СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ НА ВОЗДУШНОМ ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ
METHODS AND APPARATUS FOR DETECTING ICE FORMATION ON AIRCRAFT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате и, в частности, к датчикам обледенения, содержащим пироэлектрический материал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Скопление льда на ответственных поверхностях обеспечения полета воздушного летательного аппарата представляет существенную угрозу безопасности. Даже образование небольшого количества льда на некоторых ответственных поверхностях, таких как передняя кромка крыльев воздушных летательных аппаратов и другие аэродинамические поверхности, может в значительной степени влиять на подъемные характеристики и характеристики лобового сопротивления указанных поверхностей. Таким образом, обнаружение обледенения воздушного летательного аппарата в реальном времени является важным фактором безопасности во время полета. Однако некоторые существующие системы и способы обнаружения обледенения в реальном времени допускают ложные отрицательные показания. В таких случаях, система обнаружения обледенения может неверно указать на то, что на воздушном летательном аппарате отсутствует скопление льда, даже если скопление льда на самом деле произошло на одной или более ответственной поверхности обеспечения полета. Ложные отрицательные показания, в частности, могут быть обычным явлением при полете воздушного летательного аппарата при температуре, близкой к температуре замерзания воды, такой как 27-32°F (-2,78-0°С), и на высоте приблизительно 1500-13000 футов (460-3960 метров). При таких условиях лед может образовываться на передней кромке крыла воздушного летательного аппарата или на другой ответственной поверхности обеспечения полета до того, как обледенение на датчике обледенения будет расположено в характерном месте на воздушном летательном аппарате, таком как передняя часть фюзеляжа воздушного судна.
Таким образом, существует потребность в создании способов и устройств для обнаружения условий обледенения и/или обледенения воздушного летательного аппарата более надежным образом и/или при более широком спектре атмосферных условий.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту, в настоящем описании раскрыто устройство, содержащее датчики обледенения, которые, при некоторых вариантах исполнения, могут обеспечить одно или большее количество преимуществ над известными датчиками обледенения. Например, в некоторых случаях, описанный в настоящем описании датчик обледенения может обнаруживать обледенение на поверхности воздушного летательного аппарата при атмосферных условиях, при которых другие датчики обледенения не могут обнаружить обледенение на поверхности воздушного летательного аппарата. Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения может обнаруживать обледенение при любой температуре, давлении и уровне влажности, включенных в область режимов обледенения, описанную в главе 14, часть 25, Приложение С (Издание 1-1-12) Свода федеральных нормативных актов США (Code of Federal Regulations). Таким образом, в некоторых случаях, описанный в настоящем описании датчик обледенения может обеспечить раннее обнаружение обледенения на ответственной поверхности обеспечения полета летательного аппарата, таким образом снижая вероятность опасного ложного отрицательного показания. Кроме того, описанный в настоящем описании датчик обледенения может обеспечивать одно или большее количество следующих преимуществ без необходимости существенного изменения конструкции или модификации воздушного летательного аппарата. Например, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения может быть соединен с воздушным летательным аппаратом без существенного изменения аэродинамических свойств воздушного летательного аппарата. В некоторых случаях, описанный в настоящем описании датчик обледенения может быть соединен с наружной поверхностью или обшивкой передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата, в том числе на месте существующего датчика обледенения, расположенного в этом месте. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения может быть использован для модификации воздушного летательного аппарата, такого как гражданский реактивный самолет или другой самолет, выгодным и/или эффективным образом.
Описанный в настоящем описании датчик обледенения, в некоторых вариантах исполнения, содержит чувствительную поверхность и слой пироэлектрического материала, расположенный по меньшей мере на части чувствительной поверхности. В некоторых случаях, слой пироэлектрического материала расположен непосредственно на чувствительной поверхности. В других примерах, один или более дополнительных слоев расположены между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала. Например, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения также содержит слой клеящегося материала, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала.
Чувствительная поверхность описанного в настоящем описании датчика обледенения, в некоторых случаях, является вибрационной чувствительной поверхностью, такой как ультразвуковая чувствительная поверхность. В некоторых вариантах исполнения, чувствительная поверхность является частью архитектуры магнитострикционного датчика. В других случаях, чувствительная поверхность образует часть архитектуры оптического датчика, архитектуры пьезоэлектрического датчика или архитектуры емкостного датчика.
Слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения, в некоторых вариантах исполнения, является кристаллическим слоем. В других примерах, слой пироэлектрического материала является квазиаморфным слоем. Более того, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может являться по существу непрерывным слоем или плиточным слоем. Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может содержать неорганический материал или быть образованным из неорганического материала, такого как керамический материал, органического материала, такого как полимерный материал, или из их комбинации. В качестве дополнения, в некоторых случаях, поверхность слоя пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения демонстрирует локальную температуру замерзания воды, большую, чем локальная температура замерзания воды, демонстрируемая чувствительной поверхностью датчика обледенения при тех же самых условиях. Кроме того, вода может являться переохлажденной жидкой водой.
Согласно другому аспекту, в настоящем описании раскрыты способы обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате, которые, при некоторых вариантах исполнения, могут обеспечить одно или большее количество преимуществ над некоторыми способами, известными из уровня техники. В некоторых случаях, например, описанный в настоящем описании способ может использоваться для обнаружения обледенения на неответственной поверхности воздушного летательного аппарата до образования льда на ответственной поверхности обеспечения полета воздушного летательного аппарата, таким образом снижая вероятность ложного отрицательного показания. В некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании способ может быть использован для обеспечения раннего предупреждения о наличии потенциально опасных условий полета, таких как условия, находящиеся в области режимов обледенения, описанной в главе 14, часть 25, Приложение С (издание 1-1-12) Свода федеральных нормативных актов.
Способ обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате, описанный в настоящем описании в некоторых вариантах исполнения, включает размещение описанного в настоящем описании датчика обледенения на наружной поверхности воздушного летательного аппарата и создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала датчика обледенения для изменения локальной температуры замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала. В некоторых случаях, локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала повышается. Также возможно, в других примерах, понижение локальной температуры замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала. Более того, вода может являться переохлажденной жидкой водой.
В дополнение, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании способ также включает обеспечение сигнала в ответ на образование льда на поверхности слоя пироэлектрического материала датчика обледенения. Кроме того, в некоторых случаях, локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала больше, чем локальная температура замерзания воды на одной или более поверхностях обеспечения полета воздушного летательного аппарата. Например, в некоторых вариантах исполнения, локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала больше, чем локальная температура замерзания воды на передней кромке крыла, передней кромке хвостового оперения или на передней кромке впускного отверстия двигателя воздушного летательного аппарата. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании способ может быть использован для индикации наличия условий обледенения до образования льда на одной или большем количестве ответственных поверхностей обеспечения полета, в том числе в реальном времени при полете воздушного летательного аппарата.
Эти и другие варианты исполнения описаны более подробно в приведенном далее подробном описании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан график условий обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 2 показан график области режимов обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 3 показан график условий обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 4 показан график условий обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 5 показан график области режимов обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 6 показан график условий обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 7 показан график области режимов обледенения, с которыми может встретиться датчик обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 8 показан вид в разрезе датчика обледенения в соответствии с одним вариантом исполнения, описанным в настоящем описании.
