BR112014024899B1 - Dispositivo de proteção contra raios - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA RAIOS A invenção se refere a um dispositivo de proteção contra raios (200) para ser colocado em uma estrutura (100) a ser protegida, o dispositivo compreendendo o seguinte: uma cobertura de superfície que compreende pelo menos uma camada de tinta condutora (202); uma pluralidade de elementos eletricamente condutores (204) dispostos de forma espaçada na estrutura, os elementos entram em contato com a camada de tinta condutora (202); e uma cobertura protetora (205) disposta na cobertura da superfície e que compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora (205) cobre os elementos eletricamente condutores (204) na peça.
Description
[001] A presente invenção se refere ao campo de um dispositivo de proteção contra raios destinado ao uso em ambientes de temperatura elevada. Na invenção, o campo específico, porém não exclusivo, refere-se a um dispositivo de proteção contra raios para peças quentes presentes nos propulsores de lançadores espaciais ou táticos, etc. ou aeroespaciais.
[002] Os propulsores podem ser identificados nos lançadores ou nas peças do corpo posterior de aeronaves que podem ser atingidas por um raio durante o voo. Quando a peça(s), atingida por um raio, é feita de um material não condutor, como material compósito, ou cobertas por material dielétrico, sua estrutura pode ser seriamente danificada pelo pulso e os componentes contínuos do arco elétrico criado pelo raio.
[003] Existem várias técnicas disponíveis que conferem proteção contra os raios e elas se definem, principalmente, por facilitar o fluxo da eletricidade dos raios no dispositivo de proteção, e não na estrutura a ser protegida, aumentando rapidamente o tamanho da raiz ou “término” do arco do raio e reduzindo suas tensões térmica e mecânica.
[004] Entre as soluções já existentes, propõem-se as coberturas que conferem proteção contra os raios compostos da seguinte forma:
[005] - tecidos metálicos presos na superfície da peça a ser protegida;
[006] - grades metálicas utilizadas de placas metálicas com fendas que são esticadas para formarem uma grade, a grade é também presa na superfície da peça a ser protegida;
[007] - camadas condutoras feitas com a deposição de partículas metálicas, isto é, em níquel, na superfície da peça a ser protegida, para aumentar sua condutividade; e
[008] - fibras metálicas tecidas diretamente na textura da fibra no reforço da peça de material compósito a ser protegida, para formar pequenos pontos múltiplos na superfície da peça que são apropriados à dispersão da raiz no arco do raio.
[009] Ainda que existam vantagens nas coberturas acima indicadas, elas apresentam algumas desvantagens, cuja principal delas se dá pela fraca resistência a temperaturas elevadas. Além disso, algumas coberturas são de difícil colocação em estruturas de forma complexa.
[010] A presente invenção, pelas razões acima, tem como objetivo propor uma solução para conferir proteção contra raios em estruturas que não são condutoras ou que são cobertas por material dielétrico, tornando-a segura em ambientes de temperatura elevada.
[011] Para este fim, a invenção propõe um dispositivo de proteção contra raios para ser disposto em uma estrutura a ser protegida, o dispositivo compreende pelo menos o seguinte:
[012] uma cobertura de superfície que compreende pelo menos uma camada de tinta condutora;
[013] - uma pluralidade de elementos eletricamente condutores dispostos de forma espaçada na estrutura a ser protegida, nela diretamente ou na camada condutora na cobertura da superfície, os elementos entram em contato com a camada de tinta condutora; e
[014] - uma cobertura protetora disposta na cobertura da superfície e que compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora cobre os elementos eletricamente condutores na peça.
[015] A medida acima confere proteção eficaz contra trovoadas, em particular pelos elementos eletricamente condutores que são utilizados e apropriados para descarregar rapidamente uma grande quantidade de eletricidade em caso de trovoada e também para amplificar o local do campo eletromagnético, estimulando o aparecimento do arco elétrico no dispositivo de proteção e protegendo a estrutura subjacente.
[016] Além disso, em razão da presença da cobertura protetora de isolamento térmico, a integridade do dispositivo de proteção é preservada, mesmo quando utilizada em estruturas que ficam expostas a grandes fluxos de calor. Visto que a cobertura protetora é também eletricamente condutora, ela contribui para a eficácia térmica geral do dispositivo ao propiciar continuidade elétrica entre os elementos eletricamente condutores e a tinta condutora.
