СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 1994 года по МПК B64D15/20 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к способам определения наличия обледенения и интенсивности обледенения летательных аппаратов.

Известен термический способ определения наличия обледенения, основанный на измерении разности температур нагреваемых смоченной (при обледенении) передней и несмоченной задней поверхностей датчика при отрицательной температуре наружного воздуха.

Реализация данного метода производится таким образом, чтобы измерительный чувствительный элемент находился на передней нагретой поверхности, на которую попадают облачные капли, а компенсирующий чувствительный элемент - на задней или боковой нагретой поверхности датчика, на которую не попадают облачные капли. Кроме того, к передней и задней (боковой) поверхностям подводят обычно одинаковое количество тепла, но на таком уровне, чтобы на передней поверхности испарялась вся попадающая вода.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения интенсивности и наличия обледенения летательного аппарата, основанный на использовании разности температур между двумя обогреваемыми термочувствительными элементами, располагаемыми на мерном теле, выполненном в виде профиля крыла, один - на лобовой, а другой - на хвостовой частях профиля.

Известный способ определения интенсивности и наличия обледенения имеет существенный недостаток, поскольку он предопределяет большой порог чувствительности сигнализатора обледенения и относительно большую погрешность при изменении интенсивности обледенения. Это связано с тем, что условия обдува воздушным потоком термочувствительных элементов всегда неравнозначны, так как один элемент защищается от попадания капель воды, что вызывает изменение условий его обдува по сравнению с другим чувствительным элементом. Этим предопределено наличие достаточно высокой разности температур между чувствительными элементами при всех условиях полета независимо от наличия или отсутствия обледенения.

При полете вне облака ("в сухом" воздухе) между измерительным и компенсирующим чувствительными элементами возникает некоторая разность температур ( ±Δ t_c), которая определяется разностью конвективного теплосъема с передней и задней (боковой) поверхностей датчика. Чем ближе по значению коэффициенты теплоотдачи на передней и задней (боковой) поверхностях, тем меньше будет модуль величины Δ t_c при постоянной и одинаковой мощностях нагрева поверхностей.

При попадании в облако на переднюю поверхность попадают облачные капли воды и охлаждают ее за счет съема тепла на нагрев и испарение воды. Если мощность нагрева такова, что обеспечивается полное испарение удавливаемой воды, то между чувствительными элементами будет возникать дополнительная разность температур (±Δ t _вл), которая функционально связана с количеством воды, попадающей на переднюю поверхность датчика, т. е. с интенсивностью обледенения или водностью.

При реализации известного способа сигнал об обледенении должен выдаваться тогда, когда при отрицательной температуре наружного воздуха величина Δ t_вл будет выше некоторого порогового значения, которое определяется максимальным значением Δ t_с, в противном случае сигнализатор выдает ложные сигналы об обледенении при полете в "сухом" воздухе. При измерении интенсивности обледенения выходной сигнал зависит от суммы Δ t_c + Δt_вл.

Таким образом, величина Δ t_c для измерителей интенсивности обледенения (водности) в основном определяет погрешность измерения, а для сигнализатора обледенения - порог чувствительности.

Максимальная величина Δ t_с определяется на всех возможных режимах и конфигурациях полета летательного аппарата в "сухом" воздухе. Модуль величины Δ t_с тем меньше, чем лучше осуществляется компенсация конвективной составляющей с помощью компенсирующего чувствительного элемента, т. е. чем ближе по величине коэффициенты теплоотдачи передней ( α_п) и задней ( α_з) поверхностей датчика.

Условия, чтобы α_п равнялось α_з и на переднюю поверхность попадали капли воды, а на заднюю не попадали, как следует из известного способа, являются противоречивыми, так как при защите задней (боковой) поверхности от попадания капель воды обязательно нарушается режим ее обтекания воздушным потоком по сравнению с передней поверхностью, так как летательный аппарат имеет широкий диапазон изменения режимов полета.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения наличия обледенения и точности измерения интенсивности обледенения.

Это достигается тем, что в способе, основанном на использовании разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, на один из которых попадают капли воды, а другой затенен от их попадания, оба участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды. При этом коэффициенты теплоотдачи на обоих участках поверхности будут равны. Поскольку в этом случае на обе поверхности попадает одинаковое количество воды, то интенсивное и полное испарение обеспечивают только на одной поверхности за счет подвода к ней достаточного количества тепла (q_п). К другой же поверхности, где расположен компенсирующий чувствительный элемент, подводят лишь такое количество тепла (q_к), чтобы нагреть ее до положительной температуры, но близкой к точке замерзания воды 0^оС, например до (-2 ±5)^оС. В этом случае поверхность не покрывается льдом, а пленка воды с нее интенсивно сдувается набегающим потоком из-за малой скорости испарения воды и недостаточного количества подведенного тепла для полного испарения улавливаемой воды.

