BR102014002158B1 - substrato estrutural para uma estrutura de aeronave e processo para a formação de um substrato estrutural - Google Patents

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Abstract

COMPÓSITO DE MATRIZ DE METAL USADO COMO UM ELEMENTO DE AQUECIMENTO. A presente invenção refere-se a um substrato estrutural (300) para uma estrutura de aeronave e métodos. Um material compósito híbrido multicamada compreende uma camada mais externa (302), uma camada intermediária (304) e uma camada mais interna (306). A camada mais externa compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) que conduz eletricidade para fornecer aquecimento elétrico. A camada intermediária compreende um isolante elétrico (310) acoplado à camada mais externa. A camada mais interna compreende um compósito (312) acoplado à camada intermediária. A camada intermediária isola eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.

Description

CAMPO
[001] As modalidades da presente divulgação referem-se em geral a sistemas de aquecimento. Mais particularmente, as modalidades da presente divulgação se referem a elementos de aquecimento elétrico.
ANTECEDENTES
[002] Os métodos atuais de remoção de gelo de linhas aéreas são intensivos em termos de recurso. As transportadoras aéreas podem ser multadas de modo significativo por passageiro pelo Departamento de Transportes dos EUA (DOT) se os atrasos de saídas domésticas excederem um determinado número de horas. Os custos de atraso/cancelamento médio podem ser significativos por cancelamento. Além disso, as tempestades de neve podem custar às transportadoras aéreas milhões de dólares por ano já que os atrasos e cancelamentos podem se acumular em relação às programações de voo desamparando milhares de passageiros nos terminais de aeroporto.
[003] O anticongelante etilenoglicol é atualmente usado como Fluido de Remoção de Gelo de Aeronave (ADF), entretanto, a agência de proteção ambiental dos EUA (EPA) classificou o glicol como um processo industrial regularizado (por exemplo, em água residual) sob NPDES 40 CFR Parte 122. Cento e oitenta e dois bilhões de litros de água de tempestade de fluido de remoção de gelo de aeronave são normalmente gerados por ano (de acordo com o documento n° EPA 821-R-00-016), e os custos de capital de um sistema de recuperação de glicol podem ser um custo significativo por aeroporto (de acordo com o documento n° EPA 832-F-99-043). Os glicóis podem consumir oxigênio e podem levar a níveis de oxigênio não favoráveis em sistemas aquáticos, e os inibidores de corrosão e tensoativos presentes em fluidos de remoção de gelo podem criar um ambiente não favorável para peixes e outros organismos aquáticos. Há um esforço amplo e permanente da indústria para pesquisar métodos alternativos ou complementares para a remoção de gelo das superfícies de voo de aeronave.
SUMÁRIO
[004] A presente invenção refere-se a um substrato estrutural para uma estrutura de aeronave e métodos que são apresentados. Um material compósito híbrido multicamada compreende uma camada mais externa, uma camada intermediária e uma camada mais interna. A camada mais externa compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor que conduz eletricidade para fornecer aquecimento elétrico. A camada intermediária compreende um isolante elétrico acoplado à camada mais externa. A camada mais interna compreende um compósito de camada mais interna acoplado à camada intermediária. A camada intermediária isola eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.
[005] Dessa maneira, as modalidades da divulgação fornecem um substrato estrutural que pode ser usado em um sistema de proteção contra gelo, tal como sistema de proteção contra gelo em solo (GIPS) ou em voo para a remoção de gelo de um veículo, tal como uma aeronave aquecendo as superfícies do veículo. O sistema de proteção contra gelo em solo descrito no presente documento reduz o tempo de remoção de gelo, o fluido da remoção de gelo, os recursos da remoção de gelo, o custo da remoção de gelo, água residual gerada, o número de atrasos e cancelamentos de voo no inverno e o efeito dos mesmos nas programações de voo de linha aérea, e o não favorecimento da aeronave devido à remoção de gelo. Adicionalmente, o sistema de proteção contra gelo em solo pode evitar a formação de gelo aperfeiçoando o veículo e a segurança da equipe de remoção de gelo e substancialmente reduz uma necessidade de operações de remoção de gelo com múltiplos caminhões.
[006] Em uma modalidade, um substrato estrutural para uma estrutura de aeronave compreende um material compósito híbrido multicamada que compreende uma camada mais externa, uma camada intermediária e uma camada mais interna. A camada mais externa compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor que conduz eletricidade para fornecer aquecimento elétrico. A camada intermediária compreende um isolante elétrico acoplado à camada mais externa. A camada mais interna compreende um compósito de camada mais interna acoplado à camada intermediária. A camada intermediária isola eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.
[007] Em outra modalidade, um método para formar uma estrutura que compreende um material compósito híbrido multicamada configura uma camada mais interna que compreende um compósito de camada mais interna para formar um componente estrutural. O método adicionalmente acopla uma camada intermediária que compreende um isolante elétrico à camada mais interna, e acopla uma camada mais externa à camada intermediária. A camada mais externa compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor que conduz eletricidade para fornecer aquecimento elétrico. O método adicionalmente configura a camada intermediária para isolar eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.
[008] Em uma modalidade adicional, um método para a remoção de gelo com o uso de um substrato estrutural que compreende um material compósito híbrido multicamada fornece funcionalidade estrutural através de uma camada mais interna que compreende um compósito de camada mais interna. O método adicionalmente aquece eletricamente uma camada mais externa que compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor conduzindo eletricidade através da camada mais externa. O método adicionalmente isola eletricamente a camada mais externa da camada mais interna através de uma camada intermediária que compreende um isolante elétrico.