На фиг. 9 показан перспективный вид датчика обледенения в соответствии с одним вариантом исполнения, описанным в настоящем описании.
На фиг. 10 показана блок-схема методологии производства и обслуживания воздушного летательного аппарата, подходящая для использования с датчиком обледенения в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
На фиг. 11 показана блок-схема воздушного летательного аппарата, подходящего для использования с датчиком обледенения и способом в соответствии с некоторыми вариантами исполнения, описанными в настоящем описании.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные в настоящем описании варианты исполнения будут лучше понятны благодаря ссылке на приведенное ниже подробное описание, примеры и чертежи. Элементы, устройства и способы, описанные в настоящем описании, однако, не ограничены конкретными вариантами исполнения, представленными в подробном описании, примерах и на чертежах. Следует понимать, что эти варианты исполнения приведены лишь для иллюстрации принципов настоящего раскрытия. Для специалиста в уровне техники будут очевидны многочисленные модификации и усовершенствования без выхода за пределы сущности и объема раскрытия.
Кроме того, все раскрытые в настоящем описании диапазоны должны пониматься как охватывающие любые и все поддиапазоны, относящиеся к ним. Например, заданный диапазон "от 1,0 до 10,0" следует понимать как включающий любые и все поддиапазоны, начиная с минимального значения 1,0 или более и заканчивая максимальным значением 10,0 или менее, например, от 1,0 до 5,3, или от 4,7 до 10,0, или от 3,6 до 7,9.
Все диапазоны, описанные в настоящем описании, также должны пониматься как включающие конечные точки, если не указано обратное. Например, диапазон "от 5 до 10" следует в целом понимать как включающий конечные точки 5 и 10.
Кроме того, когда используется фраза "вплоть до" в связи с количеством или числом, следует понимать, что количество является по меньшей мере количеством или числом, которое можно обнаружить. Например, в случае, если материал присутствует в количестве "вплоть до", то может присутствовать конкретное количество от количество, которое можно обнаружить, и вплоть до, и включая, конкретное количество.
Согласно одному аспекту, в настоящем описании описаны датчики обледенения. Датчики обледенения, описанные в настоящем описании, могут быть использованы для обнаружения наличия или отсутствия обледенения на воздушном летательном аппарате, в том числе на воздушном летательном аппарате во время полета. В целом, лед от двух разных источников может присутствовать на воздушном летательного аппарата или вблизи него во время полета, в частности, во время полета в облаках или вблизи них. Один тип льда состоит из льда, образованного в процессе "обледенения", в котором переохлажденная жидкая вода образовывает ядра или конденсируется на поверхности воздушного летательного аппарата, а затем замерзает на поверхности воздушного летательного аппарата. Образование ядер или конденсация переохлажденной жидкой воды может непосредственно предшествовать или происходить одновременно с процессом замерзания. Кроме того, переохлажденная жидкая вода может являться переохлажденной жидкой водой, присутствующей в облаке или вблизи него. Второй тип льда, который может присутствовать на воздушном летательном аппарате или вблизи него во время полета, состоит из льда, который уже присутствует во внешней окружающей среде воздушного летательного аппарата в качестве твердого льда. Например, данный тип льда может присутствовать на облаке или вблизи него в виде взвешенных частиц льда или кристаллов льда. Описанные в настоящем описании датчики обледенения могут быть использованы, в частности, для обнаружения наличия или отсутствия льда, осажденного на поверхности воздушного летательного аппарата посредством процесса обледенения, описанного выше, в отличие от льда, который может присутствовать в виде взвешенных частиц льда. Например, в некоторых вариантах исполнения описанные в настоящем описании датчики обледенения являются так называемыми датчиками обледенения "нарастающего" или "накопительного" типа, выполненными с возможностью работы для обнаружения скопления льда вследствие одного или более случаев обледенения. Однако, описанные в настоящем описании датчики обледенения не ограничены датчиками нарастания или скопления льда. Наоборот, описанные в настоящем описании датчики обледенения могут также включать другие архитектуры или конструкции датчиков. Датчики обледенения, описанные в настоящем описании, могут включать любые конструкции для обнаружения льда, которые являются совместимыми с задачами настоящего раскрытия, как будет описано далее.
Накопление льда в процессе обледенения может иметь особое значение, когда воздушный летательный аппарат используется в условиях, описанных в главе 14, часть 25, Приложение С Свода федеральных нормативных актов (здесь и далее "условия обледенения по Приложению С" или "режимы обледенения по Приложению С"). Такие условия обледенения или режимы обледенения по Приложению С могут включать условия "непрерывного максимального обледенения", условия "прерывистого максимального обледенения" или условия "максимального обледенения при взлете". "Непрерывное максимальное обледенение" относится к максимальной непрерывной интенсивности атмосферных условий обледенения и определяется переменными содержания жидкой воды в облаке, средним эффективным диаметром капель в облаке, температурой окружающего воздуха и соотношением этих трех переменных, как показано на фиг. 1, которая соответствует фигуре, опубликованной в Приложении С. Как описано в Приложении С, ограничивающий режим обледенения по высоте и температуре приведен на фиг. 2. Соотношение содержания жидкой воды в облаке с диаметром капель и высотой определяют из фиг. 1 и 2. Содержание жидкой воды в облаке для условий непрерывного максимального обледенения в горизонтальном протяжении (отличном от 17,4 морских миль (32,2 км)) определено значением содержания жидкой воды по фиг. 1, умноженным на соответствующий множитель по фиг. 3. Фиг. 2 и 3 также соответствуют фигурам, опубликованным в Приложении С.
Как описано в Приложении С, "прерывистое максимальное обледенение" относится к максимальной прерывистой интенсивности атмосферных условий обледенения и определяется переменными содержания жидкой воды в облаке, средним эффективным диаметром капель в облаке, температурой окружающего воздуха и соотношением этих трех переменных, как показано на фиг. 4, которая соответствует фигуре, опубликованной в Приложении С. Ограничивающий режим обледенения в терминах высоты и температуры приведен на фиг. 5. Соотношение содержания жидкой воды в облаке с диаметром капель и высотой определяют из фиг. 4 и 5. Содержание жидкой воды в облаке для условий прерывистого максимального обледенения в горизонтальном протяжении (отличном от 2,6 морских миль (4,8 км)) определено значением содержания жидкой воды по фиг. 4, умноженным на соответствующий множитель по фиг. 6. Фиг. 5 и 6 также соответствуют фигурам, опубликованным в Приложении С.
3
Как описано в Приложении С, "максимальное обледенение при взлете" относится к максимальной интенсивности атмосферных условий обледенения при взлете и определяется содержанием жидкой воды в облаке, равным 0,35 г/м, средним эффективным диаметром капель в облаке, равным 20 мкм и температурой окружающего воздуха на уровне земли, равной -9 градусам Цельсия. Условия максимального обледенения при взлете проходят от уровня земли до высоты 1500 футов (457,2 м) над уровнем взлетной поверхности.
