BR112014008987B1

BR112014008987B1 - sistema autoalimentado para a detecção de um raio, método de detecção de um raio e aeronave

Info

Publication number: BR112014008987B1
Application number: BR112014008987-6A
Authority: BR
Inventors: Bruce Van Deventer
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2021-01-19
Also published as: CA2844412C; CA2844412A1; EP3444621B1; BR112014008987A2; RU2611109C2; EP2771702A1; EP3444621A1; WO2013062706A1; JP2014534437A; US20130099772A1; JP6076366B2; US8841898B2; RU2014116073A; EP2771702B1

Abstract

MÉTODO E APARELHO PARA A DETECÇÃO DE UM RAIO. A presente invenção refere-se a um sistema autoalimentado para a detecção de um pico de corrente. O pico de corrente é entregue através de uma rede de retorno de corrente que energiza um circuito ressonante para produção de uma saída elétrica alternada. A saída é retificada por um retificador em uma saída contínua que então é transferida para um circuito integrador. O circuito integrador lentamente se acumula até e dissipa a partir de um limite de voltagem correspondente a um transistor de saída. Quando um transistor de saída é disparado pelo limite e voltagem, este disparo é comunicado para um software de monitoração de falha que reconhece o pico de corrente

Description

ANTECEDENTES

[001] A presente invenção refere-se a um detector de pico de cor rente e, mais especificamente, a um circuito elétrico para a detecção de raios em aeronaves.

[002] Os raios em aeronaves são eventos relativamente raros, embora ocorram com frequência suficiente e sejam suficientemente danosos para sistemas mecânicos e elétricos para que prevenção de raios e mitigação sejam componentes importantes em uma aeronave.

[003] O relatório de raios, sua localização, a intensidade, e os efeitos são presentemente manipulados pelas equipes da aeronave e de solo. A equipe da aeronave é responsável por determinar se a aeronave foi atingida, tipicamente através de confirmação visual ou de uma interferência elétrica de vida curta de instrução ou iluminação. A equipe de solo então tem a tarefa de determinar a severidade, a localização e o impacto do raio na capacidade de voo da aeronave. Contudo, devido ao fato de este sistema ser baseado em uma determinação inicial pela equipe da aeronave, este sistema de relatório pode resultar em um relatório em excesso ou insuficiente de raios.

[004] Quando uma descarga atinge uma aeronave, uma grande quantidade de corrente passa através da aeronave. Em uma aeronave com revestimento de metal, esta corrente é predominantemente portada nas superfícies exteriores da aeronave. Contudo, uma aeronave usando uma construção compósita frequentemente incorpora uma rede de retorno de descarga ou corrente de conectores elétricos, instalados no interior da aeronave, para portar as grandes correntes as quais resultam dos raios. Nessa aeronave compósita, esta corrente pode ser dirigida através de uma rede de retorno de corrente que re- duz a chance de os sistemas elétricos serem danificados pelo pico de corrente. Contudo, algumas falhas de sistema elétrico temporárias ainda podem ocorrer. Quando estes sistemas se recuperam, eles emitem um aviso, tipicamente para o cockpit, embora eles possam ser gravados em outros lugares, que devem ser checados por uma equipe de manutenção, quando a aeronave estiver em terra da próxima vez.

[005] Alguns destes avisos de sistema elétrico podem ser os as sim denominados "avisos de perturbação"que ocorrem devido à reini- cialização do sistema por causa do raio, ao invés de qualquer problema com o sistema. Contudo, estes sistemas requererão uma reiniciali- zação manual por um trabalhador de manutenção, para reinicialização dos avisos e determinar se a falha foi devido ao evento de raio ou um problema no sistema afetado.

[006] Portanto, é reconhecida uma necessidade na técnica para um sistema de detecção de raio.

