СИСТЕМА ВЫЯВЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА И/ИЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ВОДЫ В КОНСТРУКЦИЯХ ТИПА "СЭНДВИЧ" ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2009 года по МПК G01N22/04 

Область техники

Изобретение относится к системе и к способу для выявления наличия, определения количества и местоположения воды в кессонных конструкциях летательного аппарата, в частности в композитных конструкциях типа "сэндвич". Предлагаемое изобретение находит применение в авиационной технике и, в частности, в области технического обслуживания летательных аппаратов с выполнением неразрушающего контроля. Предлагаемое изобретение может быть использовано для так называемых кессонных конструкций, т.е. для закрытых конструкций из композитных материалов типа "сэндвич" с наружной оболочкой, изготовленной из углерода, и внутренним слоем, представляющим собой сотовую конструкцию, изготовленную из картона, такого как Nomtx®, или сотовую конструкцию, изготовленную из стекловолокна.

Предшествующий уровень техники

В области авиационной техники и, в частности, в области технического обслуживания самолетов, важно выявлять наличие воды в конструкциях самолета. Вода может присутствовать в некоторых деталях самолета, в частности в деталях, изготовленных из композитного материала типа "сэндвич". Материал типа "сэндвич" представляет собой материал, содержащий ячеистую структуру типа сотовой конструкции, покрытую с каждой стороны обшивкой. Эти обшивки могут быть изготовлены из водонепроницаемого материала и могут быть выкроены таким образом, чтобы соединяться между собой на кромках детали, создавая, таким образом, оболочку вокруг ячеистой структуры. Такие конструкции называют кессонными. Например, створки люков шасси, рули высоты, обтекатели радиолокационных антенн или же подъемники представляют собой детали, которые часто изготавливаются из композитного материала типа "сэндвич". Однако наличие воды в этих деталях, в частности в их промежуточной зоне, оказывает влияние на прочность и вес этих конструкций, что может повлечь за собой нежелательное поведение самолета в воздухе. В настоящее время присутствие воды в таких конструкциях выявляется либо при помощи регулярного инспектирования в ходе проведения операций технического обслуживания, либо путем выявления косвенных признаков присутствия воды, таких как вздутие конструкций, пятна конденсата и т.п., либо, в экстремальных случаях, по воздействию на механические средства привода вследствие увеличения веса конструкции.

В некоторых случаях такая деталь может быть повреждена, что вызывает необходимость полной замены этой детали. В частности, в том случае, когда вода обнаруживается в композитной детали типа "сэндвич", обязательным является демонтаж этой детали и устранение повреждений, вызванных наличием воды. Для этого необходимо вывести самолет из эксплуатации на некоторое время. Кроме того, необходимо также выводить самолет из эксплуатации на время осуществления инспектирования этих деталей, предваряющего любой ремонт или замену, чтобы выявить наличие или отсутствие воды. Для инспектирования самолета необходимо выводить самолет из эксплуатации на относительно продолжительный период. Однако выведение самолета из эксплуатации является дорогостоящим мероприятием. Кроме того, используемые в настоящее время технологии инспектирования также представляют собой дорогостоящие и часто весьма трудоемкие операции. Инспектирование конструкций самолета для выявления наличия в них воды осуществляется, например, при помощи технологий термографии или радиографии. При этом термографическая технология требует нагревания исследуемой конструкции в целом, а радиографическая технология требует изоляции подлежащей инспектированию детали. Эти технологии неразрушающего контроля являются сложными, а их применение занимает много времени и требует соблюдения специфических предосторожностей при использовании.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченных выше недостатков существующих технологий. Для решения этой задачи согласно изобретению предлагаются система и способ выявления наличия, определения количества и/или местоположения воды в конструкциях типа "сэндвич" посредством электромагнитных микроволн, генерируемых в подлежащей инспектированию конструкции. Эта система и этот способ позволяют легко выявлять присутствие воды в данной конструкции, что обеспечивает возможность осуществления предупредительного и, следовательно, менее дорогостоящего ремонта.

Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к системе выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" для летательного аппарата, характеризующейся тем, что система содержит

генератор микроволн,

по меньшей мере два передатчика/приемника микроволн, установленных в данной конструкции,

детектор микроволн, выполненный с возможностью выявления микроволн после их распространения в конструкции, и

блок обработки данных, связанный с библиотекой, содержащей по меньшей мере одну модель данной конструкции в пустом состоянии, то есть при отсутствии в ней воды.

Таким образом, система дает возможность выявлять наличие воды в конструкции типа "сэндвич" и определять количество этой воды.

Предлагаемое изобретение также может содержать одну или несколько из следующих характеристик:

каждый передатчик/приемник содержит основание, фиксируемое на подлежащей инспектированию конструкции, и электропроводный стержень, располагающийся внутри этой конструкции;

генератор создает микроволны, модулированные по частоте относительно некоторой центральной частоты, выбираемой в функции характеристик инспектируемой конструкции;

микроволны модулируются в частотном интервале, величина которого составляет около 1 ГГц, относительно частоты возбуждения воды, которая может представлять собой функцию особенностей инспектируемой конструкции;

предлагаемая система содержит по меньшей мере три передатчика/приемника, распределенных на инспектируемой конструкции, чтобы обеспечить определение местоположения воды при помощи триангуляции. Таким образом, система в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет определить одно или несколько мест, где находится вода;

генератор формирует импульсное излучение;

передатчики/приемники микроволн располагаются на борту самолета в подлежащей инспектированию конструкции, тогда как генератор микроволн, детектор микроволн, блок обработки данных и библиотека располагаются на земле;

конструкция типа "сэндвич" содержит две обшивки, изготовленные из материала, не являющегося проницаемым для микроволн, и промежуточную зону, изготовленную из материала, слабо поглощающего микроволны;

упомянутые обшивки изготовлены из углерода, а промежуточная зона в виде сотовой конструкции изготовлена из материала Nomtx, или из стекловолокна, или из другого материала, слабо поглощающего микроволны, такого как некоторые синтетические вспененные материалы.

Предлагаемое изобретение относится также к способу выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" летательного аппарата, заключающегося в том, что

излучают микроволны в подлежащую инспектированию конструкцию типа "сэндвич",

осуществляют прием микроволн при помощи датчиков после их распространения в данной конструкции,

последовательно сканируют на изменяющейся частоте для выявления наличия воды и для определения объема этой воды.

Предлагаемое изобретение относится также к способу выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" летательного аппарата, заключающегося в том, что

излучают микроволны в подлежащую инспектированию конструкцию типа "сэндвич",

осуществляют прием этих микроволн при помощи датчиков после их распространения в данной конструкции,

определяют время распространения микроволн в данной конструкции, и

осуществляют обработку полученных значений этого времени распространения для определения на основе этих значений местоположения воды.

В этом случае микроволны излучаются на некоторой фиксированной частоте.

Предлагаемое изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему конструкцию типа "сэндвич" и систему описанного выше типа.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием препочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых

Фиг.1 изображает схему конструкции, оборудованной системой выявления наличия воды, согласно изобретению;

Фиг.2 - общий вид антенны системы согласно изобретению;

Фиг.3 - схему разреза антенны системы, установленной на конструкции типа "сэндвич", согласно изобретению;

Фиг.4 - диаграмму сигнала, генерируемого системой, согласно первому варианту реализации изобретения;

Фиг.5 - диаграммы сигналов, выявленных в отсутствие воды и при наличии воды, согласно первому варианту реализации изобретения;

Фиг.6 - пример распределения антенн в конструкции типа "сэндвич" согласно второму варианту реализации предлагаемого изобретения;

Фиг.7 - диаграммы сигналов, выявленных при наличии воды и при отсутствии воды, согласно второму варианту реализации изобретения;

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Предлагаемое изобретение относится к системе, предназначенной для выявления наличия воды в конструкциях типа "сэндвич" при помощи введения микроволн в подлежащую инспектированию конструкцию через встроенные в эту конструкцию антенны. Такая система схематически представлена на фиг.1. Более конкретно, показан пример конструкции, или детали, оборудованной системой в соответствии с предлагаемым изобретением. В этом примере подлежащая инспектированию деталь 1 имеет прямоугольную форму. Само собой разумеется, что конструкция может иметь различные формы и, в частности, формы, адаптированные к конструкции самолета. Деталь 1 может представлять собой, например, створку люка шасси самолета.

