Способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата

Способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен термический способ определения наличия обледенения и интенсивности обледенения летательного аппарата (Авторское свидетельство СССР №154064, G01W 1/00, 1965), 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 предполагает 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.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата (Патент RU №2005666 С1, 5 В64D 15/20), основанный на использовании при отрицательной температуре наружного воздуха разности теплосъемов с двух одинаковых обогреваемых участков поверхности мерного тела с термочувствительными элементами, на одном из которых улавливают и полностью испаряют облачные капли воды.

При этом оба участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды. Коэффициенты конвективной теплоотдачи на обоих участках поверхности равны. Поскольку в этом случае на обе поверхности попадают одинаковые количества воды, то интенсивное и полное испарение обеспечивают только на одной поверхности за счет подвода к ней достаточного количества тепла. К другой же поверхности, где расположен компенсирующий чувствительный элемент, подводят лишь такое количество тепла, чтобы нагреть ее до положительной температуры, но близкой к точке замерзания воды 0°С, например до 2-5°С. 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 е_п (Па) и при температуре наружного воздуха е_в (Па).

Так как измерительный чувствительный элемент (ЧЭ) имеет температуру, например, 120°С, то максимальное значение количества воды, которое может испариться при этой температуре, в 50 раз больше, чем при температуре 5°С.

Однако это соотношение справедливо для максимальных уровней интенсивности обледенения, при которых температура 120°С измерительного ЧЭ обеспечивает полное испарение улавливаемых переохлажденных капель влаги.

При этом в известном способе значением тепловых потерь на испарение капельной влаги ЧЭ, имеющим температуру 5°С, пренебрегается.

При малой интенсивности обледенения, характерной для низких давлений, и температуре окружающего воздуха минус (30-60)°С это соотношение резко падает, что приводит к снижению точности определения интенсивности обледенения.

Так, используя известное выражение для оценки максимального количества капельной влаги G, кг/с, которое может испариться на перегретой относительно температуры воздушного потока поверхности, имеющей температуру Т_п,

G=EWVS_м=0,622αS_c(e_п-е_в)/С_р·Р_н

где:

Е - полный интегральный коэффициент улавливания капельной влаги;

W - водность воздуха, кг/м³;

V - скорость воздушного потока, м/с;

S_м - площадь миделевого сечения рабочего ЧЭ датчика, м²;

S_c - площадь смачиваемой поверхности ЧЭ датчика, м²;

α - коэффициент конвективной теплоотдачи смачиваемой поверхности ЧЭ, Вт/м²·град;

С_р, Р_н - теплоемкость и давление воздуха на высоте полета Н;

при S_м=S_c и режиме полета: высота - 1000 м, скорость - 100 м/с, Е=1, Р_н=90103 Па, С_р=1000 Дж/кг·град, α=600 Вт/м²·град. получаем соответствующее ему значение условной интенсивности обледенения при Т_п=5°С (е_п=873 Па) и температуры воздуха минус 15°С (е_в=191,5 Па), равное 0,21 мм/мин. С увеличением высоты полета понижаются температура и давление воздуха, что приводит к дальнейшему росту интенсивности обледенения, при которой происходит полное испарение капельной влаги на поверхности ЧЭ, имеющего температуру 5°С.

Таким образом, известный способ не позволяет принципиально исключить наличие зоны нечувствительности при определении наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата, что ограничивает достоверность измерения и снижает точностные характеристики устройств при его реализации.

Задача изобретения - исключение зоны нечувствительности при определении интенсивности обледенения летательного аппарата.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения наличия обледенения и точности измерения интенсивности обледенения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата предусматривает использование при отрицательной температуре наружного воздуха разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, имеющих разную температуру, с термочувствительными элементами, которые помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и, соответственно, улавливания облачных капель воды. Отличительные признаки состоят в том, что температуры обогреваемых участков поверхности мерного тела поддерживают на уровнях (например, 120 и 100°С), обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими облачных капель воды.

При этом в одинаковых условиях обдува, а значит и улавливания капель воды, имеется возможность более точного, чем в известном способе, определения тепловых потерь на конвективную теплоотдачу и на испарение капельной влаги.

