ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ПРОТИВ УДАРОВ ЛЬДА О ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
PROTECTIVE SHIELD AGAINST IMPACTS OF ICE ON AIRCRAFT

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к экранной защите против ударов льда для летательного аппарата, в особенности летательного аппарата с пропеллерными двигателями. Оно включено в область техники авиационной промышленности.
ПРОБЛЕМА, КОТОРАЯ ДОЛЖНА БЫТЬ РЕШЕНА, И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Летательный аппарат с пропеллерным двигателем весьма распространен в качестве средства транспортировки как в военных, так и гражданских применениях (для грузового или пассажирского использования), на коротких и средних расстояниях. В некоторых погодных условиях пропеллеры могут выбрасывать фрагменты льда на фюзеляж летательного аппарата; изобретение раскрывает экран против ударов льда о фюзеляж летательного аппарата, использующий самовосстанавливающиеся материалы.
Экраны для фюзеляжей летательных аппаратов используются для защиты конструкций летательного аппарата по причине ледяных или других объектов, которые могут ударять по поверхности летательного аппарата. К сожалению, некоторые удары могут возникать в условиях полета, повреждая элементы экранирования летательного аппарата; для того чтобы сохранять летные защитные эксплуатационные качества, настоящее изобретение раскрывает экран из самовосстанавливающегося материала, который регенерирует защитный материал в условиях полета (а также на земле), повышая условия безопасности полета.
Размер фрагментов льда и количество ударов льда могут зависеть от времени, проведенного летательным аппаратом в условиях обледенения. Большинство современных летательных аппаратов также имеют противообледенительные системы, в том числе устройства защиты от обледенения пропеллера, которые снижают серьезность ударов льда во время стандартного полета. Однако случай неисправности противообледенительной системы во время полетных условий также должен приниматься во внимание (несмотря на более низкую вероятность возникновения). В таком сценарии удары льда могли бы быть более серьезными и реальна вероятность получать повторные удары (так как летательный аппарат мог бы длительное время оставаться в условиях обледенения с неработающими противообледенительными системами).
Описание разных сценариев формирования льда на пропеллерах представлено в дальнейшем.
Сценарий 1: номинальная конфигурация. Все двигатели являются работающими и противообледенительные системы также работают. Летательный аппарат попадает в условия обледенения. Пилот может активировать противообледенительные системы в течение короткого времени (нескольких минут) и несколькими секундами позже противообледенительные системы являются действующими. Летательный аппарат не будет проводить много времени в условиях обледенения с недействующими противообледенительными системами (оцениваемое максимальное время составляет несколько минут). Фрагменты льда могут формироваться и выбрасываться с пропеллеров, но их размер не очень велик. Такие удары могут квалифицироваться в качестве «ударов низкой энергии», но «высоковероятных ударов» (они будут происходить в большом количестве, так как это номинальная конфигурация). Поэтому будет множество ударов низкой энергии о летательный аппарат.
Сценарий 2: неисправная конфигурация. Все двигатели являются работающими, а противообледенительные системы выходят из строя. Несколько альтернативных вариантов могут происходить в этой ситуации.
-5
Сценарий 2.1. Если обнаружена неисправность противообледенительных систем, пилот может изменить план полета для сокращения времени, проведенного в условиях обледенения. Порядок величины максимального времени, проведенного в условиях обледенения, оценивается имеющим значение около 15 минут. В таком случае большие фрагменты льда могут формироваться на лопастях по сравнению с номинальной конфигурацией. Однако вероятность такого события гораздо ниже. Порядок величины вероятности имеет значение 10 на час полета.
-7
Сценарий 2.2. Если неисправность противообледенительных систем не обнаружена, пилот не будет менять план полета и летательный аппарат будет оставаться в условиях обледенения гораздо дольше. Максимальное время, проведенное в условиях обледенения, является большим, чем в сценарии 2.1, но размер фрагментов не является большим. Сценарий 2.2 идентичен сценарию 2.1 за исключением того, что может возникать большее количество ударов. Вероятность для сценария 2.2 является даже меньшей, чем вероятность для сценария 2.1 (действительно, обычно противообледенительныме системы обособлены от систем обнаружения неисправностей). Порядок величины вероятности обычно имеет значение 10 на час полета.