Одним вариантом реализации настоящего раскрытия является обеспечения датчиков обледенения, которые, в некоторых вариантах исполнения, могут более точно обнаруживать наличие или отсутствие случаев обледенения на воздушном летательном аппарате, включая случай, когда воздушный летательный аппарат используется в условиях обледенения по Приложению С или в режимах обледенения по Приложению С, включая описанные на фиг. 1-6. Как описано выше, некоторые датчики обледенения, известные из уровня техники, обеспечивают ложные негативные показания при некоторых условиях обледенения или режимах обледенения по Приложению С, в частности, когда датчик обледенения расположен на фюзеляже воздушного летательного аппарата или вблизи него. Например, на фиг. 7 показаны некоторые условия, попадающие в режим обледенения по Приложению С, в которых лед может образовываться на передней кромке крыла воздушного летательного аппарата до образования льда на датчике, известном из уровня техники, расположенном на передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата (и до обнаружения льда известным из уровня техники датчиком). График по фиг. 7 предполагает, что известный из уровня техники датчик является магнитострикционным датчиком обледенения нарастающего типа, таким как датчик обледенения Goodrich 0781LH1.
Как показано на фиг. 7, режим (100) обледенения определен в терминах высоты и температуры. Сплошная линия (200) показывает условия, выше которых лед не будет образовываться на известных из уровня техники датчиках обледенения нарастающего типа, расположенных на передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата во время полета. Ниже сплошной линии (200) лед будет образовываться на известных из уровня техники датчиках обледенения, и они будут правильно обнаруживать случай обледенения, выдавая "верное положительное" показание. Таким образом, сплошная линия (200) задает область (110) верного положительного обнаружения в режиме (100) обледенения.
Пунктирная линия (300) по фиг. 7 показывает условия, выше которых лед не будет образовываться на передней кромке обычного крыла воздушного летательного аппарата, такой как средняя/внутренняя передняя кромка крыла воздушного летательного аппарата. Ниже пунктирной линии (300) лед будет образовываться на передней кромке крыла. Таким образом, сплошная линия (200) и прерывистая линия (300) задают область (120) ложного отрицательного обнаружения в режиме (100) обледенения, в которой известные из уровня техники датчики обледенения, расположенные на передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата будут неверно показывать отсутствие случая обледенения на передней кромке крыла. В противоположность некоторым существующим датчикам обледенения, описанные в настоящем описании датчики обледенения, в некоторых вариантах исполнения, могут избежать ложных отрицательных показаний по меньшей мере в части области (120) ложного отрицательного обнаружения по фиг. 7, таким образом повышая авиационную безопасность авиации. Такое улучшение характеристик может быть обеспечено устройствами и способами, описанными ниже в настоящем описании.
В некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения содержит чувствительную поверхность и слой пироэлектрического материала, расположенный по меньшей мере на части чувствительной поверхности. В некоторых случаях, слой пироэлектрического материала расположен непосредственно на чувствительной поверхности. В других примерах, один или более дополнительных слоев расположены между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала. Например, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения также содержит слой клеящегося материала, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала.
Обращаясь теперь к конкретным компонентам датчиков обледенения, описанные в настоящем описании датчики обледенения содержат чувствительную поверхность. Чувствительная поверхность может быть наружной поверхностью чувствительного устройства и может быть выполнена с возможностью обнаружения образования ядер льда или формирования льда на поверхности датчика обледенения любым способом, не противоречащим задачам настоящего раскрытия. В дополнение, чувствительная поверхность может быть включена в датчик обледенения любым способом, известным специалисту в уровне техники. Например, в некоторых вариантах исполнения, чувствительная поверхность описанного в настоящем описании датчика обледенения является вибрационной чувствительной поверхностью, такой как поверхность ультразвукового чувствительного устройства. В некоторых примерах, чувствительная поверхность является частью архитектуры магнитострикционного датчика. Специалисту в уровне техники ясно, что архитектура магнитострикционного датчика может включать ультразвуковое вибрационное чувствительное устройство, такое как чувствительное устройство, образованное полой трубкой. Вибрационное чувствительное устройство может быть соединено с магнитострикционным материалом. Когда лед накапливается на чувствительной поверхности, резонансная частота чувствительного устройства уменьшается в соответствии с массой накопленного льда. Уменьшение частоты чувствительного устройства ниже заранее заданной границы может привести к подаче сигнала о том, что произошел случай обледенения. Такая конструкция показана, например, на фиг. 8.
Как показано на фиг. 8, датчик (100) обледенения содержит чувствительную поверхность (110). Чувствительная поверхность (110) является ультразвуковой вибрационной чувствительной поверхностью, такой как используется в архитектуре магнитострикционных датчиков обледенения. Слой (120) пироэлектрического материала расположен на чувствительной поверхности (110). Датчик (100) обледенения также содержит управляющее устройство (130). Управляющее устройство (130) может содержать схему или аппаратное обеспечение и/или программное обеспечение, выполненное с возможностью приема, передачи и/или обработки данных, соответствующих случаю обледенения. В дополнение, датчик (100) обледенения соединен с поверхностью (200) воздушного летательного аппарата, так что часть чувствительной поверхности (110) расположена в наружной окружающей среде (210) воздушного летательного аппарата. Наружная окружающая среда (210) может рассматриваться как среда вероятного обледенения. Источник (220) питания воздушного летательного аппарата может обеспечивать энергию и/или заряд для чувствительной поверхности (110) и/или управляющего устройства (130).
В других случаях, описанная в настоящем описании чувствительная поверхность образует часть архитектуры емкостного датчика, такой как в емкостном чувствительного устройстве. Специалисту в уровне техники ясно, что архитектура емкостного датчика может включать пространственно разделенные проводящие электроды, окруженные непроводящей подложкой для формирования чувствительного устройства, в которых количество льда, накопленного на чувствительной поверхности, изменяет емкость чувствительного устройства, которая может быть измерена с помощью схемы для измерения емкости.
В некоторых вариантах исполнения, чувствительная поверхность описанного в настоящем описании датчика обледенения является частью архитектуры оптического датчика. Например, в некоторых примерах, чувствительная поверхность образована материалом (таким как металл, полупроводник, стекло или полимер), на котором может образовываться и накапливаться лед, а модулированный источник света направлен в направлении чувствительной поверхности. Для обнаружения случая обледенения с использованием такой конструкции, источник света может направлять свет в направлении чувствительной поверхности, а чувствительная поверхность может затем передавать свет на оптический датчик. Количество света, переданного на оптический датчик, может показывать количество льда, присутствующего на чувствительной поверхности.
В других примерах, чувствительная поверхность описанного в настоящем описании датчика обледенения является терморегулируемой или нагреваемой поверхностью, которая может образовывать часть архитектуры датчика обледенения, основанной на времени плавления накопленного льда. В такой архитектуре, датчик может работать периодически, выполняя нагрев чувствительной поверхности до постоянной температуры. Микропроцессор может измерять скорость увеличения температуры чувствительной поверхности путем сравнения времени, которое требуется чувствительной поверхности для перехода через два или более контрольных значения температуры. Количество накопленного льда затем может быть определено на основании скорости увеличения температуры, причем температура увеличивается медленнее, когда накоплено большее количество льда.
-3
-3
-3
2
-3
2
Более того, описанная в настоящем описании чувствительная поверхность, в некоторых вариантах исполнения, может иметь одно или большее количество электрических свойств, подходящих для использования с описанным в настоящем описании слоем пироэлектрического материала. Например, в некоторых случаях, чувствительная поверхность является электрически проводящей и/или термоизолирующей. В некоторых примерах, чувствительная поверхность имеет электрическую проводимость по меньшей мере приблизительно 1,0×10 сименс на метр (См/м) при 20°С или по меньшей мере приблизительно 1,5×10 См/м при 20°С. В дополнение, в некоторых вариантах исполнения, чувствительная поверхность описанного в настоящем описании датчика обледенения имеет тепловое рассеивание не более чем приблизительно 10×10 см/с или не более чем приблизительно 5×10 см/с.
