專利名稱：結(jié)冰探測器探頭及包括該探頭的結(jié)冰探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于結(jié)冰探測器的探頭以及包括該探頭的結(jié)冰探測器，其尤其適用于對飛行器表面的結(jié)冰狀況進行探測。
背景技術(shù)：
在飛行器結(jié)冰安全防護領(lǐng)域，人們習(xí)慣將中位容積直徑(Median Volumetric Diameter, MVD)在50微米以內(nèi)的水滴稱為常態(tài)水滴，而將中位容積直徑超過50微米的水滴稱為大水滴。其中，過冷大水滴(Supercooled Large Droplet, SLD)所引起的非常態(tài)結(jié)冰一直都是飛行器結(jié)冰安全防護及結(jié)冰探測的難點。這是因為大水滴具有較常態(tài)水滴更大的質(zhì)量，從而具有更大的慣性和更大的內(nèi)含潛熱，因此在結(jié)冰過程中更容易在飛行器表面上流動并且需要消耗更長的時間。這樣，當(dāng)過冷大水滴接觸到物體表面時，并不像常態(tài)水滴那樣會在接觸部分或其附近迅速變成冰，而是會在物體表面上移動一段距離之后再發(fā)生凍結(jié)。 這樣，結(jié)冰就會發(fā)生在飛行器的非結(jié)冰防護部位，如機翼、尾翼前緣之后的上下翼面上，從而形成所謂的“后流冰”。這種結(jié)冰對飛行器飛行安全的危害比常態(tài)結(jié)冰更為嚴重。目前人們已經(jīng)研制出了幾種針對過冷大水滴進行探測的探測器，例如，公開號為 US2002/0158768A1和W003/002410A1的兩個專利，其基本技術(shù)方案是針對常態(tài)水滴和大水滴設(shè)計不同的流道或水滴捕獲流場，并應(yīng)用兩個獨立的結(jié)冰探測器，使常態(tài)水滴的結(jié)冰和大水滴的結(jié)冰分別凍結(jié)在這兩個結(jié)冰探測器上，從而對大水滴的非常態(tài)結(jié)冰進行識別和探測。這樣的裝置雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對大水滴的識別和探測，但是其缺陷在于探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大并且加工較為困難。除此以外，對于中位容積直徑在50微米以內(nèi)的常態(tài)水滴，現(xiàn)有的各種結(jié)冰探測器在結(jié)冰探測上仍然存在難以克服的缺陷。這就是無法對常態(tài)水滴引起的結(jié)冰種類(例如， 明冰、淞冰和混合冰)進行準(zhǔn)確的判斷，從而在對冰層厚度進行探測時，會因此形成對冰層厚度的測量值的誤差。這是因為對于厚度相同但是類型不同的結(jié)冰，它們的探測電信號是不相同的，因此對應(yīng)于同一個電信號，其可能表示類型不同且厚度不同的多種結(jié)冰狀況。這樣，在收到探測信號后就難以對結(jié)冰的厚度進行準(zhǔn)確判定。另外，需要注意的是，本申請中所涉及的詞語“冰”應(yīng)當(dāng)包括各種冰、霜及其混合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述技術(shù)問題，從而提出一種結(jié)冰探測器的探頭。在該結(jié)冰探測器探頭中，通過使探頭沿著氣流方向具有一定的尺寸，使得氣流中具有不同中位容積直徑的水滴在沿著氣流方向的不同位置處形成結(jié)冰，從而實現(xiàn)對常態(tài)水滴和大水滴，以及常態(tài)水滴中各中位容積直徑范圍內(nèi)的水滴的區(qū)分。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)對大水滴結(jié)冰的準(zhǔn)確探測。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種結(jié)冰探測器探頭，其包括沿氣流方向依次設(shè)置的三段，其中，第一段的外表面形狀設(shè)置為適于收集氣流中的水滴；第二段的外表面形狀設(shè)置為使得大水滴在運動過程中能夠充分減速并且釋放潛熱；第三段的外表面用于大水滴在其上結(jié)冰。通過這一設(shè)置，使得常態(tài)水滴能夠在到達第三段的外表面之前即基本完成減速和放熱過程并形成結(jié)冰，從而在第三段外表面處的結(jié)冰幾乎完全是大水滴結(jié)冰，這樣常態(tài)水滴就不會對大水滴的探測造成影響，有效地提高了對大水滴結(jié)冰探測的準(zhǔn)確性。優(yōu)選地，第二段可以具有一定的長度，從而確保常態(tài)水滴完成結(jié)冰以及大水滴基本實現(xiàn)減速和潛熱釋放。優(yōu)選地，第二段的外表面形狀設(shè)置為使得大水滴在運動過程中基本持續(xù)受到附面層的作用。