РЕГИСТРАЦИЯ УДАРА МОЛНИИ
THUNDERBOLT REGISTRATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к летательным аппаратам, а более конкретно к устройствам и способам, позволяющим определить прохождение молнии через определенную часть летательного аппарата.
Уровень техники
Летательные аппараты авиации общего назначения и большие коммерческие реактивные летательные аппараты чувствительны к разряду молнии. Несмотря на наличие металлических защитных вставок, композитные конструктивные элементы в таких летательных аппаратах плохо отводят избыточные электрические токи и электромагнитные воздействия, возникающие при разрядах молнии.
Ввиду вышесказанного летательный аппарат с композитными конструктивными элементами может быть снабжен молниезащитой. Например, на поверхность или вовнутрь конструктивного элемента может быть введена проводящая среда для отвода и перераспределения тока молнии.
Однако существует проблема определения того, что ток молнии прошел через определенную часть летательного аппарата. Разряд молнии может войти и выйти в разных местах, и ток молнии может миновать траектории прохождения молниезащиты или непредсказуемо пройти между ними. В качестве примера разряд молнии может ударить в носовую часть фюзеляжа, пройти к задней части фюзеляжа и выйти в случайном месте на горизонтальном стабилизаторе. В местах входа и выхода разряда может произойти повреждение композитного материала. Повреждения композитного материала могут также возникнуть вдоль пути прохождения тока молнии.
Повреждение, вызванное разрядом молнии, может быть скрытым, или оно может не выявляться при визуальном контроле. Для выявления повреждения, вызванного разрядом молнии, приходится обследовать очень большие площади летательного аппарата. Однако неразрушающий контроль очень больших площадей занимает много времени и приводит к большим затратам. Более того, некоторые участки (например, участки, содержащие поверхностные дефекты и нарушение покраски) могут быть пропущены, если нужно проконтролировать очень большие площади.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается летательный аппарат, содержащий композитный конструктивный элемент и группу небольших легких устройств связи, имеющих возможность их опроса и предназначенных для регистрации удара молнии в зоне покрытия соответствующим устройством части конструктивного элемента. Причем каждое указанное устройство выходит из работы, если по меньшей мере вблизи него проходит ток молнии.
В соответствии с другим вариантом выполнения устройство, подвергаемое электромагнитным воздействиям, содержит подложку и группу меток радиочастотной идентификации, закрепленных на подложке и предназначенных для регистрации электромагнитного воздействия на устройство. Каждая метка становится неработоспособной, если по меньшей мере вблизи нее проходит ток, вызванный электромагнитным воздействием.
В настоящем изобретении предлагается способ анализа состояния конструкции летательного аппарата, включающий опрос группы устройств связи, покрывающих часть летательного аппарата, выявление находящихся в нерабочем состоянии устройств и по неработоспособным устройствам определение зон испытаний.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичное представление летательного аппарата;
на фиг. 2а и 2б - различные картины распределения устройств связи, предназначенных для регистрации удара молнии в зоне покрытия на летательном аппарате;
на фиг.3 - устройство связи, устанавливаемое на поверхности конструктивного элемента летательного аппарата;
на фиг.4 - устройство связи, вмонтированное внутрь конструктивного элемента летательного аппарата;
на фиг.5 - устройство связи, закрепленное на накладном элементе к поверхности летательного аппарата;
на фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая способ регистрации удара молнии;
на фиг.7 - блок-схема беспроводного устройства связи. Подробное описание
На фиг.1 представлен летательный аппарат 110, включающий группу композитных конструктивных элементов. Некоторые композитные структурные элементы могут быть выполнены целиком из композитного материала, такого как стеклопластик или пластик, армированный графитовым волокном. Другие конструктивные элементы могут представлять собой сочетание композитных материалов и металлов. Например, композитный конструктивный элемент может содержать композитный материал, металлические крепежные детали, навесные электропроводные перемычки и металлические вставки молниезащиты.
Некоторые из композитных конструктивных элементов летательного аппарата более чувствительны к разрядам молнии, чем другие. На широкофюзеляжных летательных аппаратах гражданского назначения некоторую часть наиболее чувствительных конструктивных элементов составляют кабина 120, концевые части (концы) 130 крыльев и вертикальных и горизонтальных стабилизаторов, а также обтекатели 140. Фюзеляж 150 летательного аппарата и другие конструктивные элементы 160 также могут быть высокочувствительными.
Разряд молнии может войти и выйти в различных местах летательного аппарата 110, и ток молнии может проходить ниже линии молниезащиты или проходить по непредсказуемому пути, который может быть скрыт или не обнаруживаться при визуальном контроле.