[017] Outrossim, o modelo do dispositivo é apropriado para ser adaptado à qualquer forma, mesmo as complexas.
[018] No primeiro aspecto do dispositivo, os elementos eletricamente condutores compreendem tiras metálicas, cada uma inclui pelo menos uma borda projetada além da cobertura protetora. A presença de pelo menos uma borda exposta para fora da cobertura propicia a criação de um efeito ponta e estimula a criação do arco elétrico nos elementos do dispositivo de proteção, e não na estrutura a ser protegida. Para este fim, as tiras metálicas podem, em particular, apresentar uma seção triangular, retangular ou quadrada.
[019] No segundo aspecto, pelo menos alguns elementos eletricamente condutores são interconectados, para aumentar a capacidade do dispositivo de proteção contra raios na descarga da corrente elétrica. Os elementos eletricamente condutores podem ser interconectados por condutores elétricos de qualquer tipo, como fios, tranças metálicas ou camada condutora.
[020] A invenção também propõe uma estrutura sensível a raios e operada em ambientes de temperatura elevada, a estrutura se caracteriza por pelo menos uma porção sua ser disposta no dispositivo de proteção contra raios. A estrutura corresponde, em particular, a um bocal, um corpo posterior ou um propulsor de lançador.
[021] A invenção ainda propõe um método de elaboração de um dispositivo de proteção contra raio em uma estrutura a ser protegida, o método compreende pelo menos o seguinte:
[022] - depósito de uma cobertura de superfície na estrutura a ser protegida, a cobertura compreende pelo menos uma camada de tinta condutora;
[023] - ajuste de uma pluralidade de elementos condutores espaçados eletricamente na camada de tinta condutora na cobertura da superfície ou diretamente na estrutura antes que a cobertura da superfície seja formada; e
[024] - depósito de uma cobertura protetora na cobertura da superfície, a cobertura protetora compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora cobre os elementos eletricamente condutores na peça.
[025] No primeiro aspecto do método da invenção, ele inclui o ajuste das tiras metálicas diretamente na estrutura ou na camada de tinta condutora, isto é, pelo ajuste mecânico ou adesivo, para formar os elementos eletricamente condutores, cada tira metálica inclui pelo menos uma borda projetada além da cobertura protetora.
[026] No segundo aspecto, a tira metálica apresenta uma seção triangular, retangular ou quadrada.
[027] No terceiro aspecto da invenção, o método também compreende a interconexão de pelo menos alguns dos elementos eletricamente condutores.
[028] Outras características e vantagens da invenção são apresentadas a seguir na descrição de suas modalidades particulares, na forma de exemplos não limitados, com referência aos seguintes desenhos em anexo:
[029] - a Figura 1 é um fluxograma das etapas do método de fabricação do dispositivo de proteção contra raios da invenção, como mostrado nas Figuras 2A a 2F;
[030] - as Figuras 2A a 2F são vistas diagramáticas do método de fabricação do dispositivo de proteção contra raios na implementação da invenção.
[031] - a Figura 3 é um fluxograma das etapas do método de fabricação do dispositivo de proteção contra raios, como mostrado nas Figuras 4A a 4E; e
[032] - a Figuras 4A a 4E são vistas diagramáticas do método de fabricação do dispositivo de proteção contra raios de acordo com outra implementação da invenção.
[033] O dispositivo de proteção contra raios da invenção é, preferivelmente, mas não exclusivamente, para uso em qualquer estrutura feita de material que não condutor de eletricidade ou coberto por um material de isolamento elétrico ou camada em sua superfície(s) para proteger, na forma aplicada aos exemplos da cobertura de proteção térmica utilizada em lançadores, a estrutura, que também é utilizada em ambientes de temperatura elevada.
[034] O método de fabricação do dispositivo de proteção contra raios é uma implementação da invenção, na forma descrita com referência às Figuras 1 e 2A a 2F.
[035] A Figura 2A mostra uma peça axissimétrica 100 correspondente à estrutura a ser protegida contra os raios. A peça 110 pode ser feita de um material compósito termoestrutural não condutor de eletricidade, isto é, correspondente a submontagem do motor de um foguete ou aeronave que fica exposto a temperaturas elevadas e geradas pelo gás quente que entra pelo motor.