Поэтому фрагменты льда могут выбрасываться пропеллерами, ударяя фюзеляж летательного аппарата или другие важные части самолета (например, вертикальные и горизонтальные хвостовые стабилизаторы). Следовательно, защита экранированием требуется для минимизации повреждения в полете таких частей летательного аппарата. Так как удары льда могут происходить в большом количестве (даже в течение одного и того же полета), необходимо установить надежную защиту против такого вида опасности, для того чтобы сокращать эксплуатационные затраты компании. Это является целью изобретения.
Другие повреждения могут вызываться, когда летательный аппарат находится на земле, например во время операций технического обслуживания и тщательного осмотра. Если никаких серьезных аварий не происходит в отношении защиты экранированием во время операций технического обслуживания, средства самовосстановления исключают необходимость в дополнительных ремонтных действиях.
Уровень техники представляет разные подходы к материалам самовосстановления и ударозащиты для авиационного использования. Документ WO 2007/003879 A1 раскрывает самовосстанавливающуюся структуру, содержащую монолитный волоконный материал, встроенный в полимерную матрицу, обеспечивающую возможность ремонта посредством использования отверждаемых двухкомпонентных клеевых составов в некоторых из волокон структуры. Документ GB 2288441 A показывает пропеллер, содержащий лопасть, имеющую многослойную конструкцию из связанных волокон, и защитный контур, прикрепленный вдоль лопасти. Тем не менее, не было обнаружено ни одного подтверждения об экране для фюзеляжей летательного аппарата, использующем самовосстанавливающиеся материалы согласно настоящему изобретению.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы достичь целей и преодолеть вышеупомянутые недостатки, изобретение усовершенствовало защитный экран против ударов льда о конструкции летательного аппарата. Этот экран содержит слои композитного материала, имеющего микрокапсулы, каждая микрокапсула содержит восстановительный реагент. Микрокапсулы выполнены из карбамид-формальдегида или поливинилового спирта.
В одном из вариантов осуществления изобретения композитный материал экрана также имеет другие микрокапсулы, содержащие частицы катализатора, и восстановительный реагент, содержащийся в микрокапсуле, срабатывает, когда трещина, образующаяся в экране, достигает:
- по меньшей мере, микрокапсулы с восстановительным реагентом, и
- по меньшей мере, микрокапсулы с частицами катализатора.
В таком случае, частицы катализатора реагируют с восстановительным реагентом, такой восстановительный реагент становится полимеризованным восстановительным реагентом.
6
2
Восстановительный реагент может быть дициклопентадиеном; для этого восстановительного реагента частицы катализатора, реагирующие с ним, являются частицами гексахлорида вольфрама и хлорида диэтилалюминия (WCl-EtAlCl), или частицами комплексов карбена рутения, или частицами комплексов карбена осмия. Другой восстановительный реагент является цианоакрилатом. Для этого восстановительного реагента частицами (3) катализатора являются частицы воды.
В еще одном варианте осуществления восстановительный реагент, содержащийся в микрокапсулах, является термопластичным полимером, но нет других микрокапсул с частицами катализатора. Восстановительный реагент, содержащийся в микрокапсулах, становится жидким при нагревании экранирующих панелей, распространяя восстановительный реагент в пределах трещины.
Затем, когда температура экранирующих панелей снижается, восстановительный реагент возвращается в твердое состояние, цементируя трещину. Экранирующие панели изготавливаются с использованием эпоксидной смолы, бисмалеимидной (BMI) смолы или термопластичной смолы (подобной PEEK (полиэфир-эфир-кетоновой) смоле или подобной PEKK (полиэфир-кетон-кетоновой) смоле).