[009] Este sumário é fornecido para introduzir uma seleção de conceitos em uma forma simplificada que são adicionalmente descritos abaixo na descrição detalhada. Este sumário não tem a intenção de identificar recursos principais ou recursos essenciais da matéria reivindicada, nem tem a intenção de ser usado como um auxílio em determinar o escopo da matéria reivindicada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0010] Um entendimento mais completo das modalidades da presente divulgação pode ser derivado referindo-se à descrição detalhada e reivindicações quando consideradas em conjunto com as Figuras a seguir, em que as referências numéricas similares se referem a elementos similares ao longo das Figuras. As Figuras são fornecidas para facilitar o entendimento da divulgação sem limitar o efeito geral, escopo, escala ou aplicabilidade da divulgação. Os desenhos não são necessariamente feitos em escala.
[0011] A Figura 1 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de uma produção de aeronave exemplificativa e metodologia de serviço.
[0012] A Figura 2 é uma ilustração de um diagrama de blocos exemplificative de uma aeronave.
[0013] A Figura 3 é uma ilustração de um substrato estrutural esquemático exemplificativo, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0014] A Figura 4 é uma ilustração de um material compósito de matriz de metal exemplificativo usado em um substrato estrutural, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0015] A Figura 5 é uma ilustração de uma aeronave exemplificativa que mostra um substrato estrutural usado como um aquecedor em superfícies de uma aeronave, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0016] A Figura 6 é uma ilustração de um diagrama de blocos esquemático exemplificativo que mostra um sistema de proteção contra gelo com o uso de um substrato estrutural, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0017] A Figura 7 é uma ilustração de um fluxograma exemplificativo que mostra um processo para configurar um sistema de proteção contra gelo que compreende um substrato estrutural, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0018] A Figura 8 é uma ilustração de um fluxograma exemplificativo que mostra um processo para operar um sistema de proteção contra gelo, de acordo com uma modalidade da divulgação.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0019] A descrição detalhada a seguir é exemplificativa por natureza e não tem a intenção de limitar a divulgação ou a aplicação e os usos das modalidades da divulgação. As descrições de dispositivos específicos, técnicas e aplicações são fornecidas apenas como exemplos. As modificações dos exemplos descritos no presente documento serão prontamente evidentes àqueles versados na técnica, e os princípios gerais definidos no presente documento podem ser aplicados a outros exemplos e aplicações sem se afastar do espírito e escopo da divulgação. Além disso, não há intenção de ser limitado por nenhuma teoria expressada ou implicada apresentada no campo precedente, antecedentes, sumário ou descrição detalhada a seguir. A presente divulgação deve ser de acordo com o escopo consistente com as reivindicações, e não limitada aos exemplos descritos e mostrados no presente documento.
[0020] As modalidades da divulgação podem ser descritas, no presente documento, em termos de componentes de bloco lógico e/ou funcional e várias etapas de processamento. Deve-se verificar que tais componentes de bloco podem ser executados por qualquer número de componentes de hardware, software e/ou firmware configurados para realizar as funções especificadas. Por questões de concisão, as técnicas e componentes convencionais relacionados a sistemas de remoção de gelo, transferência de calor, eletromagnética, aquecimento elétrico, estruturas de veículo, fabricação de substrato, material compósito, material de metal, isolantes elétricos e outros aspectos funcionais dos sistemas (e os componentes de operação individuais dos sistemas) podem não ser descritos com detalhes no presente documento.
[0021] As modalidades da divulgação são descritas no contexto de uma aplicação não limitante, a saber, uma superfície de aeronave. As modalidades da divulgação, entretanto, não são limitadas a tais aplicações, e as técnicas descritas no presente documento também podem ser utilizadas em outros veículos que exigem propriedades tais como remoção de gelo, resistência à formação de gelo, proteção contra efeito eletromagnético (EME), força estrutural e/ou funcionalidade estrutural. Por exemplo, as modalidades podem ser aplicáveis à remoção de gelo em navio e/ou proteção contra EME.
[0022] Por exemplo, uma superestrutura em um navio pode acumular gelo suficiente para virar o navio conforme ocorreu com as embarcações de pesca do mar de Bering. A remoção de gelo através de forte impacto pode gerar uma anomalia estrutural nas estruturas de compósito em navios mais novos. A remoção de gelo pode não ser favorável para a mão de obra e é um processo de trabalho intensivo. Uma tecnologia de sistema de proteção contra gelo, conforme apresentada no presente documento, pode evitar a formação de gelo aperfeiçoando o navio e a segurança da equipe de remoção de gelo.
[0023] Conforme ficará evidente a uma pessoa versada na técnica após a leitura desta descrição, o que vem a seguir são exemplos e modalidades da divulgação, e não são limitados à operação de acordo com esses exemplos. Outras modalidades podem ser utilizadas e mudanças podem ser feitas sem se afastar do escopo das modalidades exemplificativas da presente divulgação.
[0024] Os sistemas existentes para a remoção de gelo de um veículo adicionam uma camada de aquecimento separada a uma pilha de compósito do veículo, a qual altera uma linha de molde externa (OML) do veículo e aumenta o peso do veículo. As partes aquecidas de um veículo com o uso de sistemas existentes precisariam de camadas de aquecimento e estruturais separadas. Nos sistemas existentes, uma área aquecida deve também proteger contra os efeitos da emissão eletromagnética (EME) necessitando o acréscimo de uma camada condutora separada. Essa camada condutora separada nos sistemas existentes protegeria a estrutura oculta contra as pancadas de raios. Para uma aeronave, por exemplo, já que as asas da aeronave são grandes e uma linha de molde externa da aeronave é importante, o acréscimo de uma camada de aquecimento separada e/ou uma camada de EME separada da camada estrutural tal como o revestimento da asa pode não ser muito favorável.
