Brevet FR2695373A1 — publié le 19940311

i Détecteur pour indiquer une formation de glace sur l'aile d'un aéronef. Dans les aéronefs modernes, le profil de l'aile est crucial pour le vol Si ce profil est altéré pour une raison quelconque, les caractéristiques de vol et par conséquent les caractéristiques de sustentation de l'aile sont notablement détériorées. Le profil de l'aile change à peine dans des condi- tions normales, sauf lorsque de la glace se forme sur la surface de l'aile pour différentes raisons En effet, une formation de glace sur les ailes d'aéronefs est devenue un risque important dans le trafic aérien, puisqu'il a été remarqué que les couches de glace peuvent croître jusqu'à une épaisseur de 25 mm, de telle sorte que les carac- téristiques de vol de l'aile sont sensiblement affaiblies. La formation de glace sur l'aile s'est avérée être la raison principale d'un nombre d'accidents de vol avec passagers récents La formation de glace implique un second inconvénient: dans de nombreux appareils à réaction, les moteurs et leurs admissions d'air sont situés à l'extrémité postérieure du fuselage, impliquant que, lorsque l'aile est courbée au décollage, la glace se détache et est absorbée directement par les admissions d'air du moteur, provoquant une rupture des aubes de turbine du moteur. La formation de glace peut survenir de différentes manières Durant le vol, les conditions atmosphériques peuvent être telles que de la glace commence à se former sur les ailes; également, les conditions météo durant le vol peuvent générer de la glace sur la surface de l'aile; cependant, la situation la plus inattendue survient lors- qu'un aéronef ayant volé à des altitudes élevées à une basse température (par exemple -500 C), une épaisse couche de glace s'accumule sur ses ailes après l'atterrissage à l'aéroport Ceci est dû au fait que le carburant a été fortement refroidi dans son réservoir durant le vol La conception des réservoirs de carburant permet au carburant de venir en contact de la surface supérieure de l'aile, la surface supérieure de l'aile étant extrêmement refroidie et accumulant de la glace sur la surface, bien que la tempé- rature de l'air à l'aéroport soit supérieure à zéro Ce processus de formation de glace a été difficile à vérifier et a causé des surprises dans le trafic aérien Les cons- tructeurs d'aéronefs ont bien entendu pris des mesures pour éliminer les risques provoqués par la formation de glace. Le procédé le plus courant est de pulvériser du glycol liquide sur les ailes, qui fait fondre la neige et la glace pouvant s'être accumulées sur l'aile Un autre procédé consiste à vérifier l'humidité et la température de l'air extérieur, permettant d'anticiper les conditions dans lesquelles une formation de glace se produit, et d'acheminer la chaleur de combustion provenant des moteurs vers le bord antérieur de l'aile pour faire fondre la glace Un détecteur de glace spécial est en outre prévu à l'extrémité antérieur du fuselage, et une alarme de formation de glace se déclenche si de la glace se forme sur la surface du détecteur Dans cette situation, des précautions peuvent être prises pour empêcher la formation de la glace Néanmoins, ce détecteur n'indique pas si de la glace s'est accumulée précisément sur la surface de l'aile. La compagnie Finnair en particulier a réalisé une détection de glace très simple sur ses appareils: une sorte particulière de bandes est fixée sur la surface de l'aile, les bandes flottant dans le courant d'air si la surface de l'aile est exempte de glace De plus, ladite compagnie a utilisé un type de rebord clairement visible qui peut être observé depuis le sol Si le rebord et les repères fixés à celui-ci ne peuvent pas être clairement discernés, ceci implique qu'il y a de la glace sur la surface de l'aile. En ce qui concerne l'art antérieur, on remarquera que la solution la plus courante est un détecteur fixé à l'extrémité antérieure du fuselage, le détecteur