BRPI0618503A2 - sistema de detecção e de localização de água em uma estrutura prensada de aeronave - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE DETECçãO E DE LOCALIZAçãO DE áGUA EM UMA ESTRUTURA PRENSADA DE AERONAVE A invenção se refere a um sistema de detecção e de localização de água em uma estrutura prensada (1) para aeronave, comportando um meio para aquecer a água presente em uma camada intermediária da estrutura prensada e um meio para fotografar pelo menos uma imagem de uma superfície deestrutura prensada, essa imagem mostrando zonas notáveis dessa superfície correspondentes à presença de água na camada intermediária, no qual o meio para aquecer a água comporta um dispositivo (2, 3, 6) para emitir, no interiorda estrutura prensada, microondas a uma frequência sensivelmente igual à freqúência de ressonância das moléculas de água. A invenção se refere também a um processo aplicado por esse sistema.
Description
SISTEMA DE DETECÇÃO E DE LOCALIZAÇÃO DE ÁGUA EM UMA ESTRUTURA PRENSADA DE AERONAVE
DOMÍNIO DA INVENÇÃO
A invenção se refere a um sistema para detectar e localizar a presença de água em estruturas encaixotadas de aeronave e, notadamente, em estruturas compósitas de tipo prensado. A invenção encontra aplicações no domínio da aeronáutica e, em particular, no domínio da manutenção com controle não destrutivo das estruturas de aeronave. A invenção se aplica mais particularmente às estruturas ditas encaixotadas, isto é, às estruturas fechadas realizadas em materiais compósitos com um envoltório externo em carbono e uma camada interna em ninho de abelha.
ESTADO DA TÉCNICA
No domínio da aeronáutica e, em particular, da manutenção das aeronaves em serviço, é importante detectar a presença de água nas estruturas da aeronave. Com efeito, a água pode estar presente em certas peças na aeronave, notadamente em peças em materiais compósitos de tipo prensado. Um material de tipo prensado comporta uma estrutura alveolar, formando uma camada interna. Essa camada interna é recoberta de cada lado por um revestimento. A estrutura alveolar pode ser uma camada em ninho de abelha em papelão, como o Nomex®, ou em ninho de abelha em fibras de vidro ou em espuma. Os revestimentos podem ser realizadas em um material impermeável. Eles podem ser moldados de forma a se unirem, sobre a borda da peça, formando assim um envoltório em torno da estrutura alveolar. As peças assim formadas são denominadas encaixotadas. Por exemplo, os alçapões de trens de aterrissagens, os lemes de profundidades, os radomes ou ainda os elevadores são peças freqüentemente fabricadas em compósito prensado.
Ora, a presença de água nessas peças, notadamente na camada interna que forma a camada intermediária da estrutura encaixotada, afeta a manutenção e o peso das estruturas, o que pode acarretar um comportamento indesejável da aeronave em vôo.
Atualmente, a presença de água nessas estruturas é detectada, por inspeções regulares quando da fase de manutenção, seja por manifestações de sua presença (intumescência das estruturas, manchas de condensação, etc), seja nos casos mais extremos, pelos efeitos dos acionadores mecânicos devido ao aumento do peso da estrutura.
Atualmente, no caso de uma inspeção, quando de uma tarefa de manutenção da aeronave, a presença de água em estruturas prensadas é geralmente detectada com o auxílio de uma fonte externa de calor. Essa técnica de detecção clássica consiste em aquecer a água presente no interior da estrutura prensada por meio de uma fonte de calor externa.
Essa fonte de calor pode ser uma estufa ou uma cobertura aquecedora, isto é, uma cobertura atravessada por uma resistência que permite aquecer o conjunto da superfície recoberta por essa cobertura. O aquecimento da água provoca, seja uma deformação da estrutura, seja um aumento da temperatura da superfície da estrutura. Durante a fase de manutenção da aeronave, se uma deformação da estrutura ou uma elevação da temperatura da superfície da estrutura for detectada, o pessoal de manutenção deduzirá daí a presença de água nessa estrutura com o auxílio seja de um interferômetro (sistema de shearography) , seja de uma câmera sensível às radiações infravermelhas.