Изобретение также раскрывает защитный экран от ударов льда о конструкции летательного аппарата, при этом экран имеет экранирующие панели, собранные на вертикальных и горизонтальных шпангоутах, которые прикреплены к конструкции летательного аппарата. Эта конструкция летательного аппарата может быть частью секции фюзеляжа, вертикального хвостового стабилизатора, горизонтального хвостового стабилизатора, гондолы двигателя или пилона.
Для того чтобы обеспечить лучшее понимание этого описания изобретения и будучи его неотъемлемой частью, приложена последовательность фигур, на которых предмет изобретения был представлен иллюстративным, а не ограничивающим образом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет лучше понятно по прочтении последующего подробного описания вместе с чертежами, на которых подобные условные обозначения используются для обозначения сходных элементов и на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует механизм самовосстановления, который имеет место, когда материал повреждается (при распространении трещины) в случае самовосстанавливающегося материала с микрокапсулами, которые содержат восстановительный материал.
Фиг. 2 показывает общий вид центральной секции фюзеляжа летательного аппарата (приведенной в качестве примера применения) с ледозащитным экранированием.
Фиг. 3 - детализированный вид того, как соединены экраны; 3.1 описывает опорные шпангоуты, которые прикреплены к фюзеляжу, фиг. 3.2 показывает детализированный вид экранов, прикрепленных к упомянутым ранее шпангоутам.
Фиг. 4 - еще один пример летательного аппарата с установленным в хвостовой части двигателем с разными возможными местоположениями для экранирования. На фиг. 4.1 экран расположен на панелях фюзеляжа (снаружи). На фиг. 4.2 экран расположен на вертикальном хвостовом стабилизаторе или горизонтальном хвостовом стабилизаторе. На фиг. 4.3 экран расположен на конструкции пилона.
Список номеров ссылок, используемых на чертежах, приведен ниже: 1 = композитный материал; 2 = микрокапсулы; 3 = частицы катализатора; 4 = трещина; 5 = восстановительный реагент, 6 = полимеризованный восстановительный реагент; 7 = основная часть фюзеляжа; 8 = шпангоуты; 9 = экранирующие панели; 10 = задняя часть фюзеляжа; 11 = пилон; 12 = вертикальный хвостовой стабилизатор; 13 = горизонтальный хвостовой стабилизатор; 14 = двигатель; 15 = гондола двигателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Описание изобретения, основанное на вышеупомянутых фигурах, приведено ниже.
Есть два основных варианта осуществления, имеющих отношение к «самовосстанавливающимся» композитным материалам:
- Микрокапсулы, содержащие клеящий материал, добавленный в смолу композитного материала.
- Микрокапсулы, содержащие термопластичный полимер, добавленный в смолу композитного материала.
Фиг. 1 показывает вид в поперечном разрезе композитного материала согласно первому варианту осуществления «самовосстанавливающихся материалов», представленных в этом изобретении. Фиг. 1.a) представляет несколько слоев композитного материала (1) (слои не могут быть представлены в этом масштабе), имеющих микрокапсулы (2). Некоторые микрокапсулы (2) содержат восстановительный реагент (5) (обычно клейкий материал) и некоторые микрокапсулы (2) содержат частицы (3) катализаторов. На фиг. 1 только микрокапсулы (2), содержащие восстановительный реагент (5), были представлены своим номером позиции; поэтому должно быть понятно, что частицы (3) катализатора также содержатся в своей соответствующей микрокапсуле (2). Фиг. 1.a) также показывает ситуацию, когда трещина (4) начинает расти внутри композитного материала (1). Это может происходить, например, когда фрагмент льда ударяет об экран. Фиг. 1.b) представляет ситуацию, когда трещина (4) достигает микрокапсулы (2). Восстановительный реагент (5) распространяется в пределах трещины (4). Фиг. 1.c) представляет, каким образом срабатывает восстановительный реагент (5).
