СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТОПЛИВНОГО БАКА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ КОМПОЗИТОВ, ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
METHOD TO PROTECT COMPOSITE-MATERIAL FUEL TANK AGAINST ELECTRIC DISCHARGES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу защиты от электрических разрядов, вызванных молнией, бьющей в топливные баки, изготовленные из материалов, имеющих низкую электропроводимость и, в частности, к способу защиты устройств, таких как трубы, клапаны и насосы, расположенных внутри топливных баков.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Композиты обладают большим электрическим сопротивлением по сравнению с металлическими материалами. Последние обычно использовались в области аэронавтики для изготовления структур, предназначенных для хранения топлива, с учетом их механических характеристик, обусловленных весом таких материалов.
Присущее композитам высокое электрическое сопротивление вызывает очень существенный эффект индуктивности на внутренних системах, расположенных в топливном баке. Этот эффект наводит внутренние электрические токи, которые могут привести к катастрофическим авариям или явлениям, связанным с общей целостностью конструкции.
Явлениями, связанными с умеренными или сильными электрическими разрядами, возникающими в случае удара молнии, которые следует предотвратить в конструкции, изготовленной из материала с низкой электропроводностью, чтобы обеспечить ее структурную целостность, предотвратить отказы важнейших элементов электрооборудования и не допустить возникновения электрической дуги внутри бака, являются:
участки перегрева: высокая плотность тока в определенных специфичных местах конструкции, таких как стыки или пересекающиеся элементы, может приводить к возникновению участков, нагретых до высокой температуры. Если температура превышает 200°С (точка самовоспламенения топлива, принятая FAA/JAA), то в случае наличия внутри бака соответствующей стехиометрической концентрации, топливо может нагреться до температуры воспламенения;
электрические дуги (искрение): поток тока через материалы, имеющие разное сопротивление и находящиеся в геометрически разнесенных положениях, может создать падение напряжения на переходах, приводящее к возникновению разрядов в форме электрической дуги и к воспламенению топлива и воспламеняемой жидкости, содержащейся в конструкции;
неисправность электрооборудования: электрические разряды, вызванные ударом молнии, создают сильные токи, циркулирующие по внешней конструкции, и могут привести к прохождению тока через внутренние системы в результате шунтирования или индукции. Эти эффекты могут привести к критическим отказам, создающим опасность катастрофической аварии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является защита топливных баков самолета, расположенных в крыльях и/или стабилизаторах, выполненных из композита и снабженных различным электрооборудованием, от сильных электрических разрядов. Однако настоящее изобретение применимо для любой конструкции, выполненной из материала с низкой электропроводностью и содержащей внутри себя воспламеняемые жидкости, а также электрические и/или гидродинамические системы.
В конструкциях топливных баков нашло применение новое поколение материалов и, в частности, композитов с низкой электрической проводимостью, привело к появлению конструкций топливных баков с иными механическими и электрическими характеристиками, обусловленными свойствами материалов, используемых для их изготовления. Хотя бак изготовлен из неметаллических материалов с низкой электрической проводимостью, устройства, расположенные внутри, выполнены из материалов с высокой проводимостью, например системы топливопроводов, выполненные из алюминиевых труб, и оборудование в металлических корпусах.
Недостатки, приводящие к катастрофическим авариям, вызванным электрическими разрядами в топливном баке самолета, во многих случаях происшедших при ударе молнии, описаны выше. Когда используемые конструкции изготавливаются из непроводящих материалов, возникает риск циркуляции тока по внутренним системам, обычно изготавливаемым из металлических материалов. Такая ситуация может привести к возникновению электрических дуг, внутренних раскаленных частиц, горячих точек или к неисправностям оборудования, которые считаются критическими, создающими потенциальные источники воспламенения, которое может привести к взрыву и последующему разрушению конструкции.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ защиты группы металлических устройств, расположенных внутри топливного бака, полностью или частично изготовленного из композитов, от электрических разрядов, согласно которому:
а) в точках, где металлические устройства крепятся к топливному баку или фиксируются на нем, устанавливают изолирующий элемент, обеспечивая электрическую изоляцию этих металлических устройств относительно топливного бака;
б) в линейные металлические устройства устанавливают изолирующие вставки так, чтобы эти устройства подразделялись на части, изолированные друг от друга;
в) соединение с металлическими субструктурами с очень низким сопротивлением обеспечивают в каждой из частей, изолированных друг от друга в группе металлических устройств.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего подробного описания иллюстративного варианта его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематическая иллюстрация применения способа по настоящему изобретению в топливном баке, оснащенном несколькими устройствами.
Фиг.2 - труба, расположенная в топливном баке, защищенном способом по настоящему изобретению.
