0 引言

民用飞机结冰探测系统通常由两支结冰探测器组成，对称安装在机头两侧，飞机进入结冰环境后，结冰探测器探测到结冰条件，发出结冰告警信号，提醒机组作动防冰系统或飞离结冰空域等。按照飞行机组对于结冰探测系统的依赖程度，结冰探测系统可分为咨询式结冰探测系统和主导式结冰探测系统。

咨询式结冰探测系统^[1]为飞行机组提供出现冰积聚或结冰条件的告警信息，飞行机组需结合结冰告警信息与标准飞行手册中关于结冰气象条件的定义（通常是根据总温和可见湿气），来确定是否需要启动防冰系统。飞行机组担负监控结冰气象条件和开启防冰系统的主要责任，咨询式结冰探测系统只起到提示作用。常见的采用咨询式结冰探测系统机型有空客A350、空客A380、ARJ21等。

主导式结冰探测系统^[2-3]是用来确定是否启动防冰系统和启动时机的唯一手段。防冰系统可由主导式结冰探测系统自动启动，或者主导式结冰探测系统为飞行员提供结冰信号，指示飞行机组手动启动防冰系统。在主导式结冰探测系统正常工作时，飞行机组完全依靠结冰探测系统告警信号开启或关闭防冰系统。主导式结冰探测系统应能够探测到适航规章25部^[4]附录C、附录O、附录P等定义的结冰条件或该条件下实际的冰积聚，或者飞机必须能够在主导式探测系统无法探测到的结冰条件下无限制地安全运行。常见的采用主导式结冰探测系统的机型有波音787和波音777等。

民用飞机结冰探测系统主要采用的结冰探测器形式为磁致伸缩式的结冰探测器，该结冰探测器通过探头结冰来反映防冰区域结冰情况（如空客A系列、波音除787系列的B系列）。由于是通过在机头布置的结冰探测器结冰来表征机翼、短舱位置的结冰情况，存在位置差异，这种结冰探测器可能会存在结冰探测器没结冰，但机翼和短舱结冰的情况。

目前国内对于主导式结冰探测系统的设计工作缺少相关内容的研究，本文提出了一种基于磁致伸缩式结冰探测器的主导式结冰探测系统设计方法。

1 主导式结冰探测系统优势与设计难点

1.1 主导式结冰探测系统优势

主导式结冰探测系统相比于咨询式结冰探测系统具有更多优势。

1）减少机组负担。咨询式结冰探测系统需要飞行员监控冰积聚或结冰气象条件，若采用了可视化提示，机组人员可能需要频繁手动去除参考平面的冰，在严重结冰条件下，冰会迅速堆积，导致飞行员的工作量增加，进而影响飞行员对于飞机其他性能的关注; 主导式结冰探测系统则不需要飞行员监控总温、驾驶舱外组件上的可见水汽或冰的堆积情况，能够显著减少飞行员的工作量^[5]。

2）提高飞机性能。由于咨询式结冰探测系统由飞行员担负防冰系统的开启，防冰系统的开启受人为因素影响较大; 相比咨询式，主导式结冰探测系统可减少预启动阶段的结冰，使用主导式结冰探测系统探测到的冰型比使用可视化线索探测到的冰型减少至少30 s^[5]。

3）具有更高的经济性。相比咨询式，主导式结冰探测系统更加节省燃料，根据美国国家航空咨询委员会（NACA）的数据:“当使用总温8℃和可见湿气来预测结冰条件时，实际结冰发生的概率小于23%”。该项数据也被德国汉莎航空公司用波音727飞机的服役数据验证^[6]，采用主导式结冰探测系统能够减少开启防冰系统的次数，从而减少燃油消耗，提高经济性。

1.2 主导式结冰探测系统设计难点

虽然主导式结冰探测系统具有很多的优势，但是在系统设计上具有较多的难点，主要体现在:

1）对于结冰探测器的探测能力要求较高，要求能够探测到25部附录C等规定的所有结冰条件或所有附录C等结冰条件下形成的积冰，该点对于咨询式结冰探测系统，可以通过结合总温和可见水汽辅助判断;

2）若1）条无法满足，则需要在结冰包线中筛选所有结冰探测系统无法探到的工况，分析难度和工作量大。

基于目前常用的磁致伸缩式结冰探测器，已发现存在结冰探测系统无法识别结冰的情况，此时飞机机翼已经结冰，但结冰探测器没有结冰，所以只能采用上述第二条方案。采用磁致伸缩式结冰探测器的结冰探测系统设计，需要在整个飞行包线中寻找出所有磁致伸缩式结冰探测器无法探测的工况，将结冰探测器信号和无法探测工况同时考虑在防冰系统开启逻辑中，实现主导式结冰探测系统。

2 主导式结冰探测系统设计

2.1 总体方案

基于磁致伸缩式的主导式结冰探测系统主要设计流程如图1所示。

2.2 结冰的临界温度

结冰的临界温度^[7-9]定义为一定飞行条件下，若环境温度小于结冰的临界温度时，则飞机表面温度小于冰点温度，此时飞机表面发生结冰。

对比分析结冰探测器探头结冰的临界温度与飞机防冰区结冰的临界温度，可以表征结冰探测器探头和飞机防冰区是否结冰。例如假设结冰探测器临界温度为t_{cr_detectoer}，机翼防冰区的临界温度为t_{cr_wing}，环境温度为t₀，则:

1）若t₀＞t_{cr_detectoer}且t₀＞t_{cr_wing}，此时结冰探测器和机翼防冰区均不结冰;

