一种飞机二次结冰时间裕度控制方法、系统及计算机设备

本发明属于飞机除冰参数控制与处理，尤其涉及一种飞机二次结冰时间裕度控制方法、系统及计算机设备。

背景技术：

1、飞机结冰会极大破坏飞机的气动性能，严重影响冬季机场运行效率安全，因此在飞机起飞前有必要进行地面除/防冰以保证飞机的气动性能。飞机除冰是指去除飞机大翼及机身表面的冰、雪、霜等的过程。由于除冰液可以降低水的冰点从而可以延迟结冰时间，国际上通常采用将加热的除冰液喷洒到机身表面进行地面除冰、防冰。地面的积冰结冰研究主要基于温度、湿度、风速等传感器得到宏观结冰几率，对于微观结冰特性预测及结冰时间的精度计算有所不足。

2、飞机二次结冰时间裕度，是指除冰/防冰液阻止航空器受保护表面结冰、霜、雪的最短时间，飞机必须在除冰液保持时间内起飞，否则必须进行二次除冰作业，以免除冰液失效后机翼和其它典型表面冰、雪、霜的重新附着。

3、现有关于飞机二次除冰控制理论基于除冰液保持时间(hot)即除冰液在被保护的(经处理的)飞机表面能够防止冰和霜的形成以及雪的积聚的估计时间，保持时间来源于波音空客等航空器制造商amm手册/除冰液制造商/民用航空器维修行业标准mh3145.49“民用航空器除冰/防冰”规定和推荐的数据，但由于除/防冰液的保持时间与除冰液配比、流量及现场气象条件等参数有关，实际情况中除冰部门多以最严苛情况确定，除冰部门根据除冰液保持时间推荐值发出的二次除冰信号时间点和根据飞机除冰液实际保持时间发出的二次除冰信号时间点的差异对飞机除冰安全和效率影响较大，基于本方法提供的二次作业信号可以根据除冰现场环境和操作参数确定二次除冰作业信号发出时间点，从而有利于科学、高效、安全的飞机除冰过程控制。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有技术飞机二次结冰时间裕度控制中不易实施、抗干扰能力差，而且现有技术主要依赖人工经验、精度差、实际作业中费时费力，成本高。(2)现有技术中不能有效预测飞机整机二次结冰时间裕度和结冰时间点，不能为调度指挥部门提供科学、准确的参考，使得航班起降效率较低。(3)现有技术中，飞机二次结冰时间的确定依赖于生产厂商给定的参考值和作业人员的从业经验，然而在各种环境因素影响下，其值存在较大的波动性和误差；后续起飞优先级依赖于机组和空管部门估计判断，具有极大的偶然性，存在时间差和调度冲突等问题，影响航班起降效率。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种飞机二次结冰时间裕度控制方法、系统及计算机设备。

2、所述技术方案如下：飞机二次结冰时间裕度控制方法，包括以下步骤：

3、s1，采集飞机一次除冰工艺参数，根据环境温度、湿度、风速、机身表面粗糙度以及除冰液配比，计算机身表面残留除冰液浓度；所述工艺参数包括：流量、压力、射流温度；

4、s2，建立除冰液浓度与凝固点、相变热的对照数据库；

5、s3，根据发布或者采集的气象信息，调用对照数据库中信息，计算机身不同位置表面临界成核半径、冰核表面界面自由能；

6、s4，计算有除冰液残留的机身不同位置表面冰核成核率、冰核生长速率；

7、s5，计算机身不同位置表面近壁空间内表面冰晶覆盖率；

8、s6，根据适航要求及除冰要求计算机身结冰初始阶段冰晶覆盖率，计算机身不同位置二次结冰时间；

9、s7，根据不同位置特点和一次除冰参数差异，得到不同位置二次结冰时间点，确定整机二次结冰时间点，得到飞机二次结冰时间裕度。

10、在步骤s1中，采集飞机一次除冰工艺参数包括：通过采集飞机不同位置i处一次除冰参数，包括除冰液流量、环境温度、湿度、风速、机身粗糙度，通过如下浓度变化公式计算得到机身表面残留除冰液浓度；

11、c＝a×t+b×w+c×v+d×γ+e×q+c0

12、式中，a,b,c,d,e分别为环境因子修正系数，t为环境温度，w为大气湿度，v为环境风速，γ为机身表面粗糙度，q为喷口除冰液流量，c0为初始除冰液配比浓度，c为机身表面残留除冰液浓度。

13、在步骤s2中，建立除冰液浓度与凝固点、相变热的对照数据库包括：利用热电偶和差示扫描量热法测量不同浓度下除冰液的凝固相变热数值，建立除冰液浓度、冰点、凝固相变热数值的对应关系数据库，在二次结冰时间裕度控制时进行调用；

14、其中，差示扫描量热法曲线峰与内插基线之间的面积a正比于试样的焓变，即凝固相变热数值为：

15、

16、式中，δh为单位体积凝固相变热，为仪器常数，a为差示扫描量热法曲线峰与内插基线之间的面积。

17、在步骤s3中，计算机身不同位置表面临界成核半径、冰核表面界面自由能包括：

18、机身不同位置二次结冰初始阶段的冰晶成核临界半径和冰核表面自由能根据相平衡理论和经典成核理论计算得到；根据发布或者采集的气象信息，调用对照数据库中信息，计算机身不同位置表面临界成核半径、冰核表面界面自由能；