На фиг.2а изображена группа легких, вызываемых по запросу устройств 220 связи, формирующих область регистрации удара молнии на участке 210 чувствительного конструктивного элемента. Каждое из устройств 220 становится неработоспособным, если оказывается под прямым воздействием разряда молнии или вблизи места разряда. Если во время грозы одно из устройств 220 становится неработоспособным, можно предположить, что на участке 210 возник ток молнии. Если цепочка устройств 220 становится неработоспособной, то можно не только предположить, что возник ток молнии, но также определить возможный путь прохождения этого тока.
Работоспособность устройства 220 можно определить, опрашивая его. Например, устройство 220, подключенное к сети и поддерживающее с ней связь, можно запросить, направляя в него PING-тест. Работоспособное устройство 220 ответит на PING-тест. Сожженное или поврежденное устройство 220 не ответит.
Устройства 220, подключенные к проводной шине, можно запросить, считывая с устройства "значение дискретного признака" (например, работоспособен/неработоспособен). Пока дискретное значение будет доступно при выполнении запроса, не будет необходимости в получении ответа с опрашиваемого устройства 220.
Устройства 220 могут быть расположены по некоторой система. Участок 210 может быть покрыт устройствами 220, образующими сетку, такую как сетка, представленная на фиг.2а, или радиальную картину, такую как радиальная картина, представленная на фиг.2б (концентрические окружности на фиг.2б даны только как базисные), или другую повторяющуюся картину. Конкретный вид повторяющейся картины не лимитирован. Могут быть использованы нерегулярные, асимметричные или другие неповторяющиеся "случайные" картины, например при установке на поверхности, имеющие сложную геометрию или другие особенности поверхности, или в тех местах, где желательно иметь разное разрешение покрытия.
Участок 210 может занимать весь конструктивный элемент или только его часть. Например, распределение по сетке с фиг.2а может быть использовано для покрытия концов крыльев, в то время как радиальное распределение с фиг.2б может быть использовано для вершин обтекателей (обращенных в направлении движения летательного аппарата). Устройства 220 связи могут быть размещены более чем на одном конструктивном элементе. Устройствами 220 связи могут быть покрыты несколько участков конструктивного элемента. Могут быть покрыты как конструктивные элементы, чувствительные к разряду молнии, так и нечувствительные.
Понятие "плотности" устройств 220 на участке 210 относится к числу устройств 220, распределенных на единице площади. Число устройств 220 на единице площади может зависеть от таких факторов, как увеличение стоимости и веса при добавлении устройств, критичность конструктивного элемента, вероятность удара разряда молнии или выхода его (то есть подверженность разряду молнии), желательное разрешение, резервирование и т.д.
В устройствах 220 могут быть использованы компоненты, применяемые в устройствах радиочастотной идентификации. Несложное устройство 220 может обеспечивать только идентификацию (например, идентификационный номер) или некоторую другую элементарную информацию (например, расположение, номер модели, дату установки, номер участка конструктивного элемента летательного аппарата, мониторинг которого проводится, или шифр безопасности и ключ идентификации).
В некоторых вариантах выполнения все устройства 220 на участке 210 могут иметь некоторый единый порог срабатывания при воздействии разряда молнии. То есть все устройства 220 будут выходить из строя при определенном уровне воздействия.
Однако в других вариантах выполнения различные устройства 220 могут иметь различные пороги. То есть некоторые устройства 220 могут противостоять более высокой величине тока. Например, одно устройство 220, имеющее высокий порог, окружают устройствами 220, имеющими низкий порог. Если окружающие устройства вышли из строя под воздействием тока молнии, но имеющее высокий порог устройство все еще работоспособно, то можно предположить, что разряд молнии имеет величину, лежащую между высоким и низким порогами. По распределению таких устройств 220 с различными порогами можно определить направление или градиент величины тока.
Значения порогов устройств 220 могут быть несколькими способами изменены. В качестве первого примера на поверхности, на которые устанавливают устройства 220, наносят области проводящего покрытия. Как второй пример, в различные устройства 220 могут быть установлены отличающиеся друг от друга диоды подавления помех для защиты от высокого напряжения.
Устройства 220 могут быть соединены вместе проводной связью. Например, устройства 220 могут быть подсоединены к проводной шине, проложенной под обшивкой летательного аппарата. Запрос на устройства 220 может быть послан с бортового компьютера, соединенного с проводной шиной. Например, незащищенный компьютер технического обслуживания или другой специализированный компьютер может посылать запрос на устройства 220 и затем связываться с бортовой ЭВМ или другим бортовым компьютером. Проводная шина может быть также использована для подачи электропитания к устройствам 220, необходимого, например, для локального запоминающего устройства, обработки данных и приема и (или) передачи данных.
