CN102576946A - 包括电气设备和复合材料部件的航空器 - Google Patents

Abstract

航空器包括至少一个电气设备(12)和一个与所述设备连接的复合材料部件(16)。该航空器被布置为使所述设备的故障电流电路穿过所述部件。

Description

包括电气设备和复合材料部件的航空器

本发明涉及位于航空器上的电气设备。

航空器包括大量的不同类型的电气设备或装置。这些电气设备或装置可以是发动机，或诸如计算机之类的电子装置。

在这些设备中，许多都是通入单相电流的。为此，设备通过电缆连接至发电机的正极。对于到发电机负极的连接，这通过将设备的另一极连接至飞机的金属体(masse métallique)、并且发电机的负极也与之连接来形成。这构成了所谓运行电流的电路。

还必须考虑排除与设备相关的可能的故障电流。例如，这种类型的电流可以是泄漏电流或短路电流，它们可出现在异常情况中。当飞机的大部分由金属制成时，故障电流可以同运行电流相同的方式被排除，其中设备被连接至飞机的金属部件。

然而，当期望用复合材料来制造飞机的一部分时，事情变得不同，所述复合材料包括由非金属纤维增强的塑料材料基质。相比于金属，这种材料实际上是不良电导体。

为了将这种类型的飞机中存在的设备连接至飞行器的金属体以排除运行电流，每个设备通过专门的电缆被连接至所述金属体。已知要设计一种专门的金属网络，有时在机身处，被称作电气结构网络，即，英语ESN(electrical structure network)。

此外，必须考虑设备的可能的故障电流返回至金属体。为此，专门的网络被使用，该网络被称作故障金属网络，即，英语MBN(metallicbonding network)。该网络与飞机的结构金属部件——例如座椅导轨——部分地混同在一起，用于形成能够排除设备的故障电流的飞机网状结构(maillage)。在这方面，已知的是提供专门的部件，例如在飞机的每个框架和每个横梁上的金属带，从而使得尽管存在复合材料，仍可保证在各金属部件之间的电气连续性，该连续性能够实现由飞机主体(masse)排除故障电流。

然而，这些金属元件的总和形成复杂的网状结构，并会产生很多问题。例如，添加专门的部件增加了飞机的重量。增加了装配操作的整体时间。相关的费用是可观的。这些元件也使得电流返回网络更复杂。最后，这些元件在确定尺寸、维护、腐蚀、ESN部件之间的互连上还要作特别的研究。

本发明的一个目的是提供一种在包括由复合材料制成的部件的飞机上排除故障电流的更简单的方案。

为此，本发明提供一种航空器，包括至少一个电气设备和一个与所述设备连接的复合材料部件，所述航空器被布置为使所述设备的故障电流电路经过所述部件。

因此，设备的故障电流的排除可以通过由复合材料和金属形成的混合网络来实现。网络的金属部分对应于航空器的金属体。这是主网络。由复合材料制成的部件形成能够将故障电流引向该主网络的输送网络。因此，复合材料部件本身起着排除设备的故障电流的作用。本发明利用的是，航空器上的复合材料的电气属性不能够使它们将运行电流排向航空器的主体，反而是能够使它们排除故障电流。实施本发明不需要添加大量的专门的部件。这既不会造成超重，也不需要明显地增加装配操作的时间。没有实质性的超额费用，电流返回网络也不会复杂化。最后，不需要对ESN部件之间的互连进行精密的研究。

有利地，该航空器包括至少一个接触构件，该接触构件连接至所述设备，并借助于所述构件和所述部件之间的紧密配合装配至所述部件。

由此，确保了设备和复合材料部件之间的良好的电连接，从而使得故障电流能够被适当地排除。更准确地说，该配合使得所述构件和所述部件之间的接触电阻最小，或者甚至可忽略不计，由此更容易通过所述复合材料部件排除故障电流。

