CN110316386A - 通过分析电流消耗检测飞行器的结冰状况 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过分析电流消耗检测飞行器的结冰状况。一种用于检测飞行器的结冰状况的方法和系统，所述飞行器包括安装在其蒙皮上的探头(5)以及计算机(7)，所述计算机被配置成用于获取流动通过所述探头的电流的测量值以便管理它们的电量消耗，所述计算机(7)此外还被配置成用于对比流动通过至少两个探头(5)的电流、并且用于从所述对比推断结冰状况。

Description

通过分析电流消耗检测飞行器的结冰状况

技术领域

本发明通常涉及对飞行器所处的天气状况的估计，并且更具体地涉及结冰状况的检测。

背景技术

在飞行期间发生的结冰状况可能会影响飞行器性能。因此，当飞行器被证明在结冰状况下飞行时，它们装备有集成到要保护的元件(机翼，发动机进气口、皮托管探头、等)中的保护系统。保护系统尤其采取加热系统的形式，该加热系统防止冰的形成或积聚。

这些保护系统中的至少某些保护系统的启用通常基于飞行员在他已经认定存在结冰状况后的判断。通常使用机械和/或光学检测系统来辅助飞行员进行他的判断。应当注意到的是，某些元件(例如皮托管探头式传感器)由加热系统持续保护，并且因此不需要飞行员的动作来保护它们免受结冰状况的影响。相比之下，其他元件(例如机翼和发动机进气口)需要飞行员的一次性动作以便在检测系统检测到结冰状况之后保护它们。

因此通常为飞行器装备专用于检测结冰状况的传感器，这些传感器安装在飞行器的蒙皮上、并且使用所获得的测量值来判定冰的存在。飞行员仍然需要通过对飞行阶段、受冰影响的元件所执行的功能的危险程度、以及相关联的安全裕度加以考虑来评估测量值，以便避免保护系统的任何不希望的触发。

这些特定检测传感器安装在机身的蒙皮或飞行器的表面上，这首先需要穿透所讨论的机身或表面，靠近孔提供机械加强件，使用电气线路系统、并且在电气封壳中安装额外的采集系统，从而增大了重量和成本。此外，特定的传感器经常回突出超过机身的蒙皮并且因此产生阻力，这可能会影响飞行器的性能。

目前特定的检测传感器很好地执行它们的对结冰状况进行总体检测的功能，但不适用于提供更准确的诊断。具体地，这些特定的传感器不适用于识别大水滴或冰晶的形成。

本发明的一个目的是提出一种用于检测飞行器的结冰状况的系统，该系统至少改正了以上缺点中的某些缺点，特别是该系统不需要额外的穿透或布线操作、不使飞机的重量或其空气动力学阻力增大、并且使得可以感知广泛的结冰状况并且提供比现有技术更准确的诊断。

发明内容

本发明涉及一种用于检测飞行器的结冰状况系统，所述飞行器包括安装在其蒙皮上的探头以及计算机，所述计算机被配置成用于获取流动通过所述探头的电流的测量值以便管理它们的电量消耗，所述计算机此外还被配置成用于对比流动通过至少两个探头的电流、并且用于从所述对比推断结冰状况。

因此，对比已经可用的探头的电流强度使得可以检测云层的存在、结冰状况、以及云层的水浓度。不再需要安装特定的冰检测器，因此使得可以减小重量、成本、维护和电量消耗。

有利地，所述计算机被配置成用于计算分别流动通过安装在所述飞行器的不同的位置的第一探头和第二探头的第一电流强度与第二电流强度之间的电流比例，所述比例指示结冰状况。

因此，简单地计算已经测量到的电流比例出人意料地使得可以具有对结冰状况的可靠的指示。

有利地，所述计算机被配置成用于通过将所述电流比例除以与所述第一探头和所述第二探头分别相关的第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例、并且除以无云常数来确定指示结冰状况的参数。