這樣可以確保大水滴在運動過程中沿著探頭的外表面運動，而不會被氣流吹走。優(yōu)選地，第二段可以包括常態(tài)結(jié)冰區(qū)，用于常態(tài)水滴在其上結(jié)冰。優(yōu)選地，常態(tài)結(jié)冰區(qū)的形狀從側(cè)面看大致呈現(xiàn)楔形。楔形的外表面可以有效地實現(xiàn)在水滴減速和放熱的同時，不會被氣流吹走，并且楔形的外表面可以進一步地提高整個探頭對氣流中水滴的捕獲性。優(yōu)選地，常態(tài)結(jié)冰區(qū)包括大致平面部分。當(dāng)然，上述楔形和平面的含義也應(yīng)當(dāng)包括外表面具有一定弧形的情況。優(yōu)選地，常態(tài)結(jié)冰區(qū)在其外表面下包括沿氣流方向設(shè)置的多個結(jié)冰探測裝置。并且，第一段也可以包括結(jié)冰探測裝置。通過沿著氣流方向設(shè)置的一系列結(jié)冰探測裝置，可以準(zhǔn)確地探測出結(jié)冰在探頭外表面上的分布狀況。并且，根據(jù)事先實驗?zāi)M而獲得的結(jié)果，可以對常態(tài)結(jié)冰的類型做出準(zhǔn)確的判斷，這是實現(xiàn)結(jié)冰厚度準(zhǔn)確探測的重要依據(jù)。此外，在上述方案中，還完全可以省去第三段的結(jié)構(gòu)，這種簡化的結(jié)構(gòu)雖然不能對大水滴結(jié)冰做出識別，但是仍然可以實現(xiàn)對常態(tài)結(jié)冰種類的區(qū)分。優(yōu)選地，第二段還包括過渡區(qū)，用于和第三段平滑流線型地相連。優(yōu)選地，第三段可以包括滯止區(qū)，其大致呈現(xiàn)向內(nèi)凹陷的形狀。滯止區(qū)的作用在于在第三段的外表面上形成負壓渦區(qū)，從而使得流經(jīng)的大水滴被困在其中，難以從中脫出。這樣，大水滴就有更加充足的時間形成結(jié)冰，從而獲得針對大水滴結(jié)冰的準(zhǔn)確探測結(jié)果。優(yōu)選地，第三段還可以包括位于其后部的尾區(qū)，該尾區(qū)用于使得整個結(jié)冰探測器探頭形成基本平滑的氣動外形，以減小對環(huán)境流場的破壞。優(yōu)選地，第一段包括位于前端的頭部，其具有小的等效曲率半徑，從而更有利于實現(xiàn)對水滴的捕獲。優(yōu)選地，等效曲率半徑大致可以為3-6毫米。優(yōu)選地，結(jié)冰探測器探頭包括位于其外表面下的制冷裝置，以加快水滴的放熱過程。優(yōu)選地，結(jié)冰探測器探頭的外表面沿其周向方向包括多個獨立的探測表面，從而可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)選用合適的表面進行探測。優(yōu)選地，結(jié)冰探測器探頭可以保形地設(shè)置在飛行器的外表面，也可以通過安裝支架連接在飛行器的外表面。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提出一種結(jié)冰探測器，其包括根據(jù)本發(fā)明的結(jié)冰探測器探頭。


下面將參照下列附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行詳細描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的結(jié)冰探測器探頭的側(cè)面示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施方式的結(jié)冰探測器探頭的側(cè)面示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明又一個優(yōu)選實施方式的結(jié)冰探測器探頭沿著氣流方向的端視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的結(jié)冰探測器探頭的一種安裝方式的示意圖，其中探頭被貼合安裝在飛行器的外表面上。
具體實施例方式圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施方式的結(jié)冰探測器探頭。如圖所示，其基本包括沿氣流方向i依次相連的三段I、II和III，每一段在結(jié)冰探測中都具有特定的作用。第一段I用于對氣流中的水滴(包括常態(tài)水滴和大水滴)進行捕獲收集，以供后續(xù)的測量，其外表面包括截面形狀為半徑非常小的圓弧(例如6毫米)的頭部s，從而具有了對過冷水滴(包括常態(tài)水滴和大水滴)的較高的捕獲特性。第二段II用于使得大水滴能夠充分減速并且釋放潛熱，從而為稍后大水滴在第三段形成結(jié)冰創(chuàng)造條件。這要求大水滴能夠在第二段II的外表面上持續(xù)運動較長的時間。 因此，第二段II的外表面可以具有足夠的長度以滿足減速和潛熱釋放的需要，并且其外表面可以設(shè)計為使得大水滴在運動過程中受到附面層的作用而不會被氣流吹走。