优选地，所述接触构件在所述部件的一个孔中延伸，所述构件的直径v和所述孔的直径e满足下列公式：

(v-e)/v≥0.0025。

直径之间的这种关系确保了接触电阻可忽略不计。

有利地，所述复合材料包括由碳纤维增强的塑料材料。

优选地，所述故障电流电路的大部分长度包括航空器的金属部件。

因此，所述网络大部分由航空器的金属元件构成，尤其是飞机的结构元件，因此可获得尽可能小的网路(maille)电阻。

有利地，电气设备的数量和复合材料部件的数量至少是两个，所述航空器包括连接至所述复合材料部件的金属结构，以使每个设备的故障电流电路经过相关联的部件和金属结构，而不经过与每个其他设备相关联的部件。

优选地，所述航空器包括一个监测装置，其适于检出与所述设备相关的故障电流。

该装置能保护所述设备避免由出现的故障电流导致的可能后果。

优选地，所述装置适于在检测到与所述设备相关的故障电流时中断向所述设备的供电。

有利地，所述监测装置构成所述设备的一部分。

因此，所述装置专用于所述设备。在故障电流的情况下，能够在不中断其他设备的运行下隔离该设备。并且不需要在操作链上执行专门的装配操作。

本发明还提供一种制造航空器的方法，其中将所述航空器的电气设备连接至一个复合材料部件，且将所述航空器布置为使所述设备的故障电流电路经过所述部件。

优选地，将至少一个接触构件连接至所述设备，且借助于所述构件和所述部件之间的紧密配合将所述接触构件装配至所述部件。

根据下文中通过参考附图以非限制性实施例给出的实施方案的描述，可得出本发明的其他特性和优点，其中：

-图1是本发明的飞机的立体图；

-图2是示出了设备与图1的飞机机上连接的电气示意图；

-图3是设备及其与图1飞机的结构的一部分连接的视图；

-图4是图3的IV-IV平面上的连接的截面图；

-图5示出了两种材料的耦合电阻随过盈(interférence)变化的曲线；

-图6是示出了在一个变型方案中监测装置的原理的电气示意图；以及

-图7是结合了该监测装置的设备连接的电气示意图。

图1示出了本发明的航空器。在这里是重航空器，更准确地是飞机。该飞机2具有机身4、带有对应发动机8的两个机翼6和一个尾翼10。

飞机2在机上包括多个由各种各样的装置组成的电气设备。例如，这些设备可以是发动机或诸如计算机之类的电子装置。设备12的其中之一在图3中示出。

飞机的结构包括由金属制成的结构部件，例如图3中示出的座椅导轨14。飞机还包括由复合材料制成的结构部件，例如在同一图中示出的横向构件16。

在本文中使用的术语“复合材料”指的是至少两种不混溶但有强的粘结能力的材料的结合体。复合材料包括保证其机械强度的骨架或增强件，以及保护基质。具体地，该基质可以是塑料材料，该增强件可由碳纤维形成。因此，这里材料是碳纤维增强的塑料材料。导轨14搁置在横向构件16上，垂直于横向构件16，并通过结构接合元件18紧固至横向构件16。

图2示出了设备12连接至飞机2上的发电机20的电气示意图。这里，发电机是单相类型。设备12(在该图中由其阻抗ZI表示)通过诸如电缆22(电阻为Rf)之类的导体被连接至发电机的正极。在发电机的负极方向，设备12还通过接地导体，例如电阻为Rg的电缆24相连接。该电缆本身被连接至飞机2的ESN 26，ESN 26在设备12的运行电流的返回路径中呈现电阻Rr。这些元件构成用于返回运行电流的设备12的接地电路，其中该电路在图2中由标为28的粗体线所表示。这是一个在设备12正常运行期间由发电机20提供并向设备12供电所行进的正常路径。

图2示出了平行于支路32延伸的支路30，支路32包括设备12和串联连接的电缆24。支路30示出了由其具有的开关(interrupteur)34符号表征的短路的可能性。在这种短路情况下，来自发电机20的正极的电流至少部分流经支路30，经过处于闭合位置的开关，之后故障电流电路经过元件36(由电阻Rb符号表征)，并随后经过ESN 26。

