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1、补充章节 飞机系统其他常用传感器介绍一、除冰系统1.除冰系统探测器 对飞机结冰现象的探测主要依靠结冰信号器,该类信号器依据产品外形可以分为外伸式和内埋式两种。根据所采用的关键技术可以分为放射线技术、热交换技术、谐振技术、磁滞伸缩技术、导电环技术等。放射线技术传感器:利用安装在信号器内的放射元素锶90的放射性来工作的。当没有冰层沉积时,放射线发出的电子束全部被吸收管吸收形成电子负压,使晶体管处于非导通状态。当出现冰沉积时,部分电子被冰层吸收,使得到达吸收管的电子束减少,电压升高,晶体管导通而发出结冰告警信号。热交换技术传感器:利用一个恒定功率热源向热敏元件加温,同时测量并不断比较热敏元器件上不同
2、点位之间的增温速率,温差变化越大说明结冰的可能性和冰层厚度越大。谐振技术传感器:利用线圈中的电磁激励原理使传感器中的弹性敏感元器件产生机械谐振,当有冰层沉积时,弹性敏感元件就会发生刚度变化而引起振动频率改变,从而给出结冰告警信号。磁滞伸缩技术传感器:利用电磁振动原理将传感器设计在一个固定频率点进行超声振动,当有结冰沉积时,其振动频率相应改变,变化达到一定程度时就出现告警信号。导电环传感器:利用电桥电路中的测温电阻在低温下的阻值变化引起电桥电路的不平衡,使导电环接通或断开而给出告警信号光纤式传感器：该类传感器是利用光的发射与接收原理,通过在光纤中传播的发射光被接收后的信号强弱来判断结冰的严重程度
3、。其具备以下优点:灵敏度高,能够探测出0.1 mm以下冰层厚度;预警时间短,预警响应时间不大于2 s;探测范围宽,最大探测冰层厚度超过5.0 mm;具有冰型判别功能,能够实现结冰告警,进行除冰效果判断,实现对飞机结冰的控制管理。缺点是体积较大,并易受强光干扰。最新发展方向：欧美等航空技术先进的国家已经在研发基于神经元网络技术的飞机结冰探测系统,还计划将气象信息与飞机姿态信息相综合,构成结冰安全自动控制和管理的飞行员专用信息系统。2除冰技术飞机上的主要除冰区域有机翼、尾翼 、发动机进气道、螺旋桨、风挡玻璃和测温、测压探头。根据这些部位的不同和除冰所需能量的大小，因而对不同区域有不同的除冰方法。根
4、据除冰所采用能量形式的不同，常用的除冰方式可分成机械除冰，液体除冰，热空气除冰和电热除冰。1) 机械除冰除冰系统未工作，膨胀管维持气动外形，允许结冰。除冰系统工作，中央膨胀管首先充气，使冰破裂。中央膨胀管排气后，两侧膨胀管充气，抬起冰块，由气流吹除冰块。机械除冰方法就是利用气动力把冰破碎，然后借助高速气流将冰除掉。最早出现的机械除冰系统为膨胀管除冰系统。如右图(图8)所示，该方法是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用，使其外表面冰层破碎而脱落的一种机械除冰方法。膨胀管除冰系统一般由空气泵、控制阀、卸压阀、输气管和膨胀管等组成。膨胀管常由涂胶织物制成。用于机翼、尾翼前缘的膨胀管通常有展向、弦向
5、两种布置形式。当膨胀管充气时，管子凸出，使冰破裂，然后经气流吹走。除冰后，膨胀管收缩，以保持一定的气动外形。图8 膨胀管工作示意气动除冰罩的优点是工作可靠、节省能量，但它却有一个致命的弱点，即它的阻力大，不适于高速飞行的飞机，并且启动除冰罩除冰时不可能进行的很彻底，将会有一些残留冰，这将使阻力增加，进而破坏飞机原有的气动外形。所以现代高速飞机上很少采用这种系统，只有在个别机种的雷达罩除冰时才采用这种方法。2) 电脉冲除冰程序器脉 冲发生器供 电装 置蒙 皮感应器电脉冲除冰基本原理是采用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间极为短暂的机