consis- tant en une baguette courte, vibrante, qui vibre en perma- nence à sa fréquence de résonance naturelle Si de la glace s'est formée sur la baguette vibrante, la glace et sa viscosité élevée modifient la fréquence de vibration et atténuent l'amplitude de la vibration Un détecteur légèrement différent basé sur des ondes ultrasonores, placé en un point quelconque sur l'aile, a été récemment lancé. Ce détecteur consiste en un disque métallique monté sur la surface du plan de l'aile, et un cristal ultrasonore au- dessous du disque provoque la vibration du disque métallique Si de l'eau est présente sur le disque, la viscosité de l'eau est suffisamment faible pour ne pas atténuer la vibration De façon converse, si de l'eau se trouvant sur le disque vient à geler, la viscosité est modifiée brusquement, et l'amplitude de la vibration diminue notablement, la diminution pouvant être détectée sur le cristal ultrasonique sous le disque Ce détecteur présente l'avantage de pouvoir être installé à l'endroit du réservoir de carburant, de telle sorte qu'il détecte la formation de glace au point o ceci serait très dangereux. L'inconvénient de ce détecteur est la difficulté du montage, puisqu'il doit être monté à l'intérieur du réservoir du carburant, qui est une solution dangereuse et coûteuse à cause de risques d'explosion, entre autres De plus, ce détecteur détecte la formation de glace uniquement en un point donné, ce qui n'est pas suffisant pour une sécurité totale. Le brevet FI 61289 décrit un détecteur ultra-sonique permettant de détecter la présence de "glace noire" sur une route bitumée en transmettant une impulsion ultra-sonique le long d'un fil mince, l'impulsion étant ensuite réfléchie à l'extrémité du fil Si le fil est recouvert de glace, aucune impulsion d'écho ne sera obtenue à l'extrémité du fil Ce détecteur présente l'inconvénient que lorsque le fil est revêtu seulement partiellement de glace, le point de congélation peut provoquer une réflexion supplémentaire, qui réduit la fiabilité de fonctionnement du détecteur De plus, la détection électronique nécessaire pour le détecteur est relativement compliquée Il est connu que l'électronique aérienne doit être aussi fiable et auto- matique que possible. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif, qui détecte au moyen d'une onde ultrasonique si de la glace s'est formée sur l'aile d'un aéronef ou par exemple autour de l'admission d'air du moteur Le dispo- sitif doit être de conception aussi simple et de fonctionnement aussi fiable que possible pour satisfaire aux exigences des dispositifs de sécurité de l'électronique aérienne. La présente invention est principalement caractérisée par le fait que le dispositif comporte, en tant que transducteur de mesure, un guide d'onde acoustique sous forme de fil ou de ruban mince possédant un émetteur ultra- sonique à une extrémité et un récepteur ultrasonique à l'autre extrémité, et par le fait que le dispositif comporte des dispositifs électroniques pour mesurer l'intensité et l'atténuation d'une impulsion ultrasonique propagée à travers le fil du transducteur dans le cas de formation de glace, et par le fait que la résistance électrique du fil est mesurée simultanément à la mesure de l'atténuation de l'onde ultrasonique, et par le fait que le fil peut être facultativement chauffé électriquement pour faire fondre la glace environnante, de manière que l'intensité de l'onde ultrasonique reprenne son niveau initial. Ainsi, le détecteur de formation de glace selon l'invention repose sur la caractéristique qu'un signal ultrasonique mécanique est émis le long d'un fil ou d'un ruban mince à une extrémité, et l'intensité du signal ultrasonique ayant traversé le fil est mesurée à l'autre extrémité Si le fil est recouvert d'une couche d'eau, l'onde ultrasonique ne sera pas atténuée, mais si l'eau gèle, l'onde ultrasonique ne peut pas se propager dans le fil, mais sera brusquement atténuée Si le fil est recouvert