某型机结冰探测系统使用维护实践

摘 要： 某型机是国内自主研发的一款新型飞机，拥有开阔的玻璃化座舱、先进的航电系统，同时安装有国内自主研发的国际上比较先进的结冰探测系统。从结冰探测系统的组成与功用、工作原理、使用维护实践进行了阐述，并提出了相关意见和建议。

关键词： 温度传感器； 结冰速率传感器； 融冰传感器； 结冰速率解算器； 融冰解算器

中图分类号： TN911.7?34； V267+.31 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）15?0105?03

Maintenance practice of icing detection system for an aircraft

DU Guang?ming1， WANG Shu?wei2

（1. Flight Test Center of AVIC GA Huanan Aircraft Industry Co.， Ltd.， Zhuhai 519040， China； 2. Air Defense Forces Academy， Zhengzhou 450052， China）

Abstract： An aircraft is a new type one， which was independently developped in China. It has open vitrification cockpit and advanced avionic systems， and installed an international level icing detection system which was independently developped in China. The composition， working principle and maintenance practice of the new icing detection system are elaborated， and some relevant suggestions are given.

Keywords： temperature sensor； icing speed sensor； thawing ice sensor； icing rate solver； thawing ice solver

0 引 言

飞机在结冰气象条件下飞行时，可发生飞机结冰现象。飞机结冰是指飞机机体表面某些部分聚集冰层的现象，它主要由云中过冷水滴或降雨中的过冷雨碰到飞机机体后凝固形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。只要有适当的空气湿度，在5 ℃时就会产生结冰现象[1]。机翼前缘结冰，破坏了飞机的气动外形，使飞机的阻力增大，升力减小，飞机的操纵性、稳定性下降；在旋翼和螺旋桨桨叶上结冰，破坏了桨叶表面的光滑，结冰一开始，就出现了附层面的紊流化，极大地增加了翼型阻力，使拉力特性变坏，效率降低，会造成飞机和动力装置的振动；发动机进气道结冰，可能会使发动机进气量减小而造成发动机停车；风挡结冰，降低了风挡的透明度，妨碍目视飞行；天线结冰，可能发生机械折断，影响通信或造成通信中断，这些因素均可能造成意外事故[2]。飞机结冰引起的主要损失是航空器损坏、人员伤亡和飞机飞离结冰大气层所消耗的燃油费。据美国国家交通安全部估算，在1982年至2000年间，美国约有819人死于与飞机结冰相关的事件[3]。某型机上安装的国内自主研发的国际上比较先进的结冰探测系统，具备完善的上电自检测功能和故障定位功能，具有飞机结冰后灯光告警提示、结冰强度和结冰位置显示功能。为了详细地说明该结冰探测系统，下面就从系统的组成及功用、系统的工作原理及使用维护实践依次进行阐述，并提出了相关意见和建议。

1 结冰探测系统的组成及功用

结冰探测系统由1个温度传感器、1个结冰速率传感器、4个融冰传感器、1个结冰速率解算器、1个融冰效果解算器和1个飞机结冰告警灯（红）组成，系统的自检测结果、结冰强度及结冰位置通过机上的发动机指示与空勤告警系统上的相关画面显示。温度传感器的主要功用是探测飞机外部的环境温度，给结冰探测系统输入温度信号，当温度低于5 ℃时系统介入工作，当温度高于5 ℃时结冰探测系统停止工作[4]。结冰速率传感器的主要功用是在结冰探测系统工作的状态下，根据结冰速率传感器上的结冰情况及冰层厚度向结冰速率解算器输出信号，结冰速率解算器对输入的信号进行分析、处理，输出飞机结冰的告警信号及弱/中/强的结冰强度信号。融冰传感器的主要功用是在结冰探测系统工作的状态下，根据融冰传感器上结冰的情况向融冰效果解算器输出有无结冰的信号，由融冰解算器经结冰速率解算器通过数据总线发送至发动机指示与空勤告警系统，最终在其上的相关画面显示。

2 结冰探测系统的的工作原理

结冰探测系统的工作原理方框图如图1所示。

图1 结冰探测系统工作原理方框图

在结冰探测系统电源接通之后，系统进行自检测，自检测结果在发动机指示与空勤告警系统的相关画面上进行显示，显示画面如图2所示。白底黑字为自检测正常，白底红字为自检测故障。自检测结束且自检测结果均正常后，结冰探测系统进入到待命状态。

