CN101602408A

CN101602408A - 雷击检测

Info

Publication number: CN101602408A
Application number: CNA2009101288725A
Authority: CN
Inventors: 加里·E·乔治森; 格雷戈里·J·克拉克; 杰弗里·L·杜斯; 迈克尔·D·福格蒂
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: EP2479110B1; EP2103517A3; CN101602408B; CA2655489C; JP2009229465A; RU2009109742A; EP2103517B1; ES2424478T3; AU2009200830B2; CA2655489A1; US8878698B2; AU2009200830A1; US20090237272A1; EP2479110A1; KR20090101115A; KR101549706B1; JP5437673B2; EP2103517A2; RU2501719C2

Abstract

一种飞行器，包含：复合结构；以及多个小型轻便可轮询通信设备，用于提供该结构的区域的雷击检测覆盖范围。如果至少近似于雷电电流，则致使各个设备不运行。

Description

雷击检测

背景技术

一般的航空飞行器以及大型的商用喷气机容易受到雷击。与它们的金属等同物(counterpart)不同的是，这些飞行器中的复合结构不容易将雷击生成的强电流和电磁力传导走。

具有复合结构的飞行器可装配有雷击保护(LSP，light strikeprotection)。例如，可以在表面上或者结构中提供导电介质以转移与分配(distribute)雷电电流。

关于确定雷电电流是否已经穿过飞行器的特定区域，存在问题。雷击可以在分散的位置处附着与分离，并且，雷电电流可以沿着LSP路径或者在其之间的不可预测的路径前进。仅作为一个示例，雷电可附于机身的前端，沿着朝向机身尾部的路径前进，并且在水平稳定器(stabilizer)上的随机位置处分离。对于复合材料的损坏可发生在雷电附着及分离的位置处。对于复合材料的损坏也可沿着雷电电流所采用的路径而发生。

雷击导致的损坏可能是潜伏的(hidden)，或者其通过视觉检查(inspection)可能不明显。为了检测雷击所导致的损坏，可能必须核查(examine)飞行器结构的很大区域。然而，很大区域上的无损检查(NDI，non-destructive inspection)是耗时且昂贵的。此外，如果必须检查很大的区域，那么可能会遗漏特定区域(例如，包含表面点蚀(pitting)及涂料(paint)损坏的区域)。

发明内容

根据本发明的实施例，飞行器包括：复合结构；以及多个小型轻便可轮询通信设备，用于提供该结构的区域的雷击检测覆盖范围。在至少近似于雷电电流的情况下，致使各个设备不运行。

根据另一实施例，易受电磁效应影响的结构包含：机体；以及安装到机体、用于提供该结构的EME检测的多个RFID标签。如果至少近似EME电流，则致使每个标签不运行。

根据另一实施例，分析飞行器的结构状况(health)的方法包括：询问覆盖该飞行器的区域的多个通信设备；识别不运行的那些设备；以及根据不运行设备识别任意检查区。

附图说明

图1是飞行器的图示。

图2a和2b是用于提供飞行器的雷击检测覆盖范围的通信设备的不同图样(pattern)的图示。

图3是表面安装(surface mount)到飞行器结构的通信设备的图示。

图4是嵌入在飞行器结构中的通信设备的图示。

图5是飞行器附饰物(applique)所携带的通信设备的图示。

图6是检测雷击的方法的图示。

图7是无线通信设备的图示。

具体实施方式

参考图1，其图示了具有多个复合结构的飞行器110。一些复合结构可完全由诸如玻璃纤维或碳纤维增强塑料(CFRP)之类的复合材料构成。其它结构可以是复合材料与金属的组合。例如，复合结构可以包含复合材料、金属紧固件、电金属片以及用于雷击保护的金属。

飞行器上的一些复合结构比其它结构更易于受到雷击影响。在大型商用飞行器上，一些最易于受影响的结构包含机舱120、机翼以及垂直和水平稳定器的尖端(tip)130、以及雷达天线罩(radome)140。飞行器的机身150及其它结构160也可能很容易受影响。

雷击可能在飞行器110的分散位置处附着与分离，并且，雷电电流可以沿着LSP路径传播，或者沿着可能潜伏的或通过视觉观察可能不明显的不可预测的路径前进。

参考图2a，其图示了用于提供易受影响结构的区域210的雷击检测覆盖范围的多个小型轻便的可查询通信设备220。如果每个设备220受到雷电袭击或接近于雷击，则致使其不运行。如果致使一台设备220在暴风雨期间不运行，那么可以假定区域210中的雷电电流。如果致使设备220的路径不运行，那么不但可以假定区域210中的雷电电流，也可以识别该电流的可能路径。

通过对设备220进行轮询(poll)可确定其可操作性。例如，可通过对连接至网络并且在网络上通信的设备220进行因特网封包探索(ping)来轮询其。可操作的设备220将响应于该因特网封包探索。断开(blown)或过载的设备220将不响应。

可以仅通过从连接至有线总线的设备220读取“状态离散(discrete)值”(例如，运行的/不运行的)来轮询该设备。由于该离散值对于轮询过程总是可用的，因此，不需要等待来自于这种被轮询的设备220的响应。

可以以图样排列(arrange)设备220。可以通过以诸如图2a中图示的栅格图样的栅格图样、或诸如图2b中图示的放射图样(图2b中的同心圆仅用于参考)的放射图样、或一些其它可重复图样排列的设备220来覆盖区域210。该图样不限于可重复图案。例如，针对这样的安装：其具有高的几何复杂性、或其它的表面限制、或期望可变级别的覆盖范围分辨率(resolution)，可以使用非规则的不对称图样或其它不可重复的“随机”图样。

区域210可以覆盖整个结构或者仅覆盖结构的一部分。例如，图2a的栅格图案可以用于覆盖机翼的尖端，而图2b的放射图样可用于为雷达天线罩的尖端(迎面朝向飞行器)提供覆盖。通信设备220可覆盖不止一个结构。通信设备220可覆盖结构的多个区域。可以覆盖易受雷击影响的结构，并且，也可覆盖不易受雷击影响的结构。

区域210中的设备220的“密度”是指每单位面积所分布(distribute)的设备220的数量。每单位面积的设备220的数量可取决于诸如添加设备的成本和重量、结构的危险程度、雷电附着或分离的可能性(即，对于雷击的敏感性)、期望的分辨率、冗余等之类的因素。

设备220可使用无线电频率识别(RFID)设备中发现的组件。当轮询简易设备220时，其可仅提供识别(例如，ID编号)或一些其它基本信息(例如，位置、模型编号、安装日期、受监控的飞行器结构组件的零件(part)编号、或者安全加密或认证密钥)。

在一些实施例中，区域210中的所有的设备220对于雷击都可具有相同的阈值。即，所有的设备220都将在某个阈值处失效(fail)。

然而，在其它实施例中，不同的设备220可具有不同的阈值。即，一些设备220可能能够经受较高量值的电流。例如，具有高阈值的单个设备220被具有低阈值的设备220包围。如果周围的设备被雷电电流损坏，但是具有高阈值的设备仍然是可操作的，那么可以假定雷击已具有高阈值与低阈值之间的量值。通过散置(intersperse)具有不同阈值的这种设备220，可以确定电流量值的方向性和梯度(gradient)。

可以以多种方式改变设备220的阈值。作为第一示例，可以将一系列的导电涂层(coating)应用于安装了设备220的表面。作为第二实施例，不同设备220可具有用于高压保护的不同的瞬态抑制二极管。

可以将设备220接线在一起。例如，可以将设备220连接至在飞行器的表面附近运行(run)的有线总线。可以通过与该有线总线连接的机载计算机来轮询设备220。例如，不安全关键维护计算机或其它的这种专用计算机可轮询设备220，并且然后，与飞行计算机(flight computer)或其它机载计算机交互。有线总线还可用于为设备220提供电力(electrical power)，诸如对于本地设备数据存储、处理和/或数据输入和输出可能需要的。

有线总线具有固有的问题。例如，雷电电流可流经有线总线，而不是LSP导体。在那种情况下，有线总线可无意中(inadvertently)便于将雷电引起的电流传输至飞行器的其它部分。另外，雷电电流可损坏一串设备220。这些损坏的设备220必须替换。

有线总线具有其它的固有问题。有线总线可产生关于其它机载系统的电磁干扰(EMI)问题。雷击电流可损坏有线总线，由此不可轮询设备220。无线设备避免了这些固有问题。

参考图7，其图示了无线通信设备710的示例。无线设备710包含处理器720、天线730、存储器740以及发射器/接收器750。可以以唯一的识别信息来编程存储器740。当被轮询设备(例如，RFID读取器)轮询时，设备710发送唯一的识别信息。轮询设备通过发送含有命令的无线电波来执行轮询。

无线设备710可以是小型、轻便且便宜的RFID标签。传统的RFID标签被期望于在其接近雷击所产生的电流时失效(在传统的RFID标签中，任意RFID管脚的典型最大电压仅为1.5伏特，并且最大容许电流大约仅为1.5毫安培)。虽然RFID标签通常具有用于防体电容(静电)的内置二极管，但是雷电电流的周围通路有可能导致标签失效。

可以通过能量获取(例如，电磁、振动、热)技术来为诸如RFID设备或其它无源设备之类的无线设备710供能。无源RFID标签使用来自无线电波的能量来上电，并且发送响应(例如，提供唯一的识别信息)至轮询设备的命令。

