Brevet FR3083215A1 — publié le 20200103

Description Titre de l'invention : Aéronef équipé d'un système d'estimation des paramètres d'un impact. [0001] La présente invention concerne un aéronef équipé d'un système d'estimation des paramètres d'un impact. [0002] Une pluralité de véhicules de services gravite autour d'un aéronef pendant les phases de ravitaillements ou de chargement/déchargement au sol. Il peut arriver que des parties des véhicules, comme des échelles ou des rampes, impactent la surface externe, dite peau, de l'aéronef. [0003] La localisation et l'évaluation de la sévérité de l'impact est effectuée par des opérateurs lors d'opérations d'inspection du fuselage, soit par identification visuelle soit à l'aide de moyens d'inspection tels que des drones volants munis de dispositifs optiques pour inspecter le fuselage. A la suite de l'opération d'inspection, les opérateurs rédigent un rapport précis de l'événement et mottent en oeuvre, éventuellement en fonction de la sévérité de l'impact, une opération de maintenance pour réparer la peau du fuselage. [0004] Pour optimiser et accélérer les opérations d'inspection, il existe un besoin pour que les aéronefs puissent s'autodiagnostiquer après un impact afin de fournir des estimations précises sur la localisation et la sévérité de l'impact aux opérateurs. Ces derniers pourront alors procéder à des opérations d'inspections ciblées et efficaces de la peau de l'aéronef [0005] L'invention a pour but de répondre en tout ou partie à ce besoin et concerne un aéronef comprenant une peau formant une surface externe de l'aéronef, l'aéronef étant équipé d'un système d'estimation des paramètres d'un d'impact comprenant un réseau de capteurs fixés à la peau et une unité centrale connectée audit réseau, le réseau de capteur comprenant un premier ensemble de capteurs fournissant des données relatives aux ondes élastiques, l'unité centrale étant configurée pour évaluer les paramètres d'un impact à partir des données du réseau de capteurs et d'un modèle de réponse de la peau à des excitations extérieures calculé à partir des propriétés modales de la peau. [0006] L'invention concerne également un procédé d'estimation des paramètres d'un impact sur la peau d'un aéronef, l'aéronef étant équipé d'un système d'estimation des paramètres d'un d'impact comprenant un réseau de capteurs fixés à la peau et une unité centrale connectée audit réseau, le réseau de capteur comprenant un premier ensemble de capteurs fournissant des données relatives aux ondes élastiques, l'unité centrale étant configurée pour évaluer les paramètres d'un impact à partir des données du réseau de capteurs et d'un modèle de réponse de la peau à des excitations extérieures calcifié à partir des propriétés modales de la peau, le procédé comprenant les étapes suivantes : 2 une étape de comparaison dans laquelle l'unité centrale reçoit les signaux de chacun des capteurs du réseau de capteur et compare l'amplitude de chacun desdits signaux a un seuil prédéterminé caractérisant un évènement anormal ; une étape de localisation de zone d'impact, mise en oeuvre si un des signaux des capteurs 5 du réseau de capteur a une amplitude qui dépasse le seuil prédéterminé, et dans laquelle l'unité centrale détermine une zone de la peau dans laquelle a eu lieu un impact d'un élément extérieur à l'aéronef avec la peau; une étape de détermination, simultanée à l'étape de localisation de zone d'impact, dans laquelle l'unité centrale détermine, à partir des signaux des capteurs du réseau de capteur, 10 un instant d'impact correspondant à l'instant du contact de l'élément extérieur à l'aéronef avec la peau ; un étape de traitement des mesures vibratoires, dans laquelle l'unité centrale reçoit le signal d'un capteur du premier ensemble de capteurs à partir d'un temps postérieur à l'instant d'impact et pendant à une durée prédéterminée ; 15 un étape d'optimisation dans laquelle l'unité centrale calcule une estimation des paramètres de l'impact, lesdites