旋翼防冰系统和方法

旋翼防冰系统和方法
【专利摘要】一种用于经由一个或多个防冰控制器来管理旋转飞机上的结冰状况的方法。该方法包括用于在防冰控制器处接收来自结冰速率传感器的结冰状况信号、响应于所述结冰状况信号而至少部分地基于液态含水量(LWC)来确定除冰信号的步骤。该方法还包括用于经由布置在滑动环组件的至少部分中的数字通信总线来传输所述除冰信号到上配电器以使所述上配电器传输功率到用于各自的旋翼叶片的一个或多个加热元件的步骤。
【专利说明】旋翼防冰系统和方法
[0001]发明背景
[0002]1.发明领域
[0003]本发明涉及用于旋转飞机的防冰技术，并且尤其涉及使用数字结冰速率检测的旋翼防冰系统和方法。
_4] 2.相关技术的描述
[0005]在旋翼式飞机的旋翼叶片上累积冰是特别危险的。例如，旋翼叶片的前缘上的冰累积引起阻力增加、升力损失、失速速度增加和未稳定的飞行。甚至前缘上最小量的冰可以破坏气流模式并最终会导致坠毁。
[0006]虽然多年来传统的防冰技术已经开发和部署在各种固定翼飞机上，但是一些防冰系统已被开发用于旋转飞机。通常，由于额外的重量、复杂度、成本等，旋转飞机或直升机没有装备防冰系统。此外，部署在各种固定翼飞机上的技术不适合于旋转飞机应用(例如，可充气件启动破坏沿着机翼的冰的形成)。
[0007]虽然用于冰管理的一些技术已被开发用于旋转飞机，但是在本领域仍然有对用于旋转飞机的冰管理的改进技术的持续需要，同时考虑飞机重量(例如，使一些航线可置换单元(LRU)最小化)和系统复杂性。本发明提供了这些问题的解决方案。
发明概要
[0008]本发明的目的和优点将在下面的描述中被阐明并且根据下面的描述将变得明显。本发明的额外的优点将通过其书面说明书和权利要求书中特别指出的以及来自附图的方法和系统来实现和获得。
[0009]为了实现这些和其它优点并且根据此公开，如本文实施的，提供了一种用于经由一个或多个防冰控制器来管理旋转飞机上的结冰状况的方法。该方法可以包括在防冰控制器处接收来自结冰速率传感器的结冰状况信号。例如，基于磁致伸缩振荡器的受监测的振荡频率，结冰速率传感器可以产生结冰状况信号。此外，结冰状况信号可以是动态地反映振荡频率随时间变化的调频信号。响应于结冰状况信号或除冰信号中的变化，该方法提供了至少部分地基于液态含水量(LWC)来产生除冰信号。该方法还提供了经由布置在滑动环组件的至少部分中的数字通信总线来传输除冰信号到上配电器。此除冰信号可以使上配电器传输功率到各自的旋翼叶片的一个或多个加热元件。在这些实施方案中，可以基于结冰状况信号的频率随时间的变化以及旋转飞机的主旋翼叶片的空速和旋翼每分钟转数(RPM)的至少一者来确定LWC。
[0010]在某些实施方案中，除冰信号可以是功率信号。在此类实施方案中，传输除冰信号的步骤包括根据工作周期传输除冰功率信号到一个或多个加热元件，以通过反复地累积和融化与各自的旋翼叶片的前缘接触的冰来使加热元件对各自的旋翼叶片除冰。此外，一个或多个加热元件可以包括用于各自的旋翼叶片的多个区。除了工作周期，除冰功率信号可以使多个区根据序列激活。
[0011]根据某些其它实施方案，该方法还可以包括向尾部旋翼叶片提供抗冰信号。在这些其它实施方案中，该方法提供了至少部分地基于液态含水量(LWC)来确定抗冰信号和传输抗冰信号到各自的尾部旋翼叶片的一个或多个尾部加热元件的步骤。此外，抗冰信号可以使一个或多个尾部加热元件防止冰在各自的尾部旋翼叶片上形成。此外，本方法还可包括至少部分地基于使电流流过尾部加热元件的至少一个或主旋翼叶片加热元件的一个来确定故障状况，以及传输故障状况到旋转飞机的航空电子系统。优选地，抗冰信号以与除冰信号被确定用于主旋翼叶片(例如LWC)相同的方式来确定。
