用于检测飞行中的飞行器的结霜强度的设备的制作方法

1.本发明涉及飞行器，并且更特别地涉及用于检测飞行中的飞行器的结霜状况的设备。


背景技术：

2.当飞行器在负温度下在大气中飞行时，该飞行器可能会遇到包含过冷液滴的云。
3.飞行器的冷区域(例如，机翼的前缘或发动机的进气口)与所穿越的云中所存在的过冷液滴之间的碰撞立即使液滴冻结，这些冻结的液滴以霜沉积物的形式积聚在这些区域上。
4.霜可能会使气动性能劣化，从而影响飞行器的适航性，并且也损坏发动机的一些部件并且导致发动机推力的损失。
5.为了防止霜的积聚，航空制造商于是已经为飞行器装备了加热系统，这些加热系统设置在要保护的区域处。
6.这些系统被设计成在与直径小于或等于100μm的过冷液滴的碰撞期间保护关键的区域。
7.尽管如此，人们已经注意到，在受保护的区域之外可能结霜。
8.此外，为了避免飞行器消耗不必要的能量，加热系统仅在飞行器穿越可能产生霜的空域时才被激活。
9.为此，如在法国专利第2 970 946号中所述，已经开发了光学霜检测器，这些光学霜检测器设置在飞行器的外部区域(例如，飞行器的机头)上。
10.更具体地，这些霜检测器具有收集表面，过冷液滴在冷冻时聚集在收集表面上。
11.此外，这些霜检测器能够测量存在于其收集表面上的霜的厚度，并确定霜的存在与否以及结霜状况的严重性。
12.尽管如此，在某些温度和高度条件下，已经注意到直径可以达到2mm的过冷液滴的存在。
13.飞行器的机翼的前缘下游的过冷液滴的冲击面积取决于惯性，因此取决于液滴的直径。
14.因此，对直径不超过100μm的过冷液滴限定了保护措施的飞行器在其穿越含有直径大于100μm的过冷液滴的云时，没有得到足够的保护。
15.因此，需要检测是否存在直径大于100μm的过冷液滴，使得机组人员可以使飞行器离开这些结霜条件，并且因此避免损坏飞行器。