estimations étant calculées à partir des signaux du capteur du premier ensemble de capteurs traités à l'étape précédentes et à partir d'un modèle mathématique de réponse du capteur du premier ensemble à des excitations quelconques ; une étape de localisation de point d'impact dans laquelle l'unité centrale détermine les 20 coordonnées d'un point d'impact estimé, dit point d'impact candidat à partir d'une recherche de colinéarité entre les lignes d'une matrice modale de la peau et l'estimation des contributions de modes de vibration de la peau ; une étape d'estimation de l'énergie de l'impact, dans laquelle l'unité centrale est me l'énergie d'impact au niveau de chaque point d'impact candidat; 25 une étape d'alerte, dans laquelle l'unité centrale, émet un signal d'alerte si l'estimation de l'intensité de l'impact à un point candidat est supérieure à un seuil prédéterminé. [00071 Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquels : 30 - la figure 1 est une vue d'un aéronef équipé d'un système d'estimation des paramètres d'un impact sur la peau de l'aéronef, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique du système d'estimation des paramètres d'un impact représenté à la figure 1 ; 3 - la figure 3 est une vue schématique des étapes d'un procédé d'estimation des paramètres d'un impact sur la peau d'un aéronef mis en oeuvre par le système représenté à la figure ; - la figure 4 est une vue schématique de la peau sur laquelle sont fixés des capteurs du système d'estimation des paramètres d'un pour la mise en oeuvre du procédé représenté à 5 la figure 3 - la figure 5 est une représentation de signaux émis par des capteurs du système d'estimation des paramètres d'un impact lors la mise en oeuvre du procédé représenté à la figure 3 ; et - la figure 6 est une vue similaire à la figure 1, d'un aéronef équipé d'un système 10 d'estimation des paramètres d'un impact selon un autre mode de réalisation de l'invention [0008] En référence avec les figures 1 et 2, un aéronef A comprend un fuselage F auquel sont rattachées des ailes L. Le fuselage F comme les ailes Ls, sont réalisés par l'assemblage de panneaux (non représentés), par exemple en matériaux composites, fixés à une structure 15 métallique (non représentée) qui forme le squelette de l'aéronef A. Les panneaux forment la surface externe, ou peau P, de l'aéronef [0009] Un impact se produisant sur la peau P de l'aéronef A à un instant d'impact ro (correspondant à l'instant du contact d'un élément extérieur à l'aéronef avec la peau P), génère des ondes élastiques qui vont, à partir de la position du point d'impact F, se propager la peau P pendant un 20 temps qui dépend des dimensions de l'aéronef A et de l'intensité I de l'impact puis se réfléchir aux frontières de l'aéronef avant de se superposer en modes de vibration amortis. [0010] Selon l'invention, l'aéronef A est équipé d'un système d'évaluation des paramètres (position du point d'impact, intensité, durée, position du pic, dissymétrie du pic,... etc) d'un impact 1. Ce dernier comprend un réseau de capteurs 2 fixés aux panneaux (sur la face des panneaux tournée 25 vers l'intérieur de l'aéronef) pour mesurer des données relatives aux impacts, et une unité centrale 3 connectée au réseau de capteurs 2 et configurée pour évaluer les paramètres d'un impact à partir des données du réseau de capteurs 2 et d'un modèle de réponse de la peau P à des excitations extérieures. [0011] Le modèle de réponse de la peau est calculé à partir des propriétés modales de la peau P 30 déterminées au moyen d'une analyse modale de la peau P réalisée expérimentalement, ou numériquement au moyen d'un modèle en éléments finis de la peau. Les propriétés modales de la peau P comprennent la matrice modale (i) de la peau, les fréquences propres, les déformées modales et amortissements modaux de certains modes de vibration de la peau, dit modes discriminants qui sont obtenus en calculant les déformées modales de la peau. Les modes 4 discriminants sont les