УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НАЛИЧИЯ ЛЕДЯНОГО СЛОЯ ИЛИ ЖИДКОСТИ И ИХ УДАЛЕНИЯ
DEVICE TO DETECT AND REMOVE ICE OR FLUID LAYER

Настоящее изобретение относится к устройству обнаружения наличия слоя льда, образуемого на внешней поверхности авиационной конструкции, и его удаления или обнаружения жидкости, проникшей внутрь конструкции и (или) в материал конструкции, при этом такое наличие может иметь место на большой площади поверхности или может образовываться локально в зонах конструкции.
Наличие инея, льда на конструктивных элементах летательного аппарата, более всего подвергаемых воздействию и имеющих наибольшее значение, таких как крылья, хвостовое оперение, стабилизаторы, может нарушить работу летательного аппарата. Как правило, в случае образования такого скопления вес льда или снега, добавляемый к весу летательного аппарата, приводит к утяжелению летательного аппарата в целом, в результате чего возникает необходимость увеличения реактивной тяги при взлете летательного аппарата. Кроме того, очень незначительная шероховатость поверхности, даже такой незначительной толщины, как 0,4 мм, обусловленная наличием льда или снега, видоизменяет характер течения воздуха на уровне несущей способности и рулей летательного аппарата. Следствием такой шероховатости является существенное снижение несущей способности, увеличение лобового сопротивления и ухудшение маневренности летательного аппарата, в частности, во время его взлета и начального набора высоты.
Другим важным последствием является то, что слои льда, срываясь с крыльев или от фюзеляжа во время взлета летательного аппарата или при наборе им высоты, в результате всасывания могут попасть внутрь двигателей, устанавливаемых в задней части фюзеляжа, и нанести тем самым им повреждения или даже повлечь за собой останов двигателей. Кроме того, отрывающиеся слои льда, ударяясь об имеющие важное значение поверхности, в частности стабилизаторы, могут нанести им повреждения.
В настоящее время существуют средства обнаружения, позволяющие обнаруживать наличие инея или льда, проводя осмотр путем ощупывания или применения специального оборудования, разработанного для обнаружения льда, например наземных устройств обнаружения льда (GIDS). Однако такие средства сложны в применении и не приспособлены для установки в летательном аппарате.
Кроме того, эти средства обнаружения не сопряжены со средствами устранения обледенения. В настоящее время существуют средства устранения обледенения или удаления льда при совершении полетов в условиях обледенения, которые предусматривают удаление инея, льда, образующихся на имеющих важное значение поверхностях летательного аппарата, перед взлетом. С этой целью прибегают к использованию физико-химических способов, которые заключаются в нанесении вещества на имеющую важное значение поверхность с целью ограничить и замедлить образование инея или в подаче жидкости, которая просачивается сквозь конструкцию. Такие средства нуждаются в использовании специального оборудования для доставки этих средств в аэропорты. Антиобледенительная жидкость создает угрозу возникновения проблем, связанных с образованием уплотнений на конструкции. Кроме того, эти физико-химические средства требуют того, чтобы летательный аппарат находился в неподвижном состоянии на земле для производства операций по устранению обледенения с имеющих важное значение поверхностей. Это требует относительно продолжительного времени перед вылетом летательного аппарата и присутствия квалифицированного оператора, что, как следствие, приводит к относительно высокой стоимости.
Известны также устройства устранения обледенения, приспособленные для применения во время полета самолета, в частности устройства, использующие пневматическую систему, которая состоит из трубок, изготовленных из эластичного материала и жестко закрепленных в ребрах атаки, попеременное надувание и сдувание которых приводит к разбиванию инея в случае ее образования; или тепловые антиобледенители, состоящие из трубопроводов, в которые подается горячий воздух, отбираемый из двигателей. Все эти средства требуют производить отбор значительного количества воздуха, что ведет к увеличению расхода топлива и ухудшению тем самым рабочих характеристик турбореактивного двигателя. Кроме того, такое устройство требует места, достаточного для прокладки систем трубопроводов и установки соответствующих устройств управления.
Кроме того, на настоящий момент не существует системы, которая включала бы в себя одновременно и средства обнаружения наличия слоя льда, и средства устранения обледенения, обеспечивающие отслоение слоя льда в реальном масштабе времени, в частности во время полета самолета.
Настоящее изобретение имеет целью предложить соответствующее устройство обнаружения обледенения и его устранения, позволяющее наблюдать за имеющими важное значение зонами конструкций, которые подлежат контролю независимо от того, доступны они или нет, и приступать к устранению обледенения в случае обнаружения наличия слоя льда.