[036] Por exemplo, a peça 100 é feita de um material compósito de carboneto de silício/carboneto de silício (SiC/SiC), que, sabidamente, é uma material composto pelo reforço das fibras de SiC e densificado por uma matriz de SiC. Os materiais compósitos termoestruturais, como material de SiC/SiC, caracterizam-se por suas propriedades mecânicas de alto grau, tornando-as apropriadas à composição de peças estruturais, e por sua capacidade de conservação das propriedades mecânicas em temperaturas elevadas.
[037] A peça 100 tem uma superfície externa feita de um material não condutor de eletricidade que pode ser atingido por um raio. Caso a peça ou o conjunto no qual ela é incorporada seja atingida por um raio, o arco elétrico formado da maneira acima pode danificar ou destruir a peça (com efeitos diretos ou indiretos). O mesmo se aplica à cobertura dielétrica presente nas superfícies das estruturas a serem protegidas.
[038] Para o fim acima, e de acordo com uma implementação da invenção, o dispositivo de proteção contra raios, apropriado para suportar temperaturas elevadas, é formado na superfície externa da peça 100, correspondente, neste exemplo, à porção da peça 100 a ser protegida contra os raios.
[039] A preparação do dispositivo de proteção começa ao ser depositada uma camada de tinta metálica 202 ou eletricamente condutora na superfície externa da peça 100 a ser protegida (etapa S2, Figura 2C). no exemplo supradescrito, uma camada primária 201, isto é, primário epóxi, é depositada previamente na superfície da peça 100, para aumentar a adesão da tinta condutora (etapa Sl, Figura 2B). Entretanto, quando a peça a ser protegida apresenta um estado de superfície que é compatível à tinta metálica a ela aderente, o depósito prévio da camada primária é desnecessário e a tinta metálica pode ser depositada diretamente na superfície da peça.
[040] A tinta condutora, além da camada primária, se for o caso, pode ser depositada por pulverização ou depósito manual. A tinta condutora pode ser composta por uma resina de acrílico que incorpora pigmentos baseados em partículas metálicas, como, por exemplo, de prata, alumínio, cobre, etc. A tinta pode, opcionalmente, ser diluída em um solvente antes da aplicação. Além disso, uma pluralidade de camadas de tinta condutora pode ser depositada consecutivamente, para obter a espessura visada na camada e, como consequência, o valor visado na condutividade da superfície.
[041] A preparação do dispositivo de proteção continua com a deposição dos elementos eletricamente condutores na tinta metálica (etapa S4, Figura 2E). No exemplo supradescrito, os elementos eletricamente condutores são compostos por tiras metálicas 204, isto é, feitas de alumínio ou cobre, que apresentam uma seção triangular formando uma borda direcionada para fora 2040.
[042] No exemplo supradescrito, as tiras metálicas 204 são ligadas na camada de tinta metálica 202 com um adesivo termicamente condutor, como, por exemplo, um elastômero de silicone de componente único. Para este fim, a camada primária 203, isto é, primário epóxi preenchido com partículas eletricamente condutoras, é depositada previamente na camada de tinta metálica 202, para aumentar a adesão das tiras metálicas 204 (etapa S3, Figura 2D).
[043] Para criar o efeito ponta destinado a uma melhor atração dos raios, cada elemento eletricamente condutor utilizado no dispositivo de proteção contra raios inclui, preferivelmente, pelo menos uma borda voltada para o exterior do dispositivo, quando os elementos são ajustados na tinta metálica. Assim, as tiras podem ficar em uma seção que não a triangular. Por exemplo, os elementos eletricamente condutores podem, igualmente, ser compostos por tiras metálicas apresentando uma seção quadrada ou triangular.
[044] Na implementação supradescrita, as tiras metálicas 204 são ligadas à camada de tinta metálica 202 pela camada primária 203. Entretanto, pode-se também utilizar um meio de fixação mecânico para reter as tiras metálicas. Em particular, pode-se utilizar colares de fixação previamente ligados à camada primária, ou qualquer outro sistema mecânico para ajustar as tiras metálicas.
[045] Uma corrente elétrica presente na tira metálica pode ser transmitida, pelo menos em parte, para as outras tiras metálicas pela camada de tinta condutora, facilitando a descarga de eletricidade acumulada em uma ou mais tiras metálicas. Dependendo das condições, a capacidade do dispositivo de proteção para descarregar eletricidade pode ser ainda maior pela conexão direta de todas ou algumas tiras metálicas juntas, utilizando elementos condutores, como tranças ou fios metálicos.