В соответствии с предлагаемым изобретением система содержит генератор 2 электромагнитных волн, передатчики/приемники 3, детектор 4 электромагнитных волн, образованный, например, диодом Schottky 4а, и блок 4b обработки данных. Как более подробно указано ниже, блок 4b обработки данных связан с библиотекой 5. Генератор 2 формирует электромагнитные волны, передаваемые во внутреннюю полость детали 1 через антенны 3. Электромагнитные волны представляют собой микроволны с частотой около 2,45 ГГц (причем частота представляет собой функцию формы подлежащей инспектированию конструкции), которые могут быть посланы в виде импульсов или непрерывно (с использованием модуляции по частоте в диапазоне около 1 ГГц).

Микроволны могут излучаться в виде непрерывного сигнала или в виде импульсов.

Деталь 1 реализована в виде конструкции типа "сэндвич", имеющей изготовленные из углерода обшивки и промежуточную зону в виде сотовой конструкции, изготовленной, например, из материала Nomtx® или из стекловолокна. Углерод имеет преимущество, т.к. через него не проникают электромагнитные волны. Сотовая конструкция обеспечивает отсутствие поглощения электромагнитных волн. Таким образом, в детали подобного типа электромагнитные волны генерируются генератором 2 и направляются во внутреннюю полость конструкции 1 типа "сэндвич" при помощи излучателей 3. В том случае когда излучатели находятся в конструкции 1, электромагнитные волны распространяются между двумя изготовленными из углерода обшивками.

В соответствии с предлагаемым изобретением передатчики/приемники 3 устанавливаются на детали 1. При этом они выполняют функцию излучения и приема микроволн, распространяющихся в промежуточной зоне детали 1. Детектор 4, присоединенный к передатчикам/приемникам 3 при помощи стандартных соединительных клемм, обеспечивает детектирование и обработку информации, поставляемой микроволнами. Именно при обработке распространяющихся микроволн выявляется наличие воды во внутренней полости детали 1, определяется местонахождение этой воды и определяется ее количество.

В примере на фиг.1 показаны три датчика в детали 1. Количество используемых датчиков зависит от рассматриваемого в данном случае применения (выявление наличия воды и определение количества или определение ее местоположения) и от формы подлежащей инспектированию конструкции.

Библиотека 5 связана с блоком 4b обработки данных. Библиотека 5 содержит модель детали 1 в пустом виде, то есть представление этой детали 1 в случае, когда она не содержит воды. Модель содержит информацию о местах размещения различных передатчиков/приемников 3 в детали 1. Например, модель, сохраняемая в запоминающем устройстве библиотеки 5, может представлять собой картографию пустой детали или таблицу моделирования пустой детали. Это моделирование пустой детали позволяет путем сравнения определить, содержит ли деталь воду или не содержит. Более конкретно, детектор 4 определяет после приема микроволн датчиками 3 информацию о времени распространения и о форме волн, а затем сравнивает эту информацию с данными моделирования, хранящимися в библиотеке 5. Детектор 4 определяет, в функции формы волн и путем сравнения с моделью, количество воды в данной конструкции и, следовательно, наличие местоположения воды 9 в этой конструкции. Кроме того, детектор 4 определяет, в функции времени распространения волн между передатчиком/приемником 3 и различными препятствиями или стенками в конструкции и при помощи сравнения с моделью, локализацию этой воды в конструкции, то есть местоположение воды в конструкции.