[0025] Em contraste, as modalidades da divulgação usam um compósito de matriz de metal (MMC) que permite 1 a 2 camadas para fornecer aquecimento, apoio estrutural e proteção contra EME que atualmente necessita de 3 camadas. As modalidades fornecem camadas combinadas de camada estrutural, camada de aquecimento e/ou camada de proteção contra efeito eletromagnético (EME) curadas juntas para gerar uma estrutura de substrato multicamada integrada que pode formar uma superfície de um veículo como uma única peça ou como um único componente estrutural quando comparado a 2 a 3 peças separadas dos sistemas existentes que são curadas e usadas separadamente.
[0026] Desse modo, em vez de precisar, por exemplo, de 3 camadas estruturais separadas de material (formando componentes estruturais separados) para fornecer força estrutural, aquecimento e/ou proteção contra EME como nos sistemas existentes, as modalidades da divulgação fornecem um substrato estrutural com a mesma força estrutural e aquecimento e/ou proteção contra EME através do uso de 1 a 3 camadas de material combinadas em um único componente estrutural e não curadas separadamente. Esse único substrato estrutural poupa peso e aumenta um espaço de transação de planejamento. Uma possível aplicação do substrato estrutural descrito no presente documento é aquecer os elementos para o sistema de proteção contra gelo em solo e/ou um sistema de proteção contra gelo em voo.
[0027] Conforme explicado com mais detalhes abaixo, as modalidades usam material de compósito de matriz de metal para atuar como um aquecedor elétrico. Em uma pilha de compósito, o material de compósito de matriz de metal pode combinar aquecimento, força estrutural e/ou proteção contra EME em uma camada combinada. Conforme mencionado acima, a camada combinada é um aperfeiçoamento em relação aos métodos atuais do uso de camadas estruturais, de aquecimento e/ou de proteção contra EME separadas. A camada combinada então permite a formação de um único componente estrutural tal como um substrato estrutural para aquecer as superfícies de um veículo conforme explicado com mais detalhes abaixo.
[0028] Um material compósito de matriz de metal pode portar corrente para fornecer aquecimento elétrico e/ou proteção contra EME enquanto também fornece força estrutural às partes de compósito de um veículo. Essa combinação de funções em uma camada combinada pode ser realizada sem alterar uma linha de molde externa do veículo ou adicionar peso ao veículo para a maioria das partes. Para uma aeronave, isso aumenta o espaço de transação de planejamento.
[0029] Referindo-se mais particularmente aos desenhos, as modalidades da divulgação podem ser descritas no contexto de uma fabricação de aeronave exemplificativa e método de serviço 100 (método 100) conforme mostrado na Figura 1 e uma aeronave 200 conforme mostrado na Figura 2. Durante a pré-produção, o método 100 pode compreender especificação e planejamento 104 da aeronave 200, e obtenção de material 106. Durante a produção, a fabricação de subconjunto e componente 108 (processo 108) e integração do sistema 110 da aeronave 200 ocorrem. Portanto, a aeronave 200 pode passar por certificação e entrega 112 a fim de ser colocada em serviço 114. Enquanto em serviço por um cliente, a aeronave 200 é programada para manutenção de rotina e serviço 116 (que pode também compreender modificação, reconfiguração, restauração e assim por diante).
[0030] Cada um dos processos do método 100 pode ser realizado ou executado por um integrador de sistema, uma terceira reunião e/ou um operador (por exemplo, um cliente). Para os propósitos desta descrição, um integrador de sistema pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, qualquer número de fabricantes de aeronave e subcontratantes de sistema principal; uma terceira reunião pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, qualquer número de vendedores, subcontratante e fornecedores; e um operador pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, uma linha aérea, companhia de arrendamento, entidade militar, organização de serviço; e similares.
[0031] Conforme mostrado na Figura 2, a aeronave 200 produzida pelo método 100 pode compreender uma armação de aeronave 218 com uma pluralidade de sistemas 220 e um interior 222. Exemplos de sistemas de alto nível dos sistemas 220 compreendem um ou mais de um sistema de propulsão 224, um sistema elétrico 226, um sistema hidráulico 228, um sistema de controle ambiental 230 e um sistema de proteção contra gelo 232. Qualquer número de outros sistemas pode também ser incluído. Embora um exemplo de aeroespaço seja mostrado, as modalidades da divulgação podem ser aplicadas a outras indústrias.
[0032] Os aparelhos e métodos incorporados no presente documento podem ser empregados durante qualquer um ou mais dos estágios do método 100. Por exemplo, componentes ou subconjuntos que correspondem à produção do processo 108 podem ser produzidos ou fabricados de um modo similar a componentes ou subconjuntos produzidos enquanto a aeronave 200 está em serviço. Além disso, uma ou mais modalidades de aparelho, modalidades de método ou uma combinação dos mesmos podem ser utilizadas durante os estágios de produção do processo 108 e a integração do sistema 110, por exemplo, expedindo substancialmente conjunto de ou reduzindo o custo de uma aeronave 200. De maneira similar, uma ou mais das modalidades de aparelho, modalidades de método ou uma combinação dos mesmos podem ser utilizados enquanto a aeronave 200 está em serviço, por exemplo, e sem limitação, para manutenção e serviçol 16.
[0033] A Figura 3 é uma ilustração de um esquema exemplificativo de um substrato estrutural 300 de acordo com uma modalidade da divulgação. O substrato estrutural 300 compreende um material compósito híbrido multicamada que compreende uma camada mais externa 302, uma camada intermediária 304 e uma camada mais interna 306 combinadas em uma camada combinada que compreende uma única estrutura.