modes de vibrations de la peau P dont la contribution dans la réponse mesurée de la peau P à un impact caractérise le point d'impact F. Los modes discriminants de la peau P d'un aéronef A sont par exemple les 10 premiers modes de vibrations de l'aéronef, à des fréquences s'étendant de 0.7Hz à 10Hz. 5 [0012] Le réseau de capteur 2 comprend un premier ensemble de capteurs 4 et un second ensemble de capteurs 5. Les capteurs 4a ,5a des deux ensembles 4, 5 sont fixés à certains panneaux, sur leur face intérieure (c'est-à-dire la face orientée vers l'intérieur de l'aéronef). Les coordonnées de chaque capteur 4a, Sa, dans un référentiel lié à l'aéronef A, sont enregistrées dans une mémoire de l'unité centrale 3. Le premier ensemble de capteurs 4 fournit des données relatives aux ondes 10 élastiques, et le second ensemble de capteurs 5 fournit des données relatives à la détection temporelle d'un instant impact sur la peau pour assister le premier ensemble de capteurs 4 dans la détermination de l'instant d'impact t0. [0013] Les données relatives aux ondes élastiques mesurées par le premier ensemble de capteurs 4 comprennent les données relatives aux ondes élastiques se propageant dans la peau P ainsi que les 15 mesures vibratoires. Les mesures vibratoires sont des données relatives aux ondes élastiques lorsque ces dernières se superposent en ondes spatialement stationnaires, appelées modes de vibration, qui s'amortissent temporellement. [0014] Les capteurs 4a du premier ensemble de capteurs 4 sont des capteurs de déplacements ou des accéléromètres. Les accéléromètres sont avantageux puisque le signal émis par un accéléromètre 20 fixé à la peau P qui vibre consécutivement à un impact, a une amplitude amplifiée et un meilleur rapport signal/bruit, que ceux d'un signal émis par un capteur de déplacement pour les mêmes conditions. [0015] Chaque capteur 4a du premier ensemble 4 est placé sur un point particulier, dit point neutre de la peau P qui ne vibre pas préférentiellement sur un mode discriminant de la peau (c.-à-d. que 25 l'amplitude de la forme d'onde en ce point a une amplitude sensiblement uniforme, en valeur absolue, pour tous les modes discriminants). Le positionnement des capteurs 4a du premier ensemble 4 sur les points neutres renforce la robustesse et la précision de l'estimation des paramètres d'impact effectuée par l'unité centrale 3. Les coordonnées des points neutres de la peau P s'obtiennent en déterminant les points les plus proches des intersections des déformées 30 modales des modes discriminants de la peau P. [0016] Les capteurs 5a du second ensemble de capteurs 5 sont, par exemple, des capteurs de type piézoélectrique, à fréquence d'échantillonnage et sensibilité élevées, pour enregistrer des déformations de la peau P suite à la propagation d'une onde élastique dans cette dernière. En variante, les capteurs 5a du second ensemble de capteurs 5 sont des microphones. 5 [0017] Les capteurs 5a du second ensemble de capteurs 5 sont distribués sur la peau P de l'aéronef dans les zones qui sont statistiquement les plus impactées de la peau P de l'aéronef A. Los zones les plus impactées statistiquement par des impacts de véhicules /éléments extérieurs, sont la partie basse du fuselage (par exemple au niveau des portes des soutes à bagages), ou encore l'intrados 5 de l'aile. [0018] L'unité centrale 3, comprend de manière connu un processeur (non représenté) et des mémoires (non représentées) contenant des instructions exécutées par le processeur. L'unité centrale 3 traite en temps réels les informations du réseau de capteurs 2, et met en oeuvre, un procédé d'estimation des paramètres d'un impact, utilisant les données fournies par le premier 10 réseau de capteurs 4, dès lors qu'un impact a été détecté par le premier et/ou le second ensemble de capteurs 4,5. L'unité centrale 3 émet un signal d'alerte Salert à destination des opérateurs si l'intensité I de l'impact dépasse un seuil prédéterminé G caractéristique d'un endommagement de la peau P de l'aéronef A. [0019] Un exemple du procédé d'estimation des paramètres d'un impact mis en oeuvre par l'unité 15 centrale 3 va être décrit en relation avec les figures 3 à 5, pour estimer des paramètres d'un impact sur l'intrados de l'aile L. Pour cet exemple, on considère que la peau P au niveau de l'intrados est une plaque pour laquelle trois modes discriminants ont été déterminés, que le premier ensemble de capteurs 4 comprend un unique capteur 4a et que le second ensemble de capteurs 5a comprend trois capteurs 5a1,5a2, 5a3. 