[046] Após as tiras metálicas 204 terem sido ajustadas na camada primária 203, a cobertura protetora 205 é depositada na cobertura da superfície presente entre as tiras metálicas, na camada primária 203, neste exemplo, e, em parte, nas tiras metálicas 204 (etapa S5, Figura 2F). A espessura da cobertura protetora depositada é menor do que a altura das tiras metálicas 204, para que a borda 2040 de cada tira não seja coberta pela cobertura protetora 205, exercendo função integral em seu efeito ponta.
[047] A cobertura protetora 205 é isolada termicamente para proteger a tinta metálica dos fluxos de calor ao redor, além de ser eletricamente condutora, para aumentar a condução elétrica entre as tiras metálicas e a tinta metálica. A cobertura protetora 205 apresenta, preferivelmente, uma condutividade térmica inferior a 0,1 watts por metro e kelvin (W . m'1 . K’1) e resistência de superfície inferior a 200 ohms por metro quadrado. A cobertura protetora 205 pode ser composta por resina de silicone preenchida com partículas eletricamente condutoras, como partículas de prata. A cobertura protetora é depositada por pulverização. Ela pode ser depositada como uma pluralidade de camadas sucessivas, para obter a espessura visada e, consequentemente, a condutividade de superfície visada. As bordas 2040 das tiras 204 podem ser cobertas previamente com uma proteção removível, para que a cobertura protetora não seja depositada sobre ela durante a pulverização.
[048] Como mostrado na Figura 2F, o dispositivo de proteção 200 é obtida na superfície 100a da peça 100, cujo referido dispositivo compreende o seguinte:
[049] - uma cobertura de superfície que é composta, neste exemplo, pela primeira camada primária 201, uma camada de tinta metálica 202 e a segunda camada primária 203;
[050] - uma pluralidade de tiras metálicas 204 em contato com a camada de tinta metálica 202 pela segunda camada primária 203; e
[051] - uma cobertura protetora 205 presente entre as tiras metálicas, cobrindo-as em parte.
[052] As Figuras 3 e 4A a 4E descrevem outra modalidade de dispositivo de proteção contra raios que difere do dispositivo supradescrito 200, no sentido de que as tiras metálicas são ajustadas diretamente na superfície da superfície a ser protegida, e elas são subsequentemente cobertas com a tinta metálica.
[053] Mais precisamente, a preparação do dispositivo de proteção começa com a disposição dos elementos eletricamente condutores na estrutura 300 a ser protegida contra os raios, cujos elementos são compostos, neste exemplo, pelas tiras metálicas 404 da seção triangular, cada uma formando uma borda direcionada para fora 4040 (etapa Sl, Figura 4A). As tiras metálicas 404 podem ser ligadas adesivamente na estrutura 300 e/ou mantidas com a ajuda de meios mecânicos (colares, parafusos, etc.).
[054] Uma camada eletricamente condutora ou de tinta metálica 402 é depositada na superfície externa da estrutura 300 a ser protegida (etapa S3, Figura 4C). No exemplo supradescrito, a camada primária 401, isto é, de epóxi, é previamente depositada na superfície da estrutura 300, para aumentar a adesão da tinta condutora (etapa S2, Figura 4B). Entretanto, quando a peça a ser protegida apresenta um estado de superfície que é compatível com a ligação da tinta metálica, o depósito anterior da camada metálica é desnecessário, e a tinta metálica pode ser depositada diretamente na superfície da peça.
[055] No exemplo supradescrito, a camada de tinta metálica 402 cobre as tiras metálicas 404. Entretanto, as tiras metálicas podem ser temporariamente protegidas durante a deposição da camada de tinta metálica, para que as tiras não fiquem cobertas.
[056] A preparação do dispositivo de proteção continua com a deposição da cobertura protetora 405 na cobertura da superfície presente entre as tiras metálicas, neste exemplo, a camada primária 401 e também as tiras metálicas 404 em parte (etapa S5, Figura 4E). A espessura da cobertura de proteção depositada é inferior à altura das tiras metálicas 404, para que a borda de cada tira se projete pela cobertura protetora 405 e execute o efeito ponta por inteiro. No exemplo supradescrito, a camada primária 403 é previamente depositada na tinta metálica presente entre as tiras 404 (etapa S4, Figura 4D).