Описанные в настоящем описании датчики обледенения также содержат слой пироэлектрического материала по меньшей мере на части описанной в настоящем описании чувствительной поверхности. Слой пироэлектрического материала может располагаться на любой части чувствительной поверхности, которая является совместимой с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, например, слой пироэлектрического материала покрывает всю или большую часть площади чувствительной поверхности. В некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала покрывает всю или большую часть площади чувствительной поверхности, которая подвержена воздействию атмосферных условий, таких как атмосферные условия, воздействующие на наружную частью воздушного летательного аппарата. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения выполнен с возможностью работы для обнаружения образования ядер льда или формирования льда на слое пироэлектрического материала датчика обледенения, в том числе посредством архитектуры датчика обледенения, описанной выше в настоящем описании.
В некоторых примерах, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения занимает вплоть до приблизительно 99 процентов, вплоть до приблизительно 95 процентов, вплоть до приблизительно 90 процентов, вплоть до приблизительно 80 процентов, вплоть до приблизительно 70 процентов, вплоть до приблизительно 60 процентов, вплоть до приблизительно 50 процентов, вплоть до приблизительно 40 процентов, вплоть до приблизительно 30 процентов, вплоть до приблизительно 20 процентов или вплоть до приблизительно 10 процентов площади чувствительной поверхности или части чувствительной поверхности, которая подвержена воздействию внешних атмосферных условий. В некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения занимает приблизительно от 10 до приблизительно 99 процентов, приблизительно от 20 до приблизительно 90 процентов, приблизительно от 30 до приблизительно 80 процентов, приблизительно от 40 до приблизительно 99 процентов, приблизительно от 50 до приблизительно 99 процентов, приблизительно от 60 до приблизительно 99 процентов, приблизительно от 70 до приблизительно 95 процентов, приблизительно от 80 до приблизительно 95 процентов, приблизительно от 80 до приблизительно 99 процентов или приблизительно от 90 до приблизительно 99 процентов площади чувствительной поверхности или части чувствительной поверхности, которая подвержена воздействию внешних атмосферных условий.
В дополнение, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может иметь любую конструкцию, которая является совместимой с задачами настоящего раскрытия. В некоторых вариантах исполнения, например, слой пироэлектрического материала является непрерывным или по существу непрерывным слоем. Непрерывный или по существу непрерывный слой, в некоторых случаях, может быть слоем, не имеющим существенных прерываний или неоднородностей между частями или участками слоя. Следовательно, непрерывный или по существу непрерывный слой может быть слоем, образованным единственной непрерывной частью пироэлектрического материала. В качестве альтернативы, в других примерах, слой пироэлектрического материала может быть плиточным слоем, образованным из одной или большего количества отдельных плиток пироэлектрического материала, расположенных смежно друг с другом для образования слоя.
Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может являться кристаллическим слоем или по существу кристаллическим слоем. "Кристаллический" слой, для целей настоящего описания, включает слой, имеющий кристаллическую микроструктуру. Кристаллический или по существу кристаллический слой может быть монокристаллическим или поликристаллическим. Более того, для целей настоящего описания, "по существу кристаллический слой" может иметь степень кристалличности по меньшей мере приблизительно 60 процентов, по меньшей мере приблизительно 70 процентов, по меньшей мере приблизительно 80 процентов, по меньшей мере приблизительно 90 процентов или по меньшей мере приблизительно 95 процентов на основании полной массы пироэлектрического материала. В некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может являться квазиаморфным слоем. "Квазиаморфный" слой, для целей настоящего описания, включает слой, который имеет пироэлектрический эффект и имеет частично кристаллическую и частично аморфную микроструктуру.
3
3
3
x
1-x
3
3
3
x
1-x
3
3
2
6
2
6
x
1-x
2
6
0.5
0.5
3
Слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может содержать или быть выполненным из любого пироэлектрического материала, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала образован из неорганического материала, такого как керамический материал, поляризованный керамический материал или полупроводниковый материал. В некоторых случаях, слой пироэлектрического материала образован из нитрида галлия, нитрата цезия, танталата лития, титаната стронция, титаната бария, титаната бария-стронция, цирконата стронция, цирконата бария, цирконата бария-стронция, цирконата свинца, ниобата стронция, ниобата бария, ниобата бария-стронция или их комбинации. В некоторых случаях, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения образован из LiTaO, SrTiO, BaTiO, (SrBa)TiO, SrZrO, BaZrO, (SrBa)ZrO, PbZrO, SrNbO, BaNbO, (SrBa)NbO, Pb(ScTa)O или их комбинации, где 0<х<1.
В других вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала содержит или образован из органического материала, такого как полимерный материал. В некоторых примерах, слой пироэлектрического материала содержит или образован из поливинилиденфторида (ПВДФ) или поливинилиденфторида-трифторэтилена (PVDF-PrTE). Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения содержит или образован из композитного материала, такого как композитный материал, содержащий неорганический материал, описанный выше, расположенный в полимерном материале, описанном выше. В некоторых случаях, например, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения содержит или образован из композитного материала, содержащего танталат лития, титанат стронция, титанат бария, титанат бария-стронция, цирконат стронция, цирконат бария, цирконат бария-стронция, цирконат свинца, ниобат стронция, ниобат бария или ниобат бария-стронция, которые рассеянны в матрицах из поливинилиденфторида или поливинилиденфторида-трифторэтилена.
2
2
Кроме того, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может содержать или быть выполненным из материала, имеющего пироэлектрический коэффициент, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. В некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала образован из материала, имеющего большой пироэлектрический коэффициент. Например, в некоторых примерах, пироэлектрический материал слоя пироэлектрического материала имеет полную пироэлектрическую постоянную приблизительно от -20 Кл/мК приблизительно до -800 Кл/мК, где полная пироэлектрическая постоянная (р) определяется из уравнения (1):
,
S
где P - спонтанная поляризация пироэлектрического материала, а Т - температура.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В дополнение, полная пироэлектрическая постоянная р из уравнения (1) определяется при постоянном электрическом поле и постоянном упругом напряжении, как описано, например, в Sidney В. Lang, "Pyroelectricity: From Ancient Curiosity to Modern Imaging Tool," Physics Today, August 2005. "Постоянное упругое напряжение", для целей настоящего описания, означает, что пироэлектрический материал не зажат во время измерения, а, наоборот, может испытывать свободное термическое сжатие или расширение. В некоторых вариантах исполнения, пироэлектрический материал, используемый для образования слоя пироэлектрического материала, имеет полную пироэлектрическую постоянную от приблизительно -20 Кл/мК до приблизительно -600 Кл/мК, от приблизительно -25 Кл/мК до приблизительно -400 Кл/мК, от приблизительно -75 Кл/мК до приблизительно -600 Кл/мК, от приблизительно -75 Кл/мК до приблизительно -300 Кл/мК, от приблизительно -100 Кл/мК до приблизительно -600 Кл/мК, от приблизительно -100 Кл/мК до приблизительно -400 Кл/мК, от приблизительно -010 Кл/мК до приблизительно -300 Кл/мК.
