[发明专利]探测嵌入水汽云中的火山灰的系统和方法

说明书

技术领域

本公开一般地涉及当航空器遭遇火山灰羽状流(plume)时用于感测的系统和方法，并更具体地涉及在飞机上探测嵌入水汽云中的火山灰羽状流的系统和方法。

背景技术

如本文所使用，术语“火山羽状流”或“火山灰羽状流”意思是火山灰云，术语“火山气体”意思是活火山释放的气体，以及术语“烟流(gas plume)”意思是火山气体的羽状流。处于火山灰羽状流所占据的体积之外的分散的火山气体不被包括作为本文使用的后一术语“火山灰羽状流”的一部分。

火山灰可对飞行中的喷气式航空器产生危害，威胁人和家畜的健康，损坏电子装置和机械，并干扰发电和长途通信。火山灰包括火山喷发到空气中的岩石和天然玻璃的参差不齐的微小颗粒。风可携带灰烬数千英里，比其他火山危害影响更大得多的区域。

火山羽状流对航空器造成两个问题：(a)由于灰烬引起的发动机故障；和(b)由于灰烬和腐蚀性气体，航空器损坏和/或乘务人员和乘客受伤。火山灰颗粒是极端磨损性的。它们是参差不齐的岩石和玻璃颗粒，其可造成对喷气式发动机的内部作业的快速磨损。更重要的是，喷气式发动机一些部件中的高温可使经过发动机的灰烬熔化。灰烬接着再固化在发动机较冷的部件上，形成阻碍气流的层，干扰运动部件，并最终造成发动机故障。因此，期望航空器能够在遭遇灰烬之前探测到火山灰或在其后尽可能快地探测到火山灰以避免延长暴露于灰烬。

在航空器飞行期间探测和避免火山羽状流的各种已知的解决方案具有某些缺点。首先，对于被良好监测的火山，地面上的传感器或人可迅速观察到喷发并将其报告给飞行安全当局比如FAA。在这些情况下，对飞行人员发出通知。但是，世界各地许多偏远的火山仍未良好地安装仪器并可喷发而没有立即探测到。即使在探测之后，向飞行人员发布通知的机制延迟了处理和分发，在这期间未被警告的航空器可能遭遇羽状流。

第二，少数的卫星基于二氧化硫谱、热红外发射、可见的灰烬云或这些的组合能够从轨道探测火山羽状流。当卫星探测到火山羽状流时，对飞行人员发出通知。但是，卫星观测是不连续的。卫星途径之间发生的喷发可能持续6至12小时未探测到，这段时间大于航空器遭遇羽状流的足够时间。对于小的喷发或在多云条件期间无探测的周期可能更长。即使在探测之后，向飞行人员发布通知的机制延迟了处理和分发，在这期间未被警告的航空器可能遭遇羽状流。

第三，在白天晴朗天气时，飞行员可视觉上观察到明显的火山羽状流并避开它。视觉观察可用肉眼或用利用自然光、红外发射、经激光雷达测量的光学反向散射或利用标准航空器光源的光学反向散射的照相机完成。空气中的灰烬颗粒被暴露并能够反射光或发射红外辐射。但是，火山羽状流通常在夜间遇到和/或被嵌入其他云，比如包含水滴或冰晶的气象学的云中，使得视觉探测方法无效。在该说明书中，为了简洁水滴和冰晶在本文统称为“水凝结物”或“凝结物”，并且术语“凝结物颗粒”指包含灰烬颗粒的水滴或冰晶。气象学的云不仅仅围绕火山羽状流，而是，因为单个的灰烬颗粒作为凝结物颗粒的成核位置，单个的灰烬颗粒嵌入凝结物颗粒中。因此，灰烬颗粒是不可见的并对云的电磁签名几乎不起作用。

探测火山羽状流的红外发射的典型应用使用用于天然大气的传感器。例如，题目为“Detection system for Use in an an Aircraft”的美国专利号5,654,700提出一种系统，其将通过监测穿过灰烬云的红外辐射，探测航空器前方的火山灰云。但是，嵌入凝结物颗粒中的灰烬颗粒的光学和红外签名被掩饰并对这类红外传感器保持隐藏。

如果火山灰未被探测到，则对航空器乘务人员而言航空器已经飞行穿过含有火山灰的水汽云的第一征兆是发动机失灵。当发动机开始停止运转时通常的飞行员反应是增加功率。但是当火山灰存在时，这可能使得情况更糟糕。如果灰烬被怀疑是发动机失灵的原因，则飞行员可使发动机减速，打开发动机和机翼防冰设备并降低高度至以尽可能快地下降至低于灰烬云。该动作通常有助于恢复发动机功能。但是，因为航空器可能已经飞行穿过大量的灰烬，所以航空器部件可能已经遭受高代价的损坏，该破坏可能需要发动机零件的保养、维修或替换。因此，避免经过灰烬的任何飞行时间量有助于减少灰烬的任何潜在的破坏影响，和因此有助于节省维修时间和费用。

需要一种系统，其将探测嵌入云中的火山羽状流和嵌入淀物颗粒中的灰烬颗粒，并警告航空器避开这种火山羽状流，或快速改变航线以逃离这种火山羽状流。

发明简述