[0012]根据本公开的系统实施方案，提供了一种用于旋转飞机的旋翼防冰系统。对于该系统，旋转飞机包括与各自的旋翼叶片相联接的一个或多个加热元件。旋翼防冰系统包括至少一个防冰控制器，其接收结冰状况信号并且作为响应，产生除冰信号。除冰信号至少部分基于液态含水量(LWC)。此外，至少部分地基于结冰状况信号的频率随时间的变化以及主旋翼叶片的空速和旋翼每分钟转数(RPM)的至少一者(取决于飞机是否是在盘旋)来确定LWC。旋翼防冰系统还包括与防冰控制器通信的一个或多个结冰速率传感器。结冰速率传感器可以包括传感器诸如磁致伸缩振荡器，其经由振荡频率检测结冰状况。每个结冰速率传感器检测结冰状况，并且响应于所检测到的结冰状况，产生由防冰控制器传输和接收的结冰状况信号。防冰控制器接收结冰信号、确定除冰信号并传输除冰信号到上配电器。上配电器经由布置在滑动环组件的至少部分中的数字通信总线与防冰控制器通信。上配电器从防冰控制器接收除冰信号并且作为响应，传输功率到一个或多个加热元件以对各自的旋翼叶片除冰。在这些实施方案中，结冰状况信号可以是动态地反映振荡频率随时间变化的调频信号。因此，响应于振荡频率随时间的变化，防冰控制器可以产生除冰信号。正如用于管理旋转飞机上的结冰状况的方法，旋翼防冰系统的上配电器可以根据时间表(例如，工作周期、区域激活等等)传输功率，通过反复地累积与融化与各自的旋翼叶片的前缘接触的冰来使一个或多个加热元件对每个各自的旋翼叶片除冰。此外，加热元件可以包括多个区，其可以按序列激活。
[0013]根据结合附图的优选实施方案的以下详细描述，本发明的系统和方法的这些和其它特征对于本领域的那些技术人员来说将变得更容易明白。
[0014]附图简述
[0015]因此，本发明所属领域技术人员将容易理解如何制造和使用本发明的设备和方法而无需过多的实验，本发明的优选实施方案将在下文参考一些附图进行详细描述，其中:
[0016]图1是根据本发明的具有冰管理系统的旋转飞机的透视图；
[0017]图2是本发明的冰管理系统的各种组件的示意图；
[0018]图3是在本发明的实施方案中使用的防冰控制器的图表视图；
[0019]图4是图3的冰管理系统的各种组件的详细示意图，显示通信总线；以及
[0020]图5是防冰和除冰旋翼叶片的方法的流程图。
[0021]优选实施方案的详细描述
[0022]现在参考附图，其中相似的参考数字标识本发明的类似的结构特征或方面。为了解释和说明而非限制的目的，根据本发明的具有冰管理系统的旋转飞机的透视图被示出在图1中并且通常由参考字符100标明。部署在旋转飞机100中的冰管理系统的特定部件被提供在图2-图5中，这将在本文描述。本发明的设备和方法可用于旋转飞机，包括单主旋叶轴和双主旋叶轴飞机配置。[0023]如图1所示，实例旋转飞机、直升机100包括冰管理系统。直升机100包括主旋翼105和尾部旋翼115，主旋翼105包括主旋翼滑动环107和多个主旋翼叶片110，尾部旋翼115包括多个尾部旋翼叶片120。如所示，直升机100还包括冰速率传感器125。在操作中，直升机100由一个或多个发动机(例如发动机130)供电,其经由飞机传输系统(未不出)将功率提供给主旋翼105和尾部旋翼115使主旋翼叶片110和尾部旋翼叶片120旋转。值得注意的是，虽然直升机100被示出在图中的特定配置中，但应当理解，本文公开的冰管理技术可用于任何类型的旋转飞机，包括双旋叶轴飞机、倾斜旋翼飞机等。
[0024]现在参考图2，示出了根据本发明的实施方案构造的防冰系统(例如，防冰系统200)的各种组件。值得注意的是，在优选实施方案中，冗余的组件被提供，以便避免潜在的故障状况并提高飞机的安全性。防冰系统200包括与一个或多个功率变换器断路单元210通信的一个或多个主防冰控制器205。每个功率变换器单元210还经由通过滑动环107的数字通信总线与上配电器215通信。上配电器215还与用于各自的旋翼叶片的一个或多个加热元件220通信。每个主旋翼叶片加热元件可包括多个区，例如通常五个或六个区。在一些实施方案中，单个加热区被通电或被提供功率一次。在操作中，在除冰周期期间，主防冰控制器205命令上配电器215按序列给每个加热区通电。例如，该序列可以包括来自各自的旋翼叶片的前缘的激活区。每个加热区被通电的时间量由至少部分地基于室外空气温度(OAT)、液态含水量(LWC)、空速、和/或主旋翼每分钟转数(RPM)的加热算法来确定。
[0025]仍然参考图2，每个防冰控制器205还与尾部照明箱225通信。尾部照明箱225经由尾部滑动环230与联接各自的尾部旋翼叶片的一个或多个加热元件235通信。图2示出了各种组件之间的通信以及直升机100内或周围的普遍放置。为了说明而非限制的目的示出了这种放置，如本领域技术人员理解的那样，该放置可以在直升机配置中改变。
[0026]现在参考图3，示出了示例性设备/防冰控制器300。防冰控制器300可包括一个或多个网络接口 310例如有线、无线等、至少一个处理器320和存储器340，它们通过系统总线350互连。