A detecção de uma deformação da estrutura prensada é realizada por um processo de interferometria holográfica. A interferometria holográfica é um método de localização baseada na utilização de duas imagens holográficas superpostas, que fazem aparecer as partes de uma peça na qual os esforços se manifestam. Em outros termos, a interferometria holográfica consiste em realizar duas imagens holográficas, isto é, duas imagens em relevo, que são superpostas para fazer aparecer as diferenças entre as duas imagens. Essas diferenças correspondem à deformação da estrutura prensada. Deduz-se daí que, no lugar da deformação, se encontra água na camada intermediária da estrutura prensada.
O aumento da temperatura da superfície da estrutura é detectado por meio de uma câmera térmica ou de uma câmera infravermelha, cuja particularidade é colocar em evidência, sobre uma imagem, as zonas da superfície da estrutura nas quais a temperatura é diferente. No lugar dessas zonas, se encontra água na camada intermediária da estrutura prensada.
Todavia, essa técnica necessita de aquecimento do conjunto da estrutura a inspecionar com a finalidade de aquecer a água eventualmente infiltrada na camada intermediária dessa estrutura. Ora, deve ser observado que certos defeitos de construção da estrutura, tais como excedentes de resina ou de adesivo, apresentam a mesma assinatura térmica que um alvéolo em ninho de abelha, no qual se acha a água. Assim, sob o efeito do calor, esses defeitos têm a mesma representação visual, sobre as imagens adquiridas pela câmera, que infiltrações de água. Essa técnica não permite, portanto, nenhuma discriminação dos defeitos. A presença de resina ou de adesivo em excesso é detectada como a presença de água em um alvéolo. 0 pessoal de manutenção procede, então, a reparos que não devem ser feitos.
Além disso, o fato de aquecer o conjunto da estrutura a inspecionar acarreta a utilização de um dispositivo relativamente volumoso e pesado de utilizar: no caso de um aquecimento em estufa, é necessário isolar a peça a inspecionar em uma estufa; no caso de uma cobertura aquecedora, é preciso instalar a cobertura aquecedora bem horizontalmente sobre a peça a inspecionar e a conectar a uma fonte de alimentação elétrica.
Além disso, para realizar a inspeção das estruturas prensadas, é necessário imobilizar a aeronave previamente a qualquer reparo, a fim de determinar se houver ou não infiltração de água na estrutura. 0 período necessário à inspeção da aeronave é relativamente longo, da ordem de 8 horas. Ora, a imobilização de uma aeronave é cara. A esse tempo de imobilização para inspeção, é necessário acrescentar também o tempo necessário ao preparo da estrutura, seja aproximadamente 32 horas, assim como o tempo de desmontagem, de remontagem e de ajuste das peças que não podem ser inspecionadas sob a aeronave. O tempo de imobilização total da aeronave é, portanto, relativamente importante, o que acarreta um custo considerável.
EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO A invenção tem justamente por finalidade prevenir os inconvenientes das técnicas expostas anteriormente. Para isso, a invenção propõe um sistema que permite aquecer unicamente a água infiltrada na estrutura. 0 revestimento externo da estrutura prensada não é aquecido totalmente, o que tem por efeito que os eventuais defeitos de construção da estrutura não sejam aquecidos e, portanto, não são detectados pela câmera. Para isso, a invenção propõe aquecer a água presente em uma estrutura prensada, por meio de microondas eletromagnéticas geradas na estrutura a inspecionar, essas microondas tendo por efeito aquecer a água. A detecção de água é feita em seguida por meio de uma câmera térmica ou de um dispositivo de interferometria holográfica.