19、冰核临界成核半径如下公式：

20、

21、

22、式中，为冰核临界成核半径，γln为液、核界面能，δgv为体积吉布斯自由能；δh为单位体积凝固相变热，δt为当前环境过冷度，t0为当前状态冰点；

23、冰核表面界面自由能如下式：

24、

25、

26、式中，δg为冰核表面界面自由能，r为冰核表面的半径，δg为冰和液态水之间的吉布斯能量密度差，γsl为固液界面张力，f(θ)为计算因式，θ为表观接触角。

27、在步骤s4中，计算有除冰液残留的机身不同位置表面冰核成核率、冰核生长速率通过机身表面不同位置二次结冰初始阶段冰晶成核率和冰核生长速率根据非均质异相成核理论计算得到，根据非均质异相成核理论，计算有除冰液残留的机身不同位置表面冰核成核率、冰核生长速率；

28、成核率is由下式计算得出：

29、

30、式中，is为成核率，bs为常数，δg为冰核表面界面自由能，δgm为水分子迁移活化能，r为冰核表面的半径，t为当前环境温度；

31、冰核生长速率δv为：

32、

33、式中，δv为冰核生长速率，λ为界面厚度，n为界面分子个数，v为液固转化频率因子，δh为单位体积凝固相变热，δt为当前环境过冷度，t0为当前状态冰点。

34、在步骤s5中，计算机身不同位置表面近壁空间内表面冰晶覆盖率包括：在机身不同位置近壁空间内，二次结冰初始阶段由单个冰核生长速率计算得到单个冰晶在一段时间内的覆盖面积，冰晶覆盖率通过单位面积成核率和所有冰晶覆盖面积累积计算得到；取1m2机身表面为检测单位面积，形成的冰核均匀分布在检测单位面积内，对单个冰晶覆盖面积进行累积，则形核后时间间隔t内冰晶覆盖率为：

35、

36、式中，为冰晶覆盖率，bs为常数，λ为界面厚度，n为界面分子个数，v为液固转化频率因子，θ为表观接触角，δhv为检测单位面积内的除冰液凝固相变热，δt为当前环境过冷度，t0为当前状态冰点，r为冰核表面的半径，t为当前环境温度，δg为冰核表面界面自由能，δgm为水分子迁移活化能。

37、在步骤s6中，计算机身不同位置二次结冰时间包括：机身不同位置二次除冰作业的临界冰晶覆盖率求解覆盖率计算方程得到；根据适航要求，进行二次除冰作业的临界冰晶覆盖率为则机身二次结冰时间裕度t*为：

38、

39、式中，t*为机身二次结冰时间裕度，为二次除冰作业的临界冰晶覆盖率，bs为常数，δg为冰核表面界面自由能，δgm为水分子迁移活化能，r为冰核表面的半径，t为当前环境温度，λ为界面厚度，n为界面分子个数，b为液固转化频率因子，θ为表观接触角，δhv为检测单位面积内的除冰液凝固相变热，δt为当前环境过冷度，t0为当前状态冰点。

40、在步骤s7中，飞机二次结冰时间裕度通过机身不同关键位置的二次结冰时间裕度最小值给出，表达式为：

41、

42、式中，t*为整机二次结冰时间裕度，为各检测数据点二次结冰时间裕度。

43、本发明的另一目的在于提供一种异相成核机理驱动的飞机二次结冰时间裕度控制系统，该系统通过所述飞机二次结冰时间裕度控制方法实现，其特征在于，该系统包括：

44、机身表面残留除冰液浓度计算模块，用于采集飞机一次除冰工艺参数，根据环境温度、湿度、风速、机身表面粗糙度以及除冰液配比，计算机身表面残留除冰液浓度；

45、数据库建立模块，用于建立除冰液浓度与凝固点、相变热的对照数据库；

46、机身不同位置表面参数计算模块，用于根据发布或者采集的气象信息，调用数据库中信息，计算机身不同位置表面临界成核半径、冰核表面界面自由能；

47、机身表面冰核成核率、生长速率计算模块，用于计算有除冰液残留的机身不同位置表面冰核成核率、冰核生长速率；

48、近壁空间内表面冰晶覆盖率计算模块，用于计算机身不同位置表面近壁空间内表面冰晶覆盖率；

49、机身不同位置二次结冰时间计算模块，用于根据适航要求及除冰要求计算机身结冰初始阶段冰晶覆盖率，计算机身不同位置二次结冰时间；

50、整机二次除冰时间点确定模块，用于根据不同位置特点和一次除冰参数差异，得到不同位置二次除冰时间点，并确定整机二次除冰时间点和二次结冰时间裕度，根据适航要求发出二次除冰作业信号。

51、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的飞机二次结冰时间裕度控制方法。

52、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明为了解决现有二次结冰时间检测方法依赖人工经验、精度差、实际作业中费时费力等问题，结合机身表面结冰时的冻结特征提出了一种基于飞机二次结冰时间裕度控制方法。当一次除冰作业完成时，机身表面残留的除冰液在作业参数、环境参数、机身参数影响下会发生浓度变化，在环境温湿度等因素影响下进入第二次结冰阶段。基于此种特征，使得通过异相成核理论预测结冰程度和结冰时间成为可能，但目前还未有相关方面的研究；本发明具有自动化、普适性强，易于实施的特点，可以为机场的除冰保障和航班地面调度提供确切的时间节点，协助空管部门灵活控制航班起降程序，提高空域利用率和机场运行效率，对航空运输生产的高效、安全进行有极大的意义。