Brevet FR2893135A1 — publié le 20070511

Système de détection et de localisation d'eau dans une structure sandwich d'aéronef Domaine de l'invention L'invention concerne un système pour détecter et localiser la présence d'eau dans des structures caissonnées d'aéronef et, notamment, dans des structures composites de type sandwich. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'aéronautique et, en particulier, dans le domaine de la maintenance avec contrôle non destructif des structures d'aéronef. Io L'invention s'applique plus particulièrement aux structures dites caissonnées, c'est-à-dire aux structures fermées réalisées en matériaux composites avec une enveloppe externe en carbone et une couche interne en nid d'abeille. Etat de la technique Dans le domaine de l'aéronautique et, en particulier, de la is maintenance des aéronefs en service, il est important de détecter la présence d'eau dans les structures de l'aéronef. En effet, de l'eau peut être présente dans certaines pièces dans l'aéronef, notamment dans des pièces en matériaux composites de type sandwich. Un matériau de type sandwich comporte une structure alvéolaire formant une couche interne. Cette couche 20 interne est recouverte de chaque côté par une peau. La structure alvéolaire peut être une couche en nid d'abeille en carton, comme le Nomex , ou en nid d'abeille en fibres de verre ou en mousse. Les peaux peuvent être réalisées en un matériau imperméable. Elles peuvent être façonnées de façon à se rejoindre, sur le bord de la pièce, formant ainsi une enveloppe 25 autour de la structure alvéolaire. Les pièces ainsi formées sont appelées des structures caissonnées. Par exemple, les trappes de trains d'atterrissages, les gouvernes de profondeurs, les radômes ou encore les élévateurs sont des pièces qui sont fréquemment réalisées en composite sandwich. Or, la présence d'eau dans ces pièces, notamment dans la couche 30 interne formant la couche intermédiaire de la structure caissonnée, affecte la tenue et le poids des structures ce qui peut entraîner un comportement indésirable de l'aéronef en vol. Actuellement, la présence d'eau dans ces structures est détectée, soit par des inspections régulières lors de la phase de maintenance, soit par des 35 manifestations de sa présence (gonflement des structures, taches de condensation, etc.) soit, dans les cas les plus extrêmes, par les effets sur des actionneurs mécaniques du fait de l'augmentation du poids de la structure. Actuellement, dans le cas d'une inspection lors d'une tâche de maintenance de l'aéronef, la présence d'eau dans des structures sandwich est généralement détectée à l'aide d'une source extérieure de chaleur. Cette technique de détection classique consiste à chauffer l'eau présente à l'intérieur de la structure sandwich au moyen d'une source de chaleur extérieure. Cette source de chaleur peut être une étuve ou une couverture chauffante, c'est-à-dire une couverture traversée par une résistance Io permettant de chauffer l'ensemble de la surface recouverte par ladite couverture. Le chauffage de l'eau provoque, soit une déformation de la structure, soit une augmentation de la température de la surface de la structure. Pendant la phase de maintenance de l'aéronef, si une déformation de la structure ou une élévation de la température de la surface de la is structure est détectée, le personnel de maintenance en déduit la présence d'eau dans ladite structure à l'aide soit d'un interféromètre (système de shearographie) soit d'une caméra sensible aux rayonnements infrarouges. La détection d'une déformation de la structure sandwich est réalisée par un procédé d'interférométrie holographique. L'interférométrie 20 holographique est une méthode de localisation basée sur l'utilisation de deux images holographiques superposées, qui font apparaître les parties d'une pièce où les contraintes se manifestent. En d'autres termes, l'interférométrie holographique consiste à réaliser deux images holographiques, c'est-à-dire deux images en relief, que l'on superpose pour faire apparaître les 25 différences entre les deux images. Ces différences correspondent à la déformation de la structure sandwich. On en déduit qu'à l'emplacement de la déformation, se trouve de l'eau dans la couche intermédiaire de la structure sandwich. L'augmentation de la température de la surface de la structure est 30 détectée au moyen d'une caméra thermique ou d'une caméra infrarouge dont la particularité est de mettre en évidence, sur une image, les zones de la surface de la structure où la température est différente. A l'emplacement de ces zones, se trouve de l'eau dans la couche intermédiaire de la structure sandwich. Cependant, cette technique nécessite de chauffer l'ensemble de la structure à inspecter dans le but de chauffer l'eau éventuellement infiltrée dans la couche intermédiaire de ladite structure. Or, il est à noter que certains défauts de construction de la structure, tels que des excédents de résine ou d'adhésif, présentent la même signature thermique qu'une alvéole en nid d'abeille dans laquelle se trouve de l'eau. Ainsi, sous l'effet de la chaleur, ces défauts ont la même représentation visuelle, sur les images acquises par la caméra, que des infiltrations d'eau. Cette technique ne permet donc aucune discrimination des défauts. La présence de résine ou Io d'adhésif en excès est détectée comme la présence d'eau dans une alvéole. Le personnel de maintenance procède alors à des réparations qui n'ont pas lieu d'être. En outre, le fait de chauffer l'ensemble de la structure à inspecter entraîne l'utilisation d'un dispositif relativement encombrant et lourd à mettre is en oeuvre : dans le cas d'un chauffage en étuve, il est nécessaire d'isoler la pièce à inspecter dans une étuve ; dans le cas d'une couverture chauffante, il faut installer la couverture chauffante bien à plat sur la pièce à inspecter et la connecter à une source d'alimentation électrique. De plus, pour réaliser l'inspection des structures sandwich, il est 20 nécessaire d'immobiliser l'aéronef préalablement à toute réparation, afin de déterminer s'il y a ou non-infiltration d'eau dans la structure. La période nécessaire à l'inspection de l'aéronef est relativement longue, de l'ordre de 8 heures. Or, l'immobilisation d'un aéronef est coûteuse. A ce temps d'immobilisation pour inspection, il faut d'ajouter aussi le temps nécessaire à 25 la préparation de la structure, soit environ 32 heures, ainsi que le temps de démontage, de remontage et d'ajustement des pièces qui ne peuvent pas être inspectées sur l'aéronef. Le temps d'immobilisation total de l'aéronef est donc relativement important, ce qui entraîne un coût important. Exposé de l'invention 30 L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un système permettant de chauffer uniquement l'eau infiltrée dans la structure. La peau extérieure de la structure sandwich n'est pas chauffée totalement, ce qui a pour effet que les éventuels défauts de construction de la structure 35 ne sont pas chauffés et, donc, ne sont pas détectés par la caméra. Pour cela, l'invention propose de chauffer l'eau présente dans une structure sandwich au moyen de micro-ondes électromagnétiques générées dans la structure à inspecter, ces micro-ondes ayant pour effet de chauffer l'eau. La détection d'eau se fait ensuite au moyen d'une caméra thermique ou d'un dispositif d'interférométrie holographique. Ce système a l'avantage de détecter facilement la présence d'eau dans la structure sans nécessité une longue immobilisation de l'aéronef, ce qui permet de réaliser les réparations précocement et, donc, à moindre coût. De façon plus précise, l'invention concerne un système de détection et io de localisation d'eau dans une structure sandwich pour aéronef, comportant un moyen pour chauffer l'eau présente dans une couche intermédiaire de la structure sandwich et un moyen pour prendre au moins une image d'une surface de la structure sandwich, ladite image montrant des zones remarquables de ladite surface correspondant à la présence d'eau dans la is couche intermédiaire, caractérisé en ce que le moyen pour chauffer l'eau comporte un dispositif pour émettre des micro-ondes à l'intérieur de la structure sandwich. L'invention peut comporter également une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 20 - le dispositif d'émission de micro-ondes comporte un générateur de micro-ondes, extérieur à la structure sandwich, au moins un émetteur de micro-ondes, situé à l'intérieur de la structure, et au moins un guide d'ondes pour transmettre les micro-ondes du générateur à l'émetteur. - le générateur de micro-ondes émet des ondes à une fréquence 25 sensiblement égale à la fréquence de résonance des molécules d'eau. le moyen pour prendre des images est une caméra infrarouge ou une caméra thermique apte à détecter une zone chaude à la surface de la structure, cette zone chaude correspondant à la présence d'eau chauffée par les micro-ondes. 30 - le moyen pour prendre des images est un dispositif d'interférométrie holographique apte à détecter des zones déformées de la surface de la structure sandwich, ces zones déformées correspondant à la présence d'eau chauffée par les micro-ondes. - le dispositif d'émission de micro-ondes comporte deux émetteurs de 35 micro-ondes. - les deux émetteurs de micro-ondes émettent à des fréquences différentes. - un émetteur de micro-ondes est une antenne inamovible. - une antenne inamovible comporte une embase fixée sur la structure et une tige conductrice située à l'intérieur de la structure. - un émetteur de micro-ondes est une antenne amovible. - une antenne amovible comporte une tige conductrice installée dans un orifice de la structure, cet orifice étant obturé par un bouchon étanche, en vol. io L'invention concerne également un procédé de détection d'eau dans une structure sandwich pour