[0027]网络接口 310包括机械、电气和信号电路，用于将数据传递到飞机通信网络(例如公共航空电子体系结构系统(CAAS))和从飞机通信网络传递数据。注意，每个设备300可包括到各种其它传感器、组件和飞机系统的一个或多个不同类型的网络连接310(例如有线和无线/物理连接)视图，以及本文的视图仅仅是为了说明。
[0028]存储器340包括多个存储位置，其通过处理器320和网络接口 310是可寻址的，用于存储与本文描述的实施方案相关联的软件程序和数据结构。处理器320可包括适合于运行软件程序和操纵数据结构345的硬件元件或硬件逻辑。操作系统342的一部分通常驻留在存储器340中并由处理器运行，尤其，操作系统342在功能上通过调用支持设备上运行的软件处理和/或服务的操作来组织该设备。这些软件处理和/或服务可包括除冰处理/服务344和抗冰处理348，如本文所述。值得注意的是，除冰处理344通常对应于主旋翼叶片而抗冰处理348对应于防止尾部旋翼叶片上的冰累积。此外，除冰处理344和抗冰处理348可包括由处理器320运行的计算机可运行指令，以提供控制信号使一个或多个加热元件分别执行除冰和防冰功能。
[0029]本文描述的每个技术可由硬件、软件和/或固件执行，诸如根据处理344、348或它们的组合，其可包括由处理器320 (或接口 310的独立处理器)运行的计算机可运行指令。此外，虽然处理344和348被显示为安装在存储器340中，并因此用软件实施，但是这些处理可被实施在硬件(例如电路)、固件、软件或它们的组合的任一者中。可选地，这些处理可被配置在存储介质上，随后载入存储器340。存储介质可以包括与计算机程序编码的计算机可读介质，并且可以是以有形形式在其上存储这些处理的任何常规存储介质。存储介质的实例包括软盘、压缩盘、磁带、只读存储器、光存储介质、通用串行总线(USB)闪存驱动器等。可选地，存储介质可以包括位于远程存储系统和经由网络接口 310耦合到处理器320的随机存取存储器或其它类型的电子存储。如对于本领域的那些技术人员来说清楚的其他处理器和存储器类型，包括各种计算机可读介质，可用于存储和运行有关本文描述的技术的程序指令。此外，虽然本描述示出了各种处理，但是明确地表示，各种处理可被实施为被配置以根据本文的技术(例如，根据类似处理的功能)操作的模块。此外，虽然已经单独示出了这些处理，但是本领域技术人员将理解处理可以是其它处理内的程序或模块。
[0030]现在参考图4，示出了包括一个或多个通信总线的冰管理系统的各种组件的详细示意图。特别地，图4提供了关于图3所示的冰管理系统300的各种组件的详细示意图400，如上所述。
[0031]特别地，每个防冰控制器205经由一个信道(例如信道A或信道B)与上配电器215通信。此外，这些信道可包括数字通信总线诸如“控制器区域网络”(CAN)总线。如图所示，每个防冰控制器205可经由CAN总线连通到上配电器，CAN总线路由穿过功率变换器断路单元210和滑动环组件107。来自单个防冰控制器、经由数字通信总线的通信信号有利地减小了防冰系统的整体复杂性并将通信集中在单一单元中。
[0032]如所示，每个防冰控制器205传递除冰信号至上配电器215并使上配电器向加热元件220提供整流DC电源，加热元件220可操作地与各自的旋翼叶片110通信。如上所述，加热元件可以包括加热区，其可随后由上配电器215激活。另外，上配电器可以监测它自己的健康以及和通过检测流经其中的电流(例如，短路、开路等)监测加热元件的健康。此外，这些健康信号可以经由CAN总线被传输到防冰控制器205。这些健康信号可在上配电器分析以产生故障报告，或健康信号可以在各自的防冰控制器205处分析。此外，经由来自功率变换器断路单元210的离散输出和风扇转速计脉冲信号，每个防冰控制器205还可以监测各自功率变换器断路单元210的健康和状态。值得注意的是，风扇转速计信号指示风扇旋转频率，其用于验证功率变换器断路单元风扇使气流充分循环以保持操作温度。可以由防冰控制器监测的信号可以包括过热警告信号、风扇转速信号和安全功率断路反馈信号。此夕卜，如上所讨论的，由于系统冗余，每个防冰控制器还可以监测相对信道的安全功率断路反馈信号，其可以用于在接合它自己的设置之前验证相对信道的安全断路的状态。