SUMÁRIO

[007] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provi do um sistema autoalimentado para a detecção de um raio, incluindo uma rede de retorno de corrente recebendo e dissipando o raio, um circuito ressonante que tem um transformador em comunicação com a rede de retorno de corrente e provendo uma saída elétrica alternada, um retificador para retificação da saída elétrica alternada para uma saída elétrica contínua, um integrador lento que acumula até um limite de tensão, quando a saída elétrica contínua for recebida, e um transistor de saída disparado pelo integrador lento para comunicação de um sinal com um software de monitoração de falha. Vantajosamente, a rede de retorno de corrente inclui um percurso eletricamente condutivo em uma aeronave. Preferencialmente, o circuito ressonante inclui um indutor e um capacitor. Preferencialmente, o integrador inclui um capacitor. Preferencialmente, o capacitor é completamente carregado.

[008] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é provido um método de detecção de um pico de tensão em uma rede de retorno de corrente, o método incluindo as etapas de provisão de um núcleo de ferrita em comunicação indutiva com a rede de retorno de corrente, provisão de um circuito de detecção que tem um circuito ressonante em comunicação indutiva com o núcleo de ferrita, um circuito integrador e um transistor, provisão de um pico de corrente através da rede de retorno de corrente, a energização de forma indutiva do circuito ressonante para a provisão de uma corrente alternada, retificação da corrente, carregamento de um capacitor no circuito integrador para um nível de tensão de limite, mudança do estado de transistor quando o nível de tensão de limite for atingido, e detecção da mudança no estado como indicativo do pico de tensão. Vantajosamente, a retificação é por meio de um retificador de meia onda. Vantajosamente, o circuito ressonante inclui um indutor e um primeiro capacitor. Pre-ferencialmente, a rede de retorno de corrente, o indutor e o núcleo de ferrita incluem um transformador. Preferencialmente, o núcleo de ferri- ta é seletivamente removível da rede de retorno de corrente. Preferencialmente o método ainda inclui a etapa de afixação do núcleo de ferri- ta para a rede de retorno de corrente. Vantajosamente, o transistor é um transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal de tipo n (n-MOSFET) normalmente aberto. Preferencialmente, o método ainda inclui a etapa de provisão de um monitor de falha remoto. Preferencialmente, o fluxo de corrente do monitor de falha remoto através do transistor é usado para a detecção da mudança de estado. Preferencialmente, o método ainda inclui um resistor para sangria da tensão de limite, uma vez que a mudança de estado seja detectada.

[009] De acordo com ainda um outro aspecto da presente inven ção, é provido um método para determinar se um raio ocorreu em uma aeronave, o método incluindo as etapas de provisão de uma rede de retorno de corrente por toda a aeronave, provisão de um circuito elétrico passivo em comunicação indutiva com a rede de retorno de corrente por meio de um núcleo magneticamente permeável, o circuito elétrico passivo incluindo um transistor de tensão controlada, o direcionamento de um pico de corrente de um raio através da rede de retorno de corrente, a transformação do pico de corrente através da rede de retorno de corrente em uma fonte de corrente no circuito elétrico, a provisão de um nível de tensão de limite através do transistor para mudança do transistor de um estado normal para um estado ativado, e determinação do raio pela medição da mudança. Vantajosamente, o transistor muda de um estado normalmente aberto para um estado fechado, quando o nível de tensão de limite for atingido. Preferencialmente, a mudança é medida por uma corrente passada através do transistor. Vantajosamente, o transistor muda de um estado normalmente fechado para um estado aberto quando o nível de tensão de limite for atingido. Preferencialmente, a mudança é medida pela corrente cessando de fluir através do transistor.

[0010] Item 1. Sistema autoalimentado para a detecção de um raio, que compreende:

[0011] uma rede de retorno de corrente recebendo e dissipando o raio;

[0012] um circuito ressonante que tem um transformador em co municação com a rede de retorno de corrente e provendo uma saída elétrica alternada;

[0013] um retificador para retificação da saída elétrica alternada para uma saída elétrica contínua;

[0014] um integrador lento que cresce até um limite de tensão quando a saída elétrica contínua é recebida; e

[0015] um transistor de saída disparado pelo integrador lento para comunicação de um sinal com um software de monitoração de falha.