[0034] A camada mais externa 302 do substrato estrutural 300 compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 configurado para conduzir eletricidade para fornecer aquecimento elétrico. A camada mais externa 302 pode fornecer o aquecimento elétrico através de, por exemplo, mas sem limitação, aquecimento resistive, aquecimento Joule, aquecimento ôhmico, bimetal aquecimento elétrico, ou outro aquecimento elétrico método. Na camada mais externa 302, o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 fornece aquecimento, força estrutural e/ou proteção contra EME em uma camada combinada. Conforme explicado acima, isso é um aperfeiçoamento em relação aos sistemas existentes que usam componentes ou partes separadas para camadas de estrutura, aquecimento e/ou proteção contra EME.
[0035] O compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 pode portar corrente para fornecer aquecimento elétrico (por exemplo, aquecimento (resistive) ôhmico) e/ou proteção EME enquanto também fornece força estrutural às partes do compósito do veículo. O substrato estrutural 300 é planejado, por exemplo, em uma asa 502 (Figura 5), e curado com o resto da asa 502. Desse modo, essa combinação de funções na camada combinada pode ser realizada sem alterar uma linha de molde externa ou adicionar peso.
[0036] Esse recurso de camada combinada fornece a única estrutura que aumenta o espaço de transação de planejamento. Por exemplo, uma ou mais camadas podem ser removidas do revestimento da asa 502 (Figura 5) e substituídas por compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308, que pode poupar peso. Para outro exemplo, o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 pode ser adicionado ao revestimento da asa 502 para adicionar funcionalidade, mas pode alterar a linha de molde externa nesse exemplo. O compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 é configurado como parte da asa.
[0037] A camada mais externa 302 compreende um material de alta força e alta rigidez que pode compreender material de metal 314 reforçado com fibras tal como fibras cerâmicas contínuas 316. O material de metal 314 pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, ligas de alumínio de metal, liga de titânios, liga de aços, cerâmica, carbureto de silício, fibra de vidro, liga de magnésios e/ou outro metal eletricamente condutor. Dessa maneira, um substrato estrutural ideal tal como o substrato estrutural 300 pode ser produzido selecionando um metal adequado com base em, por exemplo, mas sem limitação, condutividade elétrica suficiente para dissipar as pancadas de raio, resistividade suficiente para criar calor necessário, tipos bimetal para criar calor suficiente ou outras propriedades.
[0038] A camada mais externa 302 pode compreender pequenas nervuras 510 (Figura 5) configuradas para reduzir arrasto aerodinâmico em uma superfície externa tal como a asa 502 conforme explicado com mais detalhes abaixo.
[0039] A camada intermediária 304 compreende um isolante elétrico 310 e é acoplada à camada mais externa 302. A camada intermediária 304 é configurada para isolar eletricamente a camada mais externa 302 a partir da camada mais interna 306. O isolante elétrico 310 da camada intermediária 304 pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, fibra de vidro, polímero reforçado com fibra de vidro, cerâmica, boro, carbureto de silício, e ou outro isolante elétrico.
[0040] A camada mais interna 306 compreende um compósito 312 acoplado à camada intermediária 304. A camada mais interna 306 pode compreender polímero reforçado com fibra de carbono, que pode compreender epóxi ou epóxi com endurecedor, e pode ser configurada que compreende fita unidirecional e/ou pano e/ou outro compósito.
[0041] A camada mais externa 302 e a camada intermediária 304 formam um laminado híbrido que adiciona força estrutural ao painel de revestimento da asa 502 da aeronave 500 que pode fornecer uma mudança de peso quase neutra à estrutura da aeronave 500.
[0042] Em uma modalidade, a camada mais externa 302 que compreende o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 pode estar situada diretamente na camada mais interna 306 que compreende o compósito 312 (compósito estrutural) dependendo de um tipo do compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 usado. Nessa configuração, a camada intermediária 304 que compreende o isolante elétrico 310 pode ser omitida.
[0043] A Figura 4 é uma ilustração de um material compósito de matriz de metal exemplificativo 400 que pode ser usado na camada mais externa 302 do substrato estrutural 300 de acordo com uma modalidade da divulgação. O material de compósito de matriz de metal 400 compreende fita de compósito de matriz de metal 402 que é configurada para conduzir corrente elétrica para produzir aquecedores resistivos que também fornecem força estrutural. A fita de compósito de matriz de metal 402 pode gerar calor através da passagem de uma corrente elétrica através da mesma ou pode gerar calor através de aquecimento elétrico bimetálico com o uso de dois metais e através da passagem de corrente elétrica entre os dois metais.
[0044] A resistividade da fita de compósito de matriz de metal 402 pode ser controlada para permitir que a camada de aquecedor e de proteção contra EME sejam adequadamente combinadas. Por exemplo, a resistividade da fita de compósito de matriz de metal 402 pode ser controlada escolhendo adequadamente um tipo de metal usado na fita de compósito de matriz de metal 402. A fita de compósito de matriz de metal não processada 404 é também mostrada na Figura 4.
[0045] Pequenas nervuras 510 (Figura 5) podem ser produzidas na fita de compósito de matriz de metal 402 para reduzir arrasto dinâmico de fluido nas superfícies de um veículo. Especificamente, as pequenas nervuras 510 podem ser produzidas na fita de compósito de matriz de metal 402 para reduzir arrasto dinâmico de fluido em uma superfície tal como a asa 502 da aeronave 500 (Figura 5) conforme explicado abaixo. Combinando as camadas de aquecedor e/ou EME tal como as pequenas nervuras 510 com uma parte estrutural tal como um painel de revestimento da asa 502 pode produzir um sistema neutro de peso aproximado.