[0033]在操作中，旋翼防冰系统最初经由飞机驾驶舱中从飞机航空电子系统405至一个或两个防冰控制器205 (例如，各自的防冰控制器上的信道A和信道B)的激活信号来开启。一旦初始化，每个防冰控制器205激活或开启防冰系统的各种其它组件。与信道A相关联的防冰控制器通常是防冰信号的主要来源，除非检测到存在故障促使防冰系统使用信道B。值得注意的是，本文的讨论聚焦于与信道A相关联的防冰控制器，其同样适用于与信道B相关联的防冰控制器，除非另有说明。
[0034]一旦启动或初始化，防冰控制器205接收来自各自的结冰速率传感器125的结冰状况信号、监测结冰状况信号随时间的变化并确定飞机的环境空气的液体含水量(LWC)。具体地，每个结冰速率传感器125可以包括磁致伸缩传感元件，其在没有任何冰增加的情况下通常在40kHz处振动。在操作中，传感元件(例如磁致伸缩传感元件)上的冰堆积引起振动频率降低。如本领域技术人员所理解的，各种类型的传感器可以用来检测并产生结冰状况信号，而不偏离本发明的范围和精神。
[0035]更具体地，每个防冰控制器205连续地监测结冰状况信号并将结冰状况信号与阈值(典型地，阈值可以被设置为反映对应结冰速率传感器125上冰的.015”的振荡频率)比较。一旦达到该阈值，防冰控制器205就发送除冰信号至上旋翼配电器215，以使上配电器215传输功率到用于各自的旋翼叶片110的一个或多个加热元件220。
[0036]在优选实施方案中，响应于结冰状况信号，防冰控制器205至少部分地基于液态含水量(LWC)来确定除冰信号。具体地，结冰状况信号可以用于确定结冰速率，其用于部分地确定LWC。关于这种结冰速率，由于结冰状况信号可以是动态地反映结冰速率传感器125的振荡频率中的变化的调频信号，每个防冰控制器205可以经由结冰状况信号随时间的变化(df/dt)来确定结冰速率(例如，冰如何快速地在结冰速率传感器125上堆积)。防冰控制器可以随时间监测结冰状况信号并确定结冰速率。关于LWC，结冰速率和主旋翼叶片的空速和/或每分钟转数(RPM)的至少一个可以用于确定LWC。也就是说，基于撞击在结冰速率传感器上的水滴的空速，空速状况通常用于确定LWC，然而，当飞机在盘旋时，由于RPM可以充当结冰速率传感器125上的气流下洗的代理，飞机RPM可用于确定LWC。
[0037]如上所讨论的，防冰控制器205可以采用除冰处理344和抗冰处理348分别用于主旋翼叶片和尾部旋翼叶片。关于除冰处理344，防冰控制器205从结冰速率传感器125接收结冰信号。响应于结冰状况信号，防冰控制器205至少部分地基于LWC和室外空气温度(OAT)来确定除冰时间表，并经由数字通信总线(例如，CAN总线)经由滑动环组件107将除冰信号传输到上配电器215。除冰信号使上配电器215传输功率到各自的旋翼叶片110的一个或多个加热元件。如上所讨论的，上配电器215与用于各自的旋翼叶片的一个或多个加热元件220通信，且每个主旋翼叶片加热元件可以包括多个区(例如，通常是五个或六个区)。通常，对于特定加热周期，一层薄冰被允许累积在主旋翼叶片上。一旦已经累积该层薄冰，上配电器215在短暂的持续时间内按序列把功率施加到加热元件的各加热区。该序列使冰与各自的前缘区域接触以融化并流出。一旦该层薄冰累积，那么该序列重复。这个加热周期重复，直到飞机已经安全地脱离结冰状况。
[0038]根据一个示例性实施方案，每个主旋翼加热元件可以包括多个加热区(例如，5个区、6个区等)。因此，在任何给定时间每叶片只有一个加热区通电。在除冰周期期间，防冰控制器命令旋翼上配电器按序列激活每个特定加热器区域。加热每个区所花费的准确时间量通过应用于特定应用的加热算法来确定，并且可以基于室外空气温度(OAT)、液态含水量(LffC)和/或主旋翼每分钟转数(RPM)。在加热元件的最后一个区被激活后，冰管理系统基于结冰状况(例如，0AT、LWC、RPM等)等待确定的时间段。等待时段也称为停留时间。例如，该序列由表I闻売显不，如下:
【权利要求】
