DE102018208254B4

DE102018208254B4 - System zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur

Info

Publication number: DE102018208254B4
Application number: DE102018208254.5A
Authority: DE
Inventors: Karim Grase; Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-05-26
Also published as: DE102018208254A1; FR3081446B1; CN110530418A; US20190360891A1; FR3081446A1

Abstract

System (10) zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur (1), insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeugs (100), mit:
einer Faserverbundstruktur (1);
einer Vielzahl von Zustandssensoren (2), welche an und/oder in der Faserverbundstruktur (1) dazu ausgebildet sind, Zustandsdaten der Faserverbundstruktur (1) zu erfassen;
einem Energiespeicher (3), welcher dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren (2) in wiederaufladbarer Weise zu speichern;
einer Energieerzeugungslage (4), welche auf der Faserverbundstruktur (1) dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren (2) zu erzeugen; und
einer Datenverarbeitungseinheit (5), welche zur drahtlosen Datenkommunikation mit den Zustandssensoren (2) für die Weitverarbeitung der erfassten Zustandsdaten ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem System zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur eines Luft- oder Raumfahrzeugs.
Obwohl in vielfältigen Anwendungen einsetzbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Passagierflugzeuge näher erläutert. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können jedoch ebenso in unterschiedlichen Fahrzeugen und in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge, für Luftfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge eingesetzt werden.
Die Druckschrift EP 3 222 514 A1 beschreibt ein Hautfeldlaminat für ein Luft- oder Raumfahrzeug, bei welchem eine oder mehrere funktionelle Schichten zwischen zwei Strukturschichten eingebettet sind. Als funktionelle Schicht ist insbesondere eine Energiespeicherschicht in Form einer strukturellen elektrochemischen Batterie vorgesehen. In Ausgestaltungen können die funktionellen Schichten weiterhin eine Energieerzeugungsschicht in Form eines Photovoltaikmoduls, eine elektrische Aktorschicht sowie eine Strukturüberwachungsschicht mit einer Vielzahl von Sensoren zur Überwachung von Strukturparametern des Hautfeldlaminats umfassen. Die Aktorschicht und die Strukturüberwachungsschicht werden hierbei insbesondere von der Energieerzeugungsschicht mit elektrischer Energie versorgt.
Die Druckschrift US 2007 / 0 277 876 A1 beschreibt integrierte Solarzellen und Batterievorrichtungen sowie Verfahren der Energieverteilung.
Die Druckschrift DE 10 2010 012 342 A1 beschreibt ein Versteifungsbauteil zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer zwischen diesem und einem weiteren Bauteil herzustellenden Strukturklebeschicht.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, möglichst autarke, flexible und kostengünstige Lösungen für die Zustandsüberwachung von Faserverbundstrukturen zu finden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Demgemäß ist ein System zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur vorgesehen. Das System umfasst eine Faserverbundstruktur; eine Vielzahl von Zustandssensoren, welche an und/oder in der Faserverbundstruktur dazu ausgebildet sind, Zustandsdaten der Faserverbundstruktur zu erfassen; einen Energiespeicher, welcher dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren in wiederaufladbarer Weise zu speichern; eine Energieerzeugungslage, welche auf der Faserverbundstruktur dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren zu erzeugen; und eine Datenverarbeitungseinheit, welche zur drahtlosen Datenkommunikation mit den Zustandssensoren für die Weitverarbeitung der erfassten Zustandsdaten ausgebildet ist.
Weiterhin ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System vorgesehen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein weitestgehend autarkes Zustandsüberwachungssystem, insbesondere zur Strukturüberwachung, für Faserverbundbauteile zu schaffen, indem Sensoren über eine drahtlose Datenverbindung angebunden werden, wobei die zum Betreiben der Sensoren notwendige elektrische Energie in situ generiert und bereitgestellt wird. Lange Daten- und/oder Stromkabel können derart vermieden werden, wodurch wiederum Material, Kosten und Gewicht eingespart werden können. Die Erfindung bietet insbesondere Vorteile für die Überwachung von großflächigen bzw. großvolumigen Faserverbundbauteilen, bei welchen in herkömmlichen Ansätzen sehr große, empfindliche und fehleranfällige Netzwerke aus Daten- und/oder Stromkabeln zu verbauen wären. Die vorliegende Erfindung eröffnet hingegen die Möglichkeit die elektrische Energie dort zu erzeugen, wo sie benötigt wird, ohne dass diese über lange Stromleitungen weitergeleitet werden muss. Auf Datenkabel kann praktisch vollständig verzichtet werden. Die erfassten Zustandsdaten, welche beispielsweise Strukturparameter der Faserverbundstruktur umfassen können wie Temperatur, mechanische Last und/oder Spannung usw., werden hingegen drahtlos übertragen. Stromleitungen sind lediglich lokal und räumlich stark eingeschränkt zwischen der Energieerzeugungslage bzw. dem Energiespeicher und den Zustandssensoren zu integrieren. Die Datenverarbeitungseinheit kann wiederum in einer Entfernung von einigen Metern von den Zustandssensoren entfernt angeordnet werden, z.B. in einem Abstand von 10 bis 30 Metern. Die Energieerzeugungslage kann zur Aufladung des Energiespeichers genutzt werden, welcher wiederum kurzzeitige Ausfälle bzw. eine kurzfristige Nichtverfügbarkeit der Energieerzeugungslage überbrücken kann, indem die dort gespeicherte elektrische Energie zum Betrieb der Sensoren eingesetzt wird. Im Ergebnis wird ein besonders flexibles Überwachