Brevet FR2990927A1 — publié le 20131129

DISPOSITIF ET PROCEDE DE DETECTION DE GIVRE ET DE DEGIVRAGE La présente invention concerne un dispositif et un procédé de détection de givre et de dégivrage de structures, en particulier pour le dégivrage d'éléments de fuselages, de voilures fixe et/ou tournantes comme des pales d'hélicoptères.. Le dégivrage de ces éléments est une opération nécessaire à la conservation du domaine de vol des aéronefs, en ce que l'accumulation de givre, outre le poids supplémentaire que doivent porter les appareils, dégrade fortement les caractéristiques aérodynamiques de ces surfaces portantes ce qui peut causer la perte de ces appareils. De nombreux dispositifs de dégivrage existent et on citera les systèmes à 10 vessies gonflables qui cassent la glace, et les systèmes thermiques, notamment à résistances chauffantes. Pour la détection de givre, des capteurs, par exemple des capteurs à mesures résistives disposés de place en place sont connus. Le document ONE RA "CAPTEUR ULTRASONORE POUR LA DETECTION 15 ET LA MESURE D'EPAISSEUR DE GIVRE SUR UN PROFIL" GARNIER J.C. ; DEOM A.A. ; BALAGEAS D.L. ; CASSAING J.J 2ème Colloque International sur la Sécurité aérienne TOULOUSE 17-20 novembre 1986 décrit par ailleurs un capteur ultrasonore adapté à mesurer l'épaisseur d'une couche ce givre pour déclencher un dispositif de dégivrage. 20 II s'agit toutefois d'un capteur adapté à une mesure ponctuelle. Des systèmes de dégivrages de bord d'attaque aéronef utilisent déjà une fonction de détection combinée à une fonction de dégivrage. Par contre le dégivrage est global et il n'y a ni recherche de localisation de la glace ni dégivrage localisé. Dans le domaine de la détection ultrasonore, le document W096/28726 Al décrit un dispositif pour détecter une couche de givre sur une surface utilisant des ondes ultrasonores et qui exploite le phénomène de réflexion de ces ondes sur une interface du support. La présente invention, qui relève du domaine des conditions d'opérations des aéronefs dans un environner pont givrant, vise à perfectionner les dispositifs de détection de givre et de dégivrage. Elle propose de détecter et de localiser au plus tôt le givre de manière à cibler les opérations de dégivrage. La présente invention prévoit pour ce faire un système de dégivrage pour aéronefs, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle d'asservissement activant le dispositif de dégivrage sur la détection et la localisation du givre par un dispositif de détection/localisation par ultrasons. Préférablement, le dispositif de détection/localisation est un dispositif acousto-ultrasonore. Avantageusement, le système comporte un dispositif d'émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans l'aile ou la pale pour la localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore sur un ensemble de transducteurs. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d'émission-réception d'ondes ultrasonores guidées comprend un réseau de transducteurs formant un 20 maillage sur un élément d'aile ou de pale à protéger. Selon un premier mode de réalisation, le système comporte en outre des moyens de dégivrage par émission d'ultrasons focalisée au niveau de la glace localisée. De manière alternative ou complémentaire, le système comporte en outre 25 des moyens de dégivrage par émission d'ultrasons focalisés ou non, adaptée en puissance à briser la glace localisée. Selon un second mode de réalisation, le système comporte en outre des moyens de dégivrage par chauffage électrique par segments. Le système est notamment tel qu'une boucle d'asservissement pilote les 30 moyens de dégivrage à partir du dispositif de détection/localisation au travers d'une unité de traitement adaptée à faire une analyse d'amplitude, temporelle et ou fréquentielle des signaux reçus par les transducteurs du réseau de transducteurs en fonction de l'onde émise par au moins l'un des transducteurs et de déterminer le positionnement , la répartition ainsi que les épaisseurs des zones glacées. L'invention concerne en outre un procédé de dégivrage au moyen d'un système selon l'invention et qui comprend les boucles d'étapes suivantes: activation d'un système de détection de conditions givrantes; si détection de conditions givrantes: Activation du système de détection/localisation par ultrasons et émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans l'aile ou la pale pour la localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore sur un ensemble de transducteurs; si détection de glace par le système de détection/localisation, mise en route automatique du système de dégivrage en réponse aux consignes du système de détection/localisation; sinon poursuite des mesures de détection/localisation; si disparition des conditions givrantes arrêt du système de détection/localisation et retour au système de détection de conditions de givre pour interrogation; Avantageusement, le procédé est tel que le dégivrage n'est enclenché que si nécessaire et sur des zones désignées par le système de détection/localisation. Le système de dégivrage étant un système chauffant discontinu, le procédé comprend avantageusement des séquences d'allumage et d'extinction du système chauffant successives. Selon un mode de réalisation avantageux, le système de dégivrage utilisant une méthode ultrasonore, les étapes de détection/localisation et de dégivrage du 25 procédé sont liées par un asservissement. Selon un mode de réalisation particulier, l'étape de dégivrage comporte une étape de focalisation d'ondes ultrasonores sur la glace qui permet de ne concentrer l'énergie que sur les zones impactées par le givre et non pas sur la totalité de la structure. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique en perspective d'un premier exemple de réalisation de l'invention; en figure 2: un organigramme illustrant un procédé de l'invention; en figure 3: un exemple schématique d'implantation de transducteurs 5 selon un aspect particulier de l'invention. L'invention a pour principe d'ajouter une localisation et une quantification à la détection de givre ou de glace en vue d'une intervention de dégivrage ciblée donc économe en énergie. Une première solution de l'invention est un asservissement d'un système de 10 chauffage existant et en particulier un système de chauffage électrique, par exemple un système à tapis résistifs comme connu du document W02006/136748 A2, l'asservissement étant réalisé à partir d'un dispositif de détection/localisation acousto-ultrasonore. La figure 1 schématise une telle solution avec un réseau de transducteurs 15 1, des tapis résistifs 2, les transducteurs envoyant des trains d'ondes de surface ou de plaque 3. Le procédé de dégivrage représenté en figure 2 comprend alors une première phase ou boucle 100 de détermination de conditions de givrage, cette première boucle pouvant être automatique ou sous la responsabilité des pilotes. 20 Lorsque des conditions de givrage ont été détectées, schématisées en 4, le système de détection/localisation par ultrasons est activé, le principe utilisé par ce système étant une émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans la pale ou l'aile pour la localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore sur un ensemble de transducteurs. 25 Les ondes ultrasonores peuvent notamment être des ondes de plaque ou de surface d'une fréquence de l'ordre d'une centaine de Kilohertz cette valeur dépendant du type de matériau (Composite métallique, hybride,..) des épaisseurs et des éléments complémentaires de la structure (Lisse raidisseurs, cadre,...) . Si le système de détection/localisation ne détecte pas de givre, étape 110, 30 la recherche de givre continue jusqu'à ce que les conditions de givrage ne soient plus valides. Si du givre est détecté, étape 120, le système met en route le système de chauffage automatique, étape 130, selon un cycle déterminé sur les zones 2 99092 7 touchées par le givre telles que définies à l'étape de détermination 140. Par exemple, la séquence de fonctionnement peut être une mise en route du chauffage de 15 secondes toutes les 60 secondes en lien direct avec le système de détection/localisation afin d'éviter que le chauffage fonctionne inutilement. Le 5 chauffage n'est donc enclenché que si nécessaire et sur des zones désignées. Une autre solution envisagée par la présente invention est l'association des deux méthodes ultrasonores méthode de détection/localisation et méthode de décapage par émission d'ondes focalisées sur les zones détectées comme glacées, ces méthodes étant commandées par une unité de traitement et de commande asservissant les phases de décapage aux phases de mesure. Le principe de détection de l'invention a pour avantage de déterminer la position, la répartition ainsi que les épaisseurs des zones de givre. Un point important de cette seconde solution est la réduction de la consommation d'énergie générée par la focalisation des ondes ultrasonores. En effet celle-ci nous permet de ne concentrer l'énergie que sur les zones impactées par le givre et non pas sur la totalité de la structure ou des zones types de grandes dimensions. Le chauffage classique est donc remplacé par une rupture mécanique des liaisons glace-matériau par propagation d'ondes de surface. Cette rupture est 20 réalisée dès lors que la composante parallèle à la surface glace/matériau du champ de déplacement de l'onde guidée atteint une énergie de l'ordre de 1 MPa. Pour atteindre ce niveau d'énergie on utilise les capacités de focalisation d'énergie d'un réseau d'émetteurs ultrasonores. Pour permettre la détection et le dégivrage, les émetteurs sont des 25 dispositifs capteurs actionneurs ou transducteurs piézo-électriques disposés sur l'aile ou la pale selon un maillage adapté en fonction du risque de givrage des zones à surveiller et à traiter. La figure 3 montre un exemple de disposition simple de capteurs. Chaque transducteur 1 a à 1j peut émettre ou recevoir une onde acoustique se propageant 30 sur la surface de la zone surveillée en phase ou en décalage de phase, de façon individuelle ou par ensembles. La synchronisation est gérée par une base de temps commune pour l'ensemble des capteurs. Selon l'exemple le capteur 1 a émet, les capteurs lb à lj reçoivent et réémettent des ondes acoustiques pour briser la glace 4. L'ensemble des données acoustiques collecté par l'intermédiaire d'une unité de traitement adaptée, où sont collecté des données d'analyse temporelle, fréquentielle et d'amplitude reçues par les capteurs récepteurs, constitue une `image acoustique' se modifiant en fonction des phénomènes d'accrétions de glace se produisant sur cette surface. Ces informations permettent de localiser