图2 结冰探测系统自检测画面

2.1 温度传感器的工作原理

温度传感器的核心部分是一个热敏电阻——铂，不同的温度对应不同的电阻阻值，输出的是电阻信号[5]。

2.2 结冰速率传感器的工作原理

结冰速率传感器是一种平膜式结冰传感器[6]，具有弱、中、强三级结冰强度报警信号的输出功能，报警阈值设定点和阈值点增量均可由人工设定或系统软件设定。该传感器基于固体的谐振频率随着质量和刚度的变化而改变这个原理，使用一个在谐振频率振动的膜片测量结冰。传感器膜片上冰的沉积引起膜片刚度和质量的改变，刚度的增加使膜片谐振频率增加，质量增加影响与其相反。由于结冰造成的刚度增加影响比质量增加影响大，故使得振动膜片的谐振频率增加，而当水或其他液体附着在膜片上时，使质量增加但不增加刚度，谐振频率降低。因此，通过监测振动膜片的谐振频率的改变，可以判断是否有冰结成及冰厚的大小，输出的是频率信号。

2.3 融冰传感器的工作原理

融冰传感器是一种平膜式结冰传感器[6]，具有是否结冰告警信号的输出功能。该传感器基于固体的谐振频率随着质量和刚度的变化而改变这个原理，使用一个在谐振频率振动的膜片测量结冰。传感器膜片上冰的沉积引起膜片刚度和质量的改变，刚度的增加使膜片谐振频率增加，质量增加影响与其相反。由于结冰造成的刚度增加影响比质量增加影响大，故使得振动膜片的谐振频率增加，而当水或其他液体附着在膜片上时，使质量增加但不增加刚度，谐振频率降低。因此，通过监测振动膜片的谐振频率的改变，可以判断是否有冰结成，输出的是频率信号。

2.4 融冰效果解算器的工作原理

对1号至4号融冰传感器输出的频率信号进行分析与处理[7]，当频率信号达到融冰解算器设定的结冰报警阈值时，输出对应的融冰传感器结冰的信号，并将结果经由结冰速率结算器输出至发动机指示与空勤告警系统并通过其上的相关画面进行显示，如图3所示。

图3 结冰强度显示画面

2.5 结冰速率解算器的工作原理

对温度传感器输出的电阻信号进行分析与处理，当温度低于5 ℃时发出结冰探测系统介入工作的指令，当温度高于5 ℃时发出结冰探测系统停止工作的指令。

对结冰速率传感器输出的频率信号进行分析与处理[7]，输出二路信号[8]：

（1）当频率信号达到结冰速率解算器设定的弱/中/强结冰强度报警阈值时，输出一路对应的弱/中/强结冰强度信号，并将结果输出至发动机指示与空勤告警系统并由通过其上的相关画面进行显示，如图3所示。

（2）当结冰速率解算器输出一种对应的弱/中/强结冰强度信号时，输出另一路信号用来点亮飞机结冰告警灯（红）。

2.6 结冰探测系统的工作原理

在结冰探测系统接通电源、自检测结束且自检测结果均正常后，结冰探测系统进入到待命状态。温度传感器将温度信号（假设温度低于5 ℃）输出至结冰速率解算器进行分析与处理，结冰速率解算器发出结冰探测系统工作的指令，结冰探测系统进入工作状态。结冰速率传感器将结冰速率信号（假设“强”结冰）输出至结冰速率解算器进行分析与处理，结冰速率解算器将“强”结冰的信号通过数据总线输出至发动机指示与空勤告警系统，点亮发动机指示与空勤告警系统上的相关画面（见图3）“强”字。同时，结冰速率解算器输出信号将飞机结冰告警灯（红）点亮，提醒飞行人员注意。飞行人员看到飞机结冰的告警信号后按操作程序接通相关除冰设备进行除冰，在除冰过程中融冰效果解算器对1号至4号融冰传感器输入的信号进行分析与处理，当频率信号在融冰解算器设定的结冰报警阈值时，输出对应融冰传感器位置结冰的信号，并将结果通过数据总线传输至结冰速率解算器，由结冰速率解算器通过数据总线输出至发动机指示与空勤告警系统上的相关画面（见图3）进行显示。

3 结冰探测系统的使用维护实践

结冰探测系统完善的上电自检测功能和故障定位功能，先进的飞机结冰后灯光告警提示、结冰强度和结冰位置显示功能，在装机后多年的使用维护过程中发现了诸多优点，但同时也存在部分缺点。