[0016] Item 2. Sistema, de acordo com o item 1, em que a rede de retorno de corrente compreende um percurso eletricamente condutivo em uma aeronave.

[0017] Item 3. Sistema, de acordo com o item 2, em que o circuito ressonante inclui um indutor e um capacitor.

[0018] Item 4. Sistema, de acordo com o item 3, em que o integra dor compreende um capacitor.

[0019] Item 5. Sistema, de acordo com o item 4, em que o capaci tor é completamente carregado.

[0020] Item 6. Método de detecção de um pico de tensão em uma rede de retorno de corrente, o método compreendendo as etapas de:

[0021] provisão de um núcleo de ferrita em comunicação indutiva com a rede de retorno de corrente;

[0022] provisão de um circuito de detecção que tem um circuito ressonante em comunicação indutiva com o núcleo de ferrita, um circuito integrador e um transistor;

[0023] provisão de um pico de corrente através da rede de retorno de corrente;

[0024] a energização de forma indutiva do circuito ressonante para a provisão de uma corrente alternada;

[0025] retificação da corrente;

[0026] carregamento de um capacitor no circuito integrador para um nível de tensão de limite;

[0027] mudança do estado de transistor quando o nível de tensão de limite for atingido; e

[0028] detecção da mudança no estado como indicativo do pico de tensão.

[0029] Item 7. Método, de acordo com o item 6, em que a retifica ção é por meio de um retificador de meia onda.

[0030] Item 8. Método, de acordo com o item 6, em que o circuito ressonante compreende um indutor e um primeiro capacitor.

[0031] Item 9. Método, de acordo com o item 8, em que a rede de retorno de corrente, o indutor e o núcleo de ferrita compreendem um transformador.

[0032] Item 10. Método, de acordo com o item 9, em que o núcleo de ferrita é seletivamente removível da rede de retorno de corrente.

[0033] Item 11. Método, de acordo com o item 10, que ainda compreende a etapa de afixação do núcleo de ferrita à rede de retorno de corrente.

[0034] Item 12. Método, de acordo com a reivindicação 6, em que o transistor é um transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal de tipo n (n-MOSFET) normalmente aberto.

[0035] Item 13. Método, de acordo com o item 12, que ainda inclui a etapa de provisão de um monitor de falha remoto.

[0036] Item 14. Método, de acordo com o item 13, em que o fluxo de corrente a partir do monitor de falha remoto através do transistor é usado para a detecção da mudança no estado.

[0037] Item 15. Método, de acordo com o item 14, que ainda com preende um resistor para sangria da tensão de limite, uma vez que a mudança de estado seja detectada.

[0038] Item 16. Aeronave, que compreende o sistema dos itens 1 a 5.

[0039] Os recursos, as funções e as vantagens que foram discuti dos podem ser obtidos independentemente em várias modalidades da presente invenção, ou podem ser combinados em ainda outras modalidades cujos detalhes adicionais podem ser vistos com referência à descrição e aos desenhos a seguir.

DESCRIÇÃO DE DESENHOS

[0040] A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma aeronave mostrando uma rede de retorno de corrente.

[0041] A figura 2 é uma vista esquemática que mostra a afixação entre a rede de retorno de corrente e um circuito de detecção.

[0042] A figura 3A é uma vista esquemática do circuito de detecção.

[0043] A figura 3B é uma vista esquemática de uma modalidade alternativa do circuito de detecção.

DESCRIÇÃO

[0044] A figura 1 mostra uma vista em perspectiva de uma aero nave 100 em corte para mostrar uma rede de retorno de corrente 102 que pode incluir elementos eletricamente condutivos longitudinais 104 e laterais 106 se estendendo ao longo de uma porção substancial da aeronave 100. A rede de retorno de corrente 102 também inclui percursos portando corrente 108 se estendendo através das asas e da cauda da aeronave 100. Os elementos longitudinais 104 e laterais 106, bem como os percursos portando corrente 108 podem ser fios elétricos de baixa resistência, metal ou outro material condutivo, incluindo, mas não limitando elementos estruturais de aeronave, linhas hidráulicas ou componentes de retorno de corrente dedicados. Estes elementos 104, 106, 108 da rede de retorno de corrente 102 podem ser conectados uns aos outros para a provisão de um número de percursos elétricos redundantes que podem ser adaptados para portarem corrente de falha, proverem aterramento, portarem corrente de raio, proverem blindagem eletromagnética, minimização de diferenciais de resistência e de tensão e provisão de um percurso de sangria para a carga eletrostática.