Проводной шине присущи некоторые внутренние проблемы. Например, ток молнии может проходить по проводной шине вместо проводника молниезащиты. В этом случае проводная шина может нештатно облегчить прохождение индуцированного молнией тока к другим частям летательного аппарата. Кроме того, током молнии может быть выведена из строя целая последовательность устройств 220. Эти выведенные из строя устройства 220 должны быть заменены.
Проводной шине присущи и другие внутренние проблемы. Проводная шина может вызывать проблемы, связанные с электромагнитными помехами для других бортовых систем. Проводная шина может быть выведена из строя током молнии, что приведет к невозможности опроса устройств 220. Беспроводные устройства свободны от таких проблем.
На фиг.7 представлен вариант выполнения беспроводного устройства 710 связи. Беспроводное устройство 710 связи содержит процессор 720, антенну 730, память 740 и приемопередатчик 750. В память 740 может быть программно занесена индивидуальная идентификационная информация. Устройство 710 передает индивидуальную идентификационную информацию по запросу с устройства опроса (например, с радиочастотного считывателя идентификационной информации). Устройство опроса выдает запросы, посылая радиоволны, содержащие команды.
Беспроводным устройством 710 может быть небольшого размера, легкая и недорогая метка радиочастотной идентификации. Предполагается, что обычные метки радиочастотной идентификации должны выходить из строя при нахождении их вблизи тока, вызванного разрядом молнии (в обычной метке радиочастотной идентификации максимальное напряжение на любой ножке составляет всего лишь около 1,5 В, а максимально допустимый ток - всего лишь около 1,5 мА). Хотя метки радиочастотной идентификации снабжены встроенными диодами для защиты от статического электричества, создаваемого человеческим телом, прохождение поблизости тока молнии скорее всего приведет к выходу метки из строя.
Беспроводные устройства 710, такие как устройства радиочастотной идентификации или другие пассивные устройства, могут получать питание за счет технологий отбора энергии (например, электромагнитной, вибрационной, термической). Пассивная метка радиочастотной идентификации использует энергию для электропитания и передачи отклика (например, индивидуальной идентификационной информации) в ответ на команды с устройства опроса.
Действие беспроводных устройств, таких как метки радиочастотной идентификации, не ограничено какой-нибудь конкретной рабочей частотой. Низкочастотные метки радиочастотной идентификации обычно работают в частотном диапазоне 120-134 кГц. Высокочастотные метки радиочастотной идентификации обычно работают на частоте 13,56 МГц. Беспроводные устройства могут работать даже на ультравысоких частотах, лежащих обычно в диапазоне 850-960 МГц.
Беспроводные устройства обладают и другими преимуществами. Они малы по размерами и весу. Они бесконтактные и не нуждаются в доступе для осмотра.
И, так как проводное соединение не нужно, беспроводные устройства могут быть установлены без заметного увеличения веса летательного аппарата (что увеличивает стоимость топлива и выбросы). Более того, беспроводные устройства электрически изолированы, и они могут быть установлены в местах, где проводное соединение не может быть проложено. Беспроводные устройства могут быть связаны непосредственно с бортовой ЭВМ, а не с промежуточным устройством (например, с незащищенным специализированным компьютером).
Беспроводное устройство 710 может быть пассивным. Преимущество пассивных устройств заключается в том, что они не нуждаются в батарейном питании. Однако в некоторых вариантах выполнения беспроводные устройства 710 могут получать питание от батарей.
Беспроводные устройства связи можно опрашивать в полете через бортовой компьютер. Беспроводное устройство связи можно опросить на земле с носимого устройства или другого стационарного или портативного наземного устройства.
Устройство связи может быть установлено на композитном конструктивном элементе различными способами. Различные варианты крепления устройства связи представлены на фиг.3-5.
На фиг.3 изображено беспроводное устройство 310 связи, установленное на поверхности конструктивного элемента 320 (например, на крыле, лонжероне, стрингере). В некоторых вариантах выполнения беспроводное устройство 310 может быть закреплено на конструктивном элементе 320 с помощью герметика, эпоксидной связки или контактного клея, термо- или светоотверждаемого. В некоторых вариантах выполнения беспроводное устройство 310, изготовленное на твердой подложке, может быть закреплено на конструктивном элементе 320 с помощью крепежной детали. Такая крепежная деталь может быть выполнена из непроводящего материала (например, нейлона) или может быть изготовлена из проводящего материала (например, металла), но обязательно имеет хорошо токопроводящий отвод. В некоторых вариантах выполнения беспроводное устройство 310, изготовленное на твердой или гибкой подложке, может быть закреплено на конструктивном элементе 320 с помощью липкой ленты.
