СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РАЗРЯДА МОЛНИИ
METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING LIGHTNING STRIKE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к детектору выброса тока и, в частности, к электрической схеме для обнаружения разряда молнии в летательном аппарате.
Разряды молнии в летательный аппарат являются относительно редкими событиями, но происходят с достаточной частотой и приносят существенный ущерб механическим и электрическим системам, поэтому средства для предотвращения и предупреждения последствий разряда молнии являются важными компонентами летательного аппарата.
Оповещение о разрядах молнии, их местоположении, мощности и воздействии в настоящее время обрабатывают бригады наземного обслуживания и экипажи летательных аппаратов. Экипаж летательного аппарата отвечает за определение того, был ли поражен этот летательный аппарат, обычно при помощи визуального подтверждения или наличия кратковременных электрических помех приборного обеспечения или осветительной аппаратуры. Задачей бригады наземного обслуживания является определение степени опасности, местоположения и воздействия разряда молнии на летную годность летательного аппарата. Однако поскольку эта система основана на первоначальном обнаружении экипажем летательного аппарата, эта система оповещения может приводить к излишнему или недостаточному оповещению о разрядах молнии.
При разряде молнии в летательный аппарат через него проходит ток большой силы. В летательном аппарате, выполненном с металлической оболочкой, этот ток в основном проходит по внешней поверхности летательного аппарата. Однако летательный аппарат, использующий композитную конструкцию, часто содержит установленную в нем сеть электрических соединителей для возврата тока или молнии для переноса токов большой силы, получившихся в результате разряда молнии. В таком композитном летательном аппарате этот ток может быть направлен через сеть возврата тока, которая уменьшает возможность повреждения электрических систем указанным выбросом тока. Однако все еще могут возникать некоторые перебои в работе электрических систем. Когда эти системы возобновляют работу, они выдают предупреждение, обычно в кабину экипажа, хотя оно может быть записано в ином месте, это должно быть проверено бригадой технического обслуживания при следующей посадке летательного аппарата.
Некоторые из этих предупреждений электрических систем могут быть так называемыми «помеховыми предупреждениями», которые возникают вследствие возврата системы в исходное положение в связи с разрядом молнии, а не с какими-либо проблемами в этой системе. Однако эти системы по-прежнему потребуют переустановки вручную работником технической поддержки для возврата в исходное положения этих предупреждений и определения, был ли сбой в работе системы вследствие произошедшего разряда молнии или проблемы в пораженной системе.
Следовательно, в области техники существует потребность в системе обнаружения молнии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предоставлена система с автономным питанием для обнаружения разряда молнии, содержащая сеть возврата тока, принимающую и рассеивающую разряд молнии, резонансную схему, содержащую трансформатор, сообщающийся с сетью возврата тока, и обеспечивающую переменный электрический выходной сигнал, выпрямитель для выпрямления переменного электрического выходного сигнала, медленно действующий интегратор, который создает пороговое напряжение, когда принят постоянный электрический выходной сигнал, и выходной транзистор, запускаемый медленно действующим интегратором, для передачи сигнала в программное обеспечение отслеживания неисправностей. Преимущественно, сеть возврата тока содержит электропроводную цепь внутри летательного аппарата. Предпочтительно, резонансная схема содержит индуктивный элемент и конденсатор. Предпочтительно, интегратор содержит конденсатор. Предпочтительно, этот конденсатор полностью заряжен.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предоставлен способ обнаружения скачка напряжения в сети возврата тока, включающий следующие этапы: обеспечение ферритового сердечника, находящегося в индуктивном взаимодействии с сетью возврата тока, обеспечение схемы обнаружения, содержащей резонансную схему, находящуюся в индуктивном взаимодействии с ферритовым сердечником, схему интегратора и транзистор, обеспечение выброса тока через сеть возврата тока, индуктивная подача энергии на резонансную схему для обеспечения переменного тока, выпрямление этого тока, заряд конденсатора в схеме интегратора до уровня порогового напряжения, изменение состояния транзистора при достижении уровня порогового напряжения и обнаружение изменения в состоянии, как указывающего на скачок напряжения. Преимущественно, выпрямление происходит при помощи однополупериодного выпрямителя. Преимущественно, резонансная схема содержит индуктивный элемент и первый конденсатор. Предпочтительно, сеть возврата тока, индуктивный элемент и ферритовый сердечник содержат трансформатор. Предпочтительно, ферритовый сердечник выполнен с обеспечением возможности его выборочного удаления из сети возврата тока. Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап присоединения ферритового сердечника к сети возврата тока. Преимущественно, транзистор является нормально открытым n-канальным полевым транзистором типа металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистором n-типа). Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап обеспечения удаленного регистратора неисправностей. Предпочтительно, для обнаружения указанного изменения состояния используют прохождение тока от удаленного регистратора неисправностей через транзистор. Предпочтительно, способ дополнительно содержит элемент сопротивления для сброса порогового напряжения, как только обнаружено изменение состояния.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения предоставлен способ определения, происходил ли разряд молнии в летательный аппарат, включающий следующие этапы: обеспечение сети возврата тока по всему летательному аппарату, обеспечение пассивной электрической схемы, находящейся в индуктивном взаимодействии с сетью возврата тока посредством магнитопроницаемого сердечника и содержащей управляемый напряжением транзистор, обнаружение выброса тока от разряда молнии через сеть возврата тока, преобразование выброса тока через сеть возврата тока в источник тока в этой электрической схеме, обеспечение уровня порогового напряжения транзистора для изменения состояния этого транзистора из нормального состояния в активированное состояние и определение наличия разряда молнии при помощи изменения этого состояния. Преимущественно, транзистор изменяет свое состояние от нормально открытого состояния в закрытое состояние, когда достигнут уровень порогового напряжения. Предпочтительно, указанное изменение измеряют при помощи потребляемого тока через транзистор. Преимущественно, транзистор изменяет свое состояние от нормально закрытого состояния в открытое состояние, когда достигнут уровень порогового напряжения. Предпочтительно, указанное изменение измеряют при помощи прекращения протекания тока через транзистор.
Вышеуказанные признаки, функции и преимущества могут быть независимо достигнуты в различных вариантах осуществления настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в еще одних вариантах осуществления, дополнительные характеристики которых можно увидеть со ссылкой на следующие описание и чертежи.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен перспективный вид летательного аппарата, изображающий сеть возврата тока.
На фиг. 2 представлен схематичный вид, изображающий соединение между сетью возврата тока и схемой обнаружения.
На фиг. 3А представлен схематичный вид схемы обнаружения.
На фиг. 3В представлен схематичный вид альтернативного варианта осуществления схемы обнаружения.
ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показан перспективный вид летательного аппарата 100, изображенного в разрезе для того, чтобы показать сеть 102 возврата тока, которая может содержать продольные 104 и поперечные 106 электропроводящие элементы, проходящие по существенной части летательного аппарата 100. Сеть 102 возврата тока также содержит токонесущие дорожки 108, проходящие через крылья и хвостовую часть летательного аппарата 100. Продольные 104 и поперечные 106 элементы, так же как и токонесущие дорожки 108, могут быть электрическими проводами с низким элементом сопротивлениям, металлическим или другим проводящим материалом, включая среди прочего конструктивные элементы летательного аппарата, гидравлические линии или специализированные компоненты для возврата тока. Эти элементы 104, 106, 108 сети возврата тока могут быть соединены друг с другом для обеспечения некоторого количества резервных электрических магистралей, которые могут быть выполнены с обеспечением возможности переноса тока повреждения, обеспечения заземления, переноса тока молнии, обеспечения экранирования электромагнитного излучения, минимизации сопротивления и разности потенциалов, а также обеспечения пути утечки для электростатического заряда.
Как показано на фиг. 2, устройство 112 для обнаружения разряда молнии может содержать зажимной магнитопроницаемый сердечник с обмоткой 114, который закреплен вокруг части сети 102 возврата тока, и схему 116 обнаружения разряда молнии, сообщающуюся с ферритовым сердечником 114. Зажимной ферритовый сердечник 114 является замкнутым контуром из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как железо, керамика с покрытием из оксида железа или другой материал. Ферритовый сердечник 114 может быть съемным или постоянным устройством, присоединенным к сети возврата тока.