[0045] Conforme mostrado na figura 2, um dispositivo de detec ção de raio 112 pode incluir um núcleo magneticamente permeável de grampeamento com enrolamentos 114 que é preso em volta de uma porção da rede de retorno de corrente 102 e um circuito de detecção de raio 116 em comunicação com o núcleo de ferrita 114. O núcleo de ferrita de grampeamento 114 é um laço fechado de material de permeabilidade magnética alta, tal como ferro, cerâmica revestida com óxido de ferro ou outro material. O núcleo de ferrita 114 pode ser um dispositivo removível ou permeável afixado à rede de retorno de corrente.

[0046] A figura 3A ilustra o circuito de detecção de raio 116 em maiores detalhes. Conforme mostrado nesta figura, o circuito 116 pode incluir um circuito ressonante 118, um circuito integrador 120 e um transistor 122 conectado ao equipamento de monitoração externo 124. O circuito ressonante 118 pode incluir um indutor 126 e um primeiro capacitor 128 em paralelo que é paralelo a e acoplado ao circuito integrador 120 por um diodo de retificação 130. O circuito integrador 120 inclui um resistor 132 e um segundo capacitor 134 em paralelo. O circuito integrador 120 é ligado à porta 136 do transistor 122 e a fonte de transistor 138 vai até o aterramento. O transistor 122 em si é mostrado como um transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal de tipo n (n-MOSFET) normalmente aberto que provê uma fonte de corrente de tensão controlada entre o equipamento de monitoração externo 124 e o aterramento. Os elementos de redução de interferên-ciaeletromagnética (EMI) são providos na forma de um diodo zener 142 e de um diodo de dreno 144, que reduzem a chance de um feedback de corrente ou de picos de tensão que podem danificar o circuito 116.

[0047] De acordo com uma modalidade, vários dispositivos de de tecção de raio 112 são posicionados em torno da rede de retorno de corrente 102 de modo a se capturar um evento de raio. Com referência à figura 2, os dispositivos 112 preferencialmente seriam posicionados nas áreas de Zona 3, e podem ser posicionados nas áreas de Zona 1 e 2, tal como nas ou perto das nacelas de motor ou ao longo da fuselagem da aeronave.

[0048] Com referência à figura 2, a operação do dispositivo de raio 112 será descrito em maiores detalhes. Conforme será apreciado, quando não há um evento de raio, o circuito de detecção de raio 116 permanecerá em um estado sem potência. Contudo, quando há um evento de raio, o circuito será energizado para indicar o evento. Após o evento ter sido indicado, o circuito será reinicializado para um estado sem potência.

[0049] Quando um raio atinge a aeronave, um pico de corrente durando de 1 a 50 μs é transferido para a rede de retorno de corrente 102. A rede de retorno de corrente 102 forma pelo menos um laço em torno do núcleo de ferrita 114 e o indutor 126 forma um número de laços em torno do núcleo de ferrita 114, assim formando um transformador, de modo que, quando um pulso de corrente passa através da rede de retorno de corrente 102, o indutor 126 gera uma corrente complementar.

[0050] O indutor 126 e o primeiro capacitor 128 que formam o cir cuito ressonante 118 criarão uma saída de corrente alternada que energizará o circuito 116. A saída de corrente do circuito ressonante 118 é retificada pelo diodo de retificação 130 para uma saída de meia onda, antes de ser transferida para o circuito integrador 120.

