СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК G01M5/00 G01B11/16 G01L1/24 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к системе контроля технического состояния конструкций летательного аппарата (ЛА). Преимущественная область применения системы для контроля целостности несущего винта вертолета и консолей крыла самолета, выполненных из композиционных материалов.

Известна конструкция система сигнализации повреждения лопасти винта вертолета, во внутренней полости лонжерона которого создано избыточное давление газа (В.А. Данилов «Вертолет Ми-8, Устройство и обслуживание, М.: Транспорт, 1988).

Система включает вентиль, предназначенный для зарядки сжатым воздухом внутренней полости лонжерона, и сигнализатор разгерметизации лонжерона, который состоит из корпуса с сигнальным колпачком из органического стекла и сильфона, прикрепленного к основанию корпуса и заполненного инертным газом. При нарушении герметичности лонжерона силами упругости и внутреннего давления сильфон разжимается и выталкивает сигнальный колпачок красного цвета в зону обзора. Наблюдение за таким сигнализатором можно осуществить только при осмотре лопасти перед полетом на земле. При появлении в полете трещины, могущей привести к аварии, пилот не получает информации об аварийной или предаварийной ситуации, что является недостатком аналога.

Общими признаками аналога и изобретения являются наличие датчика, преобразующего механические повреждения конструкции летательного аппарата в сигнал, который возникает при наличии повреждения.

Известна система контроля целостности лопастей винта вертолета (Полезная модель, RU 10682 U1, B64C 27/46, B64D 45/00, 1999 г.), принятая за прототип изобретения. Она содержит датчик, преобразующий механические повреждения лопасти винта вертолета в сигнал, который изменяется при наличии повреждений лопасти. Датчик выполнен в виде датчика абсолютного давления. Кроме того, она содержит устройство-насос зарядки сжатым воздухом внутренней полости лонжерона каждой лопасти и средства передачи информации о давлении во внутренней полости лонжерона каждой лопасти с индикацией наличия трещины из-за уменьшения давления воздуха.

На каждой лопасти установлены датчик абсолютного давления с электрическим выходным сигналом и блок преобразования сигнала датчика в импульсное ИК-излучение. На фюзеляже вертолета, в зоне прямой видимости ИК-излучения, установлен общий для лопастей фотоприемник ИК-излучения, а в кабине вертолета расположен соединенный с выходом фотоприемника приемный блок для обработки и сравнения амплитуды сигналов от лопастей и индикации в них трещин.

Недостатками данной системы контроля являются невозможность определения места повреждения - утечки газа - и необходимость насоса для закачивания газа внутрь лонжеронов лопастей винта, что приводит к увеличению веса. Кроме того, для конструкций из полимерных композиционных материалов, разрушение которых связано не с потерей герметичности, а с расслоением материала, он не применим, т.к. утечки газа не будет, а материал потерял первоначальную прочность.

Общими признаками прототипа и изобретения являются:

- наличие датчика, преобразующего механические повреждения конструкции летательного аппарата (ЛА) в сигнал, который возникает при наличии повреждения.

- блок-регистратор, размещенный на борту летательного аппарата, служащий для обработки сигналов с датчиков, предупреждающих о появлении механических повреждений конструкций летательного аппарата.

Техническим результатом изобретения является обеспечение контроля технического состояния конструкций ЛА из композиционных материалов, в частности лонжеронов лопастей винта и консолей крыла самолета, на этапе производства, предполетной подготовки и во время полета ЛА.

Технический результат изобретения достигается в двух вариантах исполнения изобретения: первый вариант - вертолетный, второй -самолетный.

В первом варианте исполнения изобретения технический результат достигается за счет размещения в лопастях винта вертолета датчиков двух типов, не менее двух каждого типа, электрические сигналы которых характеризуют техническое состояние лопастей винта, волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки и волоконно-оптических виброакустических датчиков, кроме того, за счет применения волоконно-оптического вращающегося соединителя.

Во втором варианте исполнения изобретения технический результат изобретения достигается за счет размещения в консолях крыла самолета двух типов датчиков, не менее двух каждого типа, характеризующих техническое состояние крыла: волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки и волоконно-оптических виброакустических датчиков.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1. Конструктивная схема установки системы контроля технического состояния на самолете.

Фиг.2. Конструктивная схема установки системы контроля технического состояния на вертолете.

Фиг.3(а, б). Вариант возможного конструктивного расположения датчиков внутри композиционного материала лопасти винта вертолета: 3а - на плоскостях лопасти винта; 3б - сбоку лопасти.

Фиг.4. Электронно-оптическая функциональная схема блока-регистратора.

Фиг.5. Структурная схема блока-регистратора.

На фигурах введены обозначения: 1 - блок-регистратор; 2 - волоконно-оптический магистральный кабель, 3 - электрическая шина управления оптическим свитчем, 4 - оптический свитч; 5 - волоконно-оптические измерительные линии, 6 - волоконно-оптические тензодатчики на основе брэгговской решетки (тензодатчики), 7 - волоконно-оптические виброакустические датчики, 8 - волоконно-оптические соединительные кабели, 9 - волоконно-оптический вращающийся соединитель, 10 - оптоволоконный световод, 11 - оптический разъем, 12 - лонжерон лопасти винта вертолета, 13 - блок электропитания, 14 - широкополосный источник света, 15 - лазерный источник, 16 - одноплатный компьютер, 17 - фотоприемник; 18, 21 - волоконно-оптические тракты, 19 - опорное волоконно-оптическое плечо, 20 - спектрометр, 22 - драйвер управления оптическим свитчем 4, 23 - волоконно-оптический соединитель, 24 - модуль напряженно-деформированного состояния (модуль НДС), 25 - модуль виброакустики, 26 - жесткий диск, 27 - блок источника света, 28 - блок хранения информации, 29 - блок управления и анализа информации, 30 - блок волоконно-оптической коммутации, 31 - блок опорного сигнала, 32 - блок спектрального анализа.