Фиг.3 - опора, расположенная в стенке топливного бака, защищенного способом по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показаны топливный бак 11, изготовленный из материала с низкой электрической проводимостью, устройство 13, состоящее из трубы топливопровода, и устройство 15, состоящее из элемента оборудования, заключенного в металлический кожух. Группа устройств 13, 15 представляет металлические узлы, расположенные внутри бака 11, необходимые для перекачки топлива.
Согласно способу, являющемуся объектом настоящего изобретения, в точках, где устройства 13 и 15 крепятся к баку 11, используются изолирующие элементы 21, которые могут быть выполнены из пластмассы и которые изолируют эти устройства 13, 15 от бака 11.
На фиг.3 показан конкретный пример изолирующего элемента 21 в точке крепления на баке 11.
В свою очередь, несколько изолирующих элементов 23 из непроводящего материала, например пластмассы, включены в трубу 13, ограничивая ее части 31, 33 и 35, изолированные друг от друга.
На фиг.2 показан пример изолирующей вставки 23 в трубе 13, расположенной между двумя соединениями с субструктурой 25, опорный потенциал.
Наконец, имеются соединения для частей 31, 33 и 35 трубы 13 и устройства 15, которое можно считать деталью, изолированной от остальных устройств, с субструктурой 25 с опорным потенциалом (0 В). Устройства 13 и 15, которые могут быть погружены в топливо, могут накапливать заряд до определенного уровня в результате генерирования статического заряда после получения баком 11 электрического разряда, но указанные соединения препятствуют возникновению электрических дуг и предотвращают повышение этого заряда до некоторого допустимого уровня (200 мкДж) за счет отвода статического заряда и предотвращения его накопления на компонентах системы.
Основой способа, являющегося объектом настоящего изобретения, является предотвращение шунтирования тока Се, циркулирующего по внешним стенкам топливного бака 11 в результате электрического разряда, вызванного, например, ударом молнии, на внутренние области, в которых расположены устройства 13 и 15.
Поскольку вся установка, состоящая из устройств 13 и 15, изолированных от главной конструкции бака 11, находится внутри единственного пути для внешнего тока Се, она образует точки соединения с субструктурой 25 с опорным потенциалом (металлической).
Индуктивность и малое сечение этих электрических точек соединения, а также наличие изолирующих вставок 23 в трубе 13 топливопровода заставляют внешний ток Се циркулировать внутрь через шунты Cs на очень низком уровне. Поэтому единственным током, воздействию которого подвергаются металлические элементы системы внутри бака, является ток Ci, возникающий под воздействием эффекта индукции.
С другой стороны, изолирующие вставки 23 в трубе 13 топливопровода или любом другом линейном устройстве предотвращают возникновение замкнутых цепей для тока Ci при повторяющемся возникновении циркуляции тока высокой плотности.
Изолирующие вставки 23 должны сохранять определенную длину, чтобы предотвратить возникновение электрической дуги. В частности, диапазон применимых размеров, прошедших испытания и применяемых в топливных баках самолетов, спроектированных и производимых компанией Airbus, составляет 25-80 мм.
Изолирующие вставки 23 должны изготавливаться из изолирующего материала, способного создавать электрическую изоляцию более 100 МОм для противодействия возможной разнице потенциалов, которая может возникнуть из-за сильного электрического разряда.
Определение точек, в которых следует разместить изолирующие вставки 23, требует детального исследования сопротивлений, имеющихся в системе, а также исследования уровней наводимых токов в каждой зоне системы в наиболее критическом случае внешнего электрического разряда. Тем не менее считается, что по общему правилу электрическое сопротивление менее 10 мОм должно существовать между любой металлической секцией субструктуры 25 (опорный потенциал) и каждой частью 31, 33, 35 трубы 13 или любым другим линейным устройством, расположенным внутри топливного бака 11 между двумя изолирующими вставками 23.
Следует отметить, что основная сущность метода, предлагаемого в настоящей заявке, основана на этих изолирующих вставках 23, поскольку они предотвращают циркуляцию сильных электрических токов по металлическим деталям, относящимся к внутренним системам топливного бака. В некоторых случаях эти изолирующие компоненты должны иметь совершенно новый дизайн, материалы, геометрию, поскольку они должны размещаться в очень малых областях или в очень коротких секциях труб.
Эффективность заявленного решения подкрепляется несколькими тестами, проведенными компанией-заявителем в отношении топливной системы, расположенной в горизонтальном стабилизаторе самолетов разных моделей.
В предпочтительный вариант изобретения, описанный выше, могут быть внесены модификации, входящие в объем настоящего изобретения, определенный приложенной формулой.