aéronef, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes : - émission de micro-ondes à l'intérieur de la structure sandwich, -réalisation d'au moins une image d'une surface de la structure is sandwich, et - détection, sur l'image de la surface de ladite structure, d'une zone remarquable correspondant à la présence d'eau dans une couche intermédiaire de ladite structure sandwich. Brève description des dessins 20 La figure 1 représente schématiquement un exemple de système de détection d'eau selon l'invention. La figure 2 représente un exemple d'image obtenue avec une caméra infrarouge selon l'invention. La figure 3 représente un autre exemple d'image obtenue avec le 25 système de l'invention, dans le cas où la signature thermique est non homogène. La figure 4 représente encore un autre exemple d'image obtenue avec le système de l'invention, dans le cas où la signature thermique est homogène. 30 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne un système pour détecter la présence d'eau dans une structure sandwich, par injection de micro-ondes dans ladite structure. Un tel système est représenté schématiquement sur la figure 1. Cette figure 1 montre un exemple de structure à inspecter équipée du 35 système de l'invention. La structure à inspecter 1 est une structure, ou pièce, fermée comportant une ou plusieurs alvéoles. Dans l'exemple de la figure 1, la structure à inspecter 1 a une forme rectangulaire. Il est bien entendu qu'elle peut avoir des formes diverses et, en particuliers, des formes adaptées à la structure d'un aéronef. Cette structure à inspecter peut être, par exemple, la trappe de train avant d'un aéronef. La structure à inspecter est une structure sandwich ayant des peaux en carbone et une couche intermédiaire en nid d'abeille. Le nid d'abeille a l'avantage de ne pas absorber les ondes électromagnétiques. Le carbone présente l'avantage d'être infranchissable par les ondes électromagnétiques. Io Ainsi, avec une telle structure, les ondes injectées à l'intérieur de la structure sandwich se propagent dans la couche en nid d'abeille, entre les deux peaux en carbone. Ces ondes, lorsqu'elles rencontrent de l'eau, ont pour effet de chauffer cette eau. Comme montré sur la figure 1, le système de l'invention comporte un is dispositif pour émettre des micro-ondes à l'intérieur de la structure à inspecter. Ce dispositif d'émission comprend un générateur d'ondes 2 situé en extérieur de la structure à inspecter 1. Les ondes produites par le générateur 2 sont des micro-ondes. Ce dispositif d'émission comporte aussi un émetteur 3, ou antenne, installé dans la structure 1. Au moins un émetteur 20 est monté dans chaque pièce à inspecter de l'aéronef. L'émetteur 3 de la pièce à inspecter 1 est relié au générateur 2 au moyen d'un guide d'ondes 6. Ce guide d'ondes peut être un câble coaxial. Le guide d'ondes 6 transmet à l'émetteur 3 des micro-ondes générées par le générateur 2. L'émetteur 3 transmet ces micro-ondes dans la couche 25 interne, c'est-à-dire la couche en nid d'abeille, de la structure 1. En se propageant dans la couche interne, les micro-ondes chauffent l'eau présente dans la structure 1. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les micro-ondes sont générées à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de 30 résonance des molécules d'eau, ce qui excite les molécules d'eau. Cette excitation se traduit par une augmentation de la température de l'eau. La chaleur dégagée par cette augmentation de la température de l'eau se transmet à la surface de la structure à inspecter. Cette chaleur a pour conséquence de chauffer et de déformer une zone de la surface de la 35 structure. Le système de l'invention comporte également un dispositif de prise d'images 5, situé à l'extérieur de la structure à inspecter 1 et qui réalise au moins une image de la surface de la structure. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de prise d'images est une caméra thermique ou une caméra infrarouge qui réalise une image de la structure à inspecter. La caméra thermique et la caméra infrarouge ont la particularité d'analyser les différents éléments de la prise de vue en fonction de leurs radiations thermiques. Elles permettent, l'une comme l'autre, d'identifier les points chauds sur une image. Dans l'invention, une telle caméra permet d'identifier io les zones chaudes de la structure à inspecter 1. Chaque zone chaude correspond à l'emplacement d'une infiltration d'eau dans la couche interne de la structure Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de prise d'images est un dispositif d'interférométrie holographique qui réalise deux images is holographiques de la surface de la structure à inspecter 1. Ces images holographiques sont superposées, permettant ainsi de détecter des zones déformées. Dans l'invention, ce dispositif d'interférométrie holographique détecte les zones de la surface de la structure 1 qui se sont déformées sous l'effet de