结冰状况参数使得可以通过区分液态和固体颗粒来指示结冰状况的存在和类型。

有利地，所述水收集系数通过空气动力学定律基于飞行状况、所述探头的位置、以及大气状况预先确定，所述收集系数的值被输入存储在存储单元中的查找表。

有利地，所述无云常数通过测量干燥空气的大气状况下关于所述第一探头和所述第二探头的电流比例来预先确定。

根据本发明的一个实施例，所述计算机此外还被配置成用于通过使用事先记录的学习数据来推断结冰状况。这使得可以拓宽检测范围并且改善对结冰状况的解释。

有利地，计算机被配置成用于监测飞行器的多个不同的飞行期间指示结冰状况的参数随时间的演变。这使得可以监测结冰状况和云层的水浓度的演变。

有利地，所述结冰状况数据被实时指示在所述飞行器的驾驶舱的接口上。

这些数据因此使得可以辅助飞行员进行他对于启用保护系统的判断。

有利地，所述计算机被配置成用于成对地对比流动通过安装在所述飞行器的多个不同的位置上的多个探头的电流。

这使得可以探测云层的水浓度。

有利地，所述计算机所确定的所述结冰状况数据由所述飞行器传输至地面天气站。

地面站因此能够收集来自多个高度处的源的天气数据。

本发明还针对一种飞行器，所述飞行器具有根据以上特征中任一项所述的用于检测结冰状况的系统。

本发明还针对一种用于检测飞行器的结冰状况的方法，所述飞行器包括安装在其蒙皮上的探头以及计算机，所述计算机被配置成用于获取流动通过所述探头的电流的测量值以便管理它们的电量消耗，所述方法包括对比流动通过至少两个探头的电流并且从所述对比推断结冰状况。

附图说明

在阅读参考附图所给出的本发明的一个优选的实施例之后，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1示意性地示出了具有根据本发明的一个实施例的用于检测结冰状况的系统的飞行器；

图2示意性地展示了根据本发明的一个优选的实施例的用于检测结冰状况的系统；

图3展示了根据本发明的随与飞行器的蒙皮的距离而变的、并且处于飞行器的多个不同的飞行状况下的水收集系数的曲线；

图4是根据本发明的一个实施例的展示指示结冰状况的参数的图示；并且

图5示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于检测结冰状况的方法。

具体实施方式

作为本发明的基础的概念是使用已经可用的电流强度测量值，而无需开发和安装特定的外部传感器，并且因此不需要在飞行器的蒙皮上植入装置来检测结冰状况的存在。在这种情况下，特定的传感器被理解为其测量值旨在排它地检测冰的存在的传感器(例如冰晶检测器)。

图1示意性地示出了具有根据本发明的一个实施例的用于检测结冰状况的系统1的飞行器。

一般来说，飞行器3具有用于监测飞行状况的多种类型的探头5。具体地，皮托管类型的流体速度测量探头、攻角测量探头、温度测量探头、压力探头等通常安装在飞行器3的蒙皮上。此外，加热元件、并且更具体地电加热电路51集成到这些探头中以便保护它们免受结冰状况影响。飞行器3的发电系统(未展示)向集成在多个不同的探头5中的多个不同的电加热电路51持续施加电压。此外，飞行器的具有计算机7的监测系统配置成用于获取流动通过多个不同的探头5(更准确地是加热电路51)的电流的测量值以便管理它们的电量消耗并且检查它们的电加热电路51正在正确地运行。流动通过探头5的电流取决于探头的物理特征，并且取决于飞行状况和大气状况。

根据本发明，此外还配置了计算机7来对比同时流动通过安装在飞行器上的至少两个探头5的电流。计算机7被配置成用于根据这个对比来推断结冰状况。

探头5的电量消耗取决于电加热电路51向大气中的散热。此散热与大气状况(温度、压力、云层中的水浓度等)相关、并且与围绕探头流动的空气相关。此外，散热因此与探头5在机身上的位置相关。通过分析多个不同的探头5的电流之间的差别，计算机7被配置成用于推断结冰状况。

图2示意性地展示了根据本发明的一个优选的实施例的用于检测结冰状况的系统。

根据这个实施例，计算机7被配置成用于获取分别流动通过安装在飞行器的多个不同位置处的第一探头5A和第二探头5B的第一电流强度i_A和第二电流强度i_B。此外，计算机7被配置成用于计算第一电流强度i_A与第二电流强度i_B之间的电流比例。