Первый вариант исполнения изобретения (фиг.2, 3, 4, 5)

Технический результат изобретения по первому варианту достигается благодаря тому, что система контроля технического состояния лопастей винта вертолета содержит: блок-регистратор 1; волоконно-оптический магистральный кабель 2, электрическую шину 3 управления оптическим свитчем 4, оптический свитч 4; волоконно-оптические измерительные линии 5, не менее двух тензодатчиков 6, не менее двух виброакустических датчиков 7, волоконно-оптические соединительные кабели 8, вращающийся соединитель 9, световод 10, оптический разъем 11, блок электропитания 13, источник света 14, лазерный источник 15, одноплатный компьютер 16, фотоприемник 17, волоконно-оптические тракты 18, 21, опорное плечо 19, спектрометр 20, драйвер 22 управления оптическим свитчем 4, волоконно-оптический соединитель 23, модуль 24 НДС, модуль 25 виброакустики, жесткий диск 26, блок 27 источника света, блок 28 хранения информации, блок 29 управления и анализа информации, блок 30 волоконно-оптической коммутации, блок 31 опорного сигнала, блок 32 спектрального анализа.

Система контроля технического состояния конструкций ЛА содержит внедренные на этапе производства в каждую лопасть винта вертолета, выполненную из композиционных материалов, распределенные волоконно-оптические измерительные линии 5 (фиг.3а, б), которых должно быть не менее двух, состоящие из волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки 6 и волоконно-оптических виброакустических датчиков 7 на основе брэгговских решеток или на основе интерферометров Майкельсона/Саньяка, в зависимости от параметров жесткости исследуемой конструкции из композиционных материалов. Датчики размещаются в самых нагруженных частях лонжеронов толще материала лопастей винта вертолета, например в плоскости лопасти (фиг.3а) или сбоку лопасти (фиг.3б).

Блок-регистратор 1 (фиг.5), функциями которого является генерация оптического излучения и последующая обработка сигналов с тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7. Имеет вход-выход сигналов с блока 30 волоконно-оптической коммутации и выход сигналов с блока 29 управления и анализа информации. Блок-регистратор 1 размещается в кабине экипажа и входит в состав системы бортовых измерителей (СБИ), который содержит следующие блоки.

Блок 13 электропитания с выходом.

Блок источника света 27, который имеет выход оптического сигнала, вход-выход сигнала управления и вход электропитания.

Блок 28 хранения информации, имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания.

Блок 29 управления и анализа информации, который имеет первый, второй и третий вход-выход электрического сигнала управления, третий вход-выход является выходом блока-регистратора 1, и вход электропитания.

Блок волоконно-оптической коммутации 30, который имеет первый и второй входы-выходы оптических сигналов, причем его второй вход-выход является входом-выходом блока-регистратора 1, вход и выход оптического сигнала.

Блок 31 опорного сигнала, который имеет вход-выход оптического сигнала.

Блок 32 спектрального анализа, имеет вход оптического сигнала, вход электропитания и вход-выход сигнала управления.

Модули 24 НДС и 25 виброакустики (фиг.4), имеют вход волоконно-оптического магистрального кабеля 2 и выход электрической шины 3 управления.

Блок 13 электропитания служит для преобразования стандартного бортового электрического напряжения в требуемое напряжение для работы отдельных блоков, таких как блок 29 управления и анализа информации, блока 28 хранения информации, блока 27 источника света и блока 32 спектрального анализа, который имеет выход электропитания.

Блок 27 источника света состоит из широкополосного источника 14 света типа волоконно-оптического эрбиевого усилителя и лазерного источника 15 типа полупроводникового волоконно-оптического лазера, функцией которых является преобразование электрической энергии в оптическую мощность, передаваемой по оптоволокну блоку 30 волоконно-оптической коммутации, состоящего из пассивных оптических элементов, входящих в состав волоконно-оптических трактов 21 и 18 и волоконно-оптического соединителя 23. Блок 27 имеет оптический выход, электрический вход-выход сигнала управления и вход электропитания.

Блок 30 волоконно-оптической коммутации в свою очередь служит для распределения оптического сигнала и направления его в нужный волоконно-оптический канал связи с блоком 31 опорного сигнала и блоком 32 спектрального анализа, тензодатчиками 6 и виброакустическими датчиками 7 через волоконно-оптический магистральный кабель 2. Блок 30 имеет вход-выход опорного оптического сигнала, вход-выход оптического сигнала, вход оптического сигнала и оптический выход сигналов тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7.

Блок 31 опорного сигнала состоит из опорного волоконно-оптического плеча 19, который представляет собой эталонный волоконно-оптический элемент (брэгговская решетка или участок волоконно-оптического световода), сигнал с которого сравнивается с сигналом от виброакустического датчика 7 в блоке 32 спектрального анализа. Блок 31 имеет вход-выход опорного оптического сигнала.

