无人机光学结冰探测器和结冰传感器

无人机光学结冰探测器和结冰传感器

通用航空飞机尾部结冰的反常之处在于，飞行员坐着向前看，但飞机的尾翼在尾部，从驾驶舱是看不到的。飞行中的通用航空飞机的尾翼上有冰的一个迹象是当控制装置变得“糊状”时。这是一个触觉上的线索，但当没有人用手操纵控制装置时，这对无人机来说是一个复杂的问题。

无人机可以在很高的高度飞行，并且可以长时间飞行。但是为了到达那里，他们必须穿越20000英尺以下危险的冰层形成区；那里是冰形成的地方。在这个高度以上，一般来说太冷了，机身上不会结冰。因为我们大气的温度下降率是每1000英尺-3.5华氏度，空气中的水分子可能已经处于固态，它们只是反弹。当液态水分子（云）撞击机身并冻结在原地时，这就是危险所在。
后来在机身较厚的构件（挡风玻璃和机翼）上形成冰。这是因为较厚的横截面构件会压缩更多的水分子，并且其累积的冲压空气加热效应比较薄横截面构件（尾翼的水平稳定器和方向舵）更大。较少的压缩加热意味着尾翼保持较冷，并且在机翼结冰之前提前结冰。
图1。这种商用的、现成的、飞行中的结冰传感器监测与探测器光学表面接触的任何物质的光学特性，无论是空气（无冰），还是水冰（冰警报）。周围的风把积水吹走了，但冰却粘住了。探测器由不导电的delrin和丙烯酸塑料制成，电磁兼容其主机的无线电环境，并且可以安装在无线电天线附近。

所以飞机尾部结冰的反常性在于，飞机尾部结冰的可能性比机翼上更大；尾翼看不见，冰对水平安定面的有害影响可能大于机翼上的冰，尤其是在着陆时。机翼前缘和上表面的冰已经够糟糕的了。它破坏了升力，它的重量（水的90%）不仅给动力装置增加了负担，而且大多位于重心的前方，使机头向下指向地面。在着陆时，冰对水平安定面的影响肯定比机翼上的影响要差。飞机的水平安定面实际上是一个小机翼，倒置安装。它产生向下的“升力”，迫使尾巴向下，鼻子向上。如果水平安定面在着陆时失速，机头可能会突然猛烈地俯冲下来。飞机在着陆时结冰引起的失速非常糟糕，因为可能没有足够的高度来恢复。

飞行中的态势感知在无人机中甚至比在有人驾驶的飞机中更为关键，因为没有对飞行员的触觉反馈。

图2。在美国航天局格伦结冰研究隧道进行的测试项目证明传感器符合实际标准SAE AS 5498¶5.2.1.1.1飞行结冰探测系统的*低运行性能。也在SAE AIR 4367¶4.11中列出。（注意左前景中的美国宇航局皮托管，用于调整风洞结冰攻角的旋转甲板）。

光学结冰探测器和结冰传感器特别适用于无人机，因为它们体积小、重量轻、灵敏度高，而且它们的探头可以完全由非导电塑料制成。

现代无人机被用作空中平台，用于监视、绘图、通信、消防、农业、搜索与救援以及其他无线电密集型应用。与传统的通用航空飞机相比，现代无人机往往体积更小、重量更轻，发动机功率更低，能源预算更低，并配有GPS和其他无线电设备。
正如任何其他无线电天线一样，无人机上的发射和接收天线需要一个肘部空间，以便正确地传播和接收电磁信号，而不会受到附近导电结构的干扰，这些结构可能会扭曲和损坏其脆弱的、低电平的卫星和地面无线电信号。
小型无人机上结冰传感器探头的有限表面积会使任何类型的金属冰传感器相对于飞机敏感无线电天线的定位和安装复杂化。为了解决这一问题，现代航空结冰传感器的外部传感探头采用对无线电信号透明的不导电塑料制成，对主机无人机无无线电干扰问题。