已经建立的是，在无云的天空中(即没有冰)，针对给定的飞行状况(高度、温度、攻角、马赫数)，关于两个给定探头的电流比例总是等于常数C(在下文中被称为无云常数C)：

这已经给出了第一指示，如果这个比例不等于无云常数C，则计算机7能够直接推断出飞行器处于有云区域中。

更一般地，在任何大气环境中，并且考虑到探头5可能经受多种不同的局部气流和多个不同的局部水浓度的事实，关于第一探头5A和第二探头5B的、电流强度的比例可以表达如下：

其中，C是给定的飞行状况下的无云常数，k是指示结冰状况的参数，并且比例是分别与第一探头5A和第二探头5B相关的第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例。

水收集系数β_A和β_B通过空气动力学定律基于飞行状况、探头5A、5B的位置、以及结冰大气状况的类型(液态水或晶体)来预先确定的。这些系数已经在飞行器认证的背景下进行了计算，并且在空气动力学计算之后，它们的值被输入事先构建的查找表。这些查找表记录在与计算机7相关联的存储单元9中。

图3通过举例的方式展示了根据本发明的随与飞行器的蒙皮的距离而变的、并且处于飞行器的多个不同的飞行状况下的水收集系数的曲线。

所展示的曲线是针对具有几毫米直径的水滴而创建的，并且每条曲线表示飞行器的速度或给定的飞行状况。应当注意到的是，系数β的曲线的一般趋势随着其移动远离飞行器的蒙皮而增大直到取决于飞行器的速度的某一值，并且随后以渐近的趋势向值“1”减小。系数β的曲线给出了探头的位置以及最重要的是其与飞行器的蒙皮的距离的准确指示。

然后，系数β可以有利地被考虑为探头的安装参数。此外，鉴于每个探头5在飞行器3上的位置是已知的，关于第一探头5A和第二探头5B的比例因此由计算机7从通过输入记录在存储单元9中的查找表中的值来容易地计算。

此外，计算机7已经获取了分别流动通过第一探头5A和第二探头5B的第一电流强度i_A和第二电流强度i_B，并且因此容易地计算它们的比例

类似地，无云常数C通过简单地计算干燥空气的大气状况下关于第一探头5A和第二探头5B的电流比例来预先确定。有利地，关于相应的探头的无云常数C的值也事先记录在存储单元9中。

计算机7因此通过将电流比例除以分别与第一探头5A和第二探头5B相关的第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例并除以无云常数C来确定指示结冰状况的参数k。

图4是根据本发明的一个实施例的展示指示结冰状况的参数的图示。

更具体地，此图示展示随飞行时间而变的三个参数。第一参数(曲线C1)表示关于流动通过第一探头5A和第二探头5B的电流强度的电流比例第二参数(曲线C2)表示关于第一探头5A和第二探头5B的位置的水收集系数的比例最后，第三参数(曲线C3)表示基于电流比例水收集比例以及无云常数C确定的指示结冰状况的参数k。应当注意到的是，三个参数的曲线C1、C2、C3上所展示的同时跳变S1、S2、S3分别指示在关于这些跳变S1、S2、S3的飞行时刻期间存在结冰状况。计算机可以通过将参数k的值与记录在存储单元9中的查找表进行更彻底的对比来执行额外的后处理。

有利地，为了以更高的准确性来解释结冰状况参数k，使用了测试飞行器(未展示)，该测试飞行器装备有根据本发明的检测系统1、并且装备有特定的系统，该特定的系统包括专用于直接并准确检测云层中的水浓度、冰、以及水含量(晶体和过冷水)的测试传感器。具体地，在测试飞行器的测试飞行期间，在专用于直接检测的特定系统获取准确数据的同时，根据本发明的检测系统1确定参数k的值。分析这些准确数据并将其与参数k的值进行相关，以便形成监督学习数据。

因此，在飞行器3(通常与用于测试飞行的飞行器的类型一样，除了这次它不具有特定的测试传感器)的运营飞行期间，计算机7确定参数k的值，并且将它们与事先记录在存储单元9中的监督学习数据进行对比，以便通过以较高准确性来解释参数k的值来感知广泛的结冰状况。