de boue, l'onde ultrasonique sera quelque peu atténuée à un niveau intermédiaire, auquel une détection de boue est également possible Il existe une grande différence de viscosité entre la glace et l'eau, et ainsi l'intensité de l'onde ultrasonique ayant traversé le fil sera également très différente Le fil utilisé peut avoir un diamètre de 1 à 2 mm et il peut être remplacé par un guide d'onde sous forme de ruban Le fil peut être en acier, en nickel ou en un autre matériau quelconque ayant une faible atténuation acoustique similaire, du nickel magnétostrictif étant cependant le plus approprié, car il n'est pas corrosif, il possède une résistance électrique relativement élevée (pour un chauffage électrique) et une onde ultrasonique peut être facilement générée dans celui- ci au moyen d'un transducteur magnétostrictif (ou d'un transducteur piézo-électrique) Il est en soi connu qu'une onde ultrasonique peut être générée dans un fil mince par magnétostriction, en enroulant une bobine autour du fil et une impulsion ultrasonique étant générée également dans le fil en appliquant une impulsion électrique à la bobine Une impulsion ultrasonique peut être reçue avec une bobine similaire et transformée en un signal électrique Une caractéristique essentielle de la présente invention est qu'elle n'est pas basée sur le principe d'une timpulsion- écho", mais sur le signal ultrasonique ayant traversé le fil et sur la détection de son atténuation Ceci constitue une différence fondamentale vis-à-vis de l'invention précitée Si de la glace n'apparaît pas sur le fil, le signal l'ayant traversé ne sera pas atténué et la situation est sous commande Ce n'est que lorsque le signal ayant traversé le fil est brusquement atténué, qu'il est probable que de la glace s'est formée sur le fil Le fil transducteur lui-même est monté sur l'aile comme décrit ci- après Un autre avantage essentiel est que le récepteur n'a pas à être synchronisé sur l'impulsion émise, ce qui simplifie considérablement l'électronique, et le récepteur peut être laissé en marche en permanence Une des raisons de la disparition de l'impulsion ultrasonique ayant traversé le fil peut également être que le fil soit cassé. Cependant, une rupture du fil est facilement détectée en mesurant la résistance du fil depuis une extrémité à l'autre à l'endroit des détecteurs Si la résistance n'est pas modifiée, l'atténuation n'est pas dûe à une rupture du fil Lorsque le fil est monté sur l'aile d'un aéronef, le montage est effectué sur un support isolant afin d'éviter un court-circuit de la résistance du fil par l'aile métallique Une contrôle supplémentaire est effectué en chauffant le fil avec un courant électrique par l'intermédiaire de contacts de mesure de résistance de sorte que la glace autour du fil fond à nouveau A pré- sent, le signal ultrasonique, qui a été déjà été atténué une fois, doit revenir, puisque le fil est uniquement entouré d'eau Grâce à ces moyens, la sécurité nécessaire est assurée pour l'indicateur de glace selon l'invention. La Figure 1 représente le dispositif de l'invention sous la forme d'un schéma synoptique. La Figure 2 est une vue schématique de la mise en place du transducteur sur l'aile d'un aéronef. La Figure 3 est une vue schématique de la mise en place du transducteur sur l'orifice d'une admission d'air du moteur. La Figure 4 est une vue schématique de certaines coupes possibles du fil transducteur ainsi que sous la forme d'un transducteur du type à mandrin amovible. En référence à la Figure 1, des impulsions ultra- soniques à une fréquence appropriée, de préférence comprises entre 150 et 250 k Hz, sont générées dans le fil transducteur 1 par un générateur de signaux pulsés électroniquement 2 Ce signal ultrasonique est généré dans le transducteur ultrasonique 3 à l'extrémité du fil, qui a été fixé au fil transducteur de telle sorte que l'onde ultrasonique soit transférée au fil transducteur d'une manière appropriée Le transducteur 3 