现代光学结冰探测器和结冰传感器通常由一个带气隙的塑料探针、电路板、外壳和电缆组成。探测器是一个delrin塑料悬臂梁，在机翼下方有两个光学窗口和一个反射墙，向外进入气流。在运行中，光学冰传感器检测液态水和固体冰之间的水的相变。飞行中的冰分子直接在探测器的光学表面形成，从而产生*大可能的灵敏度。
图4。现代光学冰传感器探头上的饱和冰。
接口板产生并接收光传感器激励信号。光学表面上*早形成的冰分子在分子水平上扰动了传感器的激发信号。该板解释并输出三条离散逻辑线上的传感器信号变化，即无结冰（000）、结冰警报（001）、更多结冰（011）或饱和结冰（111）。探测器的内侧端与埋入外壳内固体环氧树脂中的小型接口板配合，完全浸入水中。一根轻便的蓝色电缆将设备连接到主机系统。
光学冰传感器体积小，重量轻，没有兆赫时钟，也没有运动部件。它们从机翼内部安装，向下延伸，气隙向前朝向气流。整个装置用5/16“-24螺纹和螺母固定到位，就像普通的室外空气温度计安装在通用航空飞机上一样。
光学结冰传感器的高灵敏度归功于其铅笔薄的事实，因此产生了zui小的冲压空气加热空气对空气中的水分子的影响。由于这个原因，它们在机身、机翼和支柱等更胖、更暖和的机身构件之前，会先吸引固体冰分子。在无冰条件下，环境风会将液态水从传感器光学元件中移除，但冰会附着在传感器光学元件上并积累起来以备检测。
美国宇航局格伦的结冰研究风洞是世界上zui大的此类风洞，位于俄亥俄州克利夫兰，根据温度、湿度、海拔高度、空气速度、液态水含量、毛毛雨滴直径和空气压力矩阵，对光学冰传感器进行了测试和记录。测试风洞矩阵和报告可根据要求提供。

在结冰区域的暴露光学表面上形成的冰可以是透明冰，也可以是雾凇冰，这取决于大气变量。但光学透明的冰或不透明的雾凇冰对传感器没有影响。光学传感器可以根据冰的形状来报告冰的形成。从工厂运来时，光学冰传感器有一种形状，但当安装在无人机上，在高空飞行并面对冰时，它们可以改变形状。因为他们是完全固体和轻量化的传感器相比振动，光学结冰探测器和结冰传感器是非常强大的冲击和振动。与振动传感器相比，它们产生的空气阻力更小，并且为任何飞机增加了亮度。其重量轻的原因之一是它消除了电磁驱动传感器探头所需的多匝细线磁线圈的重量。

不仅消除了铜的重量，还减轻了金属框架的重量，以容纳和安装振动组件。光学冰传感器采用非常简单的直接传感技术，没有运动部件，制造和测试都很简单。制造成本远低于振动传感器。更重要的是，光学冰传感器大大降低了任何飞机的电力预算。简单的设计到任何无人机，他们只运行在一个单一的直流电压在6到30伏之间。在标准的24伏直流电输入下，它们的电流小于100毫安；你可以用一块5瓦的太阳能电池板给它供电。三条专用线的输出逻辑电平为0伏至3.3伏直流电。
无安装模板限制为光学传感器提供了很大的灵活性。探头可以从电子接口板上分离出来，方便地直接与无人机运行灯和皮托管集成。因为它们是用双组分环氧树脂封装的固体，所以它们是防爆的。因为系统集成非常简单，传感器在出厂时只需将连接线剥去并镀锡。MIL-SPEC连接器无要求。
现代冰传感器作为商用现货（COTS）产品提供。由于不幸的是，美国联邦航空局（FAA）没有公布飞行结冰传感器的TSO规范，航空界依赖于事实上的标准SAE航空航天规范AS-5498，核心段落¶5.2.1.1.1。光学结冰传感器也列在SAE航空航天信息报告AIR-4367第¶4.11段中。
随着无人驾驶飞行器在整个航空界越来越受欢迎，现代冰传感器对于帮助飞机操作员避免由冰引起的尾翼失速和其他与冰有关的危险变得同样重要。现代光学冰传感器取代了原始振动传感器的zui新出现，有助于提高技术水平。