2）若t₀＜t_{cr_detectoer}且t₀＜t_{cr_wing}，此时结冰探测器和机翼防冰区均结冰;

3）若t_{cr_wing}＜t₀＜t_{cr_detectoer}，此时结冰探测器结冰但机翼防冰区不结冰;

4）若t_{cr_wing}＞t₀＞t_{cr_detectoer}，此时结冰探测器不结冰但机翼防冰区结冰。

根据等熵理论，临界温度计算公式^[10]如下:

其中，t_cr为临界温度，结冰表面温度为0℃时的周围环境温度（℃）; e为不同温度下水面上的饱和水蒸汽压（Pa），t₀=0℃时e₀=610 Pa; P₀为自由来流的气压（Pa）; V₀为自由来流的速度（m/s）; P₁为附面层外边界上的气压（Pa）; V₁为附面层外边界上的速度（m/s）; W为水收集量（kg/m²·s）; HTC为对流换热系数（w/m²·℃）。

附面层外边界上的气压，计算式如式（2）所示:

其中，C_p为压力系数，无量纲参数; Ma₀为飞行马赫数，无量纲参数。

附面层外边界上的速度，其计算式如式（3）所示:

水收集率W，其计算式如式（4）所示:

其中，LWC为液态水含量（kg/m³）; Beta为水收集系数，无量纲参数。

2.3 结冰探测器无法探测工况筛选

项目初步分析无法探测工况主要出现在较大攻角进行较高马赫数的飞行工况中，所以在筛选工况点时，重点考虑了较大攻角，按照飞机飞行包线，梳理出飞机飞行参数范围，将飞行高度分为10个范围，如表1所示。进行迭代计算时，取高度范围的中位数作为计算高度，对应的马赫数及攻角取值范围如表1所示。

表1（续）

对于结冰探测器和发动机短舱，其压力系数与换热系数与攻角关系不大，因此在表1所示的飞行高度H和Ma范围内，各参数分别取10个等值间隔，即在表1范围内取10×10=100个工况点进行计算; 机翼的压力系数和换热系数不仅与飞行高度H和Ma数相关，还与攻角AOA有关系，因此在表1所示的飞行高度H和Ma及攻角AOA范围内，各参数分别取10个等值间隔，即在表1范围内取10×10×10=1 000个工况点进行计算。

采用临界温度计算公式（1）对选定工况进行计算，可得结冰探测器、发动机短舱及机翼在上述飞行参数范围内的临界温度分布情况，分别如图2至图4所示。

图2给出了所有工况点结冰探测器的临界温度，所有临界温度的最小值组成的曲线上方即为无法探测工况区域。图3为所有工况点上发动机短舱的临界温度，可以看出发动机短舱的结冰临界温度明显低于结冰探测器。

图4给出了根据表1工况计算的机翼表面临界温度随飞行高度的变化情况，存在机翼的结冰临界温度高于结冰探测器的情况，说明某型工况下存在结冰探测器探测失效的情况，需要划定无法探测区域的范围，对飞机进行及时防护。

将根据表1工况计算的结冰探测器、发动机短舱和机翼的最小临界温度曲线放入连续最大结冰包线中，如图5所示。蓝色曲线为发动机短舱的最小临界温度，红色曲线为结冰探测器的最小临界温度，发动机短舱的最小临界温度明显低于结冰探测器的最小临界温度。绿色曲线为机翼的最小临界温度，当飞行高度较低时，机翼的最小临界温度和结冰探测器的最小临界温度相当，当飞行高度较大时，机翼的最小临界温度略低于结冰探测器的最小临界温度，两者最大偏差均不超0.5 °C。

虽然结冰探测器的最小临界温度与机翼的最小临界温度相当且明显高于发动机短舱的最小临界温度，但在环境温度高于结冰探测器的最小临界温度曲线以上，仍有可能存在结冰探测器的临界温度低于发动机短舱和机翼的临界温度的可能，即结冰探测器无法探测的工况。所以选定红色曲线代表的结冰探测器的最小临界温度上方区域为无法探测工况区域，当环境温度低于该分界线时，结冰探测器能够对结冰气象条件进行有效探测; 当环境温度高于该分界时，结冰探测器可能无法产生结冰信号，飞机进入无法探测结冰区域，需开启防护装置。

2.4 主导式结冰探测系统控制逻辑

图5中红色曲线代表结冰探测器的最小临界温度曲线，当温度高于该临界温度曲线但仍在结冰包线时，可能存在结冰探测器临界温度低于环境温度但是机翼表面临界温度高于环境温度的情况，此时结冰探测器不结冰，但机翼表面结冰。当温度低于该临界温度曲线时，结冰探测器临界温度始终高于环境温度，此时结冰探测器能探测到结冰，为了保守设计，选取结冰探测器上方区域即为无法探测区域。

主导式结冰探测系统的开启逻辑为结冰探测器告警信号和以图5结冰探测器的最小临界温度线为下限值。设定不同高度下，温度高于结冰探测器临界温度线，且在结冰包线范围内即开启或通知机组开启防冰系统。

3 结论

本文基于结冰探测器和防冰区域的临界温度分析对比，计算形成了民用飞机磁致伸缩式结冰探测器无法探测的结冰条件的包线范围。提出了一种结合结冰探测器信号和无法探测的结冰条件的范围限制最终形成主导式结冰探测系统设计方案，能够满足在全部结冰包线中保证飞机安全运行的要求。

参考文献