6、械力，使冰发生破裂而脱落。如图9所示。图9 电脉冲除冰系统用薄铜带绕制而成的脉冲线圈放在蒙皮内侧并与蒙皮保持一小间隙，此间隙能保证在脉冲力作用下蒙皮产生衰减振动时不至于与线圈相撞。线圈用支架固定在梁或墙上，并以小电感、低电阻的电缆与电容器相连。电容器在充电装置作用下充以高达千伏的直流电，充电后的电容器组与线圈组成的电路由晶闸管（可控硅）进行导通。导通后，贮能电容器向线圈瞬间放电，在线圈周围建立起迅速形成并快速衰减的电磁场。此磁场使金属蒙皮内产生涡流，脉冲线圈与飞机蒙皮间产生一最大为数百牛顿、作用时间却不足 0.1ms 的脉冲力。在该力作用下蒙皮发生小振幅（0.1mm 左右）、高加速度（最大可达
7、 10000g）的衰减振动。蒙皮先加速后减速的剧烈运动使其表面的冰层剥离、粉碎并弹走，其除冰性能远优于其它各种除冰方法。为了减少耗能，可用两次或三次连续脉冲来清除蒙皮表面上的冰，它与单次脉冲除冰相比可节能 40%左右。两次脉冲之间的时间间隔由贮能电容器的充电时间来决定（一般为数秒钟）。电脉冲除冰系统的主要优点具体如下：a) 系统工作温度范围大，可在 0-50的外界环境温度下工作；b) 所需能量少。它所需要的能量仅为周期性电除冰系统的 1/601/100；c) 质量轻、结构紧凑、无活动构件，易于维护；d) 在防冰区外不会形成冰瘤。3) 液体除冰液体除冰是一种物理除冰方法，它的基本原理是借助某种液
8、体减小冰与飞机表面附着力或降低水在飞机除冰表面的冻结温度。液体除冰系统可以连续地或周期地向除冰表面喷射工作液体。要求工作液体具有凝结温度低，与水混合性能好，与除冰表面附着力强，对除冰表面没有化学腐蚀作用，无毒，以及防火性能好等。目前使用的除冰液有甲醇、乙醇（酒精）、乙烯乙二醇等。从性能上看，甲醇的冰点最低，乙醇次之，乙烯乙二醇最高，但从着火危险来说，乙烯乙二醇化学稳定性好，最安全，价格也便宜，所以美国制造的飞机上多用乙烯乙二醇作除液，而苏制飞机则多用乙醇或乙醇与其它液体的混合液作为除冰液。液体除冰系统在风挡玻璃除冰及活塞式发动机的螺旋桨等部件的除冰上得到了应用，其主要问题是要配备足够的除冰液，
9、并选取适当的方法将除冰液喷射到除冰表面上。4) 热空气除冰系统热空气除冰系统是利用飞机发动机引出的热空气流通过高温管路引射或流向飞机需要加温的结构部件或腔体，使其温度超过0，以达到除冰的目的。主要用于飞机机翼前缘、平尾/垂尾前缘、发动机唇口及进气道等部位。用热空气作为热源时，通常采用连续加热，很少采用热气周期除冰系统，这是由于热气除冰系统的热惯性大，容易在加热后形成冰瘤，而且它的控制比周期性电除冰系统困难，热效率也不如电除冰，这大大限制了热气除冰系统的应用和推广。现代喷气式运输机多采用发动机压气机引出的热空气来防冰。5) 电热除冰对于飞机机翼、尾翼、直升机旋翼等除冰需热量大的部件，一般均采用周
10、期性电除冰。周期性电除冰可以大大地节省能量。一般周期加热区分区数越多，所需电功率就越小；另一方面，随着分区数的增加，控制变得困难，而且由于电缆等重量的增加，系统总重量亦随之增加，因此通常分区数不超过10。周期性除冰系统要有两种结冰信号警报器：结冰强度及气温危险信号警报器。当结冰强度（单位时间内的结冰厚度）超过危险值时，发出“结冰强度危险”信号，此时需缩短冷却时间；当气温低于设计值时，发出“气温危险”信号，此时应增加加热时间。随着科技的进步，新型的除冰技术也在不断出现。目前，世界上已出现一种新型的除冰方式采用红外线加热技术除冰，该除冰技术是将天然气或丙烷气点燃并转化为红外热能，利用红外线加热原理
11、产生热能对飞机表面进行除冰。红外加热飞机外壳时不会穿透机身或玻璃窗，也无任何对人体有害的紫外线辐射。红外线加热除冰技术主要用于地面除冰。如图10。图10 红外线加热技术除冰中的飞机波音公司的787“梦幻”飞机的飞机机翼前缘除冰系统采用了GKN宇航公司研发的喷涂金属层沉积技术。波音787”梦幻”飞机碳纤维/环氧树脂复合材料革命的代表，其复合材料使用量达到了50%，减轻了飞机的重量的同时，也发展了空气动力学，同时也对除冰系统有更高的需求。GKN 宇航公司的这种方案跟以前除冰系统的加热方法完全不一样，采用的是喷涂金属层沉积技术，即将液态金属直接喷涂到玻璃纤维织物上以形成导电层，通过产生的持续均匀的热