peut être par exemple un transducteur piézocéramique possédant une ouverture appropriée dans laquelle le fil est enroulé, ou autrement le transducteur peut être un transducteur magnétostrictif en soi connu, consistant en une bobine enroulée autour du fil Un transducteur 4 est prévu à l'autre extrémité du fil transducteur 1 pour recevoir un signal ultrasonique transmis et le transformer en un signal électrique pouvant être détecté à l'aide d'un amplificateur électronique 5 qui amplifie le signal reçu à une amplitude telle qu'il peut être traité par des moyens connus en soi en électronique, par exemple en appliquant le signal reçu à un détecteur de seuil 6, qui délivre une alarme grâce au dispositif d'alarme 7 si le niveau du signal ultrasonique ayant traversé le fil transducteur a été beaucoup trop réduit Le dispositif selon l'invention comporte en outre en tant que partie essentielle, des conducteurs de mesure 8 fixés à chaque extrémité du fil transducteur, au moyen desquels la résistance du fil et ses variations peuvent être continûment mesurées à l'aide d'un appareil de mesure électronique 9 Les mêmes conducteurs peuvent facultativement être utilisés pour chauffer le fil transducteur avec l'organe de chauffage 10 de manière à faire fondre la glace entourant éventuellement le fil 1, qui assure une confirmation supplémentaire de formation potentielle de glace Ainsi, le fonctionnement du dispositif selon l'invention est tel que dans une situation normale, lorsque le fil transducteur n'est pas entouré de glace ou lorsqu'il est entouré d'eau ou éventuellement d'un antigel liquide tel que du glycol, l'onde ultrasonique se propageant le long du fil transducteur n'est pas atténuée et le récepteur 5 détecte un signal ultrasonique intense et le détecteur de seuil 6 relié au récepteur 5 ne délivre pas d'alarme Si le fil transducteur est recouvert de glace, l'onde ultrasonique est brusquement atténuée et le récepteur 5 ainsi que le détecteur de seuil 6 ne détectent aucun signal, de telle sorte que la cabine de pilotage reçoit une alarme de formation de glace Un rupture du fil est détectée en mesurant continûment la résistance du fil, qui augmente fortement lorsque le fil est rompu, ainsi qu'il est connu Lorsqu'une alarme de formation de glace est délivrée, une confirmation supplémentaire vitale est obtenue en chauffant électriquement le fil jusqu'à ce que la glace environnante fonde A cet instant, l'alarme indiquant une congélation doit s'arrêter. La Figure 2 représente le montage du fil transducteur sur l'aile 11 d'un aéronef au-dessus du réservoir de carburant 12 Le fil peut être courbé à travers des trous pratiqués dans l'aile de sorte que les transducteurs et leurs contacts électriques seront situés au-dessous de la surface de l'aile Il est évident que le fil doit être monté dans la direction du courant d'air de manière à créer un minimum de turbulence La Figure 3 représente un montage possible du fil transducteur dans l'admision d'air 13 d'un réacteur La Figure 4 représente les différentes coupes possibles du fil transducteur 1 Un fil transducteur rond peut avoir un diamètre de 1 à 2 mm, qui ne perturbe pas l'aérodynamique de l'aile Un transducteur qui est en réalité un guide d'onde peut également avoir la forme d'une bande ou d'un demi-cercle Il est plus facile de fixer ces transducteurs à la surface de l'aile que des transducteurs ronds Une couche isolante, par exemple une peinture époxy, doit être appliquée à la surface de l'aile au-dessous du fil transducteur, permettant de mesurer la résistance sans problème Le dispositif selon l'invention peut également être utilisé pour détecter différents stades intermédiaires de congélation, tels que la présence de boue ou la présence de glycol antigel épais, en contrôlant l'amplitude de l'onde ultrasonique se propageant dans différentes situations intermédiaires Le dispositif selon l'invention permet de mesurer la formation de glace sur une très grande surface, par