[057] A cobertura protetora 405 é isolada termicamente para proteger a tinta metálica dos fluxos de calor ao redor, além da camada eletricamente condutora, para aumentar a condução elétrica entre as tiras metálicas e a tinta metálica. A cobertura protetora 205 apresenta, preferivelmente, uma condutividade térmica inferior a 0,1 W . m'1 . K’1 e resistência de superfície inferior a 200 ohms por metro quadrado. A cobertura protetora pode ser composta por uma resina de silicone preenchida com partículas eletricamente condutoras, como partículas de prata. A cobertura protetora é depositada por pulverização. Ela pode ser depositada como uma pluralidade de camadas sucessivas, para obter a espessura visada e, consequentemente, a condutividade visada na superfície. As bordas 4040 das tiras 404 podem ser previamente cobertas com uma proteção removível, para que a cobertura protetora não seja depositada sobre ela durante a pulverização.
[058] Como mostrado na Figura 4E, o dispositivo de proteção 400 é obtida na superfície da peça 300, o dispositivo compreende o seguinte:
[059] - uma pluralidade de tiras metálicas 404 em contato com a estrutura 300;
[060] - uma cobertura de superfície composta, neste exemplo, pela primeira camada primária 401, uma camada de tinta metálica 402 e a segunda camada primária 403; e
[061] - uma cobertura protetora 405 presente entre as tiras metálicas, cobrindo-as em parte.
Claims (11)
1. Dispositivo de proteção contra raios (220) para ser colocado em uma estrutura (100) a ser protegida, caracterizado por compreender pelo menos o seguinte: - uma cobertura de superfície que compreende pelo menos uma camada de tinta condutora (202); - uma pluralidade de elementos eletricamente condutores (204) dispostos de forma espaçada na estrutura, os elementos entram em contato com a camada de tinta condutora (202); e - uma cobertura protetora (205) disposta na cobertura da superfície e que compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora (205) cobre os elementos eletricamente condutores (204) na peça.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os elementos eletricamente condutores (204) compreenderem tiras de metal, cada uma inclui pelo menos uma borda (2040) projetada além da cobertura protetora.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por as tiras de metal apresentarem uma seção que é triangular.
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por pelo menos alguns dos elementos eletricamente condutores (204) serem interconectados.
5. Estrutura (100) sensível a raios e destinada a ser operada em ambientes de temperatura elevada, caracterizada por pelo menos uma porção dela ser disposta no dispositivo de proteção contra raios (200) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
6. Estrutura de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por ser composta por pelo menos um dos seguintes elementos de um propulsor: um bocal, um corpo posterior e uma carcaça.
7. Método de produção de um dispositivo de proteção contra raios (200) em uma estrutura (100) a ser protegida, caracterizado por compreender pelo menos: - o depósito de uma cobertura de superfície na estrutura a ser protegida, a cobertura compreende pelo menos uma camada de tinta condutora (202); - o ajuste de uma pluralidade de elementos condutores espaçados eletricamente (204) na camada de tinta condutora (202) na cobertura da superfície; e - o depósito de uma cobertura protetora (205) na cobertura da superfície, a cobertura protetora compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora (205) cobre os elementos eletricamente condutores (204) na peça.
8. Método de produção de um dispositivo de proteção contra raios (300) em uma estrutura (400) a ser protegida, caracterizado por compreender pelo menos: - o ajuste de uma pluralidade de elementos condutores espaçados eletricamente (404) na estrutura (300); - o depósito de uma cobertura de superfície na estrutura a ser protegida, a cobertura compreende pelo menos uma camada de tinta condutora (402); e - o depósito de uma cobertura protetora (405) na cobertura da superfície, a cobertura protetora compreende um material que é termicamente isolante e eletricamente condutor, a cobertura protetora (405) cobre os elementos eletricamente condutores (404) na peça.
9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou reivindicação 8, caracterizado por incluir o ajuste das tiras de metal na camada de tinta condutora (202) ou na estrutura (300), para formar os elementos eletricamente condutores (204; 404), cada tira de metal inclui pelo menos uma borda (2040, 4040) estendida acima da cobertura protetora (205, 405).
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por cada tira de metal apresentar uma seção que é triangular.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado por incluir também a conexão conjunta de pelo menos alguns dos elementos eletricamente condutores (204; 404).
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