Устройство согласно настоящему изобретению также способно обеспечить удаление жидкости, проникшей внутрь конструкции, и (или) иногда проникшей в материал конструкции, которая создает угрозу снижения механической прочности конструкции. Наличие этой жидкости обусловлено в основном происходящим в процессе эксплуатации конструкции накапливанием инфильтраций, а не дефектом конструкции, возникшим в процессе ее сборки. Эта жидкость способна находиться на глубине в несколько сантиметров внутри конструкции. Эта жидкость может быть водой, накопившейся в результате образования конденсата, или гидравлической жидкостью, например масло Skydroll, которая является коррозирующей жидкостью для конструкций, и ее присутствие, нежелательное, может быть связано с утечками на уровне приводных механизмов.
Проблемы, которые необходимо решить для такого устройства:
- располагать соответствующими средствами обнаружения и удаления, выполненными с возможностью простого накладывания на поверхность контролируемых конструкций независимо от того, доступны они или нет, или устанавливать внутри конструкций, и которые при этом сохраняли бы незначительные вес и габаритные размеры и для своей работы нуждались бы лишь в незначительной электрической мощности;
- располагать средствами, позволяющими осуществлять автоматическое управление с целью максимально возможного уменьшения работы оператора и летчика и, соответственно, снижения стоимости обслуживания.
С этой целью в настоящем изобретении предлагается устройство обнаружения и удаления слоя льда, образующегося на внешней поверхности конструкции летательного аппарата, или жидкости, проникшей внутрь конструкции и (или) просочившейся в материал конструкции.
Согласно изобретению устройство содержит, по меньшей мере, две подсети проводящих элементов, при этом каждая подсеть содержит, по меньшей мере, один ряд проводящих элементов, при этом данные подсети расположены таким образом, что соединение в паз между проводящими элементами первой подсети и двумя проводящими элементами второй подсети образуют сеть емкостных датчиков, при этом данные проводящие элементы утоплены в изоляционный материал, при этом каждая подсеть проводящих элементов интегрирована в гибкую подложку, а весь комплекс образует гибкое покрытие.
Согласно одному варианту осуществления изобретения данные гибкие подложки располагаются перпендикулярно поверхности конструкции, так чтобы изоляционный материал находился или в непосредственном контакте со слоем льда, или близко к конструкции.
Согласно другому варианту осуществления изобретения данные гибкие подложки располагаются в плоскости, параллельной плоскости поверхности конструкции, при этом подложка, образующая внешнюю сторону данного покрытия, является частично пористой, так чтобы дать льду или жидкости проникнуть в изоляционный материал.
Для удаления слоя льда данное покрытие, предпочтительно, крепится на части данной внешней поверхности конструкции, повторяя форму конструкции.
Для устранения имеющейся жидкости данное покрытие, предпочтительно, вложено внутрь конструкции, крепится на внутренней поверхности конструкции или помещается в материале, составляющем конструкцию.
Предпочтительно, поверхность конструкции делится на последовательность секторов, при этом устройство содержит комплекс сетей емкостных датчиков, обеспечивающих удаление льда или жидкости для каждого сектора.
Размеры и расположение проводящих элементов определяются таким образом, чтобы они могли обнаруживать изменение емкости, вызванное наличием льда или жидкости, проникшей в данный изоляционный материал.
Согласно изобретению устройство, кроме того, содержит интерфейсную электронику, устанавливаемую на периферии, по меньшей мере, одной сети емкостных датчиков, для управления данными проводящими элементами (при этом данная электроника содержит схему управления для обеспечения электронным питанием данных проводящих элементов), а также микропроцессор.
Предпочтительно, микропроцессор имеет в своем составе память, содержащую таблицу опорных значений емкости пары проводящих элементов, и средства дифференциального анализа измеренных значений емкости со значениями емкости опорной таблицы. Упомянутая таблица опорных значений емкости заранее определена моделированием или экспериментальным путем.
Согласно изобретению средства дифференциального анализа содержат средства формирования сигнала состояния S, свидетельствующего о том, что усредненное дифференциальное значение, представляющее собой разницу между опорными значениями емкости и значениями емкости, измеренными емкостными датчиками, превышает пороговое значение, свидетельствующее о наличии слоя льда или наличии жидкости, при этом данный сигнал состояния S передается данным микропроцессором на упомянутую схему управления для включения подачи тока через упомянутые проводящие элементы.
Согласно изобретению в летательном аппарате, имеющем в своем составе такое устройство, описанное выше, устройство может быть подсоединено к находящейся в кабине экипажа приборной доске через коммуникационный блок для отображения рабочих параметров и управления устройством.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными после изучения нижеприводимого описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1.А и фиг.1.В изображают соответственно вид сверху в частичном разрезе сети емкостных датчиков согласно двум способам осуществления изобретения;
- фиг.2 в схематичном виде изображает пример конфигурации соединения между интерфейсной электроникой и комплексом из трех сетей емкостных датчиков.