Esse sistema tem a vantagem de detectar facilmente a presença de água na estrutura sem necessidade de uma longa imobilização da aeronave, o que permite realizar os reparos precocemente e, portanto, com menor custo.
De forma mais precisa, a invenção se refere a um sistema de detecção e de localização de água em uma estrutura prensada para aeronave, comportando um meio para aquecer a água presente em uma camada intermediária da estrutura prensada e um meio para prender pelo menos uma imagem de uma superfície da estrutura prensada, essa imagem mostrando zonas notáveis dessa superfície correspondente à presença de água na camada intermediária,
caracterizado pelo fato de o meio para aquecer a água comporta um dispositivo (2, 3, 6) para emitir, no interior da estrutura prensada, microondas a uma freqüência sensivelmente igual à freqüência de ressonância das moléculas de água.
A invenção pode comportar também uma ou várias das seguintes características:
- o dispositivo de emissão de microondas comporta um gerador de microondas, externo à estrutura prensada, pelo menos um emissor de microondas, situado no interior da estrutura, e pelo menos um guia de ondas para transmitir as microondas do gerador ao emissor;
- o gerador de microondas emite ondas a uma freqüência sensivelmente igual à freqüência de ressonância das moléculas de água;
o meio para fotografar imagens é uma câmera infravermelha ou uma câmera térmica apta a detectar uma zona quente na superfície da estrutura, essa zona quente correspondendo à presença de água quente pelas microondas;
- o meio para fotografar imagens é um dispositivo de interferometria holográfica apta a detectar zonas deformadas da superfície da estrutura prensada, essas zonas deformadas correspondendo à presença de água aquecida pelas microondas;
- o dispositivo de emissão de microondas comporta dois emissores de microondas;
- os dois emissores de microondas emitem a freqüências diferentes;
- um emissor de microondas é uma antena inamovível;
- uma antena inamovível comporta uma base fixada sobre a estrutura e uma haste condutora situada no interior da estrutura;
- um emissor de microondas é uma antena amovível;
- uma antena amovível comporta uma haste condutora instalada em um orifício da estrutura, esse orifício sendo obturado por um bujão estanque, em vôo.
A invenção se refere também a um processo de detecção de água em uma estrutura prensada para a aeronave, caracterizado pelo fato de comportar as seguintes operações:
emissão de microondas no interior da estrutura prensada;
realização de pelo menos uma imagem de uma superfície da estrutura prensada; e
detecção, sobre a imagem da superfície dessa estrutura, de uma zona notável correspondente à presença de água em uma camada intermediária dessa estrutura prensada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 representa esquematicamente um exemplo de sistema de detecção, de acordo com a invenção.
A figura 2 representa um exemplo de imagem obtida com uma câmera infravermelha, de acordo com a invenção.
A figura 3 representa um outro exemplo de imagem obtida com o sistema da invenção, no caso em que a assinatura térmica é não homogênea.
A figura 4 representa ainda um outro exemplo de imagem obtida com o sistema de invenção, no caso em que a assinatura térmica é homogênea.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
A invenção se refere a um sistema para detectar a presença de água em uma estrutura prensada, por injeção de microondas nessa estrutura. Esse sistema é representado esquematicamente na figura 1. Essa figura 1 mostra um exemplo de estrutura a inspecionar equipada com o sistema da invenção. A estrutura a inspecionar 1 é uma estrutura, ou peça, fechada, comportando um ou vários alvéolos. No exemplo da figura 1, a estrutura a inspecionar 1 tem uma forma retangular. Naturalmente, ela pode ter formas diversas e, em particular, formas adaptadas à estrutura de uma aeronave. Essa estrutura a inspecionar pode ser, por exemplo, o alçapão de trem dianteiro de uma aeronave.
