СИСТЕМА ВЫЯВЛЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ВОДЫ В СТРУКТУРЕ СЭНДВИЧ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
SYSTEM FOR DETECTING AND LOCALISING WATER IN AIRCRAFT SANDWICH STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе, предназначенной для выявления и локализации присутствия воды в кессонных конструкциях летательного аппарата, в частности в композитных структурах типа "сэндвич". Изобретение находит применение в области авиационной техники и, в частности, в области технического обслуживания авиационной техники с использованием неразрушающего контроля конструкций летательного аппарата. Говоря более конкретно, изобретение применяется к так называемым кессонным конструкциям, то есть к замкнутым конструкциям, изготовленным из композитных материалов с наружной оболочкой, из углеволокна, и с внутренним слоем из сот.
Уровень техники
В области авиационной техники и, в частности, в области технического обслуживания летательных аппаратов в процессе их эксплуатации важно выявлять наличие воды в конструкциях летательного аппарата. Действительно, вода может присутствовать в некоторых деталях летательного аппарата, в частности в деталях, изготовленных из композитных материалов типа сэндвич. Материал типа сэндвич содержит ячеистую структуру, образующую внутренний слой. Этот внутренний слой с каждой стороны покрыт наружным слоем. Ячеистая структура может представлять собой слой сот из картона, например, марки Nomex или сот из стекловолокна или из вспененного материала. Наружные слои могут быть выполнены из водонепроницаемого материала. Они могут быть выкроены таким образом, чтобы соединяться между собой на кромке детали, образуя тем самым замкнутую оболочку вокруг ячеистой структуры. Построенные таким образом детали называют кессонными конструкциями. Так, например, створки шасси, панели рулей высоты, радиопрозрачные обтекатели или же другие управляющие поверхности самолета представляют собой детали, которые часто изготавливаются из слоистого композитного материала типа "сэндвич".
Однако наличие воды в этих деталях, в частности во внутреннем слое, образующем промежуточный слой кессонной конструкции, оказывает определенное влияние на прочность и весовые характеристики таких конструкций, что может стать причиной нежелательного поведения летательного аппарата в полете.
В настоящее время наличие воды в этих конструкциях выявляется либо при помощи регулярных проверок в процессе выполнения технического обслуживания, либо в результате открыто выраженных проявлений наличия в них воды (таких, например, как вздутие конструкций, пятна конденсации влаги и т.п.), либо, в самых крайних случаях, в результате воздействия на механические приводные устройства, возникающего вследствие увеличения веса данной конструкции.
В настоящее время, в случае проведения проверки в процессе выполнения операций технического обслуживания летательного аппарата, наличие воды в структурах сэндвич обычно обнаруживается при помощи внешнего источника тепла. Эта классическая технология обнаружения воды состоит в нагревании воды, присутствующей внутри структуры сэндвич, посредством внешнего источника тепловой энергии. Этот источник тепловой энергии может представлять собой нагревательную пропарочную печь или нагревающее покрытие, то есть покрытие, пронизанное электрическим резистором, позволяющим обеспечить нагревание всей поверхности, накрытой упомянутым покрытием. При этом нагревание воды вызывает либо деформацию конструкции, либо повышение температуры поверхности этой конструкции. В процессе выполнения операций технического обслуживания летательного аппарата, если выявлена деформация конструкции либо повышение температуры поверхности этой конструкции, выполняющий это техническое обслуживание персонал делает вывод о наличии воды в упомянутой конструкции при помощи либо интерферометра (система сдвигографии), либо камеры, чувствительной к инфракрасному излучению.
Выявление деформации структуры сэндвич осуществляется при помощи способа голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия представляет собой метод локализации, основанный на использовании двух наложенных друг на друга голографических изображений, которые выявляют те части детали, в которых наглядно проявляются механические напряжения. Говоря другими словами, голографическая интерферометрия состоит в реализации двух голографических изображений, то есть двух рельефных изображений, которые накладываются одно на другое для того, чтобы выявить различия между двумя этими изображениями. Выявленные различия соответствуют деформации структуры сэндвич. Из этого делается вывод о том, что в зоне наличия деформации находится вода, располагающаяся в промежуточном слое этой структуры сэндвич.
Повышение температуры поверхности структуры выявляется посредством тепловой камеры или инфракрасной камеры, особенность которой состоит в выявлении на изображении тех зон поверхности конструкции, где температура является отличной от остальных зон этой поверхности. В местах размещения этих зон находится вода, располагающаяся в промежуточном слое этой структуры сэндвич.