Блок 32 спектрального анализа состоит из спектрометра 20 и фотоприемника 17 и служит для преобразования оптического сигнала от тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 в электрические сигналы, передаваемые в блок 29 управления и анализа информации. Блок 32 имеет вход питания, вход оптического сигнала и вход-выход электрического сигнала управления.

Блок 29 управления и анализа информации состоит из одноплатного компьютера 16, выполненного на минимизированной материнской плате с процессором, оперативной памятью и аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и драйвера управления оптическим свитчем 22. Блок 29 имеет первый вход-выход электрического сигнала, второй вход-выход электрического сигнала, третий вход-выход электрического сигнала, вход электропитания и выход на электрическую шину 3.

Основными функциями блока 29 управления и анализа информации являются электрическое управление работой блока источника света 27, блока хранения информации 28, блока спектрального анализа 32 и оптического свитча 4 через электрическую шину управления 3, а также обработка данных от тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7.

Блок 28 хранения информации состоит из жесткого диска 26 и служит для записи и хранения обработанной блоком 29 управления и анализа информации и имеет вход электропитания и вход-выход электрического сигнала.

Блок-регистратор 1 системы контроля ведет запись текущих измерений на жесткий диск 26, которые являются статистическими данными о напряженно-деформированном состоянии лопасти во время эксплуатации, которые впоследствии могут передаваться подключаемым внешним устройствам по протоколам, через внешние интерфейсы блока-регистратора. Эти данные необходимы для определения остатка ресурса каждой лопасти, а также позволяют определить момент и место ударных воздействий на конструкцию лопасти, которые могут привести к нарушению целостности ее внутренней структуры, а именно к расслоению композиционного материала.

Волоконно-оптический магистральный кабель 2 (фиг.1) служит для передачи оптического сигнала от блока-регистратора 1 на оптический свитч 4 через соединитель 9 (фиг.2).

Электрическая шина 3 служит для управления оптическим свитчем 4.

Оптический свитч 4 представляет собой оптоэлектронное устройство, выполненное в специальном защитном корпусе и служащее для объединения нескольких волоконно-оптических каналов в один и дающее возможность пропускать и получать в определенный момент времени оптический сигнал через одну волоконно-оптическую измерительную линию, например оптический свитч типа VX500 1XN производства фирмы DiCon Fiberoptics, INC.

Волоконно-оптические измерительные линии 5 объединяют, соединенные последовательно или параллельно, волоконно-оптические тензодатчики 6 и виброакустические датчики 7 в цепочки и предназначены для передачи оптического сигнала от датчиков блоку-регистратору 1.

Волоконно-оптические тензодатчики 6 предназначены для преобразования деформации чувствительного участка оптоволокна в измененный оптический сигнал, проходящий через него, и выполнены, например, на основе волоконно-оптических брэгговских решеток (RU, патент на полезную модель №77420, 2008).

Виброакустические датчики 7 предназначены для преобразования акустических колебаний чувствительного участка оптоволокна в измененный оптический сигнал, проходящий через него, и могут быть выполнены на основе брэгговских решеток или на основе интерферометров Майкельсона/Саньяка в зависимости от параметров жесткости конструкции из композиционных материалов (RU патент на изобретение №2485454, 2013).

Волоконно-оптический соединительный кабель 8 на основе стандартного одномодового волоконно-оптического световода служит для передачи оптического сигнала от волоконно-оптической измерительной линии 5 на оптический свитч 4 (фиг.2).

Вращающийся соединитель 9 (фиг.2) предназначен для передачи оптического и электрического сигнала через токосъемник на вращающуюся лопасть винта и в обратном направлении и состоит из статорной и роторной полумуфт, крепится на оси вращения выходного вала главного редуктора, имеет вход- выход оптического сигнала и выполнен в защитном корпусе (RU патент на изобретение №2402794, 2010). Соединитель 9 позволяет соединить волоконно-оптический выход роторной полумуфты с волоконно-оптическим входом оптического свитча 4, питающегося и управляющегося электрическим сигналом с помощью электрической шины 6 через вращающийся токосъемник соединителя 9.

Световод 10 выполнен волоконно-оптическим и предназначен для передачи оптического сигнала датчиков волоконно-оптическим соединительным кабелям 8.

Оптический разъем 11 предназначен для стыковки волоконно-оптического соединительного кабеля 8 и световода 10, закреплен на торце комлевой части лонжерона лопасти и выполнен в защитном корпусе.

Блок электропитания 13 системы контроля напряжением, например, 12 В постоянного тока мощностью 100 Вт.

Широкополосный источник света 14 мощностью, например, 1 мВт предназначен для генерации оптического излучения в широком диапазоне инфракрасного спектра, порядка 100 нм, и выполнен, например, как модуль широкополосного волоконного эрбиевого источника света фирмы ООО ИП «НЦВО-Фотоника».

Лазерный источник 15 предназначен для генерации лазерного излучения в инфракрасной области и выполнен, например, как суперлюминесцентный диод.

Одноплатный компьютер 16 предназначен для обработки сигналов, получаемых от блока 32 спектрального анализа и управления работой блока 27 источника света, блока 28 хранения информации, блока 32 спектрального анализа и драйвера 22 управления оптическим свитчем 4.

Фотоприемник 17 предназначен для преобразования оптического сигнала виброакустических датчиков 7 в электрический сигнал и выполнен, например, как волоконно-оптический InGaAs PIN фотодиод.

Волоконно-оптический тракт 18 предназначен для распределения оптических сигналов между опорным волоконно-оптическим плечом 19 и фотоприемником 17.