20 [0020] Pour cet exemple, l'hypothèse est prise que les mesures vibratoires peuvent être convenablement représentées par la réponse à un impact de forme demi-sinus et on utilise une loi d'impact dont les paramètres sont la position du point d'impact F sur la peau P, l'intensité d'impact I et la durée d'impact T. On considère que l'impact a lieu à proximité du capteur 4a3. [0021] Dans une première étape du procédé, dite étape E I de comparaison, l'unité centrale reçoit le 25 signal S4a du capteur 4a du premier ensemble de capteurs 4 et les signaux S5al, S5a2 , S5 a3 des capteurs 5a1, 5a2, 5a3 du second ensemble de capteurs 5 et compare l'amplitude normalisée de chacun des signaux a un seuil prédéterminé K caractérisant un évènement anormal. Le but de cette comparaison est de filtrer les signaux représentatifs d'un événement normal comme, par exemple, une vibration de la peau suite à des vents violents, ou l'appui normal d'une passerelle 30 aéroportuaire contre la peau de l'aéronef. [0022] L'étape est de comparaison E I est effectuée à intervalles de temps Int 0...m réguliers et successifs, par exemple toutes les 5 ou 10 secondes. [0023] Si dans un intervalle de temps Intz , un des signaux S4a,S5a2,S5a2,S5a3 des capteurs 4a,5a1,5a2,5a3 a une amplitude qui dépasse le seuil prédéterminé K (condition 6 matérialisée par la référence Y/N à la figure 3), alors l'unité centrale 3 met en oeuvre une étape E2 de localisation de zone d'impact dans laquelle cette dernière détermine une zone Z de la peau dans laquelle a eu lieu l'impact. Cette zone Z, représentée en pointillée à la figure 4, est centrée autour du capteur 5a3 ayant émis, en premier dans le temps de l'intervalle Int, considéré (voir 5 figure 5), un signal 55a3 dont l'amplitude dépasse le seuil prédéterminé K. [0024] Parallèlement à l'étape E2 de localisation de zone d'impact, l'unité centrale 3 met en oeuvre une étape E3 de détermination de l'instant d'impact to qui est le temps auquel le seuil prédéterminé K est dépassé pour la première fois dans l'intervalle Int, considéré, par l'amplitude d'un signal S4a3 issu du réseau de capteur 2 (voir figure 5). L'instant d'impact to correspond au 10 temps à partir duquel des ondes élastiques vont se propager dans la peau P à partir du point d'impact F et il constitue ainsi par le point temporel de départ pour l'analyse des signaux fournis par le premier ensemble de capteurs 4. [0025] On notera que la dimension de la zone Z définie à l'étape E2 de localisation est une constante choisie arbitrairement. En variante, la dimension de la zone Z est fonction, avec des critères de 15 correspondance prédéfinis, de l'amplitude, à l'instant d'impact to, du signal S4a3 du capteur 4a3 ayant émis, en premier dans l'intervalle de temps Int , considéré, un signal dont l'amplitude dépasse le seuil prédéterminé K. [0026] Dans une étape E4 de traitement des mesures vibratoires, mise en oeuvre après l'étape E3 de détermination d'instant d'impact to, l'unité centrale 3 reçoit uniquement le signal du capteur 4a 20 du premier ensemble de capteurs 4 à partir d'un temps postérieur à l'instant d'impact to et pendant à une durée limitée (par exemple une durée permettant une dizaine d'oscillations du mode discriminatoire de plus petite fréquence propre pour augmenter la rapidité de mise en oeuvre du procédé par l'unité centrale 3. L'unité centrale 3, à l'issue de cette étape E4, dispose ainsi de n observations notées (q(ti))1