A estrutura a inspecionar é uma estrutura prensada tendo revestimentos em carbono e uma camada intermediária em ninho de abelhas. 0 ninho de abelhas tem a vantagem de não absorver as ondas eletromagnéticas. 0 carbono apresenta a vantagem de ser intransponível pelas ondas eletromagnéticas. Assim, com essa estrutura, as ondas injetadas no interior da estrutura prensada se propagam na camada na linha de abelha, entre os dois revestimentos em carbono. Essas ondas, quando encontram a água, têm por efeito aquecer essa água.
Conforme mostrado na figura 1, o sistema da invenção comporta um dispositivo para emitir microondas no interior da estrutura a inspecionar. Esse dispositivo de emissão compreende um gerador de ondas 2 situado no exterior da estrutura a inspecionar 1. As ondas produzidas pelo gerador 2 são microondas. Esse dispositivo de emissão comporta também um emissor 3, ou antena, instalado(a) na estrutura 1. Pelo menos um emissor é montado em cada peça a inspecionar da aeronave. 0 emissor 3 da peça a inspecionar 1 é ligada ao gerador 2 por meio de uma orientação de ondas 6. Esse guia de ondas pode ser um cabo coaxial.
O guia de ondas 6 transmite ao emissor 3 microondas geradas pelo gerador 2. O emissor 3 transmite essas microondas na camada interna, isto é, a camada em ninho de abelha, da estrutura 1. Propagando-se na camada interna, as microondas aquecem a água presente na estrutura 1.
Em um modo de realização preferido da invenção, as microondas são geradas a uma freqüência sensivelmente igual à freqüência de ressonância das moléculas de água, o que excita as moléculas de água. Essa excitação se traduz por um aumento da temperatura da água. 0 calor liberado por esse aumento da temperatura da água se transmite à superfície da estrutura a inspecionar. Esse calor tem por conseqüência aquecer e deformar uma zona da superfície da estrutura.
O sistema da invenção comporta também um dispositivo de fotografia de imagens 5, situado no exterior da estrutura a inspecionar 1 e que realiza pelo menos uma imagem da superfície da estrutura. Em um modo de realização da invenção, o dispositivo de fotografia de imagens é uma câmera térmica ou uma câmera infravermelha que realiza uma imagem da estrutura a inspecionar. A câmera térmica e a câmera infravermelha têm a particularidade de analisar os diferentes elementos da tomada de vista em função de suas radiações térmicas. Elas permitem, uma contra a outra, identificar os pontos quentes sobre uma imagem. Na invenção, essa câmera permite identificar as zonas quentes da estrutura a inspecionar 1. Cada zona quente corresponde ao local de uma infiltração de água na camada interna da estrutura.
Em um outro modo de realização, o dispositivo de fotografia de imagens é um dispositivo de interferometria holográfica que realiza duas imagens holográficas da superfície da estrutura a inspecionar 1. Essas imagens holográficas são superpostas, permitindo assim detectar zonas deformadas. Na invenção, esse dispositivo de interferometria holográfica detecta as zonas da superfície da estrutura 1 que se deformaram sob o efeito do calor. Essas zonas deformadas correspondem, cada uma, ao local de uma infiltração de água na camada interna da estrutura.
Independentemente do tipo de dispositivo de fotografia de imagens (dispositivo de interferometria holográfica ou câmera), as imagens obtidas da superfície da estrutura a inspecionar mostram as zonas notáveis dessa superfície, isto é, as zonas quentes ou as zonas deformadas que correspondem a um ponto de água no interior da estrutura.
Em um exemplo do sistema da invenção, o gerador 2 emite microondas a uma freqüência de 2,45 GHz. As microondas não atravessando os revestimentos em carbono da estrutura prensada, elas permanecem contidas na estrutura fechada; elas podem, portanto, ser emitidas sem risco para a segurança do pessoal de manutenção.