Изобретение относится к устройству, позволяющему обнаруживать и удалять слой льда, образуемый на внешней поверхности авиационной конструкции, или наличие жидкости внутри конструкции и/или проникшей в материал конструкции, при этом предлагаемое изобретение, в частности, применимо к авиационным конструкциям сложных форм и во время полета самолета.
В рамках осуществления средств удаления в реальном масштабе времени устройство содержит соответствующие средства, выполненные с возможностью предупреждения и обнаружения образования слоя льда или наличия жидкости, а также средства, выполненные с возможностью работать как устройство удаления.
Такое устройство, а также система его функционирования изображены на фиг.1 и 2.
На фиг.1.А изображен первый способ осуществления изобретения, в котором устройство содержит две подсети проводящих элементов 2а, 2b.
Две подсети располагаются, устанавливая напротив проводящие элементы 3, таким образом, что соединение в паз между элементами первой сети 2а и элементами второй сети 2b образует сеть емкостных датчиков.
Например, каждый проводящий элемент 3 первой подсети 2а вкладывается между двумя соседними элементами второй подсети 2b. Таким образом, две подсети образуют сеть емкостных датчиков 1. Комплекс проводящих элементов утапливается в изоляционный материал 4.
Как это изображено на фиг.1.А, проводящие элементы 3 встроены соответственно в верхнюю гибкую подложку 5а и нижнюю гибкую подложку 5b, которые располагаются в плоскости, параллельной плоскости поверхности конструкции 6. Верхняя подложка 5а, сторона 7 которой направлена наружу, является частично пористой, что позволяет льду и жидкости проникать в изоляционный материал 4. Комплекс образует гибкое покрытие.
На фиг.1.В изображен второй способ осуществления изобретения, согласно которому гибкие подложки 5 расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности конструкции 6, таким образом, что изоляционный материал 4, размещенный между двумя подложками, находится в непосредственном контакте с внешней средой, в частности, он контактирует с потенциальным слоем льда или жидкостью и размещен близко к конструкции. Кроме того, сторона, которая, как предусматривается, будет плотно располагаться на поверхности конструкции, содержит эластичный тонкий слой, в котором интегрируется сеть емкостных датчиков, при этом данный комплекс также образует гибкое покрытие.
Для удаления слоя льда упомянутое покрытие, предпочтительно, крепится на части упомянутой внешней поверхности конструкции 6, повторяя форму конструкции.
Для удаления имеющейся жидкости упомянутое покрытие помещается внутрь конструкции, крепится на внутренней поверхности конструкции или встраивается непосредственно в материал конструкции, например, на стадии изготовления конструкции.
В обоих способах осуществления изобретения нижняя гибкая подложка или эластичный тонкий слой прочно соединяются с поверхностью конструкции посредством адгезивного материала.
Как это показано на фиг.1.А и 1.В, сеть емкостных датчиков представляет собой средства обнаружения наличия слоя льда или жидкости.
Действительно, когда лед или жидкость проникают в изоляционный материал, то их присутствие приводит к изменению диэлектрической постоянной ε материала, в который утоплены проводящие элементы, при этом такое диэлектрическое изменение влечет за собой изменение емкости на клеммах конденсаторов, образуемых проводящими элементами. При сравнении среднего значения измеренных емкостных величин и среднего значения опорных емкостных величин, соответствующих значениям при отсутствии слоя льда или жидкости, разница позволяет определить количественным путем наличие слоя льда или жидкости. Пороговое значение, свидетельствующее о действительном наличии слоя льда или жидкости, фиксировано.
Предпочтительно, размеры и расположение проводящих элементов определяются таким образом, чтобы они были способны обнаруживать изменение емкости, вызванное изменением диэлектрической постоянной изоляционного материала. Каждый проводящий элемент расположен от другого соседнего проводящего элемента на расстоянии, достаточном для обеспечения соответствующей электрической изоляции.
Средства устранения обледенения также образованы утопленными в изоляционный материал проводящими элементами, которые являются резистивными нагревательными элементами, способными рассеивать электрическую мощность для выделения джоулевого тепла, когда устройство функционирует в режиме устранения обледенения.
Проводящие элементы выполнены из металлического резистивного материала, например сплава серебра или меди. Сеть проводящих элементов изготавливается путем оптической литографии, выполненной через трафарет, затем соединенная попарно на этапе нанесения металлического покрытия посредством плазмы или любым другим средством наращивания слоя. Размер проводящих элементов составляет порядка десятка микрона.
Изоляционный материал, в котором утоплены проводящие элементы, выполнен, предпочтительно, из материалов, относящихся к семейству материалов, обладающих повышенным коэффициентом проницаемости.
