一种结冰探测器探头，其特征在于，包括沿气流方向(i)依次设置的三段，其中，第一段(I)的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段(II)的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面(III)用于大水滴在其上结冰。通过上述技术方案，可以对大水滴结冰进行区分和识别，从而对大水滴结冰进行有效地探测。此外，还可以对常态结冰的种类做出有效探测，从而有助于结冰厚度的精确探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于结冰探测器的探头以及包括该探头的结冰探测器，其尤其适用于对飞行器表面的结冰状况进行探测。
技术介绍
在飞行器结冰安全防护领域，人们习惯将中位容积直径(Median Volumetric Diameter, MVD)在50微米以内的水滴称为常态水滴，而将中位容积直径超过50微米的水滴称为大水滴。其中，过冷大水滴(Supercooled Large Droplet, SLD)所引起的非常态结冰一直都是飞行器结冰安全防护及结冰探测的难点。这是因为大水滴具有较常态水滴更大的质量，从而具有更大的惯性和更大的内含潜热，因此在结冰过程中更容易在飞行器表面上流动并且需要消耗更长的时间。这样，当过冷大水滴接触到物体表面时，并不像常态水滴那样会在接触部分或其附近迅速变成冰，而是会在物体表面上移动一段距离之后再发生冻结。 这样，结冰就会发生在飞行器的非结冰防护部位，如机翼、尾翼前缘之后的上下翼面上，从而形成所谓的“后流冰”。这种结冰对飞行器飞行安全的危害比常态结冰更为严重。目前人们已经研制出了几种针对过冷大水滴进行探测的探测器，例如，公开号为 US2002/0158768A1和W003/002410A1的两个专利，其基本技术方案是针对常态水滴和大水滴设计不同的流道或水滴捕获流场，并应用两个独立的结冰探测器，使常态水滴的结冰和大水滴的结冰分别冻结在这两个结冰探测器上，从而对大水滴的非常态结冰进行识别和探测。这样的装置虽然能够实现对大水滴的识别和探测，但是其缺陷在于探测器结构复杂、体积较大并且加工较为困难。除此以外，对于中位容积直径在50微米以内的常态水滴，现有的各种结冰探测器在结冰探测上仍然存在难以克服的缺陷。这就是无法对常态水滴引起的结冰种类(例如， 明冰、淞冰和混合冰)进行准确的判断，从而在对冰层厚度进行探测时，会因此形成对冰层厚度的测量值的误差。这是因为对于厚度相同但是类型不同的结冰，它们的探测电信号是不相同的，因此对应于同一个电信号，其可能表示类型不同且厚度不同的多种结冰状况。这样，在收到探测信号后就难以对结冰的厚度进行准确判定。另外，需要注意的是，本申请中所涉及的词语“冰”应当包括各种冰、霜及其混合物。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述技术问题，从而提出一种结冰探测器的探头。在该结冰探测器探头中，通过使探头沿着气流方向具有一定的尺寸，使得气流中具有不同中位容积直径的水滴在沿着气流方向的不同位置处形成结冰，从而实现对常态水滴和大水滴，以及常态水滴中各中位容积直径范围内的水滴的区分。这样，能够实现对大水滴结冰的准确探测。根据本专利技术的一个方面，提出一种结冰探测器探头，其包括沿气流方向依次设置的三段，其中，第一段的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面用于大水滴在其上结冰。通过这一设置，使得常态水滴能够在到达第三段的外表面之前即基本完成减速和放热过程并形成结冰，从而在第三段外表面处的结冰几乎完全是大水滴结冰，这样常态水滴就不会对大水滴的探测造成影响，有效地提高了对大水滴结冰探测的准确性。优选地，第二段可以具有一定的长度，从而确保常态水滴完成结冰以及大水滴基本实现减速和潜热释放。优选地，第二段的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中基本持续受到附面层的作用。这样可以确保大水滴在运动过程中沿着探头的外表面运动，而不会被气流吹走。优选地，第二段可以包括常态结冰区，用于常态水滴在其上结冰。优选地，常态结冰区的形状从侧面看大致呈现楔形。楔形的外表面可以有效地实现在水滴减速和放热的同时，不会被气流吹走，并且楔形的外表面可以进一步地提高整个探头对气流中水滴的捕获性。