Однако эта технология требует нагревания всей подлежащей проверке конструкции с целью нагревания воды, случайно просочившейся в промежуточный слой упомянутой конструкции. При этом следует отметить, что некоторые дефекты построения этой конструкции, такие, например, как излишки смолы или клеящего состава, представляют такие же характеристики теплового излучения, как и ячейки сотовой конструкции, в которых находится вода. Таким образом, под действием тепла эти дефекты образуют такое же визуальное представление на изображениях, полученных при помощи камеры, как и зоны просачивания воды. Эта технология, таким образом, не дает никакой возможности различать имеющиеся дефекты. При этом наличие избыточного количества смолы или клеящего состава выявляется и идентифицируется как наличие воды в ячейке. И персонал, осуществляющий техническое обслуживание данного летательного аппарата, приступает при этом к осуществлению восстановления или ремонта, необходимость в котором отсутствует.
Кроме того, необходимость нагревания всей подлежащей проверке конструкции влечет за собой необходимость использования относительно громоздкого и тяжелого в эксплуатации устройства, а именно в случае нагревания данной детали в пропарочной печи необходимо изолировать эту подлежащую проверке деталь в пропарочной печи, а в случае использования нагревающего покрытия необходимо устанавливать это нагревающее покрытие достаточно гладко на поверхности подлежащей проверке детали и присоединять это нагревающее покрытие к источнику электрического питания.
Кроме того, для реализации проверки структур сэндвич необходимо остановить эксплуатацию летательного аппарата перед выполнением любого ремонта для того, чтобы определить, имеет ли место просачивание воды в его конструкцию. Период времени, необходимый для проведения проверки летательного аппарата, является достаточно продолжительным и составляет примерно 8 часов. Однако простой летательного аппарата является дорогостоящей процедурой. К этому периоду простоя для проверки летательного аппарата также следует добавить время, необходимое для подготовки конструкции, или примерно 32 часа, а также время, требуемое для снятия, последующей установки и регулировки деталей, которые не могут быть проверены непосредственно на летательном аппарате. Таким образом, общее время простоя летательного аппарата оказывается достаточно большим, что влечет за собой существенные экономические потери.
Сущность изобретения
Техническая задача предлагаемого изобретения конкретно состоит в том, чтобы устранить отмеченные выше недостатки существующего уровня техники в данной области. Для этого в данном изобретении предлагается система, позволяющая нагревать только воду, просочившуюся внутрь данной структуры. При этом наружный слой структуры сэндвич не нагревается полностью, вследствие чего возможные дефекты конструкции данной структуры не подвергаются нагреванию и, следовательно, не выявляются камерой. Для этого в данном изобретении предлагается нагревать воду, присутствующую в структуре сэндвич, посредством электромагнитных микроволн, генерируемых в подлежащей проверке структуре, причем эти микроволны обеспечивают нагревание воды. Затем выявление присутствующей в данной структуре воды осуществляется при помощи тепловой камеры или устройства голографической интерферометрии.
Преимуществом этой системы является возможность достаточно простого выявления наличия воды в структуре без необходимости длительного простоя летательного аппарата, что позволяет реализовать ремонт за более коротки сроки и, следовательно, при меньшей стоимости.
Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение относится к системе выявления и локализации воды в структуре сэндвич для летательного аппарата, имеющей в своем составе средство для нагревания воды, присутствующей в промежуточном слое структуры сэндвич, и средство для получения по меньшей мере одного изображения поверхности этой структуры сэндвич, причем упомянутое изображение демонстрирует отличительные зоны упомянутой поверхности, соответствующие наличию воды в упомянутом промежуточном слое, отличающейся тем, что упомянутое средство для нагревания воды содержит устройство (2, 3, 6) для излучения внутри структуры сэндвич микроволн на частоте, по существу равной резонансной частоте молекул воды.