12、量来加热复合材料机翼前缘。纤维织物上喷涂的金属层具有双重功效，既作为导电体导电，又作为电热元件产生热量，把电能直接转化为热能。通过该金属喷涂技术可以将金属层置入金属或者复合材料内部。目前，GKN 宇航公司为波音 787 飞机制造的除冰系统就是应用这种技术将金属置入了碳纤维复合材料结构来制备加热垫。GKN 宇航公司为波音 787飞机制造了8个加热垫（附着在前缘缝翼上），每个机翼上有4个。每个加热垫和前缘缝翼构成一个整体，是一个加热区域，每个前缘缝翼（即每个加热区域）又分为48个加热面。通过加热垫上预先加工好的孔洞可将加热垫固定在前缘缝翼上。考虑到飞机上的电能十分有限，所以加热垫尽可能的低能耗，该
13、加热垫工作时温度范围为7.221.1，能量损耗只有4575kW。该技术还有军事用途，用于V-22“鱼鹰”倾转旋翼机发动机进气口和F-35“闪电-”联合攻击机F135普惠发动机的进气道上，只须按不同需要改变加热垫的形状即可。上述的几种除冰技术都有各自的优缺点，为了提高防除冰效果,飞机上不同部位通常需要采用多种不同的防除冰系统。以波音777飞机为例,其机上防除冰系统设计主要由结冰自动探测、发动机防冰、机翼防冰、驾驶舱舷窗加温、风挡玻璃加温等系统组成。二、飞机环境控制主要参数检测1.概述飞机环境控制系统是保证飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需的适当环境条件的整套装置。飞机环境控制系统包括座
14、舱供气和空气分配、座舱压力控制 、温度控制、湿度控制等。飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需的适当环境条件的整套装置。又称飞机增压和空气调节系统。飞机发明前，人们通过气球试验认识到高空稀薄空气对人体的危害。20世纪30年代中期，飞机座舱增压和空气调节技术得到迅速发展。现代飞机的环境控制系统以控制座舱和设备舱的压力和温度为主，它包括增压座舱、座舱供气和空气分配、座舱压力控制、温度控制和湿度控制等。增压座舱是使舱内压力高于环境气压并按高度自动调节，保持舱内空气清洁。增压气源有两种方式：一是以发动机压气机出口引出的增压空气作为供气源，其优点是简单、可靠，已得到广泛应用；另一种是采用从周围大气
15、中吸入空气，经增压后供气。飞机的空气分配系统是使调温空气流入舱内造成均匀的、令人舒适的空气环境，并要求气流噪声小。旅客机备有个人通风嘴、旅客可随意调节通风量和气流方向。由于飞机有大量的电子设备，其发热量是飞机座舱温度控制中的一个重要问题。特别对于战斗机，除座舱空调外，飞行员可穿着具有热调节功能的通风服或液冷服。舱温在1526时，空气湿度变化对人体影响不大，所以大多数飞机对空气湿度不进行控制。但环境控制系统一般都有除湿装置，以除去制冷系统产生的水分。2.研究目的飞机在高空飞行时，其座舱内部环境是与外界大气条件相对存在而且紧密相关的。当飞机从地面升入高空时，它所遇到的外界环境条件的变化是很急剧的：外界大气压力可以从 一个大气压变化到接近真空：可在几分钟内由受地面夏季炎热的炙烤突然遭到严寒的侵袭；还会经常遇到从高温高湿的热带或南方地区地面环境即刻进入温度为负、湿度几乎为零的高空。这种外界环境的急剧变化必然会对飞机座舱内的空气参数产生一定的影响。大气物理特性主要是指大气的压力和温度、以及湿度等参数随高度的变化规律。这些大气参数对空中人员的生理和机上设备的正常工作都有很大影响，也是进行座舱空气调节系统工作的重要参数。为了克服飞行环境的变化对飞行人员的不利影响，给飞行员创造良好的工作条件，从而确保飞行安全，现代飞机逐渐地采用了较为完善的空中保障设备。这些设备包括：座舱的密封装置、增压和通风