如图3所示，在该实施例中，元件36通过借由电缆40将设备12连接至复合材料部件16、而电缆40本身连接至紧固于部件16的金属元件42(例如板)而构成。所述紧固通过使用一个或多个金属构件，例如螺钉43实现，每个螺钉43都穿过板42，并拧入部件16。

如图4所示，每个螺钉43都与部件16的紧密配合。为此，在此情况下的螺钉43在其杆上有一段与部件16接触的光滑圆柱形段。因此，这里螺纹45只在螺钉的远端段，在螺钉杆的一部分上延伸。螺钉被容纳在插入螺钉之前已制成的部件16的校准孔41中。具体地，螺钉43的直径v和孔的直径e满足下列公式：

(v-e)/v≥0.0025。

这种紧密配合使得螺钉杆的面被压靠在复合材料孔的面上。因此，在螺钉和部件之间形成径向压力，从而实现螺钉和孔之间的接触压力超过100MPa。该阈值使得螺钉和部件之间的接触电阻基本恒定，并处于最小值。

0.0025的值使得接触电阻可以忽略不计。如果采用等于0.0030或甚至0.0035的最小值使接触电阻进一步减小，可获得更好的结果。自然地，反过来优选限制比值(v-e)/v使其例如不超过0.0083，以避免超过塑料材料的机械可能性。

图5绘出两条实验曲线，其示出了纵坐标上的耦合电阻或接触电阻如何随着螺钉和容纳螺钉的孔之间的组装的紧密度而变化。(v-e)/v的幅度被称作术语“过盈”，以百分比测量，沿着横坐标标绘。上方曲线37示出了在热塑性材料上的测试结果，而下方曲线38涉及热塑性材料。可看出，从0.25％的过盈值开始，耦合电阻对于两种材料保持小于5mΩ。

因此，设备12电连接至部件16，该部件经由导轨14连接至飞机的ESN 26。因此，在该实施例中，在图2的电路中示出的元件36由电缆40、板42、螺钉43和部件16被故障电流穿过的那部分(如果有的话)构成。

因此，在有由开关34的闭合表示的短路存在时，电流不再流过支路32，而是流过支路30。因此，故障电流是由尤其是通过复合材料部件16的电路所排除的。故障电流电路44在图2中以虚线表示。

在图6和7示出的变型中，可设想借助于监测装置46保护设备12避免故障电流。在三相类型的电源的情况下，这种装置的结构和运行在图6中示出。然而，在单相电源时，原理仍类似。因此，飞机上的三相电源的三个绞合线A、B和C由三个支路48、50和52表示。装置46包括被这三个支路穿过的环形铁心54。一个单相电源20的正极由支路X1表示，而其地线由支路X2表示。装置46包括中央控制模块47、围绕环形铁心54并连接至模块47和地的绕组56、以及连接至电源20和模块47的线圈58。当有电流供应时，该线圈控制位于支路A、B和C的每一个中的开关60，使得每个支路中的电流能够被中断。

在正常运行条件下(这里是平衡三相模式)，在相A、B和C中流动的电流和为零。结果，在环形铁心54中没有磁通流动。因此，开关60保持闭合。

在故障情况下，例如当短路出现在该三相电源提供动力的负载中时，在相A、B和C中的电流和不再为零，从而使得环形铁心54中出现磁通。该磁通在绕组56中产生电流，该电流被传输至模块47。随后该模块发出指令向线圈58供电，打开开关60，从而中断电流在支路A、B和C中流动。

装置46包括测试支路，该支路与线圈58的供电支路平行延伸。测试支路被连接至电源20的支路X1，并包括按钮61和围绕环形铁心54的绕组62。该绕组也接地。当按下按钮61时，绕组62由发电机20获得供电，导致在环形铁心54中出现磁通，并在绕组56中出现电流。如前文所述，支路A、B和C的每一个中的电流被中断。