Когда трещина (4) растет внутри композитного материала (1), она достигает какой-нибудь из микрокапсул (2), размещенных внутри композита (1) (смотрите фиг. 1.b)). По мере того как трещина (4) увеличивает свой размер, она также достигает частиц (3) катализатора, распределенных повсюду в композитном материале (1). Когда трещина (4) достаточно велика, она заставляет частицы (3) катализатора контактировать с восстановительным реагентом (5) внутри микрокапсулы (2) (смотрите фиг. 1.c)). Этот восстановительный реагент (5) является мономерным восстановительным реагентом, который реагирует в присутствии частиц (3) катализатора, заполняя трещину (4) полимеризованным восстановительным реагентом (6), который формируется вследствие реакции восстановительного реагента (5) с частицами (3) катализатора.
Восстановительный реагент (5), например, может быть дициклопентадиеном (DCPD) или цианоакрилатом. Микрокапсулы (2) могут быть сформированы из компонентов карбамид-формальдегида (UF) или поливинилового спирта (PVA). Частицы (3) катализатора также содержатся в микрокапсулах, имеющих характеристики, подобные микрокапсулам (2), содержащим восстановительный реагент (5). Есть некоторые варианты при выборе частиц (3) катализатора.
6
2
При использовании дициклопентадиена (DCPD) в качестве восстановительного реагента (5) частицы (3) катализатора могут быть: a) системой катализаторов на основе гексахлорида вольфрама и хлорида диэтилалюминия (WCl-EtAlCl), или b) системой катализаторов на основе комплексов карбена рутения, или c) системой катализаторов на основе комплексов карбена осмия. Восстановительный реагент (5) и частицы (3) катализатора, которые содержатся внутри микрокапсул (2), являются действующими, когда находятся в жидком состоянии. Если восстановительный реагент (5) и частицы (3) катализатора поддерживаются в жидком состоянии, когда образуется трещина, процесс восстановления будет осуществляться незамедлительно согласно предыдущим пояснениям. Если восстановительный реагент (5) и частицы (3) катализатора не поддерживаются в жидком состоянии, когда образуется трещина, процесс восстановления будет находиться в состоянии эксплуатационной готовности до тех пор, пока не будут вновь обретены условия (температура и давление).
При использовании цианоакрилата в качестве восстановительного реагента (5) частицы (3) катализатора могут быть водой (более точно, ионами гидроксильной группы). Согласно этой конфигурации микрокапсулы (2), содержащие частицы (3) катализатора, например, заполнены жидкой водой или водяным паром.
9
Согласно второму варианту осуществления микрокапсулы (2) содержат самовосстанавливающиеся материалы (термопластичные полимеры, подобные парафину), которые порождают процесс восстановления, когда нагреваются, но внутри композитного материала нет частиц (3) катализатора. Такой вид материалов имеет такую же функцию, как первый вид самовосстанавливающихся материалов, микрокапсула (2) разламывается вследствие роста трещины (4), но процесс активирования иной. Согласно этому второму варианту осуществления экран должен разогреваться для активирования процесса восстановления, и этот процесс нагрева заставляет термопластичный полимер (подобный парафину) заполнять трещину (4). Термопластичный полимер (подобный парафину), который используется, обычно плавится между 70°C и 80°C. Поэтому активирование процесса восстановления выполняется на земле, когда осмотр после полета выявил повреждение экранов. Для того чтобы вносить вклад в правильное заполнение трещины (4), восстановительный реагент (5) должен плавиться при температуре, более низкой, чем температура плавления микрокапсул (2). Температура плавления восстановительного реагента (5) также должна быть более низкой, чем температура стеклования (T) смолы, соединяющей композитный материал (1).
Во втором варианте осуществления этого изобретения реакция восстановительного реагента (5), термопластичного полимера (подобного парафину), является двухэтапным процессом. Прежде всего, при нагревании экранирующих панелей (9) восстановительный реагент (5) становится жидким, и это жидкое состояние заставляет восстановительный реагент (5) распространяться в пределах трещины (4). Впоследствии, когда нет процесса нагревания на экранирующих панелях (9) и их температура снижается, восстановительный реагент (5) возвращается в твердое состояние, цементируя трещину (4). Понятно, что этот второй вариант осуществления является частным случаем первого варианта осуществления, в котором частицы (3) катализатора замещены тепловым потоком.