Более того, поверхность слоя пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может быть электрически заряженной. Заряд может представлять собой положительный заряд или отрицательный заряд. Кроме того, когда заряжена, поверхность слоя пироэлектрического материала может иметь локальную температуру замерзания воды, отличную от локальной температуры замерзания воды, которую имеет незаряженная поверхность пироэлектрического материала. В дополнение, в некоторых случаях, заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала может иметь локальную температуру замерзания воды, отличную от локальной температуры замерзания воды, которую имеет чувствительная поверхность при отсутствии слоя пироэлектрического материала. Более того, в некоторых вариантах исполнения, заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала может иметь локальную температуру замерзания воды, отличную от локальной температуры замерзания воды, которую имеет поверхность воздушного летательного аппарата, связанная с описанным в настоящем описании датчиком обледенения. Такие поверхности воздушного летательного аппарата могут включать одну или более описанную в настоящем описании ответственную поверхность обеспечения полета, такую как одна или более аэродинамических поверхностей. В некоторых примерах, локальная температура замерзания воды, демонстрируемая заряженной поверхностью слоя пироэлектрического материала, описанного в настоящем описании датчика обледенения, выше, чем локальная температура замерзания воды, которую демонстрируют различные поверхности, описанные выше в настоящем описании, такие как поверхность слоя незаряженного пироэлектрического материала, чувствительная поверхность и/или поверхность воздушного летательного аппарата. В качестве альтернативы, в других случаях, локальная температура замерзания воды, которую демонстрирует заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения, ниже, чем локальная температура замерзания воды, которую демонстрируют различные поверхности, описанные выше в настоящем описании. "Локальная" температура замерзания воды, для целей настоящего описания, относится к температуре замерзания воды приблизительно в пределах 10 мкм, приблизительно на 5 мкм, приблизительно на 1 мкм или приблизительно на 0,5 мкм поверхности.
В качестве альтернативы, в некоторых случаях, увеличение или уменьшение локальной температуры замерзания воды поверхности слоя пироэлектрического материала, описанной в настоящем описании, может быть выбрана на основании заряда слоя пироэлектрического материала. Например, в некоторых вариантах исполнения, положительно заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала демонстрирует локальную температуру замерзания воды, большую, чем локальная температура замерзания воды, которую демонстрируют различные поверхности, описанные в настоящем описании, такие как поверхности воздушного летательного аппарата. Более того, разность между локальной температурой замерзания воды поверхности слоя пироэлектрического материала и локальной температурой замерзания воды различных поверхностей может достигать приблизительно 15°С, приблизительно 10°С, приблизительно 8°С, приблизительно 5°С, приблизительно 2°С, приблизительно 1°С или приблизительно 0,5°С, включая случай, когда вода является переохлажденной жидкой водой. В некоторых случаях, разность между локальной температурой замерзания воды поверхности слоя пироэлектрического материала и локальной температурой замерзания воды различных поверхностей, описанных в настоящем описании, может лежать между приблизительно 0,1°С и приблизительно 15°С, между приблизительно 0,5°С и приблизительно 10°С, между приблизительно 0,5°С и приблизительно 8°С, между приблизительно 0,5°С и приблизительно 5°С, между приблизительно 1°С и приблизительно 15°С, между приблизительно 1°С и приблизительно 10°С, между приблизительно 1°С и приблизительно 8°С, между приблизительно 1°С и приблизительно 5°С, между приблизительно 3°С и приблизительно 15°С, между приблизительно 3°С и приблизительно 10°С, между приблизительно 5°С и приблизительно 15°С или между приблизительно 5°С и приблизительно 10°С.
Более того, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчик обледенения может иметь любую толщину, которая является совместимой с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых случаях, слой пироэлектрического материала имеет среднюю толщину приблизительно до 500 мкм, приблизительно до 100 мкм, приблизительно до 10 мкм, приблизительно до 1 мкм, приблизительно до 500 нм или приблизительно до 100 нм. В некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала имеет среднюю толщину от приблизительно 10 нм до приблизительно 500 мкм, от приблизительно 10 нм до приблизительно 500 нм, от приблизительно 10 нм до приблизительно 100 нм, от приблизительно 50 нм до приблизительно 500 мкм, от приблизительно 50 нм до приблизительно 500 нм, от приблизительно 100 нм до приблизительно 100 мкм, от приблизительно 100 нм до приблизительно 10 мкм, от приблизительно 100 нм до приблизительно 1 мкм, от приблизительно 500 нм до приблизительно 500 мкм, от приблизительно 500 нм до приблизительно 100 мкм, от приблизительно 500 нм до приблизительно 10 мкм, от приблизительно 500 нм до приблизительно 1 мкм, от приблизительно 1 мкм до приблизительно 500 мкм, от приблизительно 1 мкм до приблизительно 100 мкм, от приблизительно 1 мкм до приблизительно 10 мкм.
-3
-3
-3
2
-3
2
Описанные в настоящем описании датчики обледенения, в некоторых вариантах исполнения, также содержат один или более дополнительный слой, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала датчика обледенения. Могут быть использованы любые дополнительные слои, которые являются совместимыми с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, дополнительный слой обеспечивает необходимые электрические и/или тепловые свойства. Например, в некоторых случаях, один или более дополнительный слой является электрически проводящим и/или термоизолирующим. В некоторых примерах, один или более дополнительный слой имеет электрическую проводимость по меньшей мере приблизительно 1,0×10 См/м при 20°С или по меньшей мере приблизительно 1,5×10 См/м при 20°С. В некоторых вариантах исполнения, один или более дополнительный слой имеет тепловое рассеивание не более чем приблизительно 10×10 см/с или не более чем приблизительно 5×10 см/с.
-3
-3
-3
2
-3
2
Дополнительный слой, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения может также облегчать соединение или склеивание чувствительной поверхности и слоя пироэлектрического материала друг с другом. Например, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании датчик обледенения также содержит слой клеящегося материала, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала. Могут быть использованы любые клеящиеся материалы, которые являются совместимыми с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, клеящийся материал слоя клеящегося материала, описанного в настоящем описании, имеет электрическую проводимость и/или тепловое рассеивание, описанные выше. Например, в некоторых вариантах исполнения, клеящийся материал слоя клеящегося материала, описанного в настоящем описании, имеет электрическую проводимость по меньшей мере приблизительно 1,0×10 См/м при 20°С или по меньшей мере приблизительно 1,5×10 См/м при 20°С, а также имеет тепловое рассеивание не более чем приблизительно 10×10 см/с или не более чем приблизительно 5×10 см/с.
В дополнение, клеящийся материал слоя клеящегося материала, описанного в настоящем описании, может быть текучим материалом или твердым материалом. В некоторых вариантах исполнения, клеящийся материал включает клеящийся материал на основе животного белка, такой как коллагеновый клей, альбуминовый клей, казеиновый клей или мясной клей. Клеящийся материал может также включать клеящийся материал растительного происхождения, такой как смола или крахмал. Клеящийся материал может также включать синтетический клеящийся материал, такой как мономерный клей или синтетический полимерный клей. В некоторых вариантах исполнения, клеящийся материал включает акрилонитрил, цианакрилат или акриловый клей, или их комбинацию. В некоторых случаях, клеящийся материал включает эпоксидную смолу, эпоксидную шпаклевку, этилен-винил ацетат, фенол-фармальдегидную смолу, полиамид, полиэстеровую смолу, полиэтиленовый термоклей, полиэтиленовый клей, полисульфид, полиуретан, поливинилацетат, поливиниловый спирт, поливинилхлорид, поливинилпирролидон, каучуковый клей, силикон или сополимер стирола и акрилата, или их комбинации или смеси. В некоторых вариантах исполнения, клеящийся материал включает клеящееся вещество Gorilla Glue или Loctite 3888.