技术实现要素：

16.鉴于前述内容，本发明提出了通过提供用于检测飞行中的飞行器的结霜强度的设备来克服上述限制。
17.因此，根据第一方面，本发明的目的是一种用于检测飞行中的飞行器的结霜强度
的方法，该方法包括测量沉积在霜收集表面上的霜的厚度。
18.以确定的时间间隔确定霜的厚度的变化，并且当在两个时间间隔之间确定的霜的厚度的差大于阈值时，生成警报信号。
[0019]“结霜强度”应当理解为，根据飞行器的关键区域上沉积的霜扩展的表面来定义的结霜等级。
[0020]
换句话说，结霜强度根据飞行器所穿越的云中包含的过冷液滴的直径来确定。
[0021]
因此，低结霜强度表示直径小于或等于100μm的过冷液滴的存在。在这种情况下，加热系统被激活并且能够保护飞行器的关键区域。
[0022]
相反地，高结霜强度反映了直径大于100μm的过冷液滴的存在，这可能损坏飞行器的部件。
[0023]
为了确定结霜强度，有利的是以确定的时间间隔测量霜的厚度，这样通过监测霜的厚度的变化，允许检测直径大于100μm的过冷液滴的存在。
[0024]
优选地，沉积在收集表面上的霜的平均厚度根据待检测的结霜强度和堆积速率来计算，时间间隔对应于霜的平均厚度与堆积速率之间的比值。
[0025]
检测结霜强度对应于识别直径大于100μm的过冷液滴的存在。因此，霜的平均厚度对应于通常由直径等于100μm的过冷液滴产生的霜厚度。
[0026]
因此，阈值等于由过冷液滴在收集表面上沉积的霜的平均厚度，过冷液滴在该示例中具有大于或等于100μm的直径。
[0027]
有利地，霜堆积速率至少根据沉积在收集表面上的霜的水浓度、飞行中的飞行器的速度和收集系数来计算。
[0028]
替代地，霜堆积速率根据沉积在收集表面上的霜的厚度的变化的斜率来计算。
[0029]
优选地，霜的平均厚度根据水密度、霜密度、霜收集表面和直径大于或等于100μm的过冷液滴的体积来计算。
[0030]
本发明的另一目的是一种用于检测飞行中的飞行器的结霜强度的设备，该设备包括霜收集表面、能够测量沉积在霜收集表面上的霜的厚度的测量装置。
[0031]
该设备包括计算装置以及控制装置，该计算装置能够以确定的时间间隔确定霜的厚度的变化，该控制装置能够在两个时间间隔之间测量的霜厚度的差大于阈值时生成警报信号。
[0032]
计算装置可以以任何计算单元中的模块的形式来实施，该计算单元能够执行程序指令并与其他设备交换数据。
[0033]
作为计算单元的示例，可以提及微处理器或微控制器。
[0034]
计算装置也可以以部分或完全基于硬件的方式的逻辑电路的形式来实施。
[0035]
优选地，计算装置能够根据待检测的结霜强度和堆积速率来计算沉积在收集表面上的霜的平均厚度，时间间隔由计算装置确定并且对应于霜的平均厚度与堆积速率之间的比值。
[0036]
优选地，计算装置能够至少根据沉积在收集表面上的霜的水浓度、飞行中的飞行器的速度和霜收集系数来确定霜堆积速率。
[0037]
替代地，计算装置能够根据沉积在收集表面上的霜的厚度的变化的斜率来确定霜堆积速率。
[0038]
有利地，计算装置能够根据水密度、霜密度、霜收集表面和直径大于或等于100μm的过冷液滴的体积来确定霜的平均厚度。
[0039]
本发明的另一个目的一种飞行器，该飞行器包括至少一个如上文定义的用于检测飞行中的结霜强度的设备。
[0040]
本发明的另一个目的是一种计算机程序，该计算机程序被配置成当由计算机执行时，实现如上文定义的结霜强度检测方法。
附图说明
[0041]
通过阅读仅作为非限制性示例给出的、并且参考附图进行的以下描述，本发明的其他目的、特征和优点将显而易见，在附图中：
[0042]
[图1]示意性地展示了根据本发明的包括结霜强度检测设备的飞行器；
[0043]
[图2]示意性地表示了根据本发明的实施例的结霜强度检测设备的模块；
[0044]
[图3a]
[0045]
[图3b]展示了由所述设备实现的结霜强度检测方法的两个流程图；以及
[0046]
[图4a]
[0047]
[图4b]各自展示了根据本发明的实施方式的与用于确定时间间隔的方法相关的流程图。
具体实施方式
[0048]
在图1中展示了飞行器1，该飞行器包括所谓的关键外部区域，该关键外部区域要被保护以防止结霜，这些关键外部区域例如为正面区域11、机翼12和13的前缘、以及发动机进气口14和15。
[0049]
实际上，机翼12和13的前缘的结霜改变了机翼的轮廓，并降低了飞行器1的升力。
[0050]
关于正面区域11的结霜，这可能导致飞行器1的驾驶舱的座舱盖的透明度的改变甚至消除，从而改变机组人员的可见度。霜还可能导致发动机15和14结冰并损坏这些发动机。
[0051]
因此，在飞行器1的外部区域(在本文中为正面区域11)上设置结霜强度检测设备2，该结霜强度检测设备包括收集表面，霜倾向于积聚在该收集表面上。
[0052]
当然，设备2可以位于由飞行器制造商指定的任何其他位置，并且当飞行器处于飞行阶段时，使得霜能够积聚在该设备的收集表面上。
[0053]
设备2被配置成测量沉积在其收集表面上的霜的厚度，并且当飞行器1穿越云层时检测直径大于100μm的过冷液滴的存在。
[0054]
为此，设备2包括测量装置4、与测量装置4通信的计算装置6、以及控制计算装置6的控制装置7，如图2中所示。
[0055]
更具体地，测量装置4能够测量沉积在收集表面上的霜的厚度。
[0056]
检测设备2还包括旨在存储由测量装置4传送的数据的存储装置5。
[0057]
为此，测量装置4包括耦合到存储装置5的输入端b50的第一输出端b40。
[0058]
测量装置4将信号s45传送到存储装置5，该信号包含所获取的数据。
[0059]
存储装置5还包括输出端b51，该输出端耦合到计算装置6的第一输入端b60，以将
信号s56传送到该计算装置的第一输入端。
[0060]
计算装置6还访问由测量装置4即时获取的数据。
[0061]
更特别地，计算装置6包括第二输入端b61，该第二输入端耦合到测量装置4的第二输出端b41，这样使得测量装置4能够传送包含与结霜厚度有关的数据的信号s46。
[0062]
计算装置6被配置成使用来自信号s56和s46的数据来执行计算。
[0063]
在这些计算结束时，计算装置6经由输出端b62将信号s67传送到控制装置7的第一输入端b70。