la chaleur. Ces zones déformées correspondent chacune à 20 l'emplacement d'une infiltration d'eau dans la couche interne de la structure. Quel que soit le type de dispositif de prise d'images (dispositif d'interférométrie holographique ou caméra), les images obtenues de la surface de la structure à inspecter montrent les zones remarquables de ladite surface, c'est-à-dire les zones chaudes ou les zones déformées qui 25 correspondent à un point d'eau à l'intérieur de la structure. Dans un exemple du système de l'invention, le générateur 2 émet des micro-ondes à une fréquence de 2,45 GHz. Les micro-ondes ne traversant pas les peaux en carbone de la structure sandwich, elles restent contenues dans la structure fermée ; elles peuvent donc être émises sans risque pour la 30 sécurité du personnel de maintenance. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'émetteur est une antenne inamovible. Elle est donc installée à demeure dans la structure. Dans ce cas, chaque pièce de l'aéronef susceptible d'être inspectée comporte au moins une antenne fixe. Une telle antenne peut comporter : - une embase fixée dans la peau en carbone de la structure à inspecter. L'embase comporte une borne d'entrée apte à recevoir le guide d'onde 6. - une tige conductrice fixée sur l'embase et formant une protubérance dans la couche interne de la structure à inspecter. Cette tige conductrice transmet les micro-ondes à l'intérieur de la structure 1. La longueur de cette tige conductrice est adaptée à la structure à inspecter. Par exemple, la tige conductrice peut avoir une longueur de l'ordre de 30 mm. Dans un autre mode de réalisation, l'émetteur est une antenne Io amovible. Dans ce cas, un orifice est préformé dans la peau en carbone de la structure à inspectée. En phase d'inspection, l'antenne est installée dans cet orifice. Hors phase de maintenance, l'orifice est obturé au moyen d'un bouchon étanche. Ce bouchon peut être, par exemple, vissé dans la structure. Ainsi, lors de l'inspection de la structure, le bouchon est dévissé et is l'émetteur est installé à la place du bouchon dans l'orifice. Lorsque l'inspection est terminée, le bouchon est revissé dans l'orifice. Un tel émetteur a l'avantage de n'entraîner aucune traînée, en vol, notamment lorsque la structure est placée dans le flux aérodynamique. Dans un autre mode de réalisation, l'orifice est rempli par de la résine 20 dès que la structure est hors maintenance. Qu'il soit fixe ou amovible, l'émetteur peut être une antenne radiale c'est-à-dire qui émet dans toutes les directions d'un plan, en particulier lorsque la puissance d'émission des micro-ondes est élevée, ou une antenne à faisceaux directionnels, en particulier lorsque la puissance disponible est 25 moindre. Sur la figure 2, on a représenté un exemple d'image de la surface d'une structure sandwich infiltrée d'eau, obtenue avec une caméra infrarouge. Sur cette image, on remarque une pluralité de taches, chaque tache correspondant à la détection d'une zone chaude à la surface de la 30 structure. L'une de ces taches a une forme particulièrement ronde : elle correspond à l'antenne 3. L'emplacement de l'antenne étant connu, il est facile de repérer, sur l'image, la tache correspondant à l'antenne par rapport aux autres taches. Les autres taches détectées 7 correspondent à des points chauds de la surface de la structure. Chaque point chaud correspond à la 35 présence d'eau infiltrée dans la structure. Ainsi, l'image fournie par la caméra infrarouge permet de repérer, sur la peau externe de la structure sandwich, les zones chaudes dont l'emplacement correspond à la présence d'eau dans la couche interne. Puisque seule l'eau est sensible aux micro-ondes, toutes les zones chaudes détectées à la surface de la structure sandwich correspondent à une zone infiltrée d'eau. Les défauts de constructions ne sont pas détectés. Dans les modes de réalisation décrits précédemment, un seul émetteur est utilisé pour transmettre les micro-ondes dans la couche interne de la surface à inspecter. L'utilisation d'un seul émetteur peut entraîner une Io non-homogénéisation du champ électromagnétique dans la structure. Dans ce cas, les zones infiltrées d'eau ne présentent pas une élévation de température identique. Les taches sur l'image ont des aspects différents. Un exemple d'image obtenue par une caméra infrarouge dans laquelle la signature thermique est non homogène est représenté sur la figure 3. Dans is cet exemple, l'émetteur permet une détection d'eau sur une zone de 800 mm. Dans cette zone, quatre points chauds 8a, 9a, 10a, 11a, 12a sont détectés le long de la ligne L, en plus de l'antenne 3 : le point chaud 9a à 400 mm est plus gros que les autres ; le point chaud 11 a à 800 mm est plus petit que les autres. 