На фиг. 3А более подробно показана схема 116 обнаружения разряда молнии. Как показано на этом чертеже, схема 116 может содержать резонансную схему 118, схему 120 интегратора и транзистор 122, соединенный с внешним отслеживающим оборудованием 124. Резонансная схема 118 может содержать индуктивный элемент 126 и параллельно включенный первый конденсатор 128, который также включен параллельно схеме 120 интегратора и соединен с ней посредством выпрямляющего диода 130. Схема 120 интегратора содержит элемент 132 сопротивления и второй конденсатор 134, включенный параллельно. Схема 120 интегратора привязана к затвору 136 транзистора 122, а исток 138 транзистора заземлен. Сам транзистор 122 изображен, как нормально открытый n-канальный полевой транзистор типа металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор n-типа) в режиме обогащения, что обеспечивает управляемый напряжением источник тока между внешним отслеживающим оборудованием 124 и заземлением. Элементы снижения электромагнитных помех (EMI, Electromagnetic interference) обеспечены в виде зенеровского диода 142 и стокового диода 144, которые уменьшают вероятность обратной связи по току и резкие повышения напряжения, которые могут повредить схему 116.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения несколько устройств 112 для обнаружения разряда молнии расположены около сети 102 возврата тока таким образом, что они улавливают событие разряда молнии. Со ссылкой на фиг. 2, устройства 112 предпочтительно должны быть расположены в области Зоны 3, а также могут быть расположены в области Зоны 1 или 2 таким образом, как например на гондоле двигателя или вблизи нее, или по фюзеляжу летательного аппарата.
Со ссылкой на фиг. 2 будет более подробно описана работа устройства 112 для обнаружения разряда молнии. Как будет понятно, когда не происходит разряда молнии, схема 116 для обнаружения разряда молнии остается в состоянии, не снабженном энергией. Однако когда происходит разряд молнии, указанная схема снабжается энергией для указания на это событие. После того как на событие будет указано, схема вернется в состояние, не снабженное энергией.
Когда молния разряжается в летательный аппарат, выброс тока, продолжающийся от 1-50 мкс, передается на сеть 102 возврата тока. Сеть 102 возврата тока образует по меньшей мере один виток вокруг ферритового сердечника 114, а индуктивный элемент 126 образует несколько витков вокруг ферритового сердечника 114, тем самым образуя трансформатор таким образом, что при прохождении импульса тока через сеть 102 возврата тока индуктивный элемент 126 генерирует вторичный ток.
Индуктивный элемент 126 и первый конденсатор 128, которые образуют резонансную схему 118, создают выходной сигнал переменного тока, который снабжает энергией схему 116. Выходной сигнал резонансной схемы 118 до его передачи на схему 120 интегратора выпрямляют посредством выпрямляющего диода 130 до однополупериодного выходного сигнала.
Схема 120 интегратора обеспечивает медленно действующий заряд и разряд второго конденсатора 134, предпочтительно поддерживает разность потенциалов на обкладках конденсатора на пороговом уровне в течение нескольких секунд таким образом, что указанный конденсатор становится полностью заряженным. Схема интегратора обеспечивает время задержки и автоматическую переустановку для указания на разряд молнии для того, чтобы оставаться активной, даже если само внешнее отслеживающее оборудование 124 дало сбой вследствие этого события.
Когда второй конденсатор 134 находится на пороговом уровне, соответствующем порогу затвора транзистора 122, схема между истоком 138 и стоком 140 закрыта, обеспечивая возможность течения тока от внешнего отслеживающего оборудования 124 на заземление через транзистор. Внешнее отслеживающее оборудование 124 является внешним отслеживающим устройством, которое может быть установлено в летательном аппарате и может быть стандартным интерфейсом оборудования летательного аппарата, таким как открытый/заземленныйдискретный компонент, который воспринимает открытый/заземленный дискретный сигнал, выполненный схемой 116, а затем использует это для логического указания на неисправность или техническое обслуживание.