Как было сказано выше, датчики закреплены в подлежащей инспектированию конструкции, т.е. они располагаются на борту самолета вместе с этой конструкцией. Генератор и детектор могут представлять собой внешние устройства, то есть устройства, которые остаются на земле и которые используются только в период осуществления наземного технического обслуживания. Поскольку система является достаточно простой в использовании, инспектирование деталей может осуществляться регулярно на земле в период выполнения технического обслуживания самолета, что исключает слишком длительное выведение самолета из эксплуатации. Кроме того, система позволяет выявлять небольшие количества воды, что позволяет выполнить ремонт детали до того, как она будет повреждена слишком сильно. Вследствие этого ремонт может быть выполнен достаточно быстро и является не слишком дорогостоящим; при этом время выведения самолета из эксплуатации является относительно небольшим.

В соответствии с вариантом реализации предлагаемого изобретения генератор и детектор также могут быть установлены на борту самолета.

Пример передатчика/приемника 3, называемого также антенной, представлен на фиг. 2 и 3. Более конкретно, на фиг.2 представлен общий вид антенны, не закрепленной на конструкции. На фиг.3 представлен схематический вид в разрезе этой же самой антенны в случае, когда она установлена в подлежащей инспектированию конструкции 1 типа "сэндвич".

Антенна 3 содержит основание 6, закрепляемое на детали 1, и электропроводный стержень 7, выступающий из основания 6. Электропроводный стержень 7 вставляется внутрь промежуточной зоны, выполненной в виде сотовой конструкции 1а. Длину стержня 7 выбирают в соответствии с особенностями подлежащей инспектированию конструкции. Эта длина может иметь величину порядка 50 миллиметров. Основание 6 закрепляется одним из своих концов на одной из обшивок 1b детали 1. Второй конец основания 6 подключается, например при помощи кабеля 8, к генератору 2 и к детектору 4. Каждая антенна 3 выполняет функцию передатчика и приемника микроволн, распространяющихся в промежуточной зоне 1а детали 1, то есть зоны, расположенной между изготовленными из углерода обшивками 1b.

Как было указано выше, система в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет выявить наличие воды в конструкции типа "сэндвич". Система позволяет также определить местоположение и/или определить количество этой воды.

В соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения количество воды в конструкции может быть определено посредством сканирования, которое позволяет упорядочить поглощение волн в конструкции. Параметры передачи и отражения волн позволяют определить объем присутствующей в конструкции воды вследствие диэлектрических потерь, которые вода представляет на частотах функционирования данной системы, например на частотах в диапазоне от 2 ГГц до 3 ГГц. Для использования этого режима функционирования генератор 2 формирует микроволны, модулированные по частоте в интервале частот, составляющем около 1 ГГц, относительно некоторой центральной частоты, подлежащей определению в функции особенностей подлежащей контролю конструкции. Центральная частота может представлять собой частоту возбуждения воды, т.е. частоту, составляющую около 2,45 ГГц. Частота зависит от формы и характеристик подлежащей тестированию конструкции. Пример сигнала, генерируемого для осуществления режима функционирования, представлен на фиг.4. Более конкретно, представлен пример сигнала, излучаемого генератором 2 в режиме непрерывного излучения с изменяющейся частотой. В этом примере волны генерируются непрерывным образом с амплитудой модуляции, которая изменяется линейным образом в диапазоне от 1,8 ГГц до 2,8 ГГц.

В соответствии с этим вариантом реализации генератор 2 подключен к одной антенне 3, закрепленной в данной конструкции. Другая антенна 3, также закрепленная на этой конструкции, присоединена к детектору 4. Детектор 4 связан с контуром интегратора с длительным временем реакции, который выдает среднюю величину принятого сигнала на предварительно определенном периоде сканирования. Выходное электрическое напряжение контура интегратора пропорционально количеству воды, содержащейся в данной конструкции.

