти капли замерзают. В результате подобного и непрерывного механизма обледенения и происходит нарастание прозрачного льда как бы перпендикулярно потоку.
Во-вторых, можно себе представить и другой случай, а именно, если температура воздуха достаточно низка, порядка -5÷-6°С, чтобы не допустить нагревания поверхности указанных самолетов до положительных ее значений, лед образуется непосредственно на носке профилей. Но в этом случае его нарастание перпендикулярно потоку будет обусловлено уже большими значениями водности.
Этот вид льда очень сильно ухудшает аэродиматические качества и является поэтому самым опасным.
Если водность мала, то во всем диапазоне отрицательных температур происходит настолько быстрое замерзание осевшей влаги, что капли почти лишаются возможности ползти по поверхности частей самолета. В таких случаях в зависимости от значений отрицательных температур воздуха и наличия кристаллов льда в облаках образуются различные виды льда, начиная от гладкого, прозрачного, аморфной структуры льда и кончая кристаллической изморозью. Характерной особенностью этих льдообразований является то обстоятельство, что все они нарастают на лобовых частях вдоль потока и тем самым значительно в меньшей степени ухудшают аэродинамические качества самолета.
Ниже приведем таблицу метеорологических элементов, наблюдавшихся при образовании прозрачного льда, полученную нами в экспериментальных полетах.
3
3
Из таблицы видно, что при среднем значении водности 2,02 г/мобеспечивается нарастание льда перпендикулярно потоку до средних значений температур порядка -3°С. Если же водность имеет меньшие значения (например, при среднем значении 0,45 г/м), происходит нарастание гладкого, прозрачного льда вдоль потока даже при температуре, равной 0°С.
Условия при образовании прозрачного льда
Вид льда
Температура, °С
Водность, г/м<sup>3</sup>
Облака
Осадки
Макс.
Ср.
Мин.
Макс.
Ср.
Мин.
Прозрачный
а) нарастающий перпендикулярнопотоку
+0,3
-2,8
-9,0
3,25
2,02
0,99
Cb, Cu congSc фронт.Ns
дождь,морось,град
б) нарастающий вдоль потока
0,0
-3,2
-5,7
0,69
0,45
0,25
Сu hum, ScAc, Ns
слабыйдождь
Из вышесказанного становится очевидным существенный недостаток прототипа - невозможность автоматической регистрации процесса обледенения в плоскости, перпендикулярной набегающему потоку, и, как следствие, невозможность определения формы нарастающего льда, которая является фактором, определяющим, наряду с количеством льда, степень опасности обледенения. Это приводит к тому, что на основании показаний прототипа нельзя точно определить ни количество наросшего льда, ни изменение аэродинамических свойств воздушного судна. Работа прототипа при различных характерах обледенения проиллюстрирована на фиг.4 и фиг.5. В обоих случаях количество закрытых наросшим льдом светодиодов в прототипе будет одинаково, однако во втором случае (фиг.5) мы наблюдаем большее количество льда и сильное изменение аэродинамических свойств объекта.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что устройство обнаружения обледенения летательного аппарата, измерения интенсивности нарастания льда, определения его формы и вида, включающее существенные признаки, общие с прототипом - приемник обледенения в виде цилиндрического стержня, вынесенного в невозмущенный поток, установленного перпендикулярно этому потоку и снабженного нагревателем, - содержит источник света, цифровой фоторегистратор и решающее устройство. Цифровой фоторегистратор установлен в плоскости, перпендикулярной цилиндрическому стержню, таким образом, что в поле зрения фоторегистратора находится торец наблюдаемого стержня. Фоторегистратор осуществляет фиксацию изображения измерительного стержня с нарастающим на нем льдом каждые 30 секунд. Решающее устройство позволяет при каждой фиксации изображения фоторегистратором оценивать по получаемому снимку форму наросшего слоя льда, определять толщину слоя в различных направлениях, площадь его поперечного сечения, а также на основании сравнения с предыдущими измерениями рассчитывать интенсивность нарастания льда, определять время начала и конца обледенения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - автоматизация и повышение точности определения потенциальной опасности обледенения путем одновременного определения формы нарастающего льда и его вида, измерения времени начала и конца обледенения, толщины льда и скорости его нарастания (интенсивности обледенения) во всех направлениях.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Отложение непрозрачного льда на специальных шаблонах профилей.
Фиг.2. Отложение прозрачного льда на стабилизаторе самолета.
Фиг.3. Отложение прозрачного льда на специальных шаблонах профилей.
Фиг.4. Иллюстрация работы прототипа при отложении полупрозрачного и непрозрачного льда на стержне.
Условные обозначения: w - длина области светодиодной линейки, покрытой тенью от измерительного стержня и образовавшегося слоя льда.
Фиг.5. Иллюстрация работы прототипа при отложении прозрачного льда на стержне.
Условные обозначения: w - длина области светодиодной линейки, покрытой тенью от измерительного стержня и образовавшегося слоя льда.
Фиг.6. Поперечное сечение измерительного стержня с наросшим слоем льда и соответствующее угловое распределение льда по поверхности r(δ) во время полета в случае образования полупрозрачного и непрозрачного льда.
∧
Условные обозначения: r - толщина слоя льда; δ - угол относительно направления воздушного потока; S - площадь поперечного сечения наросшего слоя льда.