[0051] O circuito integrador 120 provê uma carga e descarga len tas para o segundo capacitor 134, o que preferencialmente mantém a diferença de tensão através do capacitor em um nível de limite por vários segundos, de modo que o capacitor se torne completamente carregado. O circuito integrador provê um tempo de manutenção e uma reinicialização automática para a indicação de descarga permanecer ativa, mesmo se o equipamento de monitoração externo 124 em si for perturbado pelo evento.

[0052] Quando o segundo capacitor 134 está em um nível de limite medido pelo limite de porta do transistor 122, o circuito entre a fonte 138 e o dreno 140 é fechado, permitindo que a corrente flua através do transistor a partir do equipamento de monitoração externo 124 para o aterramento. O equipamento de monitoração externo 124 é um aparelho de monitoração externo que pode ser instalado na aeronave, e pode ser uma interface de equipamento de aeronave padrão, tal como uma discreta de abertura / aterramento, a qual detecta o sinal discreto de abertura / aterramento elétrico feito pelo circuito 116 e, então, usa isto para uma lógica de indicação de falha ou de manutenção.

[0053] O diodo zener 142 assegura que a tensão a partir da porta de transistor para a fonte não atinja um nível que possa danificar o transistor 122 ou outros componentes.

[0054] O diodo de dreno 144 é posicionado entre o equipamento de monitoração externo 124 e o transistor 122 e permite que a corrente flua a partir do equipamento de monitoração externo 124 através do transistor. Este arranjo assegura que uma corrente não possa fluir a partir do transistor 122 para o equipamento de monitoração externo 124 e cause danos, no caso de um pico de corrente no aterramento.

[0055] Outros melhoramentos para o circuito elétrico descrito aci matambém são contemplados. De acordo com a modalidade ilustrada, o circuito inclui um transistor de n-MOSFET 122 que é normalmente aberto e se fecha quando uma tensão positiva é aplicada na porta 136, permitindo que a corrente flua entre a fonte 138 e o dreno 140. Contudo, é contemplado que um MOSFET de modo de esgotamento normalmente fechado pode ser substituído pelo transistor de modo de melhoramento normalmente aberto 122.

[0056] O diodo de retificação 130 é mostrado como um diodo úni co em série entre o circuito de tanque e o circuito integrador. Este reti- ficador de meia onda apenas passa metade da forma de onda ressonante gerada pelo circuito ressonante 118 e, portanto, a quantidade de energia passada é reduzida. Contudo, este diodo pode ser substituído por um retificador de onda completa, tal como uma ponte de diodo, ou outro tipo de retificador, se uma energia adicional for requerida.

[0057] O circuito 116 também foi descrito como incluindo elemen tos de proteção de EMI, tais como o diodo zener 142 e o diodo de dreno 144. Estes elementos são incluídos para proverem proteção contra uma sobrecarga de tensão do transistor 122 (diodo zener 142) ou um feedback de corrente para o equipamento de monitoração externo 124. Contudo, estes elementos não são necessários para operação do circuito e podem ser omitidos. Elementos de proteção alternativos podem ser incluídos no lugar de ou além destes elementos de proteção.

[0058] O circuito ressonante 118 provê uma corrente alternada com base na forma de onda de raio, mas é necessário prover um diferencial de tensão para o circuito integrador 120. Um pico de corrente na rede de retorno de corrente 102 produziria um pico de tensão correspondente no indutor 126 que poderia ser usado para acionamento do transistor 122. Contudo, o circuito ressonante 118 provê a vantagem adicional de provisão de uma função de limite de banda para redução da sensibilidade do circuito a um ruído de frequência de rádio (RF), por exemplo, a partir de ruído estático de precipitação ou outro de RF.

[0059] Como um elemento passivo com uma conexão de fio única (compilador 112), a adição de um teste embutido para o circuito de detecção 116 pode não ser apropriada. A função de teste pode ser realizada pela adição de um segundo conjunto de enrolamentos no núcleo de ferrita 114 que pode prover um pulso para o circuito 116, para simular um raio. Isto serviria como um teste efetivo para se determinar que o sistema está funcionando apropriadamente.

