Icing Alert for Drone Pilots with an Airborne IoT Sensor Cluster

Abstract

Atmosfærisk ising er et velkjent fenomen in nordiske land. Ising av fly er en vedvarende trussel for luftfartøy, og har vært forsket på siden andre verdenskrig. Ettersom at etterspørselen for bruk av droner på vinterstid har økt betraktelig, må det legges et økt fokus på fare for ising. Spesielt for systemer som skal operere autonomt, eller utenfor synsfelt. Mindre droner kan ikke utrustes med avisingsutstyr, noe som gjør dem ekstra utsatt ved flyvning i kjente isingsområder. Is kan akkumulere på flykroppen, vingene og propellene. Det kan vises til mange eksempler der isingsforhold har ført til feil på luftfartøy.

En sensorpakke kalt IceWarn for små droner er under utvikling. Sensorpakken skal predikere isingsforhold før dronen blir eksponert for ising. Å kunne gi dronepiloten en suksessfull varsling om isingsforhold før innflyvning i områder med atmosfærisk ising kan gi piloten en sjanse til å unngå situasjonen ved å endre kurs eller å avlyse flyvningen. Målet er å ha et lett, energieffektiv og selvstendig sensorsytem, som ikke er innvevd i flyets styringsregulator, autopilot eller strømforsyning. Dette gjør det enklere å integrere sensorpakken på forskjellige dronesystemer.

Evaluering av eventuelle isingsforhold krever dyp kjennskap til atmosfærefysikk, spesielt når det kommer til blandet-fase skyer, siden de har en mer kompleks mikrofysikk i motsetning til "vanlige" skyer (me vann kun i væskefase eller isfase).

For at superkjølte dråper skal eksistere, må omgivelsestemperaturen være under frysepunktet ved 0 grader. På grunn av at droner flyr i høy fart og det er en skarp overgang mellom klar luft og sky, er det mulig å måle veksten av aerosolpartikler. Dersom hygroskopiske aerosoler eksisterer i atmosfæren, vil vannpartiklene feste seg til aerosolene, noe som kan øke partikkelstørrelsen. Denne veksten kan måles optisk av det tilbakespredte lyset; når aerosolene øker i størrelse, endrer de sine optiske egenskaper. Ved å kombinere målinger av omgivelsestemperaturen, relativ fuktighet og optisk tilbakespredt stråling, er det forventet at man kan predikere om man møter et eventuelt område med isingsforhold.

Atmospheric icing is a well known phenomenon in the Nordic countries. Icing in manned aviation is an ongoing threat, and has been a field of study since World War 2. Today, as the fast-growing demand for winter operation of drones for commercial use has rapidly increased, additional attention due to the risk of icing is needed. Particularly systems operated autonomously, or beyond visual line of sight. For smaller drones that cannot be equipped with conventional anti- or de-icing technology, flying in known icing conditions might cause ice accumulation on the body, wing and propeller of the aircraft. There are many examples where icing conditions have led to aircraft failure.

A sensor package called IceWarn for small drones is under development, which shall predict icing conditions before the drone is exposed to icing. Being able to successfully alert the drone pilot about icing conditions before flying into areas with atmospheric icing might give the pilot to avoid such conditions by changing the trajectory of flight or to cancel the operation in a safe way. The goal is to have a lightweight, low-power standalone sensor system, which is not heavily embedded in the drones flight controller, autopilot or power supply. This eases the integration of the sensor package on different drone systems.

The assesment of a possible icing conditions requires deep knowledge of atmospheric physics, especially for Mixed phase clouds, as they have a much more complex governing microphysics compared to "regular" clouds (with only liquid or ice phase of water). For supercooled liquid droplets to exist, the ambient temperature must be below the melting point at 0 degrees. Due to the high speed of drones and the abrupt transition from clear air to cloud, a possibility is to measure the aerosol particle growth. In an atmosphere with hygroscopic aerosols, water adheres to the aerosols, which lead to an increase in particle size. This aerosol particle growth can be measured with optical backscattering; as the aerosol size increases, the size affects their optical properties. By combining ambient temperature measurements, relative humidity and optical backscatter measurements, it is expected that an approaching area of icing can be predicted.