Фиг.7. Поперечное сечение измерительного стержня с наросшим слоем льда и соответствующее угловое распределение льда по поверхности r(δ) во время полета в случае образования прозрачного льда.
∧
Условные обозначения: r - толщина слоя льда; δ - угол относительно направления воздушного потока; S - площадь поперечного сечения наросшего слоя льда.
Фиг.8. Конструкция устройства обнаружения обледенения летательного аппарата, измерения интенсивности нарастания льда, определения его формы и площади поперечного сечения.
Фиг.9. Блок-схема алгоритма расчета толщины слоя наросшего льда,
Осуществление изобретения
Конструкция устройства обнаружения обледенения представлена на фиг.8. Держатель 1 крепится снаружи на корпус летательного аппарата 2. На этом держателе расположены цилиндрический стержень 3 и экран 4. Фиксация изображений приемного стрежня и наросшего на нем слоя льда осуществляется с помощью цифрового фоторегистратора 5, расположенного за защитным стеклом 6 внутри летательного аппарата. Устройство снабжено дополнительными источниками света 7 и 8, обеспечивающими равномерное освещение указанного стержня. Цилиндрический стержень окрашен в светлый цвет в противоположность экрану и держателю, которые окрашены в темный цвет. Такой цветовой контраст узлов прибора, находящихся в зоне видимости фоторегистратора, в совокупности с дополнительной подсветкой позволяет повысить вероятность обнаружения обледенения и точность определения характеристик слоя льда при различных условиях полета. Изображение, фиксируемое цифровым фоторегистратором, передается по кабелю 9 в решающее устройство 10, где происходит его последующая обработка. Питание к источникам света подается от решающего устройства по кабелю 11. В конструкции прибора предусмотрен сброс льда с цилиндрического стержня, который осуществляется с помощью нагревательного элемента 12, напряжение питания к которому при необходимости сброса льда подается по кабелю 13 от решающего устройства. Передача информации о работе решающего устройства (информация о состоянии устройства, результаты расчетов, а также сигналы управления) происходит между решающим устройством и бортовым компьютером летательного аппарата по кабелю 14.
Работает устройство следующим образом. На приемном цилиндрическом стержне, расположенном в невозмущенном потоке за бортом летательного аппарата, при соответствующих метеоусловиях возможно отложение льда. Находящийся в плоскости, перпендикулярной оси этого стержня, и расположенный на некотором от него расстоянии цифровой фоторегистратор автоматически фиксирует изображения торца стержня с интервалом 30 секунд. Полученное изображение передается с фоторегистратора в решающее устройство, где производится обработка этого изображения, в результате которой рассчитывается угловое распределение льда по поверхности измерительного стержня и определяется площадь поперечного сечения слоя наросшего льда, что позволяет судить о его форме и виде. Сравнение рассчитанных таким образом параметров с ранее полученными значениями позволяет рассчитывать скорость нарастания льда (интенсивность обледенения), а также определять время начала и конца обледенения. В случае если количество наросшего льда становиться слишком большим, решающее устройство задействует нагревательный элемент, расположенный в приемном стержне, и тем самым сбрасывает лед. Яркость источников света автоматически контролируется решающим устройством для того, чтобы получать наиболее качественные изображения при различных условиях освещенности. Благодаря использованию в конструкции устройства цифрового фоторегистратора существует возможность непосредственной передачи полученных изображений приемного цилиндрического стрежня на дисплей бортового компьютера для осуществления визуального контроля работы прибора.
Схематично изображения, получаемые цифровым фоторегистратором, для различных типов обледенения и соответствующие им угловые распределения льда по поверхности приемного стрежня представлены на фиг.6 и 7. Оценка формы образовавшегося льда производится на основании соотношения между максимальной толщиной слоя льда на цилиндрическом стержне и толщиной слоя льда вдоль воздушного потока (при δ=π). В случае полупрозрачного и непрозрачного льда (фиг.6) это соотношение близко к единице вследствие достаточно равномерного осаждения льда по внешней стороне этого стержня. В случае же прозрачного льда (фиг.7) данное соотношение будет много больше единицы из-за специфической формы образующегося при этом слоя льда. Таким образом, если указанное соотношение начинает превышать единицу, это говорит о присутствии перпендикулярной воздушному потоку составляющей нарастания льда, а значит, о возможном ухудшении аэродинамических свойств летательного аппарата. Алгоритм расчета представлен на фиг.9.
Расчет площади поперечного сечения образовавшегося слоя льда проводится следующим образом. Используя методы цифровой обработки изображений, по полученным цифровым фоторегистратором изображениям можно определить количество пикселей, занятых стержнем с осевшим на нем льдом, и при известном масштабе пересчитать полученное значение в метрическую систему. Площадь поперечного сечения стержня в отсутствие обледенения является величиной постоянной и может быть задана при изготовлении устройства. Таким образом, площадь поперечного сечения слоя льда рассчитывается как разность между двумя упомянутыми выше значениями площадей. Полученное таким образом значение площади позволяет нам судить о количестве образовавшегося льда и о степени опасности дальнейшего полета в текущих метеоусловиях.
Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна для достижения технического результата - автоматизации и повышения точности определения степени и опасности обледенения летательного аппарата за счет возможности автоматического определения формы, вида и количества нарастающего льда, а также возможности обеспечения детального визуального контроля работы устройства.