Зенеровский диод 142 обеспечивает возможность того, что напряжение между затвором транзистора и истоком не достигнет уровня, который может повредить транзистор 122 или другие компоненты.
Стоковый диод 144 расположен между внешним отслеживающим оборудованием 124 и транзистором 122 и обеспечивает возможность протекания тока от внешнего отслеживающего оборудования 124 через указанный транзистор. Такая компоновка обеспечивает возможность того, что ток не может протекать от транзистора 122 к внешнему отслеживающему оборудованию 124 и вызывать повреждение в случае выброса тока на заземление.
Также предполагаются другие улучшения вышеупомянутой электрической схемы. В соответствии с иллюстрированным вариантом осуществления изобретения указанная схема содержит МОП транзистор 122 n-типа, который нормально открыт и закрыт, когда к затвору 136 приложено положительное напряжение, обеспечивая возможность протекания тока между истоком 138 и стоком 140. Однако предполагается, что нормально закрытый МОП транзистор в режиме обеднения может быть заменен на нормально открытый транзистор 122 в режиме обогащения.
Выпрямляющий диод 130 показан как один диод, включенный последовательно между колебательной схемой и схемой интегратора. Такой однополупериодный выпрямитель пропускает только половину резонансного волнового сигнала, генерируемого резонансной схемой 118, и, следовательно, количество прошедшей энергии уменьшается. Однако если требуется дополнительная энергия, этот диод может быть заменен на двухполупериодный выпрямитель, такой как диодный мост, или другой тип выпрямителя.
Также было описано, что схема 116 содержит элементы защиты от электромагнитных помех, такие как зенеровский диод 142 и стоковый диод 144. Эти элементы были включены для обеспечения защиты от перегрузок по напряжению транзистора 122 (зенеровский диод 142) или обратной связи по току внешнего отслеживающего оборудования 124. Однако эти элементы не являются необходимыми для работы схемы, и ими можно пренебречь. Вместо этих защитных элементов или в дополнение к ним могут быть включены альтернативные защитные элементы.
Резонансная схема 118 обеспечивает переменный ток на основании формы импульса разряда молнии, но не обязательно обеспечивает разницу потенциалов для схемы 120 интегратора. Выброс тока в сети 102 возврата тока будет производить соответствующий скачок напряжения в индуктивном элементе 126, который может быть использован для запуска транзистора 122. Однако резонансная схема 118 обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в обеспечении функции ограничения спектра для уменьшения чувствительности указанной схемы к радиочастотным помехам, например, от атмосферных помех или других радиочастотных помех.
Как пассивный элемент с одним проводным соединением (сеть 112 возврата тока), добавление встроенного теста для указанной схемы 116 обнаружения может быть нецелесообразным. Тестирующую функцию можно получить при помощи добавления второго комплекта обмотки на ферритовый сердечник 144, который может обеспечить импульс для цепи 116 для моделирования разряда молнии. Это может служить в качестве эффективного теста для определения того, что указанная система функционирует надлежащим образом.
Как было описано со ссылкой на фиг. 1, сеть 102 возврата тока может служить в качестве заземления для электрических компонентов летательного аппарата. Однако выброс от разряда молнии через сеть 102 возврата тока часто вызывает электрический сбой в различных системах летательного аппарата. Следовательно, может быть нежелательным использование сети 102 возврата тока в качестве заземления для схемы 116 для обнаружения разряда молнии. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 3А, внешнее отслеживающее оборудование соединено с заземлением, таким как сеть102 возврата тока, а схема 116 для обнаружения разряда молнии соединена с независимым заземлением. На фиг. 3В показана альтернативная компоновка, когда схема 116 для обнаружения разряда молнии и внешнее отслеживающее оборудование совместно используют общее заземление 146, которое может быть независимым заземлением.
Хотя способ и формы устройства, раскрытые в настоящем документе, устанавливают предпочтительные аспекты раскрытых способа и устройства для обнаружения разряда молнии, также можно использовать другие способы и формы устройства без отхода от объема настоящего изобретения.