1.一种用于经由一个或多个防冰控制器来管理旋转飞机上的结冰状况的方法，所述方法包括: 在防冰控制器处接收来自结冰速率传感器的结冰状况信号； 响应于所述结冰状况信号，至少部分地基于液态含水量(LWC)来确定除冰信号；以及 经由布置在滑动环组件的至少部分中的数字通信总线来传输所述除冰信号到上配电器，以使所述上配电器传输功率到用于各自的旋翼叶片的一个或多个加热兀件。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括: 基于所述结冰状况信号的频率随时间的变化以及所述旋转飞机的主旋翼叶片的空速和旋翼每分钟转数(RPM)的至少一者来确定所述LWC。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于磁致伸缩振荡器的受监测的振荡频率，所述结冰速率传感器产生所述结冰状况信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述结冰状况信号是动态地反映所述振荡频率的调频信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述上配电器根据工作周期传输功率到所述一个或多个加热元件，通过反复地累积与融化与所述各自的旋翼叶片的前缘接触的冰来使所述一个或多个加热元件对所述各自的旋翼叶片除冰。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述一个或多个加热元件被安排在多个区中，其中所述上配电器根据序列传输功率到所述多个区。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括: 至少部分地基于所述LWC来确定抗冰信号；以及 传输所述抗冰信号到各自的尾部旋翼叶片的一个或多个尾部加热元件，所述抗冰信号使所述一个或多个尾部加热元件防止冰在所述各自的尾部旋翼叶片上形成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个加热元件是主旋翼加热元件，所述方法还包括: 至少部分地基于使电流流过所述一个或多个主旋翼加热元件的至少一个或所述一个或多个尾部加热元件的一个来确定故障状况；以及 传输所述故障状况到所述旋转飞机的飞机航空电子系统。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述上配电器是主旋翼上配电器，其中所述各自的旋翼叶片是主旋翼叶片。
10.一种用于具有与各自的旋翼叶片相联接的一个或多个加热元件的旋转飞机的旋翼防冰系统，所述系统包括: 至少一个防冰控制器，其接收结冰状况信号并且作为响应，产生除冰信号。 一个或多个结冰速率传感器，其与所述防冰控制器通信，每个结冰速率传感器检测结冰状况，并且响应于所述检测到的结冰状况，产生所述结冰状况信号，其中每个结冰速率传感器传输所述结冰状况信号到各自的主防冰控制器；以及 上配电器，其经由布置在滑动环组件的部分中的数字通信总线与所述防冰控制器通信，所述上配电器从所述防冰控制器接收所述除冰信号并且作为响应，传输功率到所述一个或多个加热元件以对所述各自的旋翼叶片除冰。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述结冰速率传感器包括经由振荡频率检测所述结冰状况的磁致伸缩振荡器。
12.根据权利要求11所述的系统，所述结冰状况信号是动态地反映随时间的所述振荡频率的调频信号，其中响应于所述振荡频率随时间的变化，所述防冰控制器产生所述除冰信号。
13.根据权利要求10所述的系统，其中通过基于所述结冰状况信号的频率随时间的变化以及主旋翼叶片的空速和旋翼每分钟转数(RPM)的至少一者来确定液态含水量(LWC)，所述防冰控制器产生所述除冰信号。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述上配电器根据工作周期传输功率，通过反复地累积与融化与所述各自的旋翼叶片的前缘接触的冰来使所述一个或多个加热元件对每个各自的旋翼叶片除冰。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述旋转飞机包括与各自的尾部旋翼叶片相联接的一个或多个尾部加热元件，其中所述防冰控制器基于所述LWC传输功率到所述一个或多个尾部加热元件以使所述一个或多个加热元件防止冰在每个各自的尾部旋翼叶片上形成。
【文档编号】B64D15/20GK103569366SQ201310334765
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2012年8月2日
【发明者】H.E.加内特, M.M.韦布, J.L.斯科伦 申请人:罗斯蒙特航天公司