進一步地，第二段II還可以沿氣流方向i被細分，從而包括位于相對靠前的常態(tài)結(jié)冰區(qū)a和相對靠后的過渡區(qū)b?？壳暗某B(tài)結(jié)冰區(qū)a能夠使得常態(tài)水滴在其外表面上充分凍結(jié)，從而區(qū)分常態(tài)結(jié)冰和大水滴結(jié)冰，避免對大水滴的探測造成影響，因此其也可以具有一定的長度，以確保中位容積直徑在50微米以內(nèi)的常態(tài)水滴能夠差分減速、釋放潛熱并最終凍結(jié)?？亢蟮倪^渡區(qū)b用于實現(xiàn)與第三段III的平滑流線型連接，以確保已經(jīng)完成減速和放熱的大水滴能夠繼續(xù)沿氣流方向i流動到后面的第三段III上。具體來說，常態(tài)結(jié)冰區(qū)a的外表面從側(cè)面看去大致呈現(xiàn)關(guān)于其中線m-m對稱的楔形，其兩外表面P、q大致呈現(xiàn)平面并沿著氣流方向i斜向后地延伸，從而形成一定的夾角。 并且常態(tài)結(jié)冰區(qū)a的前端也與第一段I的后端流線型相連，從而盡可能地讓更多的水滴流到第二段II中。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到，所述楔形的兩外表面p、q并不需要是完全的平面，也可以具有一些彎曲從而呈現(xiàn)一定的曲面，也能同樣地實現(xiàn)本發(fā)明的目的。并且，楔形的常態(tài)結(jié)冰區(qū)a還可以起到進一步捕獲收集氣流中的水滴的作用。進一步地，還可以在常態(tài)結(jié)冰區(qū)a的外表面p、q的內(nèi)側(cè)和第一段I的外表面內(nèi)側(cè)大致沿氣流方向設(shè)置多個結(jié)冰傳感裝置。該設(shè)置的作用在于，可以對結(jié)冰的種類做出準(zhǔn)確判斷，從而進一步作為精確探測結(jié)冰厚度的依據(jù)。具體說來，和常態(tài)水滴與大水滴的區(qū)別相類似，即使在常態(tài)水滴中，與不同常態(tài)結(jié)冰相對應(yīng)的不同中位容積直徑的常態(tài)水滴之間也存在區(qū)別。與淞冰相對應(yīng)的常態(tài)水滴的中位容積直徑最小，質(zhì)量也最小，因而其減速和降溫的速度也最快，相應(yīng)地最容易發(fā)生結(jié)冰。與明冰相對應(yīng)的常態(tài)水滴的中位容積直徑較大，質(zhì)量也較大，因而其減速和降溫的速度也較慢，相應(yīng)地比較難發(fā)生結(jié)冰。而與混合冰相對應(yīng)的常態(tài)水滴的中位容積直徑介于兩者之間，其結(jié)冰的難易程度也同樣介于兩者之間。因此，上述三種常態(tài)水滴在第一段I和常態(tài)結(jié)冰區(qū)a上發(fā)生結(jié)冰時，其表現(xiàn)是不同的。與淞冰對應(yīng)的常態(tài)水滴在接觸到第一段I的頭部s的同時即可以完全釋放其潛熱，因此如果結(jié)冰類型為淞冰，那么結(jié)冰只分布在第一段I的頭部s及其附近。與混合冰對應(yīng)的常態(tài)水滴在接觸到第一段I的頭部s時不會立刻完全釋放潛熱，其中直徑較大的一部分水滴會在氣流的作用下向后流動一段距離后再開始結(jié)冰，因此如果結(jié)冰類型為混合冰，那么結(jié)冰將在常態(tài)結(jié)冰區(qū)a的外表面上延伸一段距離。與明冰對應(yīng)的常態(tài)水滴在接觸到第一段 I的頭部s的同時幾乎不會立刻結(jié)冰，被捕獲的水滴將向后流動更長的距離后才會形成冰。因此，通過設(shè)置沿氣流方向分布的多個結(jié)冰探測裝置(例如光纖式結(jié)冰傳感器)， 可以知道結(jié)冰沿氣流方向的分布范圍，從而進一步根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則判斷出結(jié)冰的類型，以作為精確探測結(jié)冰厚度的依據(jù)。其中，預(yù)先確定的判斷規(guī)則可以通過實驗的方法獲得，通過對各種結(jié)冰條件進行模擬，可以得出一系列的環(huán)境條件和結(jié)冰分布范圍與結(jié)冰種類的關(guān)系。第三段III用于使得流經(jīng)的大水滴盡可能多地集中在其上凍結(jié)，而不會在氣流的作用下被吹走，從而為是否發(fā)生大水滴結(jié)冰的定性判斷和進一步的結(jié)冰厚度的定量分析提供準(zhǔn)確的探測數(shù)據(jù)。由于大水滴在之前第一段I和第二段II的外表面上的流動中已經(jīng)充分減速并釋放潛熱，因此此時在第三段III上能夠較為容易地變成冰。此外，還可以對第三段III的外表面形狀進行特別設(shè)計，使其能夠更好地實現(xiàn)上述功能。