Действительно, уравнения теплового баланса для обеих поверхностей имеют вид:

N₁=N_1к+N_1ни;

N₂=N_2к+N_2ни;

где:

N₁ и N₂ - тепловые потоки, необходимые для обеспечения поддержания заданных температур поверхностей ЧЭ датчика обледенения, первой и второй соответственно, Вт;

N_1к и N_2к - тепловые потоки, необходимые для компенсации тепловых потерь на конвективную составляющую теплоотдачи соответственно первой и второй поверхности ЧЭ датчика обледенения, Вт;

N_1ни и N_2ни - тепловые потоки, необходимые для компенсации тепловых потерь на нагрев и испарение улавливаемой капельной влаги соответственно первой и второй поверхности ЧЭ датчика обледенения, Вт.

Учитывая, что:

n_1ни≈N_2ни=N_ни;

N_1к=S₁·α·(T_1п-T_ад);

N_2к=S₂·α·(T_2п-T_ад);

где:

S₁ и S₂ - площади первой и второй поверхностей ЧЭ датчика обледенения, S₁=S₂=S, м²;

T_1п и Т_2п - температуры первой и второй поверхностей ЧЭ датчика обледенения, °С;

Т_ад - адиабатическая температура воздуха, °С;

имеем:

Sα=(N₁-N₂)/(Т_1п-Т_2п).

Используя значение комплексной величины Sα, можно определить оценки тепловых потоков N_1к, N_2к, N_1ни и N_2ни, а также количество воды, которое испаряется в единицу времени на каждой из поверхностей ЧЭ датчика обледенения, и условную интенсивность обледенения.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа для измерения интенсивности обледенения можно при достаточно близких оценках значений N_1ни и N_2ни точно автоматически вычислять величину N_ни, равную:

N_ни=(N_1ни+N_2ни)/2,

которая характеризует интенсивность обледенения. При реализации предлагаемого способа для сигнализации об обледенении летательного аппарата (ЛА) можно использовать появление сигнала, соответствующего наличию N_ни, 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, а пороговое значение N_ни, необходимое для срабатывания сигнализатора обледенения, и погрешность определения интенсивности обледенения будут определяться только погрешностями измерения температур T_1п, T_2п, Т_ад и мощностей N₁ и N₂ и не будут зависеть от точности поддержания заданных значений температур поверхностей ЧЭ. Это является качественно новым свойством и характеризует изобретательский уровень предлагаемого способа.

Отсутствие зоны нечувствительности и влияния погрешности поддержания заданных температур ЧЭ позволяет на основе предлагаемого способа при наличии информации о скорости воздушного потока также создавать устройства измерения водности.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана конструкция устройства (датчик), реализующая предлагаемый способ.

На фиг.2 показана функциональная схема реализации способа.

Устройство содержит поверхности 1 и 2, отделенные друг от друга и от частей 3 и 4 корпуса датчика водности (цилиндрического мерного тела) теплоизоляционными прокладками 5. Поверхности 1 и 2 имеют разделенные и встроенные внутрь нагреватели 6 и 7. На верхней части корпуса, имеющей наклон в направлении полета 7-10 градусов, расположен датчик 8 температуры торможения воздушного потока, который теплоизолирован относительно корпуса. Датчики 9 и 10 температуры поверхностей 1 и 2 смещены по оси OY и имеют одинаковое положение относительно оси ОХ. Регуляторы мощности нагрева 11 и 12 поддерживают температуру первой и второй поверхностей на заданных уровнях, например T_п1=120°С и Т_п2=100°С. В вычислитель 13 поступает информация о мощности нагрева N₁ и N₂ и температурах T_1п, Т_2п, Т_ад. При N_ни больше порогового значения и Т_ад ниже 0°С на индикатор 14 поступает сигнал о наличии обледенения и интенсивности обледенения.

Для предотвращения образования льда на поверхностях 3 и 4 они имеют встроенный нагреватель, включающийся при обледенении.

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, имеющих разную температуру, с термочувствительными элементами, которые помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и соответственно улавливания облачных капель воды, отличающийся тем, что температуры обогреваемых участков поверхности мерного тела поддерживают на уровнях, обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими облачных капель воды.