exemple sur la totalité du réservoir de carburant, et si nécessaire, plusieurs fils transducteurs peuvent être montés le long de l'aile. Enfin, on remarquera une fois de plus que dans le dispositif à impulsion-écho selon le brevet FI 61249, une congélation partielle du fil ou de supports de fil pressant le fil vers la surface support peuvent produire un faux écho, et ainsi la fiabilité de ce dispositif est douteuse. Dans le dispositif selon la présente invention, des signaux égaux ne sont pas détectés, mais un signal ultrasonique ayant traversé le fil, qui n'est pas sensible aux faux échos De plus, ce dispositif n'est pas sensible à la longueur du fil puisque les ondes stationnaires de l'onde ultrasonique ne sont pas utilisées, mais spécifiquement des ondes se propageant à la manière d'impulsions Le transducteur ultrasonique 3 à l'extrémité du fil trans- ducteur peut également consister en une sorte de mandrin serré et désserré à l'aide d'un écrou 14, de la manière dont un foret est fixé au mandrin de machines de perçage. Le cristal piézo-électrique 15 est disposé à une extrémité du mandrin, à partir duquel l'onde ultrasonique peut se propager par l'intermédiaire des mâchoires du mandrin au fil transducteur 1 comme sur la Figure 4 De cette manière, le transducteur ultrasonique est facilement détaché et fixé à nouveau. 1 l R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif utilisant des ondes ultrasoniques apte à indiquer la formation de glace sur l'aile d'un aéronef, d'un stabilisateur d'altitude, de l'admission d'air d'un moteur ou d'une surface similaire, caractérisé en ce que le dispositif consiste en un guide d'ondes ( 1) sous forme de fil ou de ruban disposé sur l'aile ou une surface similaire, à travers lequel le transducteur ( 3) émet un signal ultrasonique vers le récepteur ( 4) à l'autre extrémité du fil, qui permet de tirer des conclusions à propos de la formation de glace sur l'aile en observant l'atténuation du signal ultrasonique s'étant propagé dans le fil au moyen d'un amplificateur ( 5), la résistance du fil transducteur étant simultanément mesurée et le fil transducteur étant électriquement chauffé par des conduc- teurs ( 8) reliés à ses extrémités, de telle sorte qu'une formation potentielle de glace autour du transducteur ( 1) fond, de telle sorte que l'atténuation du signal détecté par le récepteur ( 4) reprend son niveau initial avant la formation de glace. 2 Dispositif utilisant des ondes ultrasoniques selon la revendication 1, apte à indiquer une formation de glace sur l'aile d'un aéronef ou une surface similaire, caractérisé en ce qu'en aval de l'amplificateur électroni- que ( 5) est disposé un détecteur de seuil électronique ( 6), qui délivre une alarme lorsque le signal reçu de l'am- plificateur s'abaisse au-dessous d'une limite donnée, et si nécessaire, le détecteur de seuil ( 6) met en marche automatiquement un organe de chauffage électronique ( 10), de telle sorte qu'une formation potentielle de glace autour du fil transducteur fond et l'atténuation du signal ultra- sonique et le signal d'alarme reprennent leur niveau initial avant la formation de glace. 3 Dispositif selon les revendications 1 et 2, apte à indiquer une formation de glace sur l'aile d'un aéronef ou une surface similaire, caractérisé en ce que le fil transducteur métallique ( 1) possède une section transversale circulaire, semi- circulaire ou sous forme de ruban et en ce que le transducteur est isolé du support métallique au moyen d'une peinture isolante appropriée ou d'un isolement similaire. 4 Dispositif selon les revendications 1 et 2, apte à indiquer la formation de glace sur l'aile d'un aéronef, caractérisé en ce que le transducteur ultrasonique situé à l'extrémité du fil transducteur est amovible et consiste en mâchoires de mandrin serrées avec un écrou ( 14) et acheminant l'onde ultrasonique générée par le cristal piézo-électrique ( 15) à l'extrémité du mandrin vers le fil transducteur.