3.1 结冰探测系统的优点

3.1.1 故障定位准确，维护工作量低、效率高

在某次飞行前准备的过程中，机务人员按照结冰探测系统的正常操作程序进行检查，结果自检测画面中“3号融冰传感器”呈现白底红字的故障现象。随后，将结冰探测系统进行了多次下电后重新接通，上述故障仍然存在。因为1号至4号融冰传感器分别安装在飞机左、右机翼和右、左平尾的前缘，更换时必须拆下对应位置的前缘，工作量非常大。为了慎重起见，采用了参照融冰传感器资料对比测量3号和4号融冰传感器对应管脚间电阻值的方法，结果发现3号融冰传感器有2个管脚间的电阻值大大偏离了资料上规定的数值且与4号融冰传感器对应管脚间的电阻值相差甚远。经过系统自检测和电阻值测量，最终判定3号融冰传感器故障，更换后系统上电自检测结果正常，飞行过程工作正常。

这个实例足以说明：结冰探测系统先进的系统自检测及故障定位功能[9]，在飞机的使用维护过程中大大降低了维护人员的工作量，为排故人员指明了故障点，使维护人员少走弯路，提高了工作效率。

3.1.2 操作检查程序简单，检查结果直观、方便

结冰探测系统的操作检查程序非常简单：

（1）给系统提供+28 V DC和115 V/400 Hz AC电源；

（2）接通系统的电源开关；

（3）在发动机指示和空勤告警系统相关显示画面上查看系统自检测结果。

与该型机的原型机上安装的电导法结冰传感器的结冰探测系统相比，减少了需在发动机试车的状态下，用导电的水和干冰人为制造结冰结果的操作程序，降低了操作风险，节约了生产成本。

3.1.3 告警方式醒目，灯光和文字相得益彰，便行人员掌握实际结冰位置

参照结冰探测系统的工作原理：当飞机结冰时既有飞机结冰示灯（红）燃亮的灯光提示，又有发动机指示和空勤告警系统显示画面上结冰强度的文字提示，融冰传感器还能够指出具体结冰的位置[9]，便行人员掌握飞机的结冰强度及实际结冰位置。与该型机的原型机上安装的电导法结冰传感器的结冰探测系统相比，弥补了在飞机结冰后只有飞机结冰示灯（红）燃亮的灯光提示而无法知道结冰强度及实际结冰位置的不足。

3.2 结冰探测系统的缺点

3.2.1 地面无法模拟飞机结冰后系统的工作情况

系统在地面进行维护检查时仅能查看到系统的自检测结果，不能像该型机的原型机上安装的电导法结冰传感器的结冰探测系统那样可以人工模拟飞机结冰后系统的工作情况[10]。参照结冰探测系统的工作原理：结冰速率传感器和融冰传感器输出的是频率信号，5个传感器的安装位置非常高且间距甚远，不可能在5个传感器上均进行人工模拟结冰现象，从而也无法模拟飞机结冰后系统的工作情况。此外，系统的自检测结果与飞机结冰后系统的工作情况仍存在一定的差异。

3.2.2 存在自检测定位不准、虚警的情况

参照结冰探测系统的工作原理：结冰速率传感器和融冰解算器输出的是频率信号，温度传感器输出的是电阻信号。频率信号在传输过程中尤其是在飞机这样的电磁环境极为复杂的系统中的传输过程中极易受到外界电磁环境的干扰，极易产生虚警信号[4]。在该型机某架飞机的试飞过程中，当时的天空根本不具备结冰的条件，但系统连续3天多次出现了“强”结冰的虚警信号。为了排除此虚警，维护人员在地面多次对系统进行了通电检查，均未出现自检测故障的现象。参照结冰探测系统的工作原理：“强”结冰信号是由结冰速率传感器输出的信号经结冰速率解算器分析和处理后，经数据总线输出至发动机指示和空勤告警系统并由其相关画面显示出来的。于是采用了参照结冰速率传感器资料，与另外2个新出厂的结冰速率传感器对比测量对应管脚电阻值的方法，最终断定原装机的结冰速率传感器故障，更换后进行系统通电检查和飞行验证均工作正常，虚警消失。

3.2.3 系统的安装和电缆的长度有严格的要求，不同机种的互换性差

参照系统的工作原理：结冰速率传感器和融冰解算器输出的是频率信号，这种信号在传输过程中极易受到干扰和衰减，因此系统对传输电缆的长度有严格的要求，这就造成了不同机种的互换性差的结果，不利于该型结冰探测系统的推广和使用。

4 意见和建议

参照结冰探测系统的工作原理，结合结冰探测系统在使用维护实践中发现的优点和不足，提出以下几点意见和建议：提高系统在不同机型间的互换性，推广系统的应用范围；提高系统的可靠性，降低系统的虚警率；研制出性能可靠的具有结冰仿真功能的配套的地面试验设备。

参考文献

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