具體來說，在第三段III上可以包括滯止區(qū)t，其外表面形狀大致呈現(xiàn)向內(nèi)彎曲的凹陷區(qū)，因此，氣流在流經(jīng)此滯止區(qū)t時會受表面形狀的影響而形成負壓渦區(qū)。大水滴在被卷入渦區(qū)后很難從中脫出，因此會在其中停留相當(dāng)長的一段時間。這樣，大水滴將有充分的時間完全釋放出其中的潛熱并形成冰，并且大水滴結(jié)冰將會更加集中地出現(xiàn)在滯止區(qū)t 中。此外，第三段III還可以在其后部包括尾區(qū)U，其形狀可以根據(jù)流體力學(xué)的原理運用現(xiàn)有技術(shù)而設(shè)計，用于使得整個結(jié)冰探測器探頭形成基本平滑的氣動外形，從而可以減小探頭對環(huán)境流場的影響。下面將就本實施例中探頭的使用過程進行簡單描述，從而能夠更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容和優(yōu)勢。當(dāng)該探頭被置于流場中時，氣流中的水滴能夠被第一段I的頭部s充分地捕獲，并且其中與淞冰相對應(yīng)的水滴能夠立刻釋放出全部潛熱并在頭部s及其附近形成淞冰。接下來剩余的水滴將在氣流的影響下向后流動。在流經(jīng)第二段II的常態(tài)結(jié)冰區(qū)a時，與混合冰和明冰相對應(yīng)的水滴將先后完成減速和潛熱釋放的過程，并分別形成沿氣流方向分布在常態(tài)結(jié)冰區(qū)a的外表面上的混合冰和明冰。而大水滴在上述過程中由于具有較大的尺寸和質(zhì)量，因此尚未完成減速和潛熱釋放，將仍然保持水滴形態(tài)并繼續(xù)向后流動，并經(jīng)過過渡區(qū)b 而流至第三段III上。并且由于第二段II的外表面設(shè)計為使得大水滴在運動過程中受到附面層的作用而不會被氣流吹走，因此大水滴能夠始終在探頭表面上持續(xù)減速并放熱。當(dāng)大水滴流至第三段III時，由于減速和放熱已經(jīng)基本完成，因此會最終形成大水滴結(jié)冰以供探測，尤其是在滯止區(qū)t處，大水滴的結(jié)冰將集中發(fā)生，這對大水滴結(jié)冰的定性和定量探測都是非常有利的。下面參照圖2，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的結(jié)冰探測器探頭。該探頭的結(jié)構(gòu)大致與第一個實施方式相似，但是在一些具體結(jié)構(gòu)上存在不同。例如，在第二個實施例中，第一段I的頭部S’不再是圓弧的一部分，而是呈現(xiàn)尖頂狀，從而具有更小的等效曲率半徑(例如3毫米)，從而獲得更高的水滴捕獲能力。此外，還可以對根據(jù)本發(fā)明的結(jié)冰探測器探頭做出其它改進，以進一步改善其性能。例如，可以在探頭外表面的內(nèi)側(cè)埋設(shè)制冷裝置，從而對在其外表面流動的水滴持續(xù)制冷，以縮短探頭沿著氣流方向的總長度。還可以根據(jù)本領(lǐng)域的常用技術(shù)手段將探頭的外部形狀調(diào)整為比待探測表面更容易結(jié)冰，從而可以在待探測表面發(fā)生結(jié)冰之前即給出存在結(jié)冰危險的預(yù)警信號。還可以如圖3所示，使得探頭包括互不相同的多個探測表面(例如三個，χ、y和ζ)，每個探測表面均沿著氣流方向延伸并具有根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，并且它們互相之間以側(cè)面連接并形成封閉的結(jié)構(gòu)。這樣可以根據(jù)不同環(huán)境參數(shù)(例如氣流速度、溫度和濕度等)而選用最適合的探測表面進行探測，從而使得探頭的外表面形狀能夠更好地確保大水滴在其上流動時始終受到附面層的作用不會被氣流吹走。下面將描述根據(jù)本發(fā)明的結(jié)冰探測器探頭的兩種安裝方式。其中一種安裝方式如圖4所示，陰影部分代表根據(jù)本發(fā)明的探頭，其設(shè)置為僅在部分周向上具有探測表面，從而通過其它周向部分保形地緊密貼合在飛行器外表面的合適位置上。而在更加簡單的安裝方式中，結(jié)冰探測器探頭也可以設(shè)置為如圖3所示具有完整的周緣，從而通過安裝支架而連接在飛行器外表面上。以上描述的是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了上述說明后，能夠很容易想到其它實現(xiàn)本發(fā)明的具體方式，而這些具體方式是顯而易見的。發(fā)明人預(yù)期本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實施合適的改變，并且這些變化都應(yīng)當(dāng)被包括在由權(quán)利要求書所限定的保護范圍中。