[0064]
例如，信号s67可以是二进制信号的形式。因此，根据所接收的值“0”或“1”，控制装置7激活警报或不激活警报。
[0065]
应当注意，警报可以是在飞行器1的机组人员的仪表板上显示的信息的形式，使得机组人员可以手动地使飞行器转向。
[0066]
警报还可以是数据的形式，该数据将被传输到飞行器的旨在通过自动驾驶仪自动执行转向操作的其他模块。
[0067]
应当注意，计算装置6被配置成以确定的时间间隔传送信号s67。
[0068]
为此，结霜强度检测设备2还包括计时器8，该计时器具有输出端b80，该输出端耦合至控制装置7的第二输入端b71，以将信号s87传送至该控制装置的第二输入端。
[0069]
信号s87可以是二进制的形式，其中，值“1”表示计数结束，而值“0”表示计数在进行中。
[0070]
此外，计时器8被配置成当该计时器到点时重新开始计数。
[0071]
该时间间隔也可以由在输入端b81处接收的信号s78来修改，该信号由控制装置7经由第二输出端b73传送。
[0072]
一旦完成计数，控制装置7就在输出端b72处传送信号s76，并将该信号s76提供给计算装置6的第三输入端b63。
[0073]
信号s76旨在激活计算装置6，使得计算装置可以接收由测量装置4传送的信号s46和源自存储装置5的信号s56，并且因此执行所述计算。
[0074]
参考图3a和图3b，图3a和图3b示出了由设备3实现的结霜强度检测方法。
[0075]
参考图3a，结霜强度检测方法开始于步骤e1，在该步骤期间，测量装置4测量沉积在其收集表面上的霜的厚度。
[0076]
在步骤e2中，测量装置4通过将包含与在前一步骤期间测量的厚度相关的数据的信号s45传送到存储装置5来传输所述数据，使得计算装置6之后可以使用这些数据。
[0077]
由于只有通过以确定的时间间隔测量沉积在收集表面上的霜的厚度的变化才有可能区分具有给定直径的过冷液滴，因此，在该示例中，步骤e1和e2仅在每个时间间隔之间重复，以避免无用的能量消耗。
[0078]
与步骤e1和e2并行并且参考图3b，在步骤e3中，计时器8在每次迭代时将信号s87传输到控制装置7。
[0079]
在下一步骤e4中，控制装置7验证信号s87是包含值“1”还是值“0”。
[0080]
如果该值等于“0”，则返回到步骤e3，在该步骤中，控制装置7再次获取信号s87。
[0081]
否则，进行步骤e5，在该步骤中，控制装置7通过向计算装置6传送信号s76来激活计算装置6。
[0082]
一旦被激活，计算装置6就在步骤e6中检索来自测量装置4的信号s46中的数据以及源自存储装置5的信号s56中的数据。
[0083]
因此，计算装置6具有与在两个确定的时间间隔之间测量的与结霜厚度相关的数据，以便在步骤e7中比较这些数据，并且因此确定霜的厚度的变化。
[0084]
更特别地，计算装置6将霜的厚度的变化与阈值进行比较，该阈值对应于反映直径大于100μm的过冷液滴的存在的厚度差。
[0085]
因此，如果在两个确定的时间间隔之间测量的厚度差大于或等于所述阈值，则计算装置6向控制装置7传送包含值“1”的信号s67。如果厚度差小于所述阈值，则控制装置7传送包括值“0”的信号s67。
[0086]
在步骤e8期间，控制装置7验证信号s67是包含值“1”还是值“0”。
[0087]
如果该值为“0”，则返回到步骤e4。如果该值为“1”，则控制装置7在步骤e9中传送警报信号。
[0088]
参考图4a和图4b，各图展示了用于计算所述时间间隔的方法的流程图，该时间间隔由以下关系定义：
[0089][0090]
其中，e
th
是指由过冷液滴在检测设备2的收集表面上沉积的霜的恒定平均厚度，在该示例中，过冷液滴的待区分直径等于100μm，以及
[0091]
iar
mes
为霜堆积速率，以米/秒表示。
[0092]
为了能够计算时间间隔t
samp
，计算装置6在步骤e10中获取平均厚度e
th
以及霜堆积速率iar
mes
。
[0093]
在步骤e11中，计算装置6根据等式(1)确定时间间隔t
samp
，然后在步骤e12中将确定的时间间隔传输到控制装置7。
[0094]
之后，计算装置7向计时器8发送信号s78，使得计时器的倒计数对应于确定的时间间隔。
[0095]
参考图4b，计算装置6还被配置成计算由以下关系确定的堆积速率iar
mes
：
[0096][0097]
其中，β是指设备2的收集系数；
[0098]
η是位于所述设备2的收集表面上的霜部分；
[0099]
lwc是以克/立方米为单位的所穿越的云的水浓度，以及
[0100]
tas是飞行器1相对于该飞行器正在其中飞行的气团的速度，以米/秒表示。
[0101]
在步骤e13中，计算装置6通过从存储装置5检索与飞行器1的速度tas、霜部分η以及设备2的收集系数β相关的数据来启动。
[0102]
在步骤e14期间，计算装置6计算堆积速率iar
mes
。
[0103]
例如，以水浓度等于0.2g/m3，飞行器1的速度等于230m/s，以及设备2具有等于0.8的收集系数和3
×
10-5
m2的收集表面为例，由计算装置6计算的堆积速率iar
mes
将等于4
×
10-5
m/s。
[0104]
对于直径等于100μm、体积等于5.24
×
10-13
m3的液滴，平均厚度e
th
等于0.019μm。
[0105]
此外，应当注意，对应于阈值的霜的平均厚度e
th
仅根据以下关系确定一次:
[0106][0107]
其中，ρw是指水密度，等于1000000g/m3；
[0108]
ρi是霜密度，等于917000g/m3；
[0109]
st是以平方米表示的霜检测器2的收集表面的表面积；以及
[0110]vd
是直径等于100μm的过冷液滴的体积，以立方米为单位。
[0111]
因此，两次测量之间的时间间隔等于476μs，这意味着在8次测量之后将检测到直径为200μm的液滴。换句话说，在7个间隔内，霜的厚度的变化不能大于阈值。
[0112]
尽管如此，每125次测量将检测到直径等于500μm的液滴。
[0113]
此外，本发明不限于这些实施例和实施方式，而是包括它们的所有变型。例如，可以选择确定对应于直径大于200μm的过冷液滴的结霜强度，并相应地调节两次测量之间的时间间隔。