Предлагаемое изобретение также может содержать одну или несколько из перечисленных ниже характеристик:
- устройство излучения микроволн содержит генератор микроволн, внешний по отношению к структуре сэндвич, по меньшей мере один излучатель микроволн, размещенный внутри структуры, и по меньшей мере один волновод для передачи микроволн от упомянутого генератора к упомянутому излучателю;
- генератор микроволн излучает волны на частоте, по существу равной резонансной частоте молекул воды;
- средство для создания изображений представляет собой инфракрасную камеру или тепловую камеру, способную выявлять горячую зону на поверхности структуры, причем эта горячая зона соответствует наличию воды, нагретой микроволнами;
- средство для создания изображений представляет собой устройство голографической интерферометрии, способное выявлять деформированные зоны поверхности структуры сэндвич, причем эти деформированные зоны соответствуют наличию воды, нагретой микроволнами;
- устройство излучения микроволн содержит два излучателя микроволн;
- два излучателя микроволн обеспечивают излучение на различных частотах;
- излучатель микроволн представляет собой несъемную антенну;
- несъемная антенна содержит основание, закрепленное на структуре, и проводящий стержень, располагающийся внутри этой конструкции;
- излучатель микроволн представляет собой съемную антенну;
- съемная антенна содержит проводящий стержень, устанавливаемый в отверстие структуры, причем это отверстие в полете закрывается герметичной заглушкой.
Предлагаемое изобретение также относится к способу выявления воды в структуре сэндвич для летательного аппарата, отличающемуся тем, что этот способ включает следующие операции:
- излучение микроволн внутри структуры сэндвич;
- реализация по меньшей мере одного изображения поверхности структуры сэндвич;
- выявление на этом изображении поверхности упомянутой структуры сэндвич отличительной зоны, соответствующей наличию воды в промежуточном слое упомянутой структуры сэндвич.
Краткое описание приведенных в приложении фигур чертежей
Фиг.1 схематически представляет пример реализации системы выявления воды в соответствии с предлагаемым изобретением.
Фиг.2 представляет пример изображения, полученного с использованием инфракрасной камеры в соответствии с предлагаемым изобретением.
Фиг.3 представляет другой пример изображения, полученного с использованием системы в соответствии с предлагаемым изобретением, в том случае когда характеристики теплового излучения не являются однородными.
Фиг.4 представляет еще один пример изображения, полученного с использованием системы в соответствии с предлагаемым изобретением, в том случае когда характеристики теплового излучения являются однородными.
Подробное описание способов реализации изобретения
Предлагаемое изобретение относится к системе, предназначенной для выявления наличия воды в структуре сэндвич путем излучения микроволн внутри упомянутой структуры. Такая система схематически представлена на фиг.1.
На этой фиг.1 представлен пример подлежащей проверке структуры, оборудованной системой в соответствии с предлагаемым изобретением. Подлежащая проверке структура 1 представляет собой закрытую конструкцию или деталь, содержащую одну или несколько ячеек. В примере реализации, представленном на фиг.1, эта подлежащая проверке структура 1 имеет прямоугольную форму. При этом само собой разумеется, что эта структура может иметь и другие формы, в частности формы, адаптированные к конструкции летательного аппарата. Эта подлежащая проверке структура может представлять собой, например, створку люка передней стойки шасси.
Эта подлежащая проверке структура представляет собой структуру сэндвич, имеющую наружные слои из углеволокна и промежуточный слой, выполненный в виде сотовой конструкции. Преимущество сотовой структуры состоит в том, что она не поглощает электромагнитные волны. Преимущество углеволокна состоит в том, что он является непроницаемым для электромагнитных волн. Таким образом, при использовании такой структуры электромагнитные волны, излученные вовнутрь структуры сэндвич, распространяются в слое сотовой структуры между двумя наружными слоями, выполненными из углеволокна. Эти волны, в том случае когда они встречают на своем пути воду, обеспечивают нагревание этой воды.
Как это можно видеть на фиг.1, система в соответствии с предлагаемым изобретением содержит устройство для излучения микроволн вовнутрь подлежащей проверке структуры. Это устройство излучения имеет в своем составе генератор 2 волн, располагающийся снаружи по отношению к этой подлежащей проверке структуре 1. Волны, создаваемые генератором 2, представляют собой микроволны. Это устройство излучения содержит также излучатель 3, или антенну, установленный в структуре 1. По меньшей мере один такой излучатель устанавливается в каждой подлежащей проверке детали летательного аппарата. Излучатель 3 подлежащей проверке детали 1 связан с генератором 2 посредством волновода 6. Этот волновод может представлять собой коаксиальный кабель.
Волновод 6 передает к излучателю 3 микроволны, генерируемые генератором 2. Излучатель 3 передает эти микроволны во внутренний слой структуры 1, то есть в слой сотовой структуры. Распространяясь в этом внутреннем слое, микроволны нагревают воду, присутствующую внутри структуры 1.
В соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения упомянутые микроволны генерируются на частоте, по существу равной резонансной частоте молекул воды, что позволяет возбуждать эти молекулы воды. Это возбуждение выражается в повышении температуры воды. Тепловая энергия, высвобождаемая в результате повышения температуры воды, передается на поверхность подлежащей проверке структуры. Эта тепловая энергия имеет следствием нагревание и деформирование некоторой зоны поверхности этой структуры.
Система в соответствии с предлагаемым изобретением содержит также устройство 5 создания изображения, располагающееся снаружи по отношению к подлежащей проверке структуре 1 и обеспечивающее реализацию по меньшей мере одного изображения поверхности этой структуры. В соответствии с одним из способов реализации предлагаемого изобретения это устройство создания изображений представляет собой тепловую камеру или инфракрасную камеру, которая реализует изображение подлежащей проверке структуры. Тепловая камера и инфракрасная камера обладают особенностью, которая позволяет анализировать различные элементы изображения с точки зрения их теплового излучения. Как одна, так и другая из этих камер позволяют идентифицировать горячие точки на изображении. В соответствии с предлагаемым изобретением такая камера позволяет идентифицировать горячие зоны подлежащей проверке структуры 1. При этом каждая горячая зона соответствует месту просачивания воды во внутренний слой этой структуры.
В соответствии с другим способом реализации устройство создания изображений представляет собой устройство голографической интерферометрии, которое реализует два голографических изображения поверхности подлежащей проверке структуры 1. Эти голографические изображения накладываются одно на другое, что позволяет таким образом выявить деформированные зоны. В соответствии с предлагаемым изобретением это устройство голографической интерферометрии выявляет зоны поверхности структуры 1, которые деформируются под действием тепла. Каждая из этих деформированных зон соответствует месту просачивания воды во внутренний слой данной структуры.
При использовании любого из описанных выше средств создания изображений (то есть устройства голографической интерферометрии или той или иной камеры) полученные изображения поверхности подлежащей проверке структуры демонстрируют отличительные зоны этой поверхности, то есть горячие зоны или деформированные зоны, которые соответствуют наличию воды внутри этой структуры.
В примере реализации системы в соответствии с предлагаемым изобретением генератор 2 вырабатывает микроволны с частотой 2,45 ГГц. Поскольку эти микроволны не проникают сквозь наружные слои, выполненные из углеволокна, структуры сэндвич, они остаются заключенными внутри замкнутой конструкции. Таким образом, эти микроволны могут излучаться без всякого риска для безопасности персонала, осуществляющего техническое обслуживание.
В соответствии с одним из способов реализации предлагаемого изобретения излучатель представляет собой несъемную антенну. Таким образом, эта антенна стационарно установлена в данной структуре. В этом случае каждая деталь летательного аппарата, которая должна быть проверена, содержит по меньшей мере одну такую стационарную антенну. Такая антенна может содержать:
- основание, закрепленное в наружном слое, выполненном из углеволокна, подлежащей проверке структуры. Это основание содержит входную клемму, к которой может быть подключен волновод 6;
- проводящий стержень, закрепленный на упомянутом основании и образующий выступ во внутреннем слое подлежащей проверке структуры. Этот проводящий стержень передает микроволны вовнутрь структуры 1. Длина этого проводящего стержня соответствующим образом адаптирована к подлежащей проверке структуре. Так, например, этот проводящий стержень может иметь длину порядка 30 мм.
В соответствии с другим способом реализации излучатель представляет собой съемную антенну. В этом случае предварительно формируется специальное отверстие в наружном углеволоконном слое подлежащей проверке структуры. В процессе проверки антенна устанавливается в это отверстие. После окончания фазы технического обслуживания это отверстие закрывается при помощи герметичной заглушки. Эта заглушка, например, может завинчиваться в данную структуру. Таким образом, во время проверки данной структуры эта заглушка вывинчивается, и в упомянутое отверстие вместо заглушки устанавливается излучатель. После завершения проверки заглушка снова завинчивается в это отверстие. Преимуществом такого технического решения для установки излучателя является то, что это не вызывает никакого дополнительного лобового сопротивления в полете, в частности, в том случае, когда данная структура располагается в аэродинамическом потоке.
В соответствии с еще одним способом реализации упомянутое отверстие заполняется смолой после завершения технического обслуживания.