[0046] A Figura 5 é uma ilustração de uma aeronave exemplificativa 500 que mostra um substrato estrutural 300 usado como um aquecedor e as porções das superfícies da aeronave 500 de acordo com uma modalidade da divulgação. Conforme discutido acima, as pequenas nervuras 510 podem ser produzidas na fita de compósito de matriz de metal 402 para reduzir arrasto dinâmico de fluido em uma superfície tal como a asa 502 da aeronave 500. As pequenas nervuras 510 podem ser orientadas para serem paralelas com um lado de uma fuselagem 508. A orientação das pequenas nervuras 510 na asa 502, por exemplo, varia com base na velocidade e, desse modo, tamanho da asa 502. Em uma modalidade, as pequenas nervuras 510 podem ser alinhadas com uma linha central 504 de uma nacela de motor 506 para reduzir arrasto dinâmico de fluido. As pequenas nervuras 510 podem compreender ranhuras 512.
[0047] As pequenas nervuras 510 na asa 502 reduzem arrasto de atrito do revestimento de fluxo de ar turbulento na camada limite. Desse modo, as pequenas nervuras 510 podem economizar combustível e reduzir emissões. As pequenas nervuras 510 podem compelir o fluxo de ar e limitar a interação no sentido da envergadura, reduzindo o arrasto. Além disso, as pequenas nervuras 510 podem ser usadas em conjunto com fluxo laminar para reduzir arrasto de atrito do revestimento. As áreas da aeronave 500 onde o fluxo laminar pode ser difícil de sustentar e uma camada limite pode ser turbulenta podem ser cobertas pelas pequenas nervuras 510.
[0048] A Figura 6 é uma ilustração de um diagrama de blocos esquemático exemplificative de um sistema de proteção contra gelo 600 (sistema 600) de acordo com uma modalidade da divulgação. Sistema 600 compreende uma Fonte de potência elétrica 602, uma estrutura 606 e pelo menos um substrato estrutural 300. O sistema 600 pode ter funções, material e estruturas que são similares às modalidades mostradas nas Figuras 1 a 5. Portanto, recursos comuns, funções e elementos podem não ser descritos de modo redundante no presente documento.
[0049] O substrato estrutural 300 é explicado no contexto da discussão da Figura 3 acima. O substrato estrutural 300 é configurado para atuar como um elemento de aquecedor para aquecer eletricamente a estrutura 606. Qualquer número de elementos de aquecedor tal como um elemento de aquecedor 1 a um elemento de aquecedor N (em que N é um número inteiro) pode ser usado para aquecer a estrutura 606. Aquecedor elementos 1-N e substrato estrutural 300 podem ser usados neste documento intercambiavelmente.
[0050] A fonte de alimentação elétrica 602 pode ser um abastecimento de energia de terra que compreende cabos de potência de terra padrão de indústria (160 kVA), ou outros cabos de potência adequados para aquecer diversas superfícies da estrutura 606. O sistema 600 pode empregar um esquema de fiação operável para ciclagem de potência rápida para aquecer cada um dos aquecedor elementos 1-N em cada seção da estrutura 606 individualmente mantendo uma temperatura de fusão desejada. Por exemplo, uma rede de aquecedor pode ser dividida em 20 seções para remover gelo da asa 502. O esquema de fiação pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, capacitores, indutores e/ou outro esquema de fiação. A fonte de alimentação elétrica 602 pode também compreender um gerador em voo com potência elétrica adequada com o uso de cabos de potência em voo adequados para aquecer diversas superfícies da estrutura 606 em voo.
[0051] A estrutura 606 pode compreender uma superfície de levantamento, uma superfície de controle ou outra superfície. Uma superfície de levantamento pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, uma asa, uma fuselagem e/ou outra superfície de levantamento, a superfície de controle pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, um estabilizador horizontal, um estabilizador vertical, um spoiler(freio aerodinâmico), um aileron (superfície aerodinâmica), um elevon(superfície de comando que combina as funções de um elevador e um aileron),um elevador, um flape e/ou outra superfície de controle.
[0052] O substrato estrutural 300 pode ser integrado/planejado na estrutura 606 tal como a asa 502 da aeronave 500. Uma corrente elétrica 610 pode ser aplicada através do compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 para possibilitar a remoção de gelo e impedir a formação de gelo, por exemplo, da asa 502. O compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 é configurado como parte de uma superfície da asa 502 e pode ser aterrado a um aterramento elétrico 612 para fornecer proteção contra campo eletromagnético no compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308. Dessa maneira, o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 é aterrado ao resto da aeronave 500.
[0053] A camada mais externa 302 pode compreender as pequenas nervuras 510 para reduzir arrasto dinâmico de fluido em uma superfície externa da estrutura 606 tal como uma superfície externa da asa 502.
[0054] Aqueles versados na técnica entenderão que os diversos blocos ilustrativos, módulos, circuitos e lógica de processamento descritos em conexão com as modalidades reveladas no presente documento podem ser implantados em hardware, software legível por computador, firmware ou outra combinação dos mesmos. Para ilustrar claramente essa intercambialidade e compatibilidade de hardware, firmware e software, diversos componentes ilustrativos, blocos, módulos, circuitos e etapas são descritos geralmente em termos da funcionalidade dos mesmos.
[0055] Em algumas modalidades, o sistema 600 pode compreender qualquer número de módulos de processador, qualquer número de módulos de processamento, qualquer número de módulos de memória, qualquer número de fontes de alimentação elétricas, qualquer número de comutadores de controle e qualquer número de barramentos adequados para a operação dos mesmos descrita no presente documento. O sistema ilustrado 600 retrata uma modalidade simples para facilitar a descrição. Esses e outros elementos do sistema 600 são interconectados, permitindo a comunicação entre os diversos elementos do sistema 600. Em uma modalidade, esses e outros elementos do sistema 600 podem ser interconectados através de um barramento 608.