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，包括沿氣流方向(i)依次設(shè)置的三段，其中，第一段(I)的外表面形狀設(shè)置為適于收集氣流中的水滴；第二段(II)的外表面形狀設(shè)置為使得大水滴在運動過程中能夠充分減速并且釋放潛熱；第三段的外表面(III)用于大水滴在其上結(jié)冰。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第二段(II)具有一定的長度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第二段(II)的外表面形狀設(shè)置為使得大水滴在運動過程中基本持續(xù)受到附面層的作用。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第二段(II)包括常態(tài)結(jié)冰區(qū)(a)，用于常態(tài)水滴在其上結(jié)冰。
5.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述常態(tài)結(jié)冰區(qū)(a) 的形狀從側(cè)面看大致呈現(xiàn)楔形。
6.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述常態(tài)結(jié)冰區(qū)(a) 包括大致平面部分。
7.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述常態(tài)結(jié)冰區(qū)(a) 在其外表面下包括沿氣流方向(i)設(shè)置的多個結(jié)冰探測裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第一段(I)也包括結(jié)冰探測直ο
9.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第二段(II)還包括過渡區(qū)(b)，用于和所述第三段(III)平滑流線型地相連。
10.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第三段(III)包括滯止區(qū)(t)，其大致呈現(xiàn)向內(nèi)凹陷的形狀。
11.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第三段(III)包括位于其后部的尾區(qū)(U)，該尾區(qū)(U)使得所述結(jié)冰探測器探頭形成基本平滑的氣動外形。
12.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述第一段(I)包括位于前端的頭部(s)，其具有小的等效曲率半徑。
13.如權(quán)利要求12所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述等效曲率半徑大致為3-6 毫米。
14.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，包括位于其外表面下的制冷裝置。
15.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述結(jié)冰探測器探頭的外表面沿其周向方向包括多個獨立的探測表面。
16.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述結(jié)冰探測器探頭保形地設(shè)置在飛行器的外表面。
17.如上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，所述結(jié)冰探測器探頭通過安裝支架連接在飛行器的外表面。
18.—種結(jié)冰探測器，其特征在于，包括前述任一權(quán)利要求所述的結(jié)冰探測器探頭。
全文摘要
一種結(jié)冰探測器探頭，其特征在于，包括沿氣流方向(i)依次設(shè)置的三段，其中，第一段(I)的外表面形狀設(shè)置為適于收集氣流中的水滴；第二段(II)的外表面形狀設(shè)置為使得大水滴在運動過程中能夠充分減速并且釋放潛熱；第三段的外表面(III)用于大水滴在其上結(jié)冰。通過上述技術(shù)方案，可以對大水滴結(jié)冰進行區(qū)分和識別，從而對大水滴結(jié)冰進行有效地探測。此外，還可以對常態(tài)結(jié)冰的種類做出有效探測，從而有助于結(jié)冰厚度的精確探測。
文檔編號B64D15/20GK102336272SQ20101022938
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者馮麗娟, 劉鐵軍, 葉林, 周峰, 張淼, 葛俊峰, 陳迎春 申請人:中國商用飛機有限責(zé)任公司, 中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院, 華中科技大學(xué)