Опорное волоконно-оптическое плечо 19 предназначено для сравнения оптического сигнала с сигналом от виброакустических датчиков и выполнен, например, в виде катушки волоконно-оптического световода (RU патент на изобретение №2485454, 2013)

Спектрометр 20 предназначен для преобразования оптического сигнала от тензодатчиков 6 в электрический сигнал и выполнен, например как спектрометр I-Mon, фирмы Ibsen Photonics, Дания.

Волоконно-оптический тракт 21 предназначен для передачи оптического сигнала от широкополосного источника света 14 до тензодатчиков 6 и в обратном направлении от тензодатчиков 6 к спектрометру 20.

Драйвер 22 предназначен для управления оптическим свитчем 4 и выполнен в виде электрической платы.

Волоконно-оптический соединитель 23 предназначен для объединения волоконно-оптической линии от волоконно-оптического тракта 18 и волоконно-оптической линии от волоконно-оптического тракта 21 в один оптический кабель и выполнен в виде оптического кабеля.

Датчики 6 и 7, на этапе производства, внедряются внутрь композиционного материала лонжеронов 12 всех лопастей винта вертолета (фиг.3). Датчики 6 сигнализируют о разрушении материала лонжеронов, а датчики 7 предназначены для определения момента ударного воздействия и мест расположения ударного воздействия на лонжероне лопасти винта.

Выполнение системы со встроенными тензодатчиками 6 и виброакустическими датчиками 7 в конструкцию лопастей винта из композиционных материалов позволяет контролировать прочностные параметры лопасти на этапе ее изготовления и эксплуатации вертолета.

Соединения блоков системы контроля по первому варианту (фиг.2, 5)

Группы тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 соединены внутри материала конструкции встроенным оптоволоконным световодом 10 (фиг.3), оконцованным в торце комлевой части лонжерона лопасти 12 винта вертолета специальным оптическим разъемом 11, с возможностью подключения через волоконно-оптические линии связи к блоку-регистратору, например, типа унифицированного регистрирующего модуля FIU-44-1.55-40Er производства фирмы «НЦВО-Фотоника», Россия.

Первый вход-выход оптического сигнала блока 31 опорного сигнала соединен с входом-выходом блока 30 волоконно-оптической коммутации, второй вход-выход блока 30 является входом-выходом блока-регистратора 1.

Выход блока 30 соединен с первым входом блока 32 спектрального анализа, а его вход соединен с блоком 27 источника света.

Вход-выход блока 27 источника света соединен с входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, а вход блока 27 соединен с выходом блока 13 электропитания.

Второй вход блока 32 спектрального анализа соединен с выходом блока 13 электропитания. Вход-выход блока 32 соединен с первым входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения информации 28, а вход блока 29 - с выходом блока 13 электропитания. Вход блока 28 соединен с выходом блока 13 электропитания.

Вход-выход блок-регистратора 1 соединен с входами волоконно-оптического магистрального кабеля 2, а его выход - с электрической шиной 3 управления оптическим свитчем 4 (фиг.5).

Выходы кабеля 2 и шины 3 через вращающийся соединитель 9 соединены с входами оптического свитча 4, выходы которого соединены с волоконно-оптическими соединительными кабелями 8 и волоконно-оптическими измерительными линиями 5.

Второй вариант исполнения изобретения (фиг.1, 4, 5)

Технический результат изобретения по второму варианту исполнения достигается благодаря тому, что система контроля технического состояния конструкций самолета содержит: блок-регистратор 1; волоконно-оптический магистральный кабель 2, электрическую шину управления оптическим свитчем 3, оптический свитч 4; волоконно-оптические измерительные линии 5, волоконно-оптические тензодатчики 6, волоконно-оптические виброакустические датчики 7, волоконно-оптические соединительные кабели 8, световод 10, оптический разъем 11, блок электропитания 13, источник света 14, лазерный источник 15, одноплатный компьютер 16, фотоприемник 17, волоконно-оптические тракты 18, 21, опорное плечо 19, спектрометр 20, драйвер управления оптическим свитчем 22, волоконно-оптический соединитель 23, модуль НДС 24, модуль виброакустики 25, жесткий диск 26, блок источника света 27, блок хранения информации 28, блок управления и анализа информации 29, блок волоконно-оптической коммутации 30, блок опорного сигнала 31, блок спектрального анализа 32.

Во втором варианте исполнения изобретения блок-регистратор 1 (фиг.4 и 5), блоки: волноводно-оптический магистральный кабель 2, электрическая шина управления свитчем 4, оптический свитч 4, волоконно-оптические измерительные линии 5, тензодатчики 6, виброакустические датчики 7, волоконно-оптические соединительные кабели 8, оптоволоконный световод 10, оптический разъем 11, выполнены так же, как и в первом варианте.

Группы волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 соединены внутри композиционного материала конструкции консолей крыла самолета встроенным оптоволоконным световодом 10 (фиг.1), специальным оптическим разъемом, с возможностью подключения через волоконно-оптические линии связи к блоку-регистратору, например, типа унифицированного регистрирующего модуля FIU-44-1.55-40Er производства фирмы «НЦВО-Фотоника», Россия.

Вход-выход блок-регистратора 1 соединен с входами волоконно-оптического магистрального кабеля 2, а его выход - с электрической шиной 3 управления оптическим свитчем (фиг.5).

Выходы кабеля 2 и шины 3 соединены с входами оптического свитча 4, выходы которого соединены с волоконно-оптическими соединительными кабелями 8 и волоконно-оптическими измерительными линиями 5.