图7示出了连接设备12的原理。因而可看出，该设备借由电缆22，由发电机20的正极供电，其中电缆22具有电阻Rf1和Rf2。

在正常运行中，电流经由电缆24排向飞机的体，电缆24呈现电阻Rg1和Rg2。监测装置46被安装在这些电缆22和24中的每一个上。在故障电流存在的情况下，电流不再通过电缆22，而是通过故障电路，该故障电路包括阻值Rb的元件36。

监测装置46包括每一个电缆22和24的开关60。在正常运行中，两个开关都闭合，以使得电缆22和24接通。在故障情况下，电通过电缆36的故障电路，由此使穿过电缆22和24的电流产生不平衡。结果，监测装置46导致两个开关60打开，由此中断设备12与发电机之间的任何连接。因此，设备12被保护。

无论电源的模式如何，即，无论是交流电源或直流电源，图6中示出的原理都是适用的。

不同元件的尺寸，尤其是开关60的容量(calibre)，是根据阻抗Rb计算的，阻抗Rb本身与螺钉43和部件16之间的接触电阻的质量以及部件16的电阻相关联，其大小对于向复合材料注入电流也是重要的。

类似地，该布置能够使得比较高的电流持续流动。

例如，装置46可被定位在构成设备12一部分的设备供电线路的接触器(contacteur)处。然而，该实施方案存在的缺陷是当仅一个设备出现故障电流时，会中断与同一接触器连接的所有设备的供电。

因此，优选地是开发装置46在每一个设备本身的功能。可设计专用于每个设备的监测装置，以防止过流。例如，监测装置可以是固态电源接触器(即solid state powder contact)的形式。

可理解，飞机的每一个设备都与部件16相连接，而该部件和与飞机的至少一个其它设备相连接的部件不同，实际上只为此单个设备专用，而且这些设备使用同一个ESN。

可看出，本发明避免了使故障电流返回网络复杂化和使其加重。

自然地，在未超出本发明范围的情况下，各种改型可应用至本发明。

紧固件构件43可以是非螺钉的构件：它们可以是螺栓、销、铆钉等。类似地，可直接在部件42和16之间实施紧密配合。

Claims (10)

1.一种航空器(2)，其特征在于，它包括至少一个电气设备(12)和一个与所述设备连接的复合材料部件(16)，所述航空器被布置为使所述设备的故障电流电路(44)经过所述部件。

2.根据前述权利要求所述的航空器，其包括至少一个接触构件(43)，该接触构件(43)连接至所述设备(12)，并借助于所述构件和所述部件之间的紧密配合装配至所述部件(16)。

3.根据前述权利要求所述的航空器，其中所述接触构件(43)在所述部件的孔(41)中延伸，所述构件的直径v和孔的直径e满足下列公式：(v-e)/v≥0.0025。

4.根据前述权利要求之一所述的航空器，其中复合材料包括由碳纤维增强的塑料材料。

5.根据前述权利要求之一所述的航空器，其中所述故障电流电路(44)的大部分长度包括所述航空器的金属部件。

6.根据前述权利要求之一所述的航空器，其中所述电气设备(12)的数量和复合材料部件的数量至少是两个，所述航空器包括连接至所述复合材料部件(16)的金属结构，以使每个设备的故障电流电路(44)经过相关联的部件和金属结构，而不经过与每个其他设备相关联的部件。

7.根据前述权利要求之一所述的航空器，其包括一个监测装置(46)，所述监测装置适于检出与所述设备(12)相关的故障电流。

8.根据前述权利要求所述的航空器，其中所述装置(46)适于在检测到与所述设备相关的故障电流时中断向所述设备的供电。

9.根据权利要求7或8所述的航空器，其中所述监测装置(46)构成所述设备(12)的一部分。

10.一种制造航空器(2)的方法，其特征在于，将所述航空器的电气设备(12)连接至一个复合材料部件(16)，并且将所述航空器布置为使所述设备的故障电流电路(44)经过所述部件，优选地将至少一个接触构件(43)连接至所述设备(12)，且借助于所述构件和所述部件之间的紧密配合将所述接触构件装配至所述部件(16)。

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