此外，计算机7被配置成用于将结冰状况数据实时地传输至飞行器3的驾驶舱的接口11(参见图1和图2)。这些数据可以因此显示在驾驶舱的屏幕111上并且可能地产生警报。飞行员将从而具有启用用于防冰的系统的可能性。作为替代方案，结冰状况可以自动地触发用于防冰的系统。

有利地，计算机7被配置成用于监测飞行器3的多个不同的飞行期间指示结冰状况的参数随时间的演变，以便监测云层中水浓度的演变。

此外，计算机7所确定的结冰状况数据可以由飞行器3传输至地面天气站。地面站因此能够更详细地分析这些数据，并且有利地拥有来自多个高度处的源的天气数据。

图5示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于检测结冰状况的方法。

在步骤E1，例如在飞行中以规律的间隔收集流动通过安装在飞行器上的探头5A-5C的电流的测量值。

在步骤E2-E4，对比流动通过安装在飞行器的不同的位置的至少两个探头5A、5B的电流i_A和i_B，并且从此对比推断结冰状况。如果从多个探头收集了电流测量值，则这些探头可以被成对分组到一起，这是通过在每一对中选择安装在飞行器的不同的位置的两个探头实现的。出于简便的原因，本文中仅参考了从两个探头(第一探头5A和第二探头5B)收集的两个电流强度。

更具体地，在步骤E2，计算分别流动通过第一探头5A和第二探头5B的第一电流强度i_A与第二电流强度i_B之间的电流比例

在步骤E3，从事先建立的查找表中查找关于第一探头5A和第二探头5B的水收集系数的值。所获取的值是与第一探头和第二探头的位置相对应并且与当前飞行状况相对应的值。然后，计算第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例

在步骤E4，基于电流比例第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例以及事先记录在存储单元中的无云常数C计算指示结冰状况的参数k。

在步骤E5，通过考虑事先记录的监督学习数据，而可能地以较高的准确性确定结冰状况。

在步骤E6，在驾驶舱的屏幕111上显示结冰状况，并且当检测到冰时可能地产生警报112。飞行员将从而具有启用用于防冰的系统的机会。作为替代方案，结冰状况可以自动地触发用于防冰的系统。

Claims (11)

1.一种用于检测飞行器的结冰状况的系统，所述飞行器包括安装在其蒙皮上的探头(5)以及计算机(7)，所述计算机被配置成用于获取流动通过所述探头的电流的测量值以便管理它们的电量消耗，其特征在于，所述计算机(7)此外还被配置成用于对比流动通过至少两个探头(5)的电流、并且用于从所述对比推断结冰状况。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机(7)被配置成用于计算分别流动通过安装在所述飞行器的不同的位置的第一探头(5A)和第二探头(5B)的第一电流强度与第二电流强度之间的电流比例，所述电流比例指示结冰状况。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算机(7)被配置成用于通过将所述电流比例除以与所述第一探头(5A)和所述第二探头(5B)分别相关的第一水收集系数与第二水收集系数之间的比例、并且除以无云常数来确定指示结冰状况的参数。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述水收集系数通过空气动力学定律基于飞行状况、所述探头的位置、以及大气状况预先确定，所述收集系数的值被输入存储在存储单元(9)中的查找表。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无云常数通过测量干燥空气的大气状况下关于所述第一探头(5A)和所述第二探头(5B)的电流比例来预先确定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述计算机此外还被配置成用于通过使用事先记录的学习数据来推断结冰状况。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述结冰状况数据被实时指示在所述飞行器的驾驶舱的接口上。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述计算机(7)被配置成用于成对地对比流动通过安装在所述飞行器的多个不同的位置上的多个探头的电流。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述计算机(7)所确定的所述结冰状况数据由所述飞行器传输至地面天气站。

10.一种飞行器，所述飞行器具有根据前述权利要求中任一项所述的用于检测飞行器的结冰状况的系统。

11.一种用于检测飞行器的结冰状况的方法，所述飞行器包括安装在其蒙皮上的探头以及计算机，所述计算机被配置成用于获取流动通过所述探头的电流的测量值以便管理它们的电量消耗，其特征在于，所述方法包括对比流动通过至少两个探头的电流并且从所述对比推断结冰状况。