Для управления и включения устройства оно содержит, кроме того, интерфейсную электронику. Предпочтительно, эта интерфейсная электроника также интегрируется на периферии каждой сети емкостных датчиков. Этот интерфейс содержит схему управления 8, соединяющую проводящие элементы с блоком электропитания и микропроцессором 9, который соединяет сеть проводящих элементов с блоком 11. Каждая линия или каждая колонка проводящих элементов управляется отдельно посредством схемы управления, обеспечивающей в случае выхода из строя линии или колонки проводящих элементов продолжение функционирования сети.
На фиг.2 в схематичном виде изображен пример схемы управления комплексом из трех сетей емкостных датчиков, покрывающих, например, одну зону поверхности конструкции. Блок электропитания подсоединен к трем сетям 101, 102, 103 соответственно по вводным и выводным электропроводам 201а, 201b, 202a, 202b, 203a, 203b, при этом собственно блок подсоединен к источнику постоянного напряжения или источнику переменного напряжения. Соединение проводами каждой сети с блоком осуществляется независимо от соединения проводами соседней сети, что позволяет минимизировать риск выхода из строя устройства.
Предпочтительно, поверхность конструкции, на которой осуществляется устранение обледенения, может быть разделена на последовательность секторов для устранения обледенения, при этом производится сетевое размещение устройства на поверхности конструкции так, чтобы реализовать слой, покрывающий рассматриваемую поверхность для обеспечения устранения льда или жидкости для каждого сектора. Плотность сети зависит, с одной стороны, от размера покрываемой поверхности и, с другой стороны, от степени риска рассматриваемой зоны. Предпочтительно, такая сетевая конфигурация позволяет продолжить обеспечение функции удаления и устранения обледенения в случае поломки одного из устройств.
На фиг.2 в качестве иллюстрации изображено устройство, состоящие из трех сетей емкостных датчиков, которые располагаются, прилегая друг к другу, однако они также могут размещаться отдельно на равномерном или произвольном расстоянии друг от друга. Комплекс образует гибкое покрытие, которое крепится на зоне, имеющей важное значение поверхности. Когда поверхность протяженная, то несколько устройств располагаются сетью или с произвольными интервалами в оптимальной конфигурации для удаления слоя льда или жидкости.
Блок электропитания 11 подсоединен к расположенной в кабине экипажа приборной доске через коммуникационный блок 10 для отображения рабочих параметров и для управления устройством.
В рамках рассмотрения устройства защиты от обледенения или жидкости в реальном масштабе времени микропроцессор имеет память, содержащую таблицу опорных значений емкости пары проводящих элементов, и средства дифференциального анализа измеренных емкостными датчиками значений емкости относительно значений емкости опорной таблицы. Таблица опорных значений емкости заранее определена моделированием или экспериментальным путем.
Средства дифференциального анализа содержат средства формирования сигнала состояния S, свидетельствующего о том, что среднее дифференциальное значение полученное в результате разницы между опорными значениями емкости и значениями емкости, измеренными датчиками, превышает пороговое значение, свидетельствующее о наличии слоя инея на поверхности конструкции или жидкости в конструкции. Сигнал состояния S передается микропроцессором к блоку управления для включения подачи тока через проводящие элементы.
Подача тока в комплекс сетей емкостных датчиков может представлять собой последовательную подачу, позволяющую осуществлять последовательный нагрев. Как это показано на фиг.2, три сети 101, 102 и 103 нагреваются одна за другой. Такая подача также может осуществляться в три сети одновременно.
Для осуществления соответствующего устранения обледенения или испарения жидкости требуется затрата небольшого количества мощности. Действительно, в зависимости от порогового значения устройство обнаружения позволяет достаточно рано предупредить образование льда или появление жидкости, кроме того, в процессе устранения обледенения слой льда находится в непосредственном контакте с сетью проводящих элементов. Прохождение тока через проводящие элементы вызывает таяние льда, непосредственно контактирующего с поверхностью устройства, которое приводит к отслоению слоя льда. Для повышения температуры, необходимой для поверхностного таяния, также требуется относительно незначительная мощность. Как правило, сила тока, подаваемого в проводящие элементы для осуществления достаточного устранения обледенения, заключается между 5мА и 10мА.
Предпочтительно, устройство согласно изобретению сопряжено со средствами измерения степени влажности и температуры обшивки конструкции самолета во время его полета. Эти средства позволяют автоматически включать устройство в режим обнаружения льда в зависимости от условий образования льда.
В то же время устройство обнаружения и удаления льда или жидкости может также включаться пилотом вручную для производства превентивной обработки. В этом случае устройство приводится непосредственно в рабочий режим устранения, при этом проводящие элементы постоянно снабжаются током.
Устройство согласно настоящему изобретению, в котором интерфейсная электроника сопряжена с сетью емкостных датчиков, позволяет включать функцию устранения в устройстве исключительно при наличии слоя льда или жидкости с оптимальным временем ответа, позволяющим оптимизировать потребление электричества устройством.