Этот способ реализации с изменением частоты обладает тем преимуществом, что электрическое поле, которое генерируется в тестируемой конструкции, является в среднем однородным. Датчик 3 измеряет на протяжении определенного времени различные величины электрического напряжения V в конструкции и передает их в блок 4b обработки. Благодаря однородности электрического поля блок 4b обработки, после интегрирования в функции времени сигнала, измеренного датчиком 3, имеет возможность вычислить среднюю величину электрического напряжения Vmoy, характерную для энергии, рассеиваемой в данной конструкции. Диаграммы средних величин полученного сигнала при наличии воды и в ее отсутствие в данной конструкции представлены на фиг.5. Кривая С1 представляет среднюю величину сигнала при отсутствии воды, а кривая С2 представляет среднюю величину сигнала при наличии воды в инспектируемой конструкции.

При отсутствии воды средняя величина Vmoy1 соответствует средней величине электрического напряжения измеренного сигнала. При наличии воды в тестируемой конструкции средняя величина электрического напряжения понижается до величины Vmoy2. Действительно, вода, возбужденная микроволнами, поглощает часть излученной энергии, уменьшая таким образом энергию, восстановленную в форме электрического напряжения в датчике 3. Средняя величина электрического напряжения, вычисленная блоком 4b обработки, представляет собой отражение наличия или отсутствия воды в тестируемой конструкции путем сравнения с моделью этой конструкции без воды, содержащейся в библиотеке, связанной с блоком 4b обработки. Кроме того, средняя величина электрического напряжения Vmoy изменяется линейным образом в функции количества воды, присутствующей в этой конструкции. Таким образом, разность электрического напряжения между моделью и тестируемой конструкцией позволяет определить количество воды, присутствующей в этой конструкции.

В соответствии с вторым способом реализации местоположение воды в тестируемой конструкции может быть определено посредством импульсов, излучаемых генератором волн и детектируемых при помощи триангуляции. Другими словами, в соответствии с этим способом реализации генератор 2 микроволн формирует импульсы микроволн, которые обладают преимуществом устранения образования стационарных режимов в конструкции типа "сэндвич" и, следовательно, возможности определения местоположения присутствующей воды.

В соответствии с этим способом реализации по меньшей мере три передатчика/приемника размещают в различных местах тестируемой конструкции. Знание времени распространения и форм волн в конструкции позволяет при помощи триангуляции точно определить местоположение зоны, содержащей воду, путем сравнения этой информации с данными моделирования, хранящимися в библиотеке. Пример размещения датчиков для осуществления второго варианта реализации представлен на фиг.6. На фиг.6 показан вид сверху, демонстрирующий пример распределения трех датчиков 3а, 3b и 3с в конструкции 1 вокруг точки 9 расположения воды. Такая система позволяет рассчитать время распространения микроволн в этой конструкции и вычислить на основе этой информации местоположение воды.

На фиг.7 представлен пример сигнала, выявленного антенной, в этом втором способе реализации. Кривая С3 демонстрирует пример импульсов в том случае, когда данная конструкция свободна от воды, а кривая С4 демонстрирует пример отраженного сигнала после его отражения от дефекта, то есть при наличии воды, например, при наличии 5 мл воды.

После точного определения местоположения воды имеется возможность осуществить ремонт поврежденной зоны конструкции, ограничивая при этом зону ремонта только выявленным местом расположения воды.

Система в соответствии с предлагаемым изобретением, которая была описана выше, может использовать способ выявления наличия и определения количества воды в конструкции типа "сэндвич".

Способ содержит следующие этапы:

излучают микроволны в деталь 1 посредством генератора импульсов 2 и передатчиков 3,

осуществляют прием микроволн, которые распространяются внутри детали 1 посредством датчиков 3, подключенных к детектору 4; датчики принимают микроволны, которые были излучены другими передатчиками данной системы;

реализуют последовательное сканирование микроволн на изменяющейся частоте (импульс в треугольнике) в детали 1,

осуществляют сравнение с моделированием упомянутой детали, хранящемся в библиотеке 5, и определяют объем этой порции воды и, следовательно, наличие воды в тестируемой конструкции.