Кроме того, технический результат изобретения по второму варианту достигается благодаря тому, что система контроля технического состояния конструкций самолета содержит: внедренные в консоли кессонов крыла самолета из композиционных материалов не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков 6 на основе брэгговской решетки и не менее двух волоконно-оптических виброакустических датчиков 7, сигналы с которых передаются блоку-регистратору 1, через волоконно-оптические соединительные кабели 8, подключенных к оптическому свитчу 4, который в свою очередь питается и управляется через электрическую шину 3, и волоконно-оптический магистральный кабель 2.

Для достижения технического результата, как минимум, две волоконно-оптические измерительные линии должны размещаться в толще композиционного материала крыла в самых нагруженных местах (фиг.1), например вблизи мест крепления кессона консоли крыла к фюзеляжу самолета, вблизи мест крепления рулевой части к кессону крыла и носовой части кессона крыла, при этом количество тензодатчиков 6 на основе брэгговской решетки должно быть не менее двух, располагающихся в различных направлениях поперечного сечения кессона крыла в зависимости от вида измеряемого напряжения, а также количество виброакустических датчиков 7 должно быть не менее двух для определения места расположения ударного воздействия на кессон крыла самолета.

Выполнение системы со встроенными тензодатчиками 6 и виброакустическими датчиками 7 в конструкцию крыла из композиционных материалов, позволяет контролировать его прочностные параметры на этапе изготовления и эксплуатации.

Система ведет запись текущих измерений на жесткий диск 26, которые являются статистическими данными о напряженно-деформированном состоянии крыла во время эксплуатации, необходимые для определения остатка ресурса крыла, и данными о наличии внутренних дефектов материала конструкции крыла, а именно расслоения композиционного материала, появившихся в результате ударных воздействий на конструкцию. Эти данные в последствие могут передаваться внешним подключаемым устройствам по протоколам через интерфейсы блока-регистратора 1.

Система контроля технического состояния конструкций ЛА содержит внедренные на этапе производства в консоли крыла самолета из композиционных материалов распределенные волоконно-оптические измерительные линии 5 (фиг.1), которых должно быть не менее двух, состоящие из волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 на основе брэгговских решеток или на основе интерферометров Майкельсона/Саньяка, в зависимости от жесткостных параметров исследуемой конструкции из композиционных материалов.

Группы волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 объединяются внутри материала конструкции оптоволоконным световодом и соединяются с блоком-регистратором 1 типа унифицированного регистрирующего модуля FIU-44-1.55-40Er производства фирмы «НЦВО-Фотоника» с помощью волоконно-оптических линий связи, состоящих из волоконно-оптических соединительных кабелей 8, волоконно-оптического магистрального кабеля 2 и оптического свитча 4 (фиг.1) с возможностью подключения через волоконно-оптические линии связи к блоку-регистратору, например, типа унифицированного регистрирующего модуля FIU-44-1.55-40Er производства фирмы «НЦВО-Фотоника», Россия.

Волоконно-оптический соединительный кабель 8 на основе стандартного одномодового волоконно-оптического световода служит для передачи оптического сигнала от волоконно-оптической измерительной линии 5 на оптический свитч 4 (фиг.1).

Оптический свитч 4 представляет собой оптоэлектронное устройство, служащее для объединения нескольких волоконно-оптических каналов в один и дающее возможность пропускать и получать в определенный момент времени оптический сигнал через одну волоконно-оптическую измерительную линию, например, типа оптический свитч VX500 1XN производства фирмы DiCon Fiberoptics, INC.

Блок-регистратор 1, функциями которого является генерация оптического излучения и последующая обработка сигналов с волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7, размещается в кабине экипажа и входит в состав системы бортовых измерений (СБИ). В состав блока-регистратора входят модуль измерения и анализа напряженно-деформированного состояния 24 (модуль НДС) и модуль 25 виброакустики для измерения и анализа виброакустических сигналов.

Волоконно-оптический магистральный кабель 2 (фиг.1) служит для передачи оптического сигнала от блока-регистратора 1 на оптический свитч 4.

Система по изобретению в двух вариантах исполнения изобретения работает следующим образом.

При включении программного обеспечения блока-регистратора 1 подается электрическое питание на драйвер управления широкополосным источником света 14 (фиг.4) модуля НДС 24 и драйвер лазерного источника 15 модуля виброакустики.

Под действием внешней нагрузки на конструкцию из композиционного материала изменяется оптический сигнал, проходящий через волоконно-оптические тензодатчики 6, способные отражать сигнал. Ударное воздействие на конструкцию, в свою очередь, вызывает распространение акустических волн внутри конструкции, которые воспринимаются виброакустическими датчиками 7. Оптические сигналы от тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 со всех исследуемых конструкций передаются через волоконно-оптические соединительные кабели 8 на оптический свитч 4. В зависимости от команды в виде электрического сигнала, посылаемого через электрическую шину 3 драйвером управления оптическим свитчем 22, оптический свитч 4 соединяет блок-регистратор 1 с одной из волоконно-оптической измерительной линией 5 через магистральный волоконно-оптический кабель 2 во втором варианте изобретения, а в первом варианте - через магистральный волоконно-оптический кабель 2 и вращающийся волоконно-оптический соединитель 9.