Для каждого конкретного места монтажа для устанавливаемых на поверхности устройств могут быть учтены окружающие условия. Может учитываться наружное покрытие (например, краска или защитная пленка).
На фиг.4 показано беспроводное устройство, такое как метка 410 радиочастотной идентификации, вмонтированное внутрь композитного конструктивного элемента, например композитной обшивки 420. Метка 410 радиочастотной идентификации, имеющая вид, например, ярлыка, может быть помещена между слоями (внутри первых нескольких слоев) стеклопластика перед его отверждением. Такая метка 410 радиочастотной идентификации может выдерживать условия стандартного цикла отверждения. Проверки подтвердили способность метки 410 радиочастотной идентификации посылать и принимать сигналы после автоклавирования стеклопластиковой панели при температуре 220°F (104°С). Проверки также подтвердили, что такая встроенная метка 410 радиочастотной идентификации может пройти неразрушающий контроль (например, для метки 410 не замечены нарушение сплошности или отслоение).
На фиг.5 показано устройство 510 связи, переносимое на накладном элементе 520. Накладной элемент, имеющий обычно толщину 2-4 мила (50,8-101,6 мкм), образует защитное покрытие конструктивных элементов, таких как обшивка фюзеляжа и обшивка крыльев (в местах нанесения изображений и других покрытий). Беспроводное устройство 510 может быть установлено на поверхности накладного элемента 520. Аппликацию затем закрепляют на поверхности композитного конструктивного элемента 530, например, с помощью эпоксидной связки, герметика или контактного клея, термо- или светоотверждаемого.
Способы крепления, представленные на фиг.3-5, могут быть использованы для композитных конструктивных элементов. Способы крепления, представленные на фиг.3 и 5, могут быть использованы для металлических конструктивных элементов.
Устройства связи могут быть установлены поставщиком до поступления к сборщику планера летательного аппарата. Устройства связи могут быть установлены сборщиком планера летательного аппарата. Устройства связи могут устанавливаться частными авиапредприятиями, гражданскими авиапредприятиями, военными авиамеханиками, частными авиамеханиками и поставщиками услуг по обслуживанию.
Описанная регистрация удара молнии может быть автоматизирована и выполняться быстро и с малыми затратами. Быстрая диагностика может быть выполнена без какого-либо предварительного определения местоположения разряда молнии.
Более того, регистрация удара молнии может быть выполнена в полете или на земле. Одним из преимуществ регистрации в полете является то, что для летательного аппарата, обеспеченного возможностью выполнения неразрушающего контроля в полете, можно оценить состояние конструкции немедленно после разряда молнии.
Фиг.6 иллюстрирует способ определения состояния конструкции летательного аппарата. В блоке 610 производится опрос группы устройств, покрывающих некоторый участок летательного аппарата. Опрос может производиться периодически или при возникновении некоторого события (например, разряда молнии) или обоими способами. Все находящиеся в рабочем состоянии устройства ответят на запрос отправкой, например, идентификационной информации.
В блоке 620 идентифицируются неработоспособные устройства, то есть те устройства, которые не ответили на посланный запрос.
В блоке 630 определяется местоположение неработоспособных устройств. Местоположение может быть определено по таблице, связывающей определенные места летательного аппарата с откликом конкретного устройства.
В блоке 640 производится анализ подвергшегося воздействию участка для идентификации зон проверки. В зонах проверки будет затем проведен более детальный неразрушающий контроль. Как минимум, в процессе анализа можно обнаружить, подвергся ли исследуемый участок разряду молнии. Если оказывается неработоспособной группа устройств, анализ может также ориентировочно определить направление, в котором прошел ток, место, где произошел разряд, величину разряда молнии и т.д. В некоторых вариантах выполнения анализ может показать, повреждена ли молниезащита.
В более усложненном анализе можно связать идентификационную информацию поврежденных устройств с действительным местом их установки и вывести на дисплей геометрическое изображение летательного аппарата, места установки устройств и направление повреждения, основываясь на отсутствии ответа с устройств. Анализ может включать всю занесенную в память информацию о вышедшем из строя устройстве (например, дата установки, номер модели устройства и т.д.), а также действовать как программируемый интерфейс для занесения индивидуальной идентификационной информации данного вновь устанавливаемой метки. Анализ может быть также связан с базой данных прошлых событий или другой базой, данной для сравнения с повреждениями, имевшими место в группе летательных аппаратов.