Em um modo de realização da invenção, o emissor é uma antena inamovível. Ela é, portanto, instalada permanentemente na estrutura. Nesse caso, cada peça da aeronave capaz de ser inspecionada comporta pelo menos uma antena fixa. Essa antena pode comportar:
- uma base fixada no revestimento em carbono da estrutura a inspecionar. A base comporta um borne de entrada apto a receber o guia de onda 6;
- uma haste condutora fixada sobre a base e formando uma protuberância na camada interna da estrutura a inspecionar. Essa haste condutora transmite as microondas ao interior da estrutura 1. 0 comprimento dessa haste condutora é adaptado à estrutura a inspecionar. Por exemplo, a haste condutora pode ter um comprimento da ordem de 3 0 mm.
Em um outro modo de realização, o emissor é uma antena amovível. Nesse caso, um orifício é pré-formado no revestimento em carbono da estrutura a inspecionar. Em fase de inspeção, a antena é instalada nesse orifício. Fora da fase de manutenção, o orifício é obturado por meio de um bujão estanque. Esse bujão pode ser, por exemplo, parafusado na estrutura. Assim, quando da inspeção da estrutura, o bujão é desaparafusado e o emissor é instalado no lugar do bujão no orifício. Quando a inspeção é concluída, o bujão é reaparafusado no orifício. Esse emissor tem a vantagem de não acarretar nenhum rasto, em vôo, notadamente quando a estrutura é colocada no fluxo aerodinâmico.
Em um outro modo de realização, o orifício é cheio pela resina, desde que a estrutura esteja fora de manutenção.
Quer seja fixo ou amovível, o emissor pode ser uma antena radial, isto é, que emite em todas as direções de um plano, em particular quando a potência de emissão das micro circuito é elevada, ou uma antena com feixes direcionais, em particular quando a potência disponível é menor.
Na figura 2, representou-se um exemplo de imagem da superfície de uma estrutura prensada infiltrada de água, obtida com uma câmera infravermelha. Nessa imagem, observa- se uma pluralidade de manchas, cada mancha correspondendo à detecção de uma zona quente à superfície da estrutura. Uma dessas manchas têm uma forma particularmente redonda: ela corresponde à antena 3. O local da antena sendo conhecido, é fácil marcar, na imagem, a mancha correspondente à antena em relação às outras manchas. As outras manchas detectadas 7 correspondem a pontos quentes da superfície da estrutura. Cada ponto quente corresponde à presença de água infiltrada na estrutura. Assim, a imagem fornecida pela câmera infravermelha permite marcar, sobre o revestimento externo da estrutura prensada, as zonas das quais o local corresponde à presença de água na camada interna. Já que só água é sensível às microondas, todas as zonas quentes detectadas na superfície da estrutura prensada correspondem a uma zona infiltrada de água. Os defeitos de construções não são detectados.
Nos modos de realização descritos anteriormente, um só emissor é utilizado para transmitir as microondas na camada interna da superfície a inspecionar. A utilização de um só emissor pode acarretar uma não homogeneização do campo eletromagnético na estrutura. Nesse caso, as zonas infiltradas de água não apresentam uma elevação de temperatura idêntica. As manchas na imagem têm aspectos diferentes. Um exemplo de imagem obtida por uma câmera infravermelho na qual a assinatura térmica é não homogênea está representado na figura 3. Nesse exemplo, o emissor permite uma detecção de água sobre uma zona de 8 00 mm.
Nessa zona, quatro pontos quentes 8a, 9a, 10a, 11a, 12a são detectados ao longo da linha L além da antena 3: o ponto quente 9a a 400 mm é mais grosso do que os outros; o ponto quente lia a 800 mm é menor que os outros. Para serem obtidas assinaturas térmicas homogêneas. Correspondentes a manchas sensivelmente idênticas sobre a imagem, a invenção propõe um modo de realização, no qual dois emissores são instalados na estrutura a inspecionar, o que tem por efeito homogeneizar o campo eletromagnético na estrutura. A freqüência do segundo emissor pode ser diferente daquela do primeiro emissor. As zonas infiltradas de água apresentam então uma elevação de temperatura similar. Os pontos quentes sobre a imagem têm portanto um tamanho similar, conforma mostra no exemplo da figura 4. A detecção dos pontos quentes 8b, 9b, 10b, 11b, 12b sobre a imagem se acha assim facilitada.