Более того, при наличии, один или более дополнительных слоев описанного в настоящем описании датчика обледенения может иметь любую толщину, которая является совместимой с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых случаях, дополнительный слой, такой как слой клеящегося материала, может иметь среднюю толщину плоть до приблизительно 1 мм, до приблизительно 0,5 мм или до приблизительно 500 мкм. В некоторых вариантах исполнения, дополнительный слой, такой как слой клеящегося материала, имеет среднюю толщину от приблизительно 500 нм до приблизительно 1 мм, от приблизительно 1 мкм до приблизительно 500 мкм или от приблизительно 10 мкм до приблизительно 500 мкм.
Описанный в настоящем описании датчик обледенения может быть выполнен или собран любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых вариантах исполнения, датчик обледенения может быть выполнен путем модификации существующего датчика обледенения, такого как существующий коммерческий датчик обледенения, описанный выше в настоящем описании. Существующий датчик обледенения, в некоторых случаях, может быть модифицирован посредством формирования слоя пироэлектрического материала на чувствительной поверхности существующего датчика обледенения, которая выполнена с возможностью работы для обнаружения формирования льда или образования ядер льда на чувствительной поверхности, в том числе способом, описанным выше. Неограничивающие примеры коммерческих датчиков, подходящих для использования в некоторых вариантах исполнения, описанных в настоящем описании, включают датчики обледенения Goodrich 0781LH1, Goodrich 0781ND и Meggitt/Vibro-Meter EW-140.
Слой пироэлектрического материала может быть образован на существующей чувствительной поверхности или расположен на ней любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, например, слой пироэлектрического материала располагают на чувствительной поверхности посредством покрытия или "закупоривания" по меньшей мере части чувствительной поверхности "крышкой" из пироэлектрического материала, выполненной с возможностью по меньшей мере частичного покрытия чувствительной поверхности. При необходимости, вначале на чувствительную поверхность и/или внутреннюю часть крышки может быть нанесен клеящийся материал. Затем на чувствительную поверхность может быть нанесена крышка из пироэлектрического материала. Такой способ расположения слоя пироэлектрического материала на чувствительной поверхности показан на фиг. 9. Как понятно специалисту в уровне техники, различные элементы, показанные на фиг. 9 приведены в иллюстративных целях и не обязательно показаны в масштабе.
Как показано на фиг. 9, датчик (100) обледенения содержит чувствительную поверхность (110). Чувствительная поверхность (110) может представлять собой ультразвуковую вибрационную чувствительную поверхность, такую как используется в архитектуре магнитострикционных датчиков обледенения, описанной в настоящем описании. В дополнение, датчик (100) обледенения может быть соединен с воздушным летательного аппарата (не показано) таким образом, что датчик (100) обледенения перемещается в направлении (А) во время полета воздушного летательного аппарата. Однако, также возможны и другие конфигурации. Слой пироэлектрического материала может быть расположен на чувствительной поверхности (110) посредством скольжения или посадки крышки (120), образованной из пироэлектрического материала, по чувствительной поверхности (110) или на чувствительную поверхность (110), как показано стрелкой (В) на фиг. 9. Крышка (120) может иметь форму и размеры, которые являются совместимыми с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых случаях, крышка (120) имеет полую цилиндрическую или коническую форму. В дополнение, в некоторых вариантах исполнения, полая крышка (120) может иметь толщину стенки не более чем приблизительно 0,05 дюймов (1,27 мм).
Более того, при необходимости, слой клеящегося материала (не показан) может быть размещен между крышкой (120) и чувствительной поверхностью (110) для способствования надежному соединению крышки (120) и чувствительной поверхности (110) и/или для обеспечения одного или более необходимого электрического или теплового свойства, как описано далее и ранее.
В дополнение к способу, показанному на фиг. 9, слой пироэлектрического материала также может быть расположен на существующей чувствительной поверхности другими способами. Например, в некоторых вариантах исполнения, чувствительную поверхность окунают или вводят в контакт другим способом с расплавленным пироэлектрическим материалом, таким как расплавленный пироэлектрический полимерный материал или расплавленный пироэлектрический керамический материал. Пироэлектрический материал может также быть расположен на чувствительной поверхности с использованием технологии парового или плазменного осаждения, плазменного напыления, физического парового осаждения или технологии химического парового осаждения.
Более того, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала располагают на существующей чувствительной поверхности плиточным способом. Например, в некоторых случаях, плитки, образованные из пироэлектрического материала, располагают на чувствительной поверхности с использованием клеящегося материала, включая клеящийся материал, описанный выше. Плитки могут иметь любые размеры, которые не являются несовместимыми с задачами настоящего раскрытия. В некоторых вариантах исполнения, размеры плиток из пироэлектрического материала выбраны на основании формы и/или площади поверхности чувствительной поверхности, химического состава чувствительной поверхности, типа датчика обледенения и/или химического состава и пироэлектрических свойств пироэлектрического материала.
В целом, способ расположения слоя пироэлектрического материала, описанного в настоящем описании, на чувствительной поверхности может быть выбран на основании механических свойств пироэлектрического материала (таких как хрупкость или возможность обработки с образованием необходимой формы), физических свойства пироэлектрического материала (таких как температура плавления), химического состава пироэлектрического материала, химического состава чувствительной поверхности, морфологии чувствительной поверхности и/или типа датчика обледенения.
Кроме того, модифицирование датчика обледенения описанным способом может улучшить одну или более рабочую характеристику датчика обледенения. В некоторых случаях, например, улучшение рабочих характеристик датчика обледенения включает снижение ложных отрицательных показаний датчика обледенения и/или повышение диапазона атмосферных условий, в которых датчик обледенения может надежно работать.
В соответствии с другой особенностью, в настоящем описании раскрыт способ обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате. В некоторых вариантах исполнения, способ обнаружения обледенения на воздушном летательного аппарата включает размещение описанного в настоящем описании датчика обледенения на наружной поверхности воздушного летательного аппарата и создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала датчика обледенения для изменения локальной температуры замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала. В некоторых случаях, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала увеличивает локальную температуру замерзания воды на поверхности. В некоторых случаях, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала понижает локальную температуру замерзания воды на поверхности. Более того, поверхность может представлять собой внешнюю поверхность слоя пироэлектрического материала, включая внешнюю поверхность, подверженную воздействию внешней окружающей среды воздушного летательного аппарата. Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, заряд создается на поверхности слоя пироэлектрического материала во время полета воздушного летательного аппарата.
В дополнение, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании способ также включает обеспечение сигнала в ответ на образование льда на поверхности слоя пироэлектрического материала датчика обледенения. Кроме того, в некоторых случаях, локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала больше, чем локальная температура замерзания воды на одной или более поверхности обеспечения полета воздушного летательного аппарата. Например, в некоторых вариантах исполнения, локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала больше, чем локальная температура замерзания воды на передней кромке крыла, передней кромке хвостового оперения или на передней кромке впускного отверстия двигателя воздушного летательного аппарата. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения, описанный в настоящем описании способ может быть использован для индикации наличия условий обледенения до образования льда на одной или более ответственных поверхностях обеспечения полета, в том числе в реальном времени во время полета воздушного летательного аппарата.