В блоке 650 в зонах проверки выполняется неразрушающий контроль для выявления повреждений, вызванных разрядом молнии. Например, в зонах проверки может быть выполнены ультразвуковой контроль или инфракрасная спектроскопия.
Таким образом, способ, представленный на фиг.6, позволяет быстро выделить область проведения неразрушающего контроля без подробной информации о разряде молнии. Отпадает необходимость в контроле очень больших площадей летательного аппарата, а подвергшиеся воздействию конкретные участки (например, содержащие точечную коррозию поверхности и повреждение покраски) скорее всего пропущены не будут.
Функции блоков 610-640 могут выполняться в полете. Если для летательного аппарата можно выполнять в полете неразрушающий контроль, то функции блока 650 также могут быть выполнены в полете. Результаты регистрации удара молнии могут быть направлены в бортовой компьютер, и(или) они могут быть направлены в компьютер, находящийся на земле. При регистрации удара молнии предпринимаются соответствующие действия. Как первый вариант, пилот получает уведомление о том, что летательный аппарат испытал удар молнии и в каком месте это произошло. Если для летательного аппарата можно выполнить в полете неразрушающий контроль, он может быть проведен для какой-либо зоны проверки, и информация о наличии повреждений передана пилоту. Затем может быть выдана рекомендация о прерывании или продолжении полета.
Как второй вариант, если при регистрации удара молнии получена информация о воздействии молнии на некоторый участок, неразрушающий контроль может быть выполнен наземной обслуживающей бригадой, или он может быть проведен позже сервисной организацией обслуживания летательных аппаратов. Как только летательный аппарат окажется на земле, может быть выполнен дополнительный неразрушающий контроль с использованием обычных технологий.
Выполнение испытаний в полете повышает безопасность летательного аппарата. Описанная регистрация удара молнии может также снизить ремонтные затраты авиапредприятия и при возникновении некритических проблем устранить необходимость в прерывании полетов.
В блоке 660, как только летательный аппарат окажется на земле, повреждение конструктивных элементов может быть в полной мере оценено и поврежденные элементы отремонтированы. Кроме того, неработоспособные устройства могут быть заменены ремонтным персоналом. Если неработоспособное устройство установлено на поверхности, оно может быть удалено и заменяющее устройство может быть смонтировано на поверхности в том же месте. Если неработоспособное устройство встроено вовнутрь заменяющее устройство может быть установлено на поверхности в том же месте поверх неработоспособного устройства.
Описанная регистрация удара молнии не ограничена применением в летательных аппаратах с композитными элементами. Она может быть также применена для металлических конструктивных элементов. Эта регистрация может также выявлять проблемы, связанные с разрядом молнии, в летательных аппаратах из металла. Например, могут быть выявлены проблемы, связанные с молнией, в электронных системах летательного аппарата.
Описанная регистрация удара молнии не ограничена применением в летательных аппаратах. Регистрация удара молнии может быть использована в других системах, включая, но не ограничиваясь этим, космические аппараты и ветряные турбины.
Другим приложением может быть мониторинг критичных соединений в силовых фидерах сетей электропитания. Так как сильный ток, вызванный индуцированным молнией высоким напряжением, по линиям электропитания пошел бы к связанному с ними оборудованию, возможные пути распространения выбросов от переходных процессов, связанных с эффектом воздействия разряда молнии, могут быть отделены установкой группы ответвлений в разветвленной распределительной сети подачи энергии. За счет использования меток радиочастотной идентификации, установленных с интервалами вдоль линий электропередачи (например, введенных внутрь оболочки, защищающей от окружающей среды, и связанных с критичными кабелями и переходами) и имеющих разные пороги регистрации, можно было бы определять величину выбросов. Персонал коммунального предприятия электроснабжения мог бы использовать считыватели с метками радиочастотной идентификации и без проблем управлять линиями электропередачи, снабженными такими метками, служащими для определения пути распространения и (или) величины выбросов в переходном процессе.
Описанная регистрация не ограничена регистрацией разряда молнии. Разряд молнии - это электромагнитный эффект. В более широком смысле описанная регистрация может быть применена для регистрации электромагнитных воздействий. Группа беспроводных устройств связи, установленных на какой-нибудь части фюзеляжа, может быть использована для регистрации электромагнитных воздействий на эту часть.