机翼薄冰实时探测与除冰系统设计

作     者：李泽军 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓霄

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：机翼结冰 冰型分类 薄冰厚度 平面电极 频率扫描 神经网络 电热除冰 

摘      要：机翼结冰被航空界认为是严重威胁飞行安全的因素之一。结冰会对飞机的飞行动力学产生多重不利影响,机翼表面短时间内的连续结冰会使得飞机的操控性和稳定性急剧恶化,会极大诱发飞机失速风险。近年来通航产业的飞速发展使得小型飞机和轻型飞机的数量迅速上升,相比于大型飞机,小型飞机的质量和体积较小,通航高度较低,飞行过程中会经常穿越过冷云雨层,使得其机翼结冰概率和对于结冰安全厚度的容忍度低于大型飞机,发生事故的概率也更大。目前国内外对于通航小型飞机的结冰尚无统一公开的评估标准,但相关研究表明,2 mm的结冰厚度已经会对小型飞机的飞行安全构成威胁,而对于该厚度范围内机翼薄冰的检测目前研究较少且并不能够实现对薄冰厚度的实时循环探测,这使得小型飞机无法在结冰初期和连续结冰条件下获知有关机翼表面结冰程度的有效信息,从而失去及时调整飞机姿态的先机,大大增加了飞机发生失速的几率。针对上述问题,本文从冰的介电频率特性进行理论分析,证明了电容式频率扫描方法在薄冰探测方面的可行性。设计了以AlO为主体材质的复合结构平面电极薄冰探测器,使用有限元仿真法从不同角度验证了探测器电热除冰装置的有效性。搭建了基于电容频率扫描电路的薄冰实时探测与除冰系统,并对系统功能的有效性分别在实验室和冰风洞环境下进行了双重测试。该系统实现了2 mm厚度内薄冰增长的有效探测,满足了小型飞机在持续结冰条件下需循环探测的需求。本文的具体研究工作如下:1.针对机翼表面覆冰特点,基于冰和水两种介质在1～100 kHz频率下的介电特性差异原理,提出了电容式频率扫描方法用于薄冰探测的基本方案;分析了薄冰增长过程中复合介电常数的变化,证明了该方法在冰厚探测方面的可行性;通过研究结冰过程中由于空气介质含量不同所造成的薄冰孔隙率差异,明确了其对薄冰复合介电常数的影响,为结冰探测器的研制奠定了理论依据。2.基于边缘电场检测原理,设计了一种四层复合式结构的平面电极薄冰探测器,由上至下分别为叉指电极层、高导热率AlO基层、屏蔽电极层和电热除冰层。探测器设计规格为110×60×1.5 mm,上层由11对插指电极组成,穿透深度可达到2.5 mm。电热除冰层由聚酰亚胺（Polyimide,PI）加热膜构成,设计面积覆盖探测器上层的电极结冰区域。通过有限元仿真研究了所设计的探测器加热除冰装置在-30℃环境温度和2 mm冰厚下的除冰时效,从理论层面探索了所设计探测器的循环结冰探测性能。3.搭建了基于电容频率扫描方法的机翼薄冰实时探测与除冰系统。系统由电容频扫单元、温度检测单元、冰厚回归预测单元和加热除冰单元组成。在实验室条件下制备了三种典型结冰冰型并使用所搭建系统对不同冰型厚度变化过程中的电容频率特性和除冰性能进行研究。实验结果表明,系统冰厚探测量程为0～2 mm,薄冰的分辨率可达0.1 mm,通过建立全连接神经网络模型对采集数据进行建模,模型在训练集、验证集和测试集上[-0.2 mm,+0.2 mm]区间内的厚度回归误差分别为97.7%、96.3%和70.5%。4.在冰风洞环境下对系统循环结冰探测性能进行了验证。设计了20°和30°两种迎风面角度夹具,研究了探测器在不同温度、不同空速和不同水含量下的结冰情况,并对结冰过程中的薄冰电容频率特性进行了实时采集。选取其中一个完整结除冰过程下的采集数据进行神经网络建模,训练集和验证集的预测厚度在[-0.2 mm,+0.2 mm]误差区间内的概率分别为99.1%和97.9%。利用所建模型对整个实验过程中的数据进行了测试,结果表明预测厚度能够有效跟踪0～2 mm内的薄冰厚度变化,可对探测器表面结冰状态进行动态反映。