诸如RFID标签之类的无线设备不限于任何特定的工作频率。低频RFID标签通常工作在120-134kHz范围。高频RFID标签通常工作在13.56MHz。无线设备可甚至工作在超高频(通常在850-960MHz的范围内)。

无线设备提供了其它的优点。它们较小并且轻便。它们都是非接触式的，并且不需要视距(line of sight)。并且，因为不需要连线，因此可以添加无线设备，而不会将相当的(measurable)重量添加至飞行器(这增加了燃料成本及排放(emission))。此外，无线设备是电隔离的，并且可以将其添加至连线可能不能够运行(run)的位置。无线设备可以直接与代替中间物(例如，不安全关键计算机)的飞行计算机通信。

无线设备710可以是无源的。无源设备的优点在于其不需要电池源(power)。然而，在一些实施例中，无线设备710可以是电池供电的。

在飞行中可以通过机载计算机轮询无线通信设备。也可以在地面上通过手持设备或者其它固定或便携式地面设备来轮询无线通信设备。

通信设备可以以各种方式安装至复合结构。图3-5中图示了安装通信设备的不同示例。

参考图3，其图示了表面安装到结构(例如，外壳、结构翼梁、纵梁)320的无线通信设备310。在一些实施例中，可以通过密封剂、环氧树脂(epoxy)或经温度固化(temperature-cured)和光固化(light-cured)的压敏粘合剂来将无线设备310附着至结构320。在一些实施例中，可以以紧固件将制造为刚性基片(rigid substrate)的无线设备310附着于结构元件320。这种紧固件可以由非导电材料(例如，尼龙)构成，或者其可以由导电材料(例如，金属)构成，但是具有离开(away from)其的良好的导电路径。在一些实施例中，可以以胶带将制造为刚性或柔性基片的无线设备310附着于结构320。

针对每个期望的安装位置，可考虑表面安装的设备的环境条件。可考虑顶部涂层(例如，涂料或其它保护层)。

参考图4，其图示了嵌入在复合结构(诸如复合外壳420)中的无线设备(诸如RFID标签410)。例如，可以在固化玻璃纤维之前将具有标签几何形状的RFID标签410置于玻璃纤维的(在最先的几层内的)层之间。这种RFID标签410可以经受标准固化周期。试验已经验证了随着220°F高压消毒(autoclave)玻璃纤维面板固化温度的RFID标签410的读/写能力。试验也已验证了这种嵌入式RFID标签410将通过无损检测(NDI)测试(例如，标签410不会表现为脱胶或脱层)。

参考图5，其图示了附饰物520所携带的通信设备510。通常具有2～4mil之间厚度的附饰物为诸如机身外壳和机翼外壳之类的复合结构提供了保护层(代替涂料和其它涂层)。无线设备510可被表面安装至附饰物520。然后，例如使用环氧树脂、密封剂、压敏粘合剂、经温度固化的粘合剂或者经光固化的粘合剂来将附饰物附着于复合结构530的表面。

图3-5的安装方法可应用于复合结构。图3和5的安装方法可应用于金属结构。

在运送至机体集成器(airframe integrator)之前，可由供应商安装通信设备。可以通过机体集成器安装通信设备。可以通过专线、商务航线、军用飞行器经营者、个人飞行器经营者以及维护提供商来安装通信设备。

这里所描述的雷击检测可以是自动操作的，并且可以快速地且便宜地执行雷击检测。可以进行快速诊断，而无需雷击位置的任何预先获知。

此外，可以在飞行中或地面上执行雷击检测。在飞行中检测的一个优点是：能够执行飞行中的NDI的飞行器可以在雷击之后立即评估结构状况。

现在参考图6，其图示了用于评估飞行器的结构状况的方法。在框610处，在覆盖飞行器区域的多个设备上执行轮询。可以周期性地或者响应于事件(例如，雷击)或者两者来执行轮询。所有运行的设备都将通过例如提供识别信息来响应于该轮询。

在框620处，识别不运行的设备。即，识别不响应于轮询的那些设备。

在框630处，识别任何不运行设备的位置。可通过访问响应于唯一设备而返回特定飞行器安装位置的查找表来识别位置。

在框640处，执行受影响区域的分析以识别检查区。通过NDI将更详细地核查检查区。至少，该分析可表明被测区域是否受到雷击。如果多个设备不运行，那么该分析也可提示电流沿行的路径(雷电分离的地方)、雷击的量值等。在一些实施例中，该分析可以表明LSP是否失效。

更复杂的分析可将失效的设备的ID与实际安装位置的记录相联系，并且基于缺少设备响应来显示飞行器的几何表示、设备安装和损坏路径。该分析可包含存储在失效的设备上的所有信息(例如，安装日期、设备模型编号等)，以及用作为编程接口(interface)，来将唯一的ID写至给定的新安装的标签。也可将该分析联系到历史趋势数据库或其它中，以便于多个飞行器的损坏的比较。