20 Pour obtenir des signatures thermiques homogènes, correspondant à des taches sensiblement identiques sur l'image, l'invention propose un mode de réalisation dans lequel deux émetteurs sont installés dans la structure à inspecter, ce qui a pour effet d'homogénéiser le champ électromagnétique dans la structure. La fréquence du second émetteur peut être différente de 25 celle du premier émetteur. Les zones infiltrées d'eau présentent alors une élévation de température similaire. Les points chauds sur l'image ont donc une taille similaire, comme montre dans l'exemple de la figure 4. La détection des points chauds 8b, 9b, 10b, 11 b, 12b sur l'image se trouve ainsi facilitée. Les exemples des figures 3 et 4 correspondent à des images 30 obtenues au moyen d'une caméra infrarouge. Il est bien entendu qu'une détection des zones infiltrées d'eau avec une signature thermique homogène peut également être obtenue avec un dispositif d'interférométrie holographique, comme décrit précédemment. Le système de l'invention qui vient d'être décrit présente l'avantage de 35 permettre un temps de chauffe rapide de l'eau infiltrée. Ce temps de chauffe est de l'ordre de 10 secondes à 1 minute. L'élévation en température de la surface de la structure à inspecter est donc également plus rapide que dans l'art antérieur, ce qui permet une inspection des pièces rapide, sans aucun démontage. Le temps total pour la mise en oeuvre et l'acquisition des résultats est ainsi inférieure à une demi-heure. Cette réduction de temps de détection permet d'effectuer des inspections plus fréquentes et donc d'effectuer des réparations moins lourdes puisque réalisées précocement, avant que la structure n'ait subit une trop forte dégradation. De plus, ce système a l'avantage d'être relativement peu encombrant Io puisqu'il ne nécessite, pour chauffer l'eau, qu'un générateur de micro-ondes d'encombrement réduit et un ou plusieurs émetteur(s) situé(s) à l'intérieur de la structure à inspecter. REVENDICATIONS 1 ù Système de détection et de localisation d'eau dans une structure sandwich (1) pour aéronef, comportant un moyen pour chauffer l'eau présente dans une couche intermédiaire de la structure sandwich et un moyen pour prendre au moins une image d'une surface de la structure sandwich, ladite image montrant des zones remarquables de ladite surface correspondant à la présence d'eau dans la couche intermédiaire, caractérisé en ce que le moyen pour chauffer l'eau comporte un Io dispositif (2, 3, 6) pour émettre des micro-ondes à l'intérieur de la structure sandwich. 2 ù Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'émission de micro-ondes comporte : - un générateur (2) de micro-ondes, extérieur à la structure sandwich, 15 - au moins un émetteur (3) de micro-ondes, situé à l'intérieur de la structure, et - au moins un guide d'ondes (6) pour transmettre les micro-ondes du générateur à l'émetteur. 3 ù Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le 20 générateur (2) de micro-ondes émet des ondes à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonance des molécules d'eau. 4 ù Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen pour prendre des images est une caméra infrarouge ou une caméra thermique (5) apte à détecter une zone chaude à 25 la surface de la structure, cette zone chaude correspondant à la présence d'eau chauffée par les micro-ondes. 5 ù Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen pour prendre des images est un dispositif d'interférométrie holographique apte à détecter des zones déformées de la 30 surface de la structure sandwich, ces zones déformées correspondant à la présence d'eau chauffée par les micro-ondes. 6 ù Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'émission de micro-ondes comporte deux émetteurs de micro-ondes.7 û Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux émetteurs de micro-ondes émettent à des fréquences différentes. 8 û Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'un émetteur de micro-ondes est une antenne inamovible. 9 û Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'antenne inamovible comporte une embase fixée sur la structure et une tige conductrice située à l'intérieur de la structure. û Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, Io caractérisé en ce qu'un émetteur est une antenne amovible. 11 û Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'antenne amovible comporte une tige conductrice installée dans un orifice de la structure, cet orifice étant obturé par un bouchon étanche, en vol. 12 û Procédé de détection d'eau dans une structure sandwich (1) pour is aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : -émission de micro-ondes à l'intérieur de la structure sandwich, -réalisation d'au moins une image d'une surface de la structure sandwich, et - détection, sur l'image de la surface de ladite structure, d'une zone 20 remarquable correspondant à la présence d'eau dans une couche intermédiaire de ladite structure sandwich. 13 û Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un système de détection d'eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 25