Os exemplos das figuras 3 e 4 correspondem a imagens obtidas por meio de uma câmera infravermelha. Naturalmente que uma detecção das zonas infiltradas de água com uma assinatura térmica homogênea pode também ser obtida com um dispositivo de interferometria holográfica, conforme descrito anteriormente.
O sistema da invenção que acaba de ser descrito apresenta a vantagem de permitir um tempo de aquecimento rápido da água infiltrada. Esse tempo de aquecimento é da ordem de 10 segundos a um minuto. A elevação em temperatura da superfície da estrutura a inspecionar é portanto também mais rápido do que na técnica anterior, o que permite uma inspeção das peças rapidamente, sem nenhuma desmontagem. 0 tempo total para a aplicação e a aquisição dos resultados é assim inferior a meia hora. Essa redução de tempo de detecção permite efetuar inspeções mais freqüentes e, portanto, efetuar reparos menos pesados, já que realizados precocemente, antes que a estrutura tenha sofrido uma degradação muito forte. Além disso, esse sistema tem a vantagem de ser relativamente pouco volumoso, já que não necessita, para aquecer a água, de um gerador de microondas de volume reduzido e um ou vários emissores situados no interior da estrutura a inspecionar.
Claims (12)
1. Sistema de detecção e de localização de água em uma estrutura prensada (1) para aeronave, comportando um meio para aquecer a água presente em uma camada intermediária da estrutura prensada e um meio para prender pelo menos uma imagem de uma superfície da estrutura prensada, essa imagem mostrando zonas notáveis dessa superfície correspondente à presença de água na camada intermediária, caracterizado pelo fato do meio para aquecer a água comportar um dispositivo (2, 3, 6) para emitir, no interior da estrutura prensada, microondas a uma freqüência sensivelmente igual à freqüência de ressonância das moléculas de água.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do dispositivo de emissão de microondas comportar: - um gerador (2) de microondas, externo à estrutura prensada, - pelo menos um emissor (3) de microondas, situado no interior da estrutura, e - pelo menos um guia de ondas (6) para transmitir as microondas do gerador ao emissor.
3. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato do meio para fotografar imagens ser uma câmera infravermelha ou uma câmera térmica (5) apta a detectar uma zona quente na superfície da estrutura, essa zona quente correspondendo à presença de água quente pelas microondas.
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato do meio para fotografar imagens ser um dispositivo de interferometria holográfica apta a detectar zonas deformadas da superfície da estrutura prensada, essas zonas sendo deformadas correspondendo à presença de água aquecida pelas microondas.
5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 4, caracterizado pelo fato do dispositivo de emissão de microondas comportar dois emissores de microondas.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato dos dois emissores de microondas emitirem a freqüências diferentes.
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de o emissor de microondas ser uma antena inamovível.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a antena inamovível comportar uma base fixada sobre a estrutura e uma haste condutora situada no interior da estrutura.
9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de um emissor ser uma antena amovível.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato da antena amovível comportar uma haste condutora instalada em um orifício da estrutura, esse orifício sendo obturado por um bujão estanque, em vôo.
11. Processo de detecção e de localização de água em uma estrutura prensada (1) para a aeronave, caracterizado pelo fato de comportar as seguintes operações: emissão, no interior da estrutura prensada, microondas a uma freqüência sensivelmente igual à freqüência de ressonância das moléculas de água; realização de pelo menos uma imagem de uma superfície da estrutura prensada; e detecção, sobre a imagem da superfície dessa estrutura, de uma zona notável correspondente à presença de água em uma camada intermediária dessa estrutura prensada.
12. Aeronave caracterizada pelo fato de comportar um sistema de detecção e de localização de água, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10.
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