Оптический сигнал от волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7 через блок волоконно-оптической коммутации 31 попадает в спектрометр 20 и в фотоприемник 19, предварительно смешиваясь с отраженным оптическим сигналом блока опорного сигнала 32, создавая при этом интерференционную картину, изменение которой находится в прямой зависимости от внешнего воздействия на виброакустический датчик 7.

Одноплатный компьютер 16 после обработки электрических сигналов от спектрометра 20 и фотоприемника 17 с помощью программного обеспечения выдает значения о текущем напряженно-деформированном состоянии конструкции ЛА и параметры акустического портрета конструкции, дающие понимание о наличии и месте ударного воздействия.

Система контроля технического состояния конструкций ЛА позволяет оценить остаточный ресурс конструкций, благодаря анализу напряженно-деформированного состояния, а также обратить внимание на возможные появления внутренних повреждений конструкции, вследствие ударных воздействий.

Отличительные признаки по первому варианту исполнения изобретения.

В каждую лопасть винта дополнительно введены N-1 датчиков технического состояния, где N не менее двух, причем все N датчиков технического состояния выполнены в виде волоконно-оптических тензодатчиков 6, кроме того, введены N виброакустических датчиков 7, причем, в систему введены оптический свитч 4 и волоконно-оптический вращающийся соединитель 9 с оптическими входами-выходами и электрическими входом и выходом, волоконно-оптические соединительные кабели 8 и оптические разъемы 11, по числу лопастей винта вертолета, не менее одного волоконно-оптического магистрального кабеля 2 и одной электрической шины 3 управления, не менее двух волоконно-оптических измерительных линий 5, в которые включены соединенные между собой последовательно или параллельно не менее чем одним световодом 10 не менее двух тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7.

Причем блок-регистратор 1 имеет оптический и электрический входы-выходы, которые соответственно соединены с волоконно-оптическим входом-выходом магистрального кабеля 2 с входом-выходом электрической шины 3 управления, второй вход-выход которой соединен с электрическим входом-выходом оптического свитча 4, а второй конец магистрального кабеля 2 через соответствующие входы-выходы волоконно-оптического вращающегося соединителя 9 соединен с первыми оптическими входами-выходами свитча 4, вторые входы-выходы которого через оптические входы-выходы волоконно-оптических соединительных кабелей 8, которые соединены с входами волоконно-оптических измерительных линий 5, и состоят из волоконно-оптических тензодатчиков (6) и виброакустических датчиков 7.

Причем все датчики 6 и 7 вмонтированы в самые нагруженные части лонжеронов лопастей винта вертолета в толщу композиционного материала и соединены внутри конструкции встроенным оптоволоконным световодом 10, оконцованным в торце комлевой части лонжерона лопасти 12 винта вертолета оптическим разъемом 11.

Отличительные признаки по второму варианту исполнения изобретения. В каждую консоль крыла дополнительно введены N-1 датчиков технического состояния, где N не менее двух, причем все N датчиков технического состояния выполнены в виде волоконно-оптических тензодатчиков 6, кроме того, введены N виброакустических датчиков 7, не менее одного волоконно-оптического соединительного кабеля 8, не менее одного волоконно-оптического магистрального кабеля 2, не менее двух оптических разъемов 11, электрическую шину 3 управления, не менее одного оптического свитча 4, не менее двух волоконно-оптических измерительных линий 5, в которые включены соединенные между собой последовательно или параллельно не менее одним световодом 10 не менее двух тензодатчиков 6 и вибродатчиков 7.

Причем блок-регистратор 1 имеет оптический и электрический входы-выходы, которые соответственно соединены с волоконно-оптическим входом-выходом магистрального кабеля 2, с входом-выходом электрической шины 3 управления, второй вход-выход которой соединен с электрическим входом-выходом оптического свитча 4, а второй конец магистрального кабеля 2 соединен с первыми оптическими входами-выходами свитча 4, вторые входы-выходы которого через оптические входы-выходы волоконно-оптических соединительных кабелей 8 соединены с входами волоконно-оптических измерительных линий, которые состоят из волоконно-оптических тензодатчиков 6 и виброакустических датчиков 7.

Причем все датчики 6 и 7 вмонтированы в самые нагруженные части консолей крыла в толщу композиционного материала и соединены внутри конструкции встроенными оптоволоконными световодами (10), оконцованными в торце консолей крыла оптическими разъемами (11).

Отличительные признаки зависимого пункта формулы изобретения.

Блок-регистратор 1 содержит:

блок 31 опорного сигнала, который имеет вход-выход оптических сигналов,

блок волоконно-оптической коммутации 30, который имеет первый и второй входы-выходы оптических сигналов, причем его второй вход-выход является оптическим входом-выходом блока-регистратора 1,

блок источника света 27, который имеет выход оптического сигнала, электрический вход-выход сигнала управления и вход электропитания,

блок 32 спектрального анализа имеет вход оптического сигнала, вход электропитания и электрический вход-выход сигнала управления,

блок 29 управления и анализа информации, который имеет первый, второй и третий входы-выходы электрических сигналов управления, выход электрического сигнала, который является выходом блока-регистратора 1, и вход электропитания,

блок 28 хранения информации имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания,

блок 13 электропитания с выходом электропитания.

Причем вход-выход оптического сигнала блока 31 опорного сигнала соединен с первым входом-выходом блока 30 волоконно-оптической коммутации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом волоконно-оптического магистрального кабеля 2, оптический вход блока 30 волоконно-оптической коммутации соединен с входом блока 32 спектрального анализа.