[0056] Se tal funcionalidade é implantada como hardware, firmware ou software depende da aplicação particular e limitações de planejamento impostos no sistema geral. Aqueles familiarizados com os conceitos descritos no presente documento podem implantar tal funcionalidade de um modo adequado para cada aplicação particular, mas tais decisões de implantação não devem ser interpretadas como causando um afastamento do escopo da presente invenção.
[0057] A Figura 7 é uma ilustração de um fluxograma exemplificative que mostra um processo 700 para configurar um sistema de proteção contra gelo em solo com o uso do substrato estrutural 300, de acordo com uma modalidade da divulgação. As diversas tarefas realizadas em conexão com o processo 700 podem ser realizados através de software, hardware, firmware, um meio legível por computador contendo instruções executáveis em computador para realizar o método de processo ou qualquer combinação do mesmo. O processo 700 pode ser gravado em um meio legível por computador tal como uma memória semicondutora, um disco magnético, um disco óptico e similares, e pode ser acessado e executado, por exemplo, por uma CPU de computador tal como módulo de processador no qual o meio legível por computador é armazenado.
[0058] Deve-se verificar que o processo 700 pode incluir qualquer número de tarefas adicionais ou alternativas, as tarefas mostradas na Figura 7 não precisam ser realizadas na ordem ilustrada, e o processo 700 pode ser incorporado em um mais procedimentos compreensivos ou processo contendo funcionalidade adicional não descrita em detalhes no presente documento. Em algumas modalidades, as porções do processo 700 podem ser realizadas por diferentes elementos do sistema 600 tal como: a fonte de alimentação elétrica 602, a estrutura 606, e o substrato estrutural 300, etc. O processo 700 pode ter funções, material e estruturas que são similares às modalidades mostradas nas Figuras 1 a 6. Portanto, recursos comuns, funções e elementos podem não ser descritos de modo redundante no presente documento.
[0059] O processo 700 pode iniciar configurando-se uma camada mais interna tal como a camada mais interna 306 que compreende um compósito tal como o compósito 312 para formar um componente estrutural tal como o substrato estrutural 300 (tarefa 702).
[0060] O processo 700 pode continuar acoplando-se uma camada intermediária tal como a camada intermediária 304 que compreende um isolante elétrico tal como o isolante elétrico 310 à camada mais interna 306 (tarefa 704).
[0061] O processo 700 pode continuar acoplando-se uma camada mais externa tal como a camada mais externa 302 à camada intermediária 304, a camada mais externa 302 que compreende uma compósito de matriz de metal eletricamente condutor tal como o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 operável para conduzir eletricidade para fornecer aquecimento elétrico (tarefa 706).
[0062] Por exemplo, em algumas modalidades, a camada intermediária 304 e a camada mais interna 306 são acopladas (por exemplo, através de prensagem) e então a camada mais externa 302 é acoplado à camada intermediária 304 (por exemplo, através de prensagem). Em algumas modalidades, a camada mais externa 302 e a camada intermediária 304 são acopladas (por exemplo, através de prensagem) e então a camada mais interna 306 é acoplada (por exemplo, através de prensagem) à camada intermediária 304. Em algumas modalidades, a camada mais externa 302 e a camada intermediária 304 acoplada e a camada mais interna 306 são acopladas substancialmente de modo simultâneo (por exemplo, através de prensagem). Subsequentemente, a cura da camada mais externa acoplada 302, camada intermediária 304 e camada mais interna 306 resulta em uma ligação ou fusão em uma única camada combinada. Acoplar a camada intermediária 304 à camada mais interna 306 e acoplar a camada mais externa 302 à camada intermediária 304 pode ser através de, por exemplo, mas sem limitação, prensagem, ligação, aderência, colagem, soldagem, fusão (por exemplo, mecanicamente), uma combinação dos mesmos ou outro acoplamento adequado.
[0063] Dessa maneira, a camada mais externa 302, a camada intermediária 304 e a camada mais interna 306 são acopladas e curadas para formar um único componente estrutural multicamada integrado tal como o substrato estrutural 300 que fornece camadas combinadas de camada estrutural, camada de aquecimento e/ou camada de proteção contra efeito eletromagnético (EME) que pode formar uma superfície de um veículo tal como a asa 502 como uma peça única ou como um único componente estrutural quando comparado a 2 a 3 peças separadas dos sistemas existentes que são curadas e usadas separadamente.
[0064] O processo 700 pode continuar configurando-se a camada intermediária 304 para isolar eletricamente a camada mais externa 302 da camada mais interna 306 (tarefa 708).
[0065] O processo 700 pode continuar aterrando o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 para fornecer proteção contra campo eletromagnético no compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 (tarefa 710).
[0066] O processo 700 pode continuar configurando-se a camada mais externa 302 para compreender pequenas nervuras tal como as pequenas nervuras 510 operável para reduzir arrasto aerodinâmico em uma superfície externa tal como a asa 502 (tarefa 712).
[0067] A Figura 8 é uma ilustração de um fluxograma exemplificativo que mostra um processo 800 para operar um sistema de proteção contra gelo em solo, de acordo com uma modalidade da divulgação. As diversas tarefas realizadas em conexão com o processo 800 podem ser realizadas através de software, hardware, firmware, um meio legível por computador contendo instruções executáveis em computador para realizar o método de processo, ou qualquer combinação do mesmo. O processo 800 pode ser registrado em um meio legível por computador tal como uma memória semicondutora, um disco magnético, um disco óptico e similares, e pode ser acessado e executado, por exemplo, através de uma CPU de computador tal como um módulo de processador no qual o meio legível por computador é armazenado.