Как в стационарном исполнении, так и в съемном исполнении упомянутый излучатель может представлять собой радиальную антенну, то есть антенну, которая излучает во всех направлениях в одной плоскости, в частности, в том случае, когда мощность излучения микроволн является достаточно высокой, или же антенну с остронаправленными пучками излучения, в частности, в том случае, когда располагаемая мощность является менее значительной.
На фиг.2 схематически представлен пример изображения поверхности структуры сэндвич, внутрь которой просочилась вода, полученного с использованием инфракрасной камеры. На этом изображении можно видеть несколько пятен, причем каждое такое пятно соответствует выявлению горячей зоны на поверхности этой структуры. Одно из этих пятен имеет специфическую круглую форму и соответствует месту расположения антенны 3. Поскольку место расположения антенны известно, на данном изображении нетрудно определить координаты пятна, соответствующего месту расположения антенны, по отношению к другим пятнам. Другие выявленные пятна 7 соответствуют горячим точкам на поверхности данной структуры. При этом каждая горячая точка соответствует месту наличия воды, просочившейся в данную структуру. Таким образом, изображение, полученное при помощи инфракрасной камеры, позволяет определить на наружном слое структуры сэндвич координаты горячих зон, местоположение которых соответствует наличию воды во внутреннем слое этой структуры. При этом, поскольку только вода является чувствительной к воздействию микроволн, все выявленные на поверхности структуры сэндвич горячие зоны соответствуют зонам просачивания воды. И дефекты конструкции при этом не выявляются.
В описанных в предшествующем изложении способах реализации предлагаемого изобретения использовался только один излучатель, предназначенный для передачи микроволн во внутренний слой подлежащей проверке поверхности. При этом использование только одного излучателя может привести к неоднородности электромагнитного поля внутри этой структуры. В этом случае зоны просачивания воды могут представлять различный уровень повышения температуры. При этом упомянутые пятна на изображении имеют различный вид. Пример изображения, полученного с использованием инфракрасной камеры, в котором тепловая характеристика излучения не является однородной, показан на фиг.3. В этом примере излучатель позволяет обеспечить выявление наличия воды в зоне на расстоянии 800 мм от него. В этой зоне четыре горячие точки 8а, 9а, 10а, 11а и 12а выявляются вдоль линии L, в дополнение к точке 3 расположения антенны: горячая точка 9а, располагающаяся в 400 мм, является наибольшей из всех точек, а горячая точка 11а, располагающаяся в 800 мм, является наименьшей из всех точек.
Для получения однородных тепловых характеристик излучения, соответствующих по существу идентичным пятнам на изображении, в данном изобретении предлагается способ реализации, в соответствии с которым два излучателя устанавливаются в подлежащей проверке структуре, что позволяет гомогенизировать электромагнитное поле внутри этой структуры. Частота второго излучателя может отличаться от частоты первого излучателя. Зоны просачивания воды представляют при этом идентичное повышение температуры. Вследствие этого горячие точки на изображении имеют идентичные размеры, как это показано в примере, проиллюстрированном на фиг.4. Таким образом, выявление горячих точек 8b, 9b, 10b, 11b и 12b на изображении оказывается более простым.
Примеры, показанные на фиг.3 и 4, соответствуют изображениям, полученным при помощи инфракрасной камеры. Разумеется, выявление зон просачивания воды с однородными характеристиками теплового излучения также может быть получено с использованием устройства голографической интерферометрии, как об этом уже было сказано в предшествующем изложении.
Преимущество описанной в предшествующем изложении системы в соответствии с предлагаемым изобретением состоит в том, что она позволяет обеспечить небольшое время нагревания просочившейся воды. Это время нагревания составляет примерно от 10 секунд до 1 минуты. Повышение температуры поверхности подлежащей проверке структуры также оказывается более быстрым, чем в существующем уровне техники, что позволяет обеспечить быструю проверку деталей без их демонтажа. Таким образом, общее время, потребное для осуществления проверки и получения результатов, оказывается не превышающим получаса. Такое снижение времени выявления позволяет осуществлять проверки более часто и, вследствие этого, осуществлять менее трудоемкий ремонт, поскольку он реализуется заблаговременно, до того как конструкция подвергнется слишком серьезным повреждениям.
Кроме того, преимуществом этой системы являются ее относительно небольшие габаритные размеры, поскольку для нагревания воды она требует использования только относительно малогабаритного генератора микроволн и одного или нескольких излучателей, располагающихся внутри подлежащей проверке структуры.