Плотность теплового потока, которую необходимо подвести к поверхности, для компенсации теплоты испарения воды прямо пропорциональна разности упругостей водяного пара, взятых при температуре поверхности (l_tn) и при температуре наружного воздуха (l_t∞).

Так как измерительный чувствительный элемент имеет температуру, например, 120^оС, то при температуре l_tn будет больше 5·10⁴ . Для компенсирующего чувствительного элемента при температуре, равной 5^оС, величина l_tn составляет 873 . Следовательно, при температуре поверхности 120^оС воды испарится в 50 раз больше, чем при 5^оС.

На изменение теплосъема с компенсирующего элемента преимущественно влияет изменение лишь конвективной составляющей. Зная величину количества тепла (q_к), которое подводится к компенсирующему чувствительному элементу, и температуру его поверхности t_пк, которая поддерживается на постоянном уровне, можно легко определить коэффициент теплоотдачи обоих поверхностей.

α= , где t_ад - температура торможения потока.

Используя величину α , можно подсчитать количество воды, которое испаряется на поверхности с измерительным чувствительным элементом.

Так как
q_п= α (t_пи-t_ад)+ mb L_п,
то количество испаряющейся (уловленной) воды
m_в= , где t_пи - температура поверхности с измерительным чувствительным элементом (известная величина);
L_и - теплота испарения (известная величина).

Таким образом, при реализации предлагаемого способа для измерения интенсивности обледенения можно достаточно точно автоматически вычислять величину mb, которая характеризует интенсивность обледенения. При реализации предлагаемого способа для сигнализации об обледенении ЛА можно использовать появление сигнала, соответствующего наличию mb, как факт наличия процесса попадания воды на поверхность ЛА. При этом порог чувствительности при реализации предложенного способа будет значительно ниже, чем при реализации известного способа. На изменение порога чувствительности и точности измерения интенсивности обледенения не влияет изменение режимов полета, изменение угла атаки или скольжения ЛА и место установки датчика, так как обе поверхности находятся в одинаковых условиях обдува воздушным потоком. Небольшой порог чувствительности m _впор будет определяться погрешностями измерения и поддержания заданного уровня t_пи и t_пк.

На фиг. 1 показано устройство конкретной реализации по изобретению; на фиг. 2 - структурная схема реализации способа.

Устройство содержит поверхности 1 и 2, отделенные друг от друга и от частей 3 и 4 корпуса датчика водности теплоизоляционными прокладками 5. Поверхности 1 и 2 имеют раздельные и встроенные внутрь нагреватели 6 и 7. На верхней части корпуса расположен датчик 8 температуры торможения воздушного потока. Датчики 9 и 10 температуры поверхностей 1 и 2 смещены по оси ОY и имеют одинаковое положение относительно оси ОХ. Регуляторы 11 и 12 мощности нагрева по информации от датчиков 9 и 10 температуры за счет изменения мощности нагрева поддерживают температуры на постоянном уровне, например t_пк равно 2^оС и t_пи равно 120^оС. В вычислитель 13 поступает информация о мощности нагрева q_к и q_п и температуре торможения. При mb больше m_bпор и t_ад ниже 0^оС на индикатор 14 поступает сигнал о наличии обледенения и интенсивности обледенения.

Для предотвращения образования льда на поверхностях 3 и 4 они имеют встроенный нагреватель, питающийся от источника 15. (57) Тенишев Р. Х. , Строганов Б. А. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов, М. : Машиностроение, 1967, с. 219-221.

Авторское свидетельство СССР N 154064, кл. G 01 W 1/00, 1965.

Использование: для борьбы с обледенением летательного аппарата путем повышения достоверности определения наличия обледенения и точности измерения интенсивности обледенения. Сущность изобретения: два участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды. На одном участке поверхности обеспечивают полное испарение улавливаемой воды, а на другом (компенсирующем) обеспечивают интенсивный сдув воды набегающим потоком воздуха за счет разогрева его до температуры, превышающей точку замерзания воды на 2 5С. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, основанный на использовании при отрицательной температуре наружного воздуха разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела с термочувствительными элементами, на одном из которых улавливают и полностью испаряют облачные капли воды, отличающийся тем, что второй участок поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные с первым участком условия обдува воздушным потоком и соответственно, улавливания капель воды, и поддерживают температуру его нагрева на 2 - 5^oС выше точки замерзания воды.