3
3
3
x
1-х
3
3
3
x
1-x
3
3
2
6
2
6
x
1-х
2
6
0.5
0.5
3
Обращаясь теперь к конкретным этапам способов, описанных в настоящем описании, способы обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате включают размещение описанного в настоящем описании датчика обледенения на наружной поверхности или обшивке воздушного летательного аппарата. Может быть использован любой описанный в настоящем описании датчик обледенения. В некоторых вариантах исполнения, например, датчик обледенения представляет собой датчик обледенения нарастающего типа, содержащий чувствительную поверхность и слой пироэлектрического материала, расположенный по меньшей мере на части чувствительной поверхности. Более того, в некоторых случаях, слой пироэлектрического материала датчика обледенения представляет собой непрерывный или по существу непрерывный слой. В других примерах, слой пироэлектрического материала является плиточным слоем. Кроме того, в некоторых вариантах исполнения, слой пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения образован из LiTaO, SrTiO, BaTiO, (SrBa)TiO, SrZrO, BaZrO, (SrBa)ZrO, PbZrO, SrNbO, BaNbO, (SrBa)NbO, Pb(ScTa)O или их комбинации.
В дополнение, в некоторых случаях, датчик обледенения может быть расположен на наружной поверхности или обшивке воздушного летательного аппарата в любом месте и любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых случаях, датчик обледенения расположен на наружной поверхности передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата. Однако, как очевидно специалисту в уровне техники, также возможны и другие конфигурации.
Описанные в настоящем описании способы также включают создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала датчика обледенения для изменения локальной температуры замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала. Заряд может быть создан на поверхности слоя пироэлектрического материала любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, заряд, создаваемый на поверхности слоя пироэлектрического материала, является положительным зарядом. В других примерах, заряд, создаваемый на поверхности слоя пироэлектрического материала, является отрицательным зарядом. Более того, знак созданного заряда, в некоторых вариантах исполнения, может быть выбран пользователем при необходимости на основании того, какой тип заряда производит повышение локальной температуры замерзания воды слоя пироэлектрического материала. Например, в некоторых вариантах исполнения, положительно заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала имеет большую локальную температуру замерзания воды, а отрицательно заряженная поверхность слоя пироэлектрического материала имеет меньшую локальную температуру замерзания воды. Таким образом, в некоторых случаях, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала может включать создание положительного заряда для повышения локальной температуры замерзания воды на поверхности.
Более того, в некоторых случаях, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения включает приложение напряжения к слою пироэлектрического материала или рядом с ним. Например, в некоторых примерах, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала включает приложение напряжения к проводящему материалу, находящемуся в контакте с пироэлектрическим материалом, такому как чувствительная поверхность датчика обледенения или электрически проводящий слой клеящегося материала, расположенный между чувствительной поверхностью и слоем пироэлектрического материала.
В других вариантах исполнения, создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала включает приведение в контакт поверхности слоя пироэлектрического материала и электрического поля. Могут быть использованы любые мощности электрического поля, которые являются совместимыми с задачами настоящего раскрытия. Например, в некоторых случаях, электрическое поле имеет мощность приблизительно от 1 кВ/см приблизительно до 1000 кВ/см, приблизительно от 1 кВ/см приблизительно до 500 кВ/см, приблизительно от 10 кВ/см приблизительно до 1000 кВ/см, приблизительно от 10 кВ/см приблизительно до 500 кВ/см, приблизительно от 100 кВ/см приблизительно до 1000 кВ/см или приблизительно от 100 кВ/см приблизительно до 500 кВ/см. Более того, электрическое поле может быть создано любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия, включая приложение напряжения описанным выше способом.
В дополнение, также возможно создание заряда на поверхности слоя пироэлектрического материала посредством нагревания или охлаждения слоя пироэлектрического материала. В некоторых случаях, слой пироэлектрического материала либо нагревают, либо охлаждают на основании того, необходим ли положительный или отрицательный заряда на поверхности. Например, в некоторых вариантах исполнения, нагрев слоя пироэлектрического материала создает положительный заряд на поверхности слоя, а охлаждение слоя пироэлектрического материала создает отрицательный заряда на поверхности слоя. Кроме того, нагрев или охлаждение слоя пироэлектрического материала может выполняться любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. В некоторых случаях, например, нагрев выполняют с использованием электрического нагревательного элемента, находящегося в тепловом контакте со слоем пироэлектрического материала.
Описанный в настоящем описании способ, в некоторых случаях, также включает обеспечение сигнала в ответ на образование льда на поверхности слоя пироэлектрического материала описанного в настоящем описании датчика обледенения. Сигнал может быть обеспечен любым способом, который является совместимым с задачами настоящего раскрытия. В некоторых вариантах исполнения, например, сигнал подается оператору воздушного летательного аппарата, когда на датчике обледенения произошло скопление заранее заданного количества льда, такого как количество льда, соответствующее максимальному количеству льда или меньшему количеству льда, которое рассматривается как безопасное для полета. В других примерах, сигнал может быть подан оператору воздушного летательного аппарата, когда обледенение произошло на датчике обледенения. Кроме того, как очевидно специалисту в уровне техники, сигнал может представлять собой визуальный сигнал, такой как мигающий свет или визуальный индикатор, или звуковой сигнал, такой как жужжание, гудок, звонок или словесный сигнал. Также могут быть использованы и другие виды сигналов.
Обращаясь снова к чертежам, варианты исполнения настоящего раскрытия могут быть описаны в контексте способа (100) производства и обслуживания воздушного летательного аппарата, как показано на фиг. 10, и воздушного летательного аппарата, как показано на фиг. 11. Во время предпроизводственной стадии, приведенный в качестве примера способ (100) может включать техническое задание и проектирование (104) воздушного летательного аппарата (102) и приобретение материалов (106). Во время этапа производства, производят (108) компоненты и сборочные узлы и сборку (110) систем воздушного летательного аппарата (102). Затем воздушный летательный аппарат (102) проходит сертификацию и доставку (112) для ввода в эксплуатацию (114). При эксплуатации заказчиком, воздушный летательный аппарат (102) должен проходить запланированное текущее техническое обслуживание и сервисное обслуживание (116) (которое также может включать модификацию, реконфигурацию, модернизацию и т.д.).
Каждый из этапов способа (100) может выполняться или производиться сборщиком системы, третьими лицами и/или оператором (например, заказчиком). В целях описания, сборщик системы может включать, без ограничения, любое количество производителей воздушных летательных аппаратов или субподрядчиком основных систем; третьи лица могут также включать, без ограничения, любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; а оператор может представлять собой авиалинию, лизинговую компанию, военную организацию, обслуживающую организацию и т.д.
Как показано на фиг. 11, воздушный летательный аппарат (102), произведенный при помощи способа (100) может включать корпус (118) воздушного летательного аппарата с множеством систем (120) и внутренней частью (122). Примеры высокоуровневых систем (120) включают одну или более двигательную систему (124), электрическую систему (126), гидравлическую систему (128) и систему (130) искусственного климата. Также может быть использовано любое количество других систем. Хотя показан пример, относящийся к воздушному и космическому пространству, принципы настоящего раскрытия могут быть применены и в других сферах промышленности, таких как автомобильная промышленность.