Кроме того, оптический выход блока 27 источника света соединен с оптическим входом блока 30 волоконно-оптической коммутации, а электрический вход-выход блока 27 источника света соединен с первым электрическим входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, причем электрический вход-выход блока 32 спектрального анализа соединен со вторым электрическим входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, его третий электрический вход-выход соединен с блоком 28 хранения информации, а его электрический выход является электрическим выходом блока регистрации 1, который соединен с электрической шиной 3 управления оптическим свитчем.

Кроме того, входы электропитания блоков: источника света 27, хранения информации 28, управления и анализа информации 29 и спектрального анализа 32 соединены с выходом блока 13 питания.

Отличительные признаки блок-регистратора 1

Блок-регистратор 1 содержит: блок 31 опорного сигнала, который имеет вход-выход оптических сигналов, блок волоконно-оптической коммутации 30, который имеет первый и второй входы-выходы оптических сигналов, причем его второй вход-выход является оптическим входом-выходом блока-регистратора 1, блок источника света 27, который имеет выход оптического сигнала, электрический вход-выход сигнала управления и вход электропитания, блок 32 спектрального анализа имеет вход оптического сигнала, вход электропитания и электрический вход-выход сигнала управления, блок 29 управления и анализа информации имеет первый, второй и третий входы-выходы электрических сигналов управления, выход электрического сигнала управления, который является выходом блока-регистратора 1, и вход электропитания, блок 28 хранения информации имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания, блок 13 электропитания с выходом электропитания.

Причем вход-выход оптического сигнала блока 31 опорного сигнала соединен с первым входом-выходом блока 30 волоконно-оптической коммутации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом волоконно-оптического магистрального кабеля 2, оптический вход блока 30 волоконно-оптической коммутации соединен с входом блока 32 спектрального анализа.

Оптический выход блока 27 источника света соединен с оптическим входом блока 30 волоконно-оптической коммутации, а электрический вход-выход блока 27 источника света соединен с первым электрическим входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, причем электрический вход-выход блока 32 спектрального анализа соединен со вторым электрическим входом-выходом блока 29 управления и анализа информации, его третий электрический вход-выход соединен с блоком 28 хранения информации, а его электрический выход является электрическим выходом управления блока регистрации 1, который соединен с электрической шиной 3 управления оптическим свитчем, кроме того, входы электропитания блоков: источника света 27, хранения информации 28, управления и анализа информации 29 и спектрального анализа 32 соединены с выходом блока 13 электропитания.

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля состояния летательных аппаратов в процессе эксплуатации. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата содержит датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту. На каждой лопасти винта вертолета и каждой консоли крыла самолета установлены не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки и не менее двух виброакустических датчиков. Система включает волоконно-оптические магистральные кабели, оптические разъемы, электрические шины управления, оптические свитчи, волоконно-оптические измерительные линии. В вертолетную систему контроля дополнительно входит оптический вращающийся соединитель. Блок-регистратор содержит блок опорного сигнала, блок волоконно-оптической коммутации, блок источника света, блок спектрального анализа, блок управления и анализа информации, блок хранения информации, имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания, блок электропитания. Тензодатчики и виброакустические датчики вмонтированы в толщу композиционного материала в самые нагруженные части лонжеронов лопастей винта вертолета и консолей крыла самолета. Достигается возможность контроля технического состояния лонжеронов лопастей и консолей крыла, выполненных из композиционных материалов, при производстве и эксплуатации авиационной техники. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата, содержащая датчики технического состояния конструкции, установленные на каждой лопасти винта летательного аппарата, преобразующие механические повреждения лопасти винта в сигнал, который изменяется при наличии в ней механического повреждения, и блок-регистратор (1), размещенный на борту летательного аппарата, который служит для обработки сигналов датчиков, отличающаяся тем, что в каждую лопасть введены не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков (6) и не менее двух волоконно-оптических виброакустических датчиков (7), причем в систему введены оптический свитч (4) и волоконно-оптический вращающийся соединитель (9) с оптическими входами-выходами и электрическими входом и выходом, волоконно-оптические соединительные кабели (8) и оптические разъемы (11), по числу лопастей винта летательного аппарата, не менее одного волоконно-оптического магистрального кабеля (2) и одной электрической шины (3) управления, не менее двух волоконно-оптических измерительных линий (5), в которые включены соединенные между собой последовательно или параллельно не менее чем одним световодом (10) не менее двух тензодатчиков (6) и вибродатчиков (7), причем блок-регистратор (1) имеет оптический и электрический входы-выходы, которые соответственно соединены с волоконно-оптическим входом-выходом магистрального кабеля (2) с входом-выходом электрической шины (3) управления, второй вход-выход которой соединен с электрическим входом-выходом оптического свитча (4), а второй конец магистрального кабеля (2) через соответствующие входы-выходы волоконно-оптического вращающегося соединителя (9) соединен с первыми оптическими входами-выходами свитча (4), вторые входы-выходы которого через оптические входы-выходы волоконно-оптических соединительных кабелей (8), которые соединены с входами волоконно-оптических измерительных линий 5, и состоят из волоконно-оптических тензодатчиков (6) и виброакустических датчиков (7), причем все датчики (6, 7) вмонтированы в самые нагруженные части лонжеронов лопастей винта летательного аппарата в толщу композиционного материала и соединены внутри конструкции встроенным оптоволоконным световодом (10), оконцованным в торце комлевой части лонжерона лопасти (12) винта летательного аппарата оптическим разъемом (11).

2. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что блок-регистратор (1) содержит: блок (31) опорного сигнала, который имеет вход-выход оптических сигналов, блок волоконно-оптической коммутации (30), который имеет первый и второй входы-выходы оптических сигналов, причем его второй вход-выход является оптическим входом-выходом блока-регистратора (1), блок источника света (27), который имеет выход оптического сигнала, электрический вход-выход сигнала управления и вход электропитания, блок (32) спектрального анализа имеет вход оптического сигнала, вход электропитания и электрический вход-выход сигнала управления, блок (29) управления и анализа информации, который имеет первый, второй и третий входы-выходы электрических сигналов управления, выход электрического сигнала управления, который является выходом блока-регистратора (1), и вход электропитания, блок (28) хранения информации имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания, блок (13) электропитания с выходом электропитания, причем вход-выход оптического сигнала блока (31) опорного сигнала соединен с первым входом-выходом блока (30) волоконно-оптической коммутации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом волоконно-оптического магистрального кабеля (2), оптический вход блока (30) волоконно-оптической коммутации соединен с входом блока (32) спектрального анализа, кроме того, оптический выход блока (27) источника света соединен с оптическим входом блока (30) волоконно-оптической коммутации, а электрический вход-выход блока (27) источника света соединен с первым электрическим входом-выходом блока (29) управления и анализа информации, причем электрический вход-выход блока (32) спектрального анализа соединен со вторым электрическим входом-выходом блока (29) управления и анализа информации, его третий электрический вход-выход соединен с блоком (28) хранения информации, а его электрический выход является электрическим выходом управления блока регистрации (1), который соединен с электрической шиной (3) управления оптическим свитчем, кроме того, входы электропитания блоков: источника света (27), хранения информации (28), управления и анализа информации (29) и спектрального анализа (32) соединены с выходом блока (13) электропитания.

3. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата, содержащая датчики технического состояния конструкций, установленные на консолях крыла летательного аппарата, преобразующие механические повреждения в сигнал, который изменяется при наличии механических повреждений крыла, и блок-регистратор (1), размещенный на борту летательного аппарата и служащий для обработки сигналов датчиков, отличающаяся тем, что в каждую консоль крыла введены не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков (6) и не менее двух волоконно-оптических виброакустических датчиков (7), не менее одного волоконно-оптического соединительного кабеля (8), не менее одного волоконно-оптического магистрального кабеля (2), не менее двух оптических разъемов (11), электрическая шина (3) управления, не менее одного оптического свитча (4), не менее двух волоконно-оптических измерительных линий (5), в которые включены соединенные между собой последовательно или параллельно не менее одним световодом (10) не менее двух тензодатчиков (6) и вибродатчиков (7), причем блок-регистратор (1) имеет оптический и электрический входы-выходы, которые соответственно соединены с волоконно-оптическим входом-выходом магистрального кабеля (2) с входом-выходом электрической шины (3) управления, второй вход-выход которой соединен с электрическим входом-выходом оптического свитча (4), а второй конец магистрального кабеля (2) соединен с первыми оптическими входами-выходами свитча (4), вторые входы-выходы которого через оптические входы-выходы волоконно-оптических соединительных кабелей (8) соединены с входами волоконно-оптических измерительных линий, которые состоят из волоконно-оптических тензодатчиков (6) и виброакустических датчиков (7), причем все датчики (6, 7) вмонтированы в самые нагруженные части консолей крыла в толщу композиционного материала и соединены внутри конструкции встроенными оптоволоконными световодами (10), оконцованными в торцах консолей крыла оптическими разъемами (11).

4. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата по п. 3, отличающаяся тем, что блок-регистратор (1) содержит: блок (31) опорного сигнала, который имеет вход-выход оптических сигналов, блок волоконно-оптической коммутации (30), который имеет первый и второй входы-выходы оптических сигналов, причем его второй вход-выход является оптическим входом-выходом блока-регистратора (1), блок источника света (27), который имеет выход оптического сигнала, электрический вход-выход сигнала управления и вход электропитания, блок (32) спектрального анализа имеет вход оптического сигнала, вход электропитания и электрический вход-выход сигнала управления, блок (29) управления и анализа информации, который имеет первый, второй и третий входы-выходы электрических сигналов управления, выход электрического сигнала управления, который является выходом блока-регистратора (1), и вход электропитания, блок (28) хранения информации имеет вход-выход электрического сигнала управления и вход электропитания, блок (13) электропитания с выходом электропитания, причем вход-выход оптического сигнала блока (31) опорного сигнала соединен с первым входом-выходом блока (30) волоконно-оптической коммутации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом волоконно-оптического магистрального кабеля (2), оптический вход блока (30) волоконно-оптической коммутации соединен с входом блока (32) спектрального анализа, кроме того, оптический выход блока (27) источника света соединен с оптическим входом блока (30) волоконно-оптической коммутации, а электрический вход-выход блока (27) источника света соединен с первым электрическим входом-выходом блока (29) управления и анализа информации, причем электрический вход-выход блока (32) спектрального анализа соединен со вторым электрическим входом-выходом блока (29) управления и анализа информации, его третий электрический вход-выход соединен с блоком (28) хранения информации, а его электрический выход является электрическим выходом управления блока регистрации (1), который соединен с электрической шиной (3) управления оптическим свитчем, кроме того, входы электропитания блоков: источника света (27), хранения информации (28), управления и анализа информации (29) и спектрального анализа (32) соединены с выходом блока (13) электропитания.