优选地，常态结冰区包括大致平面部分。当然，上述楔形和平面的含义也应当包括外表面具有一定弧形的情况。优选地，常态结冰区在其外表面下包括沿气流方向设置的多个结冰探测装置。并且，第一段也可以包括结冰探测装置。通过沿着气流方向设置的一系列结冰探测装置，可以准确地探测出结冰在探头外表面上的分布状况。并且，根据事先实验模拟而获得的结果，可以对常态结冰的类型做出准确的判断，这是实现结冰厚度准确探测的重要依据。此外，在上述方案中，还完全可以省去第三段的结构，这种简化的结构虽然不能对大水滴结冰做出识别，但是仍然可以实现对常态结冰种类的区分。优选地，第二段还包括过渡区，用于和第三段平滑流线型地相连。优选地，第三段可以包括滞止区，其大致呈现向内凹陷的形状。滞止区的作用在于在第三段的外表面上形成负压涡区，从而使得流经的大水滴被困在其中，难以从中脱出。这样，大水滴就有更加充足的时间形成结冰，从而获得针对大水滴结冰的准确探测结果。优选地，第三段还可以包括位于其后部的尾区，该尾区用于使得整个结冰探测器探头形成基本平滑的气动外形，以减小对环境流场的破坏。优选地，第一段包括位于前端的头部，其具有小的等效曲率半径，从而更有利于实现对水滴的捕获。优选地，等效曲率半径大致可以为3-6毫米。优选地，结冰探测器探头包括位于其外表面下的制冷装置，以加快水滴的放热过程。优选地，结冰探测器探头的外表面沿其周向方向包括多个独立的探测表面，从而可以根据环境参数选用合适的表面进行探测。优选地，结冰探测器探头可以保形地设置在飞行器的外表面，也可以通过安装支架连接在飞行器的外表面。此外，根据本专利技术的另一个方面，提出一种结冰探测器，其包括根据本专利技术的结冰探测器探头。附图说明下面将参照下列附图对本专利技术的优选实施方式进行详细描述，其中图1是根据本专利技术优选实施方式的结冰探测器探头的侧面示意图；图2是根据本专利技术另一个优选实施方式的结冰探测器探头的侧面示意图；图3是根据本专利技术又一个优选实施方式的结冰探测器探头沿着气流方向的端视图；图4是根据本专利技术的结冰探测器探头的一种安装方式的示意图，其中探头被贴合安装在飞行器的外表面上。具体实施例方式图1显示了根据本专利技术一个优选实施方式的结冰探测器探头。如图所示，其基本包括沿气流方向i依次相连的三段I、II和III，每一段在结冰探测中都具有特定的作用。第一段I用于对气流中的水滴(包括常态水滴和大水滴)进行捕获收集，以供后续的测量，其外表面包括截面形状为半径非常小的圆弧(例如6毫米)的头部s，从而具有了对过冷水滴(包括常态水滴和大水滴)的较高的捕获特性。第二段II用于使得大水滴能够充分减速并且释放潜热，从而为稍后大水滴在第三段形成结冰创造条件。这要求大水滴能够在第二段II的外表面上持续运动较长的时间。 因此，第二段II的外表面可以具有足够的长度以满足减速和潜热释放的需要，并且其外表面可以设计为使得大水滴在运动过程中受到附面层的作用而不会被气流吹走。进一步地，第二段II还可以沿气流方向i被细分，从而包括位于相对靠前的常态结冰区a和相对靠后的过渡区b。靠前的常态结冰区a能够使得常态水滴在其外表面上充分冻结，从而区分常态结冰和大水滴结冰，避免对大水滴的探测造成影响，因此其也可以具有一定的长度，以确保中位容积直径在50微米以内的常态水滴能够差分减速、释放潜热并最终冻结。靠后的过渡区b用于实现与第三段III的平滑流线型连接，以确保已经完成减速和放热的大水滴能够继续沿气流方向i流动到后面的第三段III上。本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种结冰探测器探头，其特征在于，包括沿气流方向（ｉ）依次设置的三段，其中，第一段（Ｉ）的外表面形状设置为适于收集气流中的水滴；第二段（ＩＩ）的外表面形状设置为使得大水滴在运动过程中能够充分减速并且释放潜热；第三段的外表面（ＩＩＩ）用于大水滴在其上结冰。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈迎春，叶林，张淼，葛俊峰，冯丽娟，刘铁军，周峰，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司，中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：31
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