在框650处，在任意检查区上执行针对雷击所导致的损坏的无损检查。例如，可在检测区上执行超声波测试或红外光谱测试。

因此，图6的方法允许快速定位NDI，而无需雷击的任意预先获知。无须检测飞行器结构的很大的区域，并且远不可能遗漏特定的标志(indicator)(例如，包含表面凹痕和涂料损伤的区域)。

框610-640处的功能可在飞行中执行。如果飞行器可执行飞行中的NDI，那么框650处的功能也可在飞行中执行。可将雷击检测结果发送至飞行器机载的计算机，和/或可将其传送至地面上的计算机。如果检测到雷击，那么采取适当的行动。作为第一示例，飞行员被告知了飞行器已被雷击以及已受袭击的区域。如果飞行器可以执行飞行中的NDI，那么其可检测任意检测区，并且向飞行员通知任何损坏。然后可做出关于中止或持续飞行的建议。

作为第二示例，如果雷击检测表明区域被雷击，那么可在飞行器已着陆之后由地勤人员执行NDI，或者可稍后由飞行器状况维护服务(VHMS)执行NDI。一旦飞行器着陆，可使用传统技术执行另外的NDI。

飞行中的测试增加了飞行器安全性。这里描述的雷击检测也可降低航线维护成本，并且消除了由于非关键问题而中止飞行的需要。

在框660处，一旦飞行器着陆，可以全面评估结构损坏，并且修理损坏的结构。另外，维修人员可替换不运行的设备。如果不运行的设备是表面安装的，那么可以将其移除，并且将替换设备表面安装至相同的位置。如果不运行的设备是内嵌的，那么可以将替换设备表面安装至该不运行设备之上的位置。

这里描述的雷击检测不限于复合飞行器。也可将该雷击检测应用于金属结构。该检测也可识别金属飞行器上的雷击所导致的问题。例如，可以在飞行器航空电子设备系统中识别与雷电相关的问题。

这里描述的雷击检测不限于飞行器。可以将该雷击检测应用于包含(但不限于)航天器与风轮机的其它系统。

另一应用是用于监控电网(power network)的电力溃入装置(feeder)中的关键接点。由于来自雷电引起的过压的大电流将沿着电力线传播至由该电力线所供电的任何装置，因此可以将由于雷击的直接效应所引起的瞬态浪涌的可能路径隔离为多分支配电系统中的分支数量的子集。通过使用具有变化检测阈值的、位于沿着电力线(例如，装入在环境保护盒中并且附着至关键连线或接点)的间隔的RFID标签，可以确定浪涌的量值。电力应用(utility)公司人员可以使用RFID标签读取器，并且仅通过装配有这种RFID标签的电力线驱动以确定瞬态浪涌的路径和/或范围。

这里描述的检测不限于雷击检测。雷电是电磁效应(EME)。更一般地，可将这里描述的检测应用于EME的检测。可以使用排列在机体的区域之上的多个无线通信设备来检测该区域上的EME效应。

Claims

1.一种飞行器，包括：

复合结构；

多个小型轻便可轮询通信设备，用于提供该结构的区域的雷击检测覆盖范围，在至少近似于雷电电流的情况下，致使各个设备不运行。

2.如权利要求1所述的飞行器，其中，该结构是机舱、雷达天线罩、机翼翼尖、水平稳定器尖端及垂直稳定器尖端中之一。

3、如权利要求1所述的飞行器，其中，该设备以重复图样排列，所述重复图样容许定位通过雷电电流的损坏。

4.如权利要求1所述的飞行器，其中，可运行的设备仅当被轮询时提供识别信息。

5.如权利要求1所述的飞行器，其中，至少一些所述设备具有不同的电流和电压阈值，因此可以确定雷击量值的方向性或梯度。

6.如权利要求1所述的飞行器，其中，该设备是无线设备。

7.如权利要求1所述的飞行器，其中，该设备是RFID标签。

8.如权利要求1所述的飞行器，其中，至少一些所述设备被表面安装至复合结构。

9.如权利要求1所述的飞行器，其中，至少一些所述设备被嵌入在复合结构中。

10.如权利要求1所述的飞行器，其中，至少一些所述设备由复合结构上的附饰物携带。

11.一种检测飞行器上的雷击路径的方法，该方法包括：

询问覆盖该飞行器的区域的多个通信设备；

识别不运行的那些设备；以及

根据不运行的设备识别任意检查区。

12.如权利要求11所述的方法，还包括在雷电电流导致的损坏的任意检查区上执行无损检查。

13.如权利要求11所述的方法，其中，检查区包含雷电附着位置、雷电分离位置以及沿着雷电电流所采用路径的位置中的至少之一。

14.如权利要求13所述的方法，其中，在飞行中识别该检查区。

15.如权利要求13所述的方法，其中，在地面上识别该检查区。