Система в соответствии с предлагаемым изобретением может использовать способ выявления наличия и определения местоположения воды в конструкции типа "сэндвич". Этот способ включает следующие этапы:

излучают микроволны в конструкции типа "сэндвич",

осуществляют прием этих микроволн при помощи датчиков после их распространения в тестируемой конструкции; при этом каждый датчик принимает микроволны, которые он сам же и излучал и которые были отражены водой, присутствующей в этой конструкции;

определяют время распространения микроволн в данной конструкции,

осуществляют обработку времени распространения для расчета на его основе местоположения воды.

В соответствии с этим способом определения местоположения воды в тестируемой конструкции микроволны излучаются с фиксированной частотой.

Оба описанных способа могут быть реализованы при помощи одной и той же системы, описанной выше. Эти способы могут быть применены независимо один от другого или, напротив того, один вслед за другим, в процессе осуществления одного и того же процесса инспектирования самолета.

Изобретение относится к системе выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" для летательного аппарата, содержащей генератор микроволн, по меньшей мере два передатчика/приемника микроволн, установленных в данной конструкции, детектор микроволн, выполненный с возможностью выявления микроволн после их распространения в конструкции, и блок обработки данных, связанный с библиотекой, содержащей по меньшей мере одну модель данной конструкции в пустом состоянии. Изобретение относится также к способам использования этой системы, а также к летательному аппарату, содержащему такую систему. Технический результат - снижение трудоемкости и стоимости процесса обследования указанной конструкции летательного аппарата. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" для летательного аппарата, отличающаяся тем, что содержит генератор (2) микроволн, по меньшей мере два передатчика/приемника (3) микроволн, установленных в данной конструкции, детектор (4) микроволн, имеющий возможность выявлять микроволны после их распространения в этой конструкции, и блок (4b) обработки данных, связанный с библиотекой (5), содержащей по меньшей мере одну модель данной конструкции (1) в пустом состоянии.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый передатчик/приемник (3) содержит основание (6), фиксируемое на конструкции (1), и электропроводный стержень (7), располагающийся внутри этой конструкции.

3. Система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что генератор излучает микроволны, модулированные по частоте относительно некоторой центральной частоты, выбираемой в функции характеристики контролируемой конструкции.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что микроволны модулируются на частотном интервале, величина которого составляет около 1 ГГц, относительно частоты возбуждения воды.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере три передатчика/приемника (3), распределенных на конструкции, чтобы обеспечить определение местоположения воды путем триангуляции.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что генератор производит излучение импульсов.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что
передатчики/приемники (3) микроволн расположены на борту самолета в подлежащей инспектированию конструкции, генератор (2) микроволн, детектор (4) микроволн, блок обработки данных и библиотека (5) расположены на земле.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что конструкция типа "сэндвич" содержит две обшивки из материала, непроницаемого для микроволн, и промежуточную зону из материала, слабо поглощающего микроволны.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что обшивки изготовлены из углерода, а промежуточная зона в виде сотовой конструкции изготовлена из материала, выбранного из группы, состоящей из Nomex® или из стекловолокна, или из другого материала, слабо поглощающего микроволны.

10. Способ выявления наличия воды в конструкции типа "сэндвич" летательного аппарата, характеризующийся тем, что излучают микроволны в конструкцию типа "сэндвич",
принимают микроволны при помощи датчиков после их распространения в данной конструкции,
обрабатывают сигналы, выявленные после распространения этих микроволн для сравнения с моделью данной конструкции в пустом состоянии.

11. Способ наличия воды по п.10, отличающийся тем, что при обработке осуществляют последовательное сканирование на изменяющейся частоте для выявления наличия воды, а также для определения объема этой воды.

12. Способ выявления наличия воды по любому из пп.10 или 11, отличающийся тем, что
определяют время распространения микроволн в конструкции, и обрабатывают полученные значения времени распространения для определения на основе этих значений местоположения воды.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что микроволны излучают на заданной фиксированной частоте.

14. Летательный аппарат, содержащий конструкцию типа "сэндвич", отличающийся тем, что он содержит систему в соответствии с любым из пп.1-9.