Экраны, раскрытые в этом изобретении, пригодны для использования в нескольких типах летательных аппаратов, в том числе летательном аппарате с несущим винтом, таком как вертолеты, а также летательном аппарате с неподвижным крылом. Эти экраны, защищающие поверхность летательного аппарата, могут иметь несколько конфигураций; фиг. 2, 3 и 4 представляют некоторые из этих конфигураций.
Композитный материал (1) помещается в качестве экрана на конструкции над фюзеляжем летательного аппарата. Эта ситуация показана на фиг. 2, представляет фюзеляж (7) летательного аппарата с экранирующими панелями (9). Такие панели (9) устанавливаются на вертикальных и горизонтальных шпангоутах (8) (смотрите фиг. 3.1), которые прикреплены к фюзеляжу (7) традиционным образом. В зависимости от участка фюзеляжа (7), который покрыт панелями (9) экрана, такие панели (9) принимают разные геометрические конфигурации (фиг. 3.2).
Экранирующие панели (9) могут иметь другие конфигурации, которые показаны на фиг. 4. Здесь представлен еще один пример летательного аппарата с задним двигателем с разными возможными местоположениями для экранирующих панелей (9). На фиг. 4.1, экранирующие панели (9) расположены на панелях задней части (10) фюзеляжа (снаружи). На фиг. 4.2 экранирующие панели (9) расположены на вертикальном хвостовом стабилизаторе (12), хотя другие альтернативные местоположения на горизонтальном хвостовом стабилизаторе (13) также возможны. Фиг. 4.3 представляет экранирующие панели (9), расположенные на конструкции пилона (11) и гондоле (15) двигателя.
Отсюда, есть несколько конфигураций при установке экранирующих панелей (9). Экранирующие панели (9) собираются на вертикальных и горизонтальных шпангоутах (8), которые прикреплены к конструкции летательного аппарата. Такая конструкция летательного аппарата может быть секцией фюзеляжа, подобной основной части (7) фюзеляжа или задней части (10) фюзеляжа (фиг. 4.1). Экранирующие панели (9) также могут собираться на других элементах конструкции летательного аппарата, подобных пилону (11) двигателя (фиг. 4.3), вертикальному хвостовому стабилизатору (12) и горизонтальному хвостовому стабилизатору (13) (фиг. 4.2), и гондоле (15) двигателя. Защита, предоставленная гондолой (15) двигателя, может быть особенно важна в некоторых двигателях (14), имеющих пропеллеры, подобных двигателям UDF (с вентиляторами без защитного кожуха) (смотрите фиг. 4.3).
Разные композитные материалы могут использоваться при разработке предпочтительного варианта осуществления. Смолой используемого композитного материала является эпоксидная смола, бисмалеимидная смола (BMI), термопластичная смола (подобная (полиэфир-эфир-кетоновой) смоле PEEK или (полиэфир-кетон-кетоновой) смоле PEKK), или другие подобные смолы. Используемым волокном может быть одно из общеизвестных для авиационных применений, таких как углеродное волокно или Kevlar, при использовании различных геометрических конфигураций, подобных волокнам с одномерным, двухмерным или трехмерным плетением. Этим материалы могут быть «предварительно пропитанными» (также называемыми «препрегами») или смола может вводиться посредством «инфузии».
Должно быть принято во внимание, что упомянутые варианты осуществления являются всего лишь примерами и они не предназначены для ограничения применимости, конфигурации или объема изобретения никоим образом. Понятно, что некоторые изменения могут быть произведены в функциональных возможностях и компоновке элементов, описанных в примерном варианте осуществления. Вышеизложенное подробное описание будет снабжать специалистов в данной области техники удобным планом действий для реализации примерного варианта осуществления изобретения, не выходя из объема изобретения, который изложен в прилагаемой формуле изобретения.