[0060] Conforme descrito com referência à figura 1, a rede de re torno de corrente 102 pode servir como um aterramento para os com-ponenteselétricos da aeronave. Contudo, o surto de um raio através da rede de retorno de corrente 102 frequentemente é o que causa fa-lhaselétricas em vários sistemas da aeronave. Portanto, pode ser indesejável usar a rede de retorno de corrente 102 como um aterramen- to para o circuito de detecção de raio 116. De acordo com uma modalidade mostrada na figura 3A, o equipamento de monitoração externo 124 é conectado a um aterramento, tal como a rede de retorno de corrente 102, e o circuito de detecção de raio 116 é conectado a um ater- ramento independente. A figura 3B mostra um arranjo alternativo, em que o circuito de detecção de raio 116 e o equipamento de monitoração externo compartilham um aterramento comum 146, o qual pode ser um aterramento independente.

[0061] Embora o método e as formas de aparelhos expostos aqui constituam aspectos preferidos do aparelho de detecção de raio exposto e método, outros métodos e formas de aparelhos podem ser empregados, sem que se desvie do escopo da invenção.

Claims

1. Sistema autoalimentado para a detecção de um raio, compreendendo: uma rede de retorno de corrente (102) recebendo e dissipando o raio; um circuito ressonante (118) que tem um transformador em comunicação com a rede de retorno de corrente (102) e provendo uma saída elétrica alternada; um retificador (130) para retificação da saída elétrica alternada para uma saída elétrica contínua; um circuito integrador (120) que cresce até um limite de tensão quando a saída elétrica contínua é recebida, incluindo um segundo capacitor (134); o sistema autoalimentado para a detecção de um raio ca-racterizado pelo fato de que ainda compreende: um transistor de saída (122) disparado para mudar o estado pelo circuito integrador (120) quando o limite de tensão é alcançado; e um equipamento de monitoração externa (124) conectado ao transistor de saída (122) por um diodo (144), de modo que a corrente flui a partir do equipamento de monitoração externa (124) para o transistor de saída (122), em que o circuito ressonante (118) inclui um indutor (126) e um primeiro capacitor (128).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rede de retorno de corrente (102) compreende um percurso eletricamente condutivo em uma aeronave (100).

3. Método de detecção de um raio em uma rede de retorno de corrente (102), o método compreendendo as etapas de: prover um núcleo de ferrita (114) em comunicação indutiva com a rede de retorno de corrente (102); prover um circuito de detecção (116) que tem um circuito ressonante (118) em comunicação indutiva com o núcleo de ferrita (114), um circuito integrador (120) e um transistor (122); o método caracterizado pelo fato de que ainda compreende: prover um equipamento de monitorização externa (124) conectado ao transistor (122) por um diodo (144) de modo que corrente flua do equipamento de monitorização externa (124) para o transistor (122); energizar de forma indutiva do circuito ressonante (118) por um pico de corrente em uma rede de retorno de corrente (102) para a provisão de uma corrente alternada; retificar a corrente alternada por um retificador; carregar um segundo capacitor (134) no circuito integrador (120) pela corrente retificada para um nível de tensão de limite; mudar o estado de transistor quando o nível de tensão de limite for atingido; e detectar a mudança no estado como indicativo do raio, em que o circuito ressonante (118) compreende um indutor (126) e um primeiro capacitor (128).

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a retificação é por meio de um retificador de meia onda.

5. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a rede de retorno de corrente (102), o indutor (126), e o núcleo de ferrita (114) formam um transformador.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pelo fato de que o núcleo de ferrita (114) é sele-tivamenteremovível da rede de retorno de corrente (102).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de afixação do núcleo de ferrita (114) à rede de retorno de corrente (102).

8. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o fluxo de corrente a partir do equipamento de moni-torizaçãoexterna (124) através do transistor (122) é usado para a detecção da mudança no estado.

9. Aeronave, caracterizada pelo fato de que compreende o sistema como definido em na reivindicação 1 ou 2.