[0068] Deve-se verificar que o processo 800 pode incluir qualquer número de tarefas adicionais ou alternativas, as tarefas mostradas na Figura 8 não precisam ser realizadas na ordem ilustrada, e o processo 800 pode ser incorporado em um mais procedimento compreensivo ou processo contendo funcionalidade adicional não descrita em detalhes no presente documento. Em algumas modalidades, as porções do processo 800 podem ser realizadas por diferentes elementos do sistema 600 tal como: a fonte de alimentação elétrica 602, a estrutura 606 e o substrato estrutural 300, etc. O processo 800 pode ter funções, material e estruturas que são similares às modalidades mostradas nas Figuras 1 a 6. Portanto, recursos comuns, funções e elementos podem não ser descritos de modo redundante no presente documento.
[0069] O processo 800 pode iniciar fornecendo-se funcionalidade estrutural através de uma camada mais interna tal como a camada mais interna 306 que compreende um compósito tal como o compósito 312 (tarefa 802). A funcionalidade estrutural pode compreender, por exemplo, mas sem limitação, curvatura, apoio e outra função.
[0070] O processo 800 pode continuar aquecendo-se eletricamente uma camada mais externa tal como a camada mais externa 302 que compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor tal como o compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 que conduz eletricidade através da camada mais externa 302 (tarefa 804).
[0071] O processo 800 pode continuar isolando-se eletricamente a camada mais externa 302 da camada mais interna 306 através de uma camada intermediária tal como a camada intermediária 304 que compreende um isolante elétrico tal como o isolante elétrico 310 (tarefa 806).
[0072] O processo 800 pode continuar recebendo um efeito eletromagnético no compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 (tarefa 808).
[0073] O processo 800 pode continuar conduzindo-se o efeito eletromagnético a um aterramento elétrico tal como o aterramento elétrico 612 para fornecer proteção contra campo eletromagnético (tarefa 810).
[0074] O processo 800 pode continuar aplicando-se uma corrente elétrica através do compósito de matriz de metal eletricamente condutor 308 para remover gelo de uma superfície (tal como a asa 502) de uma aeronave e impede a formação de gelo da superfície, em que o substrato estrutural 300 compreende a superfície (asa 502) (tarefa 812).
[0075] Dessa maneira, as modalidades da divulgação fornecem elementos de aquecimento elétrico que podem ser usados em um sistema de proteção contra gelo que remove gelo em um veículo tal como uma aeronave aquecendo as superfícies do veículo. O sistema de proteção contra gelo quando usado no solo reduz: o tempo da remoção de gelo, o fluido da remoção de gelo, os recursos da remoção de gelo, o custo da remoção de gelo, os litros de fluido de remoção de gelo em água de tempestade gerados por ano, número de atrasos de voo no inverno e cancelamentos e o efeito dos mesmos nas programações de voo de linha aérea, e não favorecimento da aeronave devido à remoção de gelo. Adicionalmente, o sistema de proteção contra gelo em solo pode evitar a formação de gelo aperfeiçoando o veículo e a segurança da equipe de remoção de gelo e substancialmente reduz uma necessidade de operações de remoção de gelo com múltiplos caminhões.
[0076] Embora pelo menos uma modalidade exemplificativa tenha sido apresentada na descrição detalhada precedente, deve-se verificar que um número vasto de variações existe. Deve-se também verificar que a modalidade exemplificativa ou as modalidades descritas no presente documento não têm a intenção de limitar o escopo, aplicabilidade ou configuração da matéria de maneira nenhuma. De preferência, a descrição detalhada precedente fornecerá àqueles versados na técnica com um mapa de estrada conveniente para implantar as descritas modalidade ou modalidades. Deve-se entender que diversas mudanças podem ser feitas na função e disposição dos elementos sem se afastar do escopo definido pelas reivindicações, o qual inclui equivalentes conhecidos e equivalentes previsíveis no momento de depositar este pedido de patente.
[0077] Neste documento, o termo "módulo" conforme usado no presente documento, se refere a software, firmware, hardware e qualquer combinação desses elementos para realizar as funções associadas descritas no presente documento. Adicionalmente, para o propósito da discussão, os diversos módulos são descritos como módulos discretos; entretanto, conforme ficará evidente ao versado na técnica, dois ou mais módulos podem ser combinados para formar um único módulo que realiza as funções associadas de acordo com as modalidades da presente divulgação.
[0078] A descrição acima se refere a elementos ou nós ou recursos sendo "conectados" ou "acoplados". Conforme usado no presente documento, ao menos expressamente estabelecido de outra maneira, "conectado" significa que um elemento/nó/recurso é diretamente ligado a (ou se comunica diretamente com) outro elemento/nó/recurso, e não necessariamente de maneira mecânica. Da mesma maneira, ao menos que expressamente estabelecido de outra maneira, "acoplado" significa que um elemento/nó/recurso é diretamente ou indiretamente ligado a (ou se comunica direta ou indiretamente com) outro elemento/nó/recurso, e não necessariamente de modo mecânico. Também, conforme usado no presente documento, ao menos expressamente estabelecido de outra maneira, "preso" significa que um elemento/nó/recurso é diretamente ligado de modo mecânico, fundido ou comprimido por força por uma aplicação de calor e/ou pressão a outro elemento/nó/recurso. Desse modo, embora as Figuras 1 a 6 retratem disposições exemplificativas de elementos, elementos adicionais intervenientes, dispositivos, recursos ou componentes podem estar presentes em uma modalidade da divulgação.
