新型超聲波傳感器解決飛機高空結(jié)冰探測難題

　　近期，有一種超聲波積冰傳感器被加拿大國家研究理事會（NRC）認可準備轉(zhuǎn)入工業(yè)應用。該傳感器主要用于解決飛機高空結(jié)冰探測問題。
　　
 　　據(jù)報道，加拿大的特殊氣候和對航空的依賴促使這個國家成為結(jié)冰研究的中心，其最新的成果是研發(fā)了兩種冰粒探測技術(shù)，并被加拿大國家研究理事會（NRC）認可準備轉(zhuǎn)入工業(yè)應用。
　　
　　一種是超聲波積冰傳感器，能夠應對最近經(jīng)常出現(xiàn)的高空冰粒高度積聚使發(fā)動機內(nèi)冰層迅速累積，可能會導致推力損失甚至熄火等威脅。這種傳感器不需要安置在被監(jiān)測環(huán)境中，避免了損壞的風險。另一種冰粒探針可以在飛機或發(fā)動機表面齊平安裝，在飛機飛過高空冰晶環(huán)境時通過測量周圍大氣的電特性變化探知冰粒。據(jù)NRC稱這兩種傳感器都達到了技術(shù)成熟度6級水平，可以轉(zhuǎn)入工業(yè)應用。
　　
　　由云層中的液態(tài)水引起的飛機結(jié)冰已經(jīng)困擾了航空界數(shù)十年，最近的研究則集中在云層中航空氣象雷達無法發(fā)現(xiàn)的冰晶帶來的危險，高度集聚的冰晶會影響發(fā)動機工作并阻塞皮托管（空速管）。NRC表示目前還沒有可靠的傳感器能夠提供對積冰的早期警示，而超聲波裝置可以彌補這一缺失。這種傳感器采用無損貼片形式安裝，具有體積小、輕薄和低功耗的特點。采用超聲波形式可以同時作為揚聲器和收音器，通過結(jié)構(gòu)表面或壁面發(fā)送聲波，可被積冰反射回來，從而反映另一面的積冰數(shù)據(jù)。
　　
　　NRC表示這種超聲波裝置與其他類型傳感器不同，不需要安裝在被監(jiān)測環(huán)境中。它可以用在發(fā)動機或飛機部件的任一非暴露表面，消除了傳感器因為冰、拆卸或穿透發(fā)動機而損傷的風險。結(jié)冰組項目經(jīng)理DanFuleki認為：“知道發(fā)動機上那些位置容易結(jié)冰就可以縮小監(jiān)測范圍，這樣當把傳感器安裝在氣流通道另一側(cè)壁面的合適位置，就可以探測是否發(fā)生積冰。”
　　
　　2015年11月，在NRC和NASA達成的結(jié)冰研究合作協(xié)議下，超聲波傳感器在霍尼韋爾和冰晶企業(yè)聯(lián)盟等協(xié)助下進行了測試，將一臺試驗發(fā)動機降到具備結(jié)冰條件的慢車狀態(tài)。傳感器在模擬真實結(jié)冰環(huán)境的10000米高度進行了測試，在發(fā)動機多個受關(guān)注的位置共安裝了12個傳感器，試驗在NASA格林研究中心的推進系統(tǒng)試驗室進行。Fuleki表示：“初步結(jié)果非常值得肯定，我們能夠在真實的發(fā)動機結(jié)冰環(huán)境下探測到冰粒積聚，并且傳感器還具有足夠的敏感度區(qū)分積聚的輕重程度，能有效測量積聚強度。”單個超聲波傳感器對于探測是否結(jié)冰就已經(jīng)足夠，但由于尺寸、重量和功耗都很小，NRC認為可以像高空模擬實驗中的發(fā)動機一樣安裝多個探測器組成的陣列，這樣就可以提供冰層覆蓋范圍的詳細數(shù)據(jù)。
　　
　　另一種冰粒探測器也同時在由空客領(lǐng)導的歐盟高空冰晶項目中完成了研發(fā)和測試。這種探針是從6種候選冰層探測技術(shù)中經(jīng)過評估選出可以進行飛行測試的2種探測器之一，可以齊平表面安裝，具有尺寸小、重量輕的特點，單位功耗和阻力都很低。這種探針已經(jīng)經(jīng)受了超過750小時的模擬冰晶高度風洞測試，并在NRC和空客飛機上完成四輪超過140小時的飛行試驗。NRC表示這種探針的性能已經(jīng)在含有自然冰晶和液態(tài)水的條件下得到了證實，地理范圍包括渥太華所處的中緯度地區(qū)以及赤道附近地區(qū)，高度超過12000米。
　　
　　這種探針通過測量空氣中顆粒、冰和液態(tài)水在不同高度下所帶的電荷實現(xiàn)探測功能。Fuleki表示：“在風洞和飛行試驗中得到的數(shù)據(jù)在數(shù)量和質(zhì)量上都屬上乘，探針的性能給空客公司留下了深刻印象，他們因此請求在A340飛機上保留這種探針，以在下一輪飛行試驗中對過冷液態(tài)水含量進行探測和測量。”
　　
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