技术特征：
1.一种用于检测飞行中的飞行器(1)的结霜强度的方法，所述方法包括测量沉积在霜收集表面上的霜的厚度的步骤，其特征在于，所述方法包括：以确定的时间间隔(t
samp
)确定霜厚度的变化的步骤，以及当在两个时间间隔(t
samp
)之间测量的霜厚度的差大于阈值时生成警报信号的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：根据待检测的所述结霜强度和霜堆积速率(iar
mes
)来计算沉积在所述收集表面上的霜的平均厚度(e
th
)的步骤，所述时间间隔(t
samp
)对应于霜的所述平均厚度(e
th
)和所述霜堆积速率(iar
mes
)之间的比值。3.根据权利要求2所述的方法，其中，至少根据沉积在所述收集表面上的霜的水浓度(lwc)、飞行中的所述飞行器(1)的速度(tas)和霜收集系数(β)计算所述霜堆积速率(iar
mes
)。4.根据权利要求2所述的方法，其中，根据沉积在所述霜收集表面上的霜的厚度的变化的斜率计算所述霜堆积速率(iar
mes
)。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，根据水密度(ρ
w
)、霜密度(ρ
i
)、所述霜收集表面的表面积(st)和直径大于或等于100μm的过冷液滴的体积(v
d
)计算霜的所述平均厚度(e
th
)。6.一种用于检测飞行中的飞行器(1)的结霜强度(3)的设备，所述设备包括：霜收集表面以及测量装置(4)，所述测量装置能够测量沉积在所述霜收集表面上的霜的厚度，其特征在于，所述设备包括计算装置(6)和控制装置(7)，所述计算装置能够以确定的时间间隔(t
samp
)确定霜厚度的变化，所述控制装置能够在两个时间间隔(t
samp
)之间测量的霜厚度的差大于阈值时产生警报信号。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述计算装置(6)能够根据待检测的所述结霜强度和堆积速率(iar
mes
)来计算沉积在所述收集表面上的霜的平均厚度(e
th
)，所述时间间隔(t
samp
)通过所述计算装置(6)计算并且对应于霜的所述平均厚度(e
th
)和所述堆积速率(iar
mes
)之间的比值。8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述计算装置(6)能够至少根据沉积在所述收集表面上的霜的水浓度(lwc)、飞行中的所述飞行器(1)的速度(tas)和霜收集系数(β)来确定所述霜堆积速率(iar
mes
)。9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述计算装置(6)能够根据沉积在所述霜收集表面上的霜的厚度的变化的斜率来确定所述霜堆积速率(iar
mes
)。10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中，所述计算装置(6)能够根据水密度(ρ
w
)、霜密度(ρ
i
)、所述霜收集表面(st)和直径大于或等于100μm的过冷液滴的体积(v
d
)来确定霜的所述平均厚度(e
th
)。11.一种飞行器(1)，所述飞行器包括至少一个根据权利要求6至10中任一项所述的用于检测飞行中的结霜强度(3)的设备。12.一种计算机程序，所述计算机程序被配置成当由计算机执行时实现根据权利要求1所述的方法。

技术总结
用于检测飞行中的飞行器(1)的结霜强度(2)的设备包括霜收集表面和能够测量沉积在霜收集表面上的霜的厚度的测量装置(4)。该设备包括能够以预定的时间间隔(T


技术研发人员：斯蒂芬
受保护的技术使用者：赛峰航空系统公司
技术研发日：2021.07.29
技术公布日：2023/5/16