[0079] Os termos e expressões usadas neste documento, e as variações do mesmo, ao menos expressamente estabelecido de outra maneira, devem ser interpretados como abrangentes como oposto de limitantes. Conforme os exemplos precedentes: o termo "incluindo" deve ser lido como significando "incluindo, sem limitação" ou similar; o termo "exemplo" é usado para fornecer casos exemplificativos do item em discussão, não uma lista abrangente ou limitante do mesmo; e adjetivos tais como "convencional", "tradicional", "normal", "padrão", "conhecido" e termos de significados similares não devem ser interpretados como limitando o item descrito a um período de tempo determinado ou a uma item disponível como de um tempo determinado, mas, em vez disso, deve ser lido para abranger tecnologias convencionais, tradicionais, normais ou padrão que podem estar disponíveis ou conhecidas agora ou em qualquer momento no futuro.
[0080] Da mesma maneira, um grupo de itens ligados com a conjunção "e" não deve ser lido como necessitando que cada e todos de um desses itens esteja presente no agrupamento, mas, de preferência, deve ser lido como "e/ou" ao menos que expressamente estabelecido de outra maneira. De maneira similar, um grupo de itens ligados com a conjunção "ou" não deve ser lido como exigindo exclusividade mútua entre aquele grupo, mas, de preferência, deve também ser lido como "e/ou" ao menos que expressamente estabelecido de outra maneira.
[0081] Ademais, embora os itens, elementos ou componentes da divulgação possam ser descritos ou reivindicados no singular, o plural é contemplado para estar dentro do escopo da mesma, ao menos que a limitação ao singular seja explicitamente estabelecida. A presença de palavras e expressões amplas tais como "uma ou mais", "pelo menos", "mas não limitado a" ou outras expressões similares em alguns casos não devem ser lidas para significar que o caso mais estreito tem a intenção ou exigência em casos em que tais expressões amplas podem estar ausentes. O termo "cerca de" quando se refere a um valor numérico ou faixa tem a intenção de abarcar valores resultantes de erro experimental que pode ocorrer ao fazer medições.
[0082] Conforme usado no presente documento, ao menos expressamente estabelecido de outra maneira, "operável" significa que tem a capacidade de ser usado, encaixado ou pronto para uso ou serviço, utilizável para um propósito específico, e com a capacidade de realizar uma função citada ou desejada descrita no presente documento. Em relação aos sistemas e dispositivos, o termo "operável" significa que o sistema e/ou o dispositivo é completamente funcional e calibrado, compreende elementos para, e satisfaz as exigências de operabilidade aplicável para realizar uma função citada quando ativado. Em relação aos sistemas e circuitos, o termo "operável" significa que o sistema e/ou o circuito é completamente funcional e calibrado, compreende lógica para, e satisfaz as exigências de operabilidade aplicável para realizar uma função citada quando ativado.

Claims (11)

1. Substrato estrutural (300) para uma estrutura (606), o substrato caracterizado pelo fato de que compreende: um material compósito híbrido multicamada que compreende: uma camada mais externa (302) que compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) operável para conduzir eletricidade para fornecer aquecimento elétrico; uma camada intermediária (304) que compreende um isolante elétrico (310) acoplado à camada mais externa; e uma camada mais interna (306) que compreende um segundo compósito (312) acoplado à camada intermediária, em que a camada intermediária é operável para isolar eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.
2. Substrato estrutural (300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) compreende: uma liga de alumínio, uma liga de titânio, uma liga de aço, uma liga de magnésio ou uma combinação das mesmas.
3. Substrato estrutural (300), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o isolante elétrico (310) compreende uma fibra que compreende: fibra de vidro, polímero reforçado com fibra de vidro, cerâmica, boro, carbureto de silício ou uma combinação dos mesmos.
4. Substrato estrutural (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o segundo compósito (312) compreende um polímero reforçado com fibra de carbono que compreende epóxi ou epóxi e agente de enrijecimento e configurado para compreender: um pano, uma fita unidirecional ou uma combinação dos mesmos.
5. Substrato estrutural (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a camada mais externa (302) compreende pequenas nervuras (510) operáveis para reduzir o arrasto aerodinâmico em uma superfície externa.
6. Substrato estrutural (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) fornece uma proteção contra efeito eletromagnético para uma aeronave (200, 500).
7. Processo (700) para a formação de um substrato estrutural (300) que compreende um material compósito híbrido multicamada, o processo caracterizado pelo fato de que compreende: configurar (702) uma camada mais interna (306) que compreende um primeiro compósito (312) para formar um componente estrutural; acoplar (704) uma camada intermediária (304) que compreende um isolante elétrico (310) à camada mais interna; acoplar (706) uma camada mais externa (302) à camada intermediária, em que a camada mais externa compreende um compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) operável para conduzir eletricidade para fornecer aquecimento elétrico; e configurar (708) a camada intermediária para isolar eletricamente a camada mais externa da camada mais interna.
8. Processo (700), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aterrar (710) o compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) para fornecer proteção contra efeito eletromagnético no compósito de matriz de metal eletricamente condutor.
9. Processo (700), de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente configurar (712) a camada mais externa (302) para compreender pequenas nervuras (510) operáveis para reduzir o arrasto dinâmico de fluido em uma superfície externa.
10. Processo (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o aquecimento elétrico compreende: aquecimento resistivo, aquecimento bimetálico, aquecimento Joule, aquecimento ôhmico ou uma combinação dos mesmos.
11. Processo (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o substrato estrutural (300) é localizado em uma asa (502) de uma aeronave (200, 500) e uma corrente elétrica (610) é aplicada através do compósito de matriz de metal eletricamente condutor (308, 400) para permitir remoção de gelo e impossibilitar a formação de gelo na asa.
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