et de quantifier ces phénomènes, et d'agir ainsi de façon ciblée jusqu'à élimination du phénomène et d'un retour à la normale de l'image acoustique. Les transducteurs sont reliés à une unité de traitement adaptée à faire une analyse temporelle des signaux reçus par les capteurs récepteurs en fonction de l'onde émise et de déterminer le positionnement des zones glacées La détection se fait avec une génération d'ondes selon des modes d'ondes de plaques ou d'ondes de surface avec détection et réception par l'ensemble des 15 capteurs du réseau afin de localiser les zones glacées. Les transducteurs 10 utilisables comprennent les matrices ou nappes PVDF/copolymère. Dans le cadre de l'invention, le procédé de détection et de dégivrage se place toujours dans une boucle 100 de détection de conditions givrantes et 20 lorsque tel est le cas il y a toujours une activation du système de détection/localisation par ultrasons, le principe étant: émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans la pale ou l'aile pour la localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore sur un ensemble de transducteurs. Lorsqu'il y a une détection de givre, l'asservissement calcule au moyen d'un 25 calculateur de l'unité de traitement les lois de focalisation adéquates. Le système de décapage ultrasonore appliquera une loi de retard calculée pour l'émission d'ultrasons permettant de focaliser une onde acoustique d'amplitude nécessaire pour rompre les liaisons mécaniques glace-matériau sur la zone où de la glace a été détectée. 30 Le dispositif de la présente invention est en particulier destiné à être implanté sur des aéronefs et notamment sur les bords d'attaques des ailes ou des pales de ces aéronefs. REVENDICATIONS1 - Système de dégivrage pour aéronefs, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle d'asservissement activant le dispositif de dégivrage sur la détection et la localisation du givre par un dispositif de détection/localisation par ultrasons. 2 - Système de dégivrage selon la revendication 1, pour lequel le dispositif de détection/localisation est un dispositif acousto-ultrasonore. 3 - Système de dégivrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans l'aile ou la pale pour localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore 10 sur un ensemble de transducteurs. 4 - Système de dégivrage selon la revendication 3, pour lequel le dispositif d'émission-réception d'ondes ultrasonores guidées comprend un réseau de transducteurs formant un maillage sur un élément d'aile ou de pale à protéger. 5 - Système de dégivrage selon l'une quelconque 15 à 4 comportant en outre des moyens de dégivrage par focalisée au niveau de la glace localisée. 6 - Système de dégivrage selon l'une quelconque des revendications 1 des revendications 1 émission d'ultrasons à 5 comportant en outre des moyens de dégivrage par émission d'ultrasons focalisés ou non adaptée en puissance à briser la glace localisée. 20 7 - Système de dégivrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant en outre des moyens de dégivrage par chauffage électrique par segments. 8 - Système de dégivrage selon la revendication 4, pour lequel une boucle d'asservissement pilote les moyens de dégivrage à partir du dispositif de 25 détection/localisation au travers d'une unité de traitement adaptée à faire une analyse d'amplitude, temporelle et ou fréquentielle des signaux reçus par les transducteurs du réseau de transducteurs en fonction de l'onde émise par au moins l'un des transducteurs et de déterminer le positionnement, la répartition ainsi que les épaisseurs des zones glacées. 30 9 - Procédé de dégivrage au moyen d'un système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend les boucles d'étapes suivantes:activation d'un système de détection de conditions givrantes; si détection de condition givrantes: Activation du système de détection/localisation par ultrasons et émission-réception d'ondes ultrasonores guidées dans l'aile ou la pale pour localisation de la glace par mesures acousto-ultrasonore sur un ensemble de transducteurs; si détection de glace par le système de détection/localisation, mise en route automatique du système de dégivrage en réponse aux consignes du système de détection/localisation; sinon poursuite des mesures de détection/localisation; si disparition des conditions givrantes arrêt du système de détection/localisation et retour au système de détection de conditions de givre pour interrogation; 10 - Procédé selon la revendication 9 pour lequel le dégivrage n'est 15 enclenché que si nécessaire et sur des zones désignées par le système de détection/localisation. 11 - Procédé selon la revendication 9 ou 10 pour lequel le système de dégivrage est un système chauffant discontinu, le procédé comprenant des séquences d'allumage et d'extinction du système chauffant successives. 20 12 - Procédé selon la revendication 9 ou 10 pour lequel le système de dégivrage utilise une méthode ultrasonore, les étapes de détection/localisation et de dégivrage étant liées par un asservissement. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 9, 10 ou 12 pour lequel l'étape de dégivrage comporte une étape de focalisation d'ondes 25 ultrasonores sur la glace qui permet de ne concentrer l'énergie que sur les zones impactées par le givre et non pas sur la totalité de la structure.