Описанные в настоящем описании устройства и способы могут быть выполнены во время одного или более этапов способа (100) производства и сервисного обслуживания. Например, могут быть использованы один или более описанных в настоящем описании датчиков обледенения во время этапа (108) производства компонентов и сборочных узлов, в том числе для существенного улучшения характеристик воздушного летательного аппарата (102). В дополнение, один или более описанных в настоящем описании способов могут быть использованы во время эксплуатации (114) воздушного летательного аппарата (102). Аналогичным образом, один или более описанных в настоящем описании датчиков обледенения могут быть использованы во время этапа (116) текущего технического обслуживания и сервисного обслуживания, в том числе для ремонта и/или эффективной модернизации воздушного летательного аппарата (102) для повышения безопасности воздушного летательного аппарата (102) без необходимости существенной реконструкции или реконфигурации воздушного летательного аппарата (102).
Некоторые описанные в настоящем описании варианты исполнения приведены ниже в неограничивающем примере.
ПРИМЕР
Датчик обледенения
3
3
Датчик обледенения в соответствии с одним описанным в настоящем описании вариантом исполнения собирают следующим образом. Вначале приобретают коммерческий магнитострикционный датчик обледенения. Например, датчик обледенения может представлять собой датчик обледенения Goodrich 0781LH1, Goodrich 0781ND, или Meggitt/Vibro-Meter EW-140. Датчик обледенения содержат ультразвуковое вибрационное чувствительное устройство. Далее блоку, выполненному из LiTaO, придают форму полой, по существу конической или цилиндрической крышки, как показано на фиг. 9. Крышка из LiTaO имеет максимальную толщину 0,05 дюймов (1,27 мм), высоту 1,05 дюймов (26,67 мм) и внешний диаметр 0,35 дюймов (8,89 мм).
3
2
Перед использованием крышку из LiTaO очищают путем размещения крышки в ультразвуковой ванне с толуолом на 4 минуты. После ультразвуковой обработки в толуоле крышку размещают в ультразвуковой ванне с водой на 4 минуты. Далее крышку обрабатывают в устройстве для плазменного травления в течение 30 минут (34% Ar, 66% О, 250 Вт, 0,5 мбар). Наконец, крышку размещают в сушильном шкафу приблизительно на 4 часа.
-3
2
-3
3
Для сборки датчика обледенения на всю площадь поверхности чувствительного устройства магнитострикционного датчика обледенения наносят тонкий слой клеящего вещества. Клеящееся вещество имеет тепловое рассеивание не более чем приблизительно 5×10 см/с и электрическую проводимость по меньшей приблизительно 1,5×10 См/м при 20°С. Далее крышка из LiTaO аккуратно прижимается к чувствительному устройству пользователем в латексных перчатках или пользователем, кожа которого защищена другим способом от контакта с устройством во время сборки. Крышку затем прижимают на чувствительное устройство таким образом, чтобы обеспечить посадку крышки заподлицо с опорной поверхностью или с другой поддерживающей поверхностью, на которую устанавливают чувствительное устройство. Затем удаляют избыточное клеящееся вещество, выжатое из открытого конца крышки посредством вытирания.
Пункт 1: Способ обнаружения обледенения на воздушном летательном аппарате, согласно которому: размещают датчика обледенения на наружной поверхности воздушного летательного аппарата, причем датчик обледенения содержит чувствительную поверхность и слой пироэлектрического материала, расположенный по меньшей мере на части чувствительной поверхности; и создают заряд на поверхности слоя пироэлектрического материала для повышения локальной температуры замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала.
Пункт 2: Способ по пункту 1, согласно которому дополнительно обеспечивают сигнал в ответ на образование льда на поверхности слоя пироэлектрического материала.
Пункт 3: Способ по пункту 1, в котором датчик обледенения расположен на наружной поверхности передней части фюзеляжа воздушного летательного аппарата.
Пункт 4: Способ по пункту 1, в котором датчик обледенения представляет собой датчик обледенения нарастающего типа.
Пункт 5: Способ по пункту 1, в котором слой пироэлектрического материала является непрерывным или по существу непрерывным слоем.
Пункт 6: Способ по пункту 1, в котором слой пироэлектрического материала является плиточным слоем.
3
3
3
x
1-x
3
3
3
x
1-x
3
3
2
6
2
6
x
1-x
2
6
0.5
0.5
3
Пункт 7: Способ по пункту 1, в котором слой пироэлектрического материала образован из LiTaO, SrTiO, BaTiO, (SrBa)TiO, SrZrO, BaZrO, (SrBa)ZrO, PbZrO, SrNbO, BaNbO, (SrBa)NbO, Pb(ScTa)O или их комбинации.
Пункт 8: Способ по пункту 1, в котором локальная температура замерзания воды на поверхности слоя пироэлектрического материала больше, чем локальная температура замерзания воды на одной или более поверхностях обеспечения полета летательного аппарата.
Пункт 9: Способ по пункту 8, в котором указанные одна или более поверхности обеспечения полета летательного аппарата включают переднюю кромку крыла, переднюю кромку хвостового оперения или переднюю кромку впускного отверстия двигателя.
Пункт 10: Способ по пункту 1, в котором заряд, создаваемый на поверхности слоя пироэлектрического материала, является положительным зарядом.
Пункт 11: Датчик обледенения, содержащий: чувствительную поверхность и слой пироэлектрического материала, расположенный по меньшей мере на части чувствительной поверхности, причем поверхность слоя пироэлектрического материала выполнена таким образом, что когда поверхность заряжена, она имеет локальную температуру замерзания воды, большую, чем локальная температура замерзания воды, которую имеет чувствительная поверхность при отсутствии слоя пироэлектрического материала.
Пункт 12: Датчик по пункту 11, дополнительно содержащий слой клеящегося материала, расположенный между чувствительной поверхностью слоем пироэлектрического материала.
Пункт 13: Датчик по пункту 11, который представляет собой датчик обледенения нарастающего типа.
Пункт 14: Датчик по пункту 11, в котором чувствительная поверхность является частью архитектуры магнитострикционного датчика.
Пункт 15: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала является кристаллическим слоем.
Пункт 16: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала является квазиаморфным слоем.
Пункт 17: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала является непрерывным или по существу непрерывным слоем.
Пункт 18: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала является плиточным слоем.
3
3
3
x
1-x
3
3
3
x
1-x
3
3
2
6
2
6
x
1-x
2
6
0.5
0.5
3
Пункт 19: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала образован из LiTaO, SrTiO, BaTiO, (SrBa)TiO, SrZrO, BaZrO, (SrBa)ZrO, PbZrO, SrNbO, BaNbO, (SrBa)NbO, Pb(ScTa)O или их комбинации.
Пункт 20: Датчик по пункту 11, в котором слой пироэлектрического материала является положительно заряженным.
Были описаны различные варианты исполнения настоящего раскрытия для осуществления различных задач настоящего раскрытия. Следует понимать, что эти варианты исполнения приведены лишь для иллюстрации принципов настоящего раскрытия. Для специалиста в уровне техники будут очевидны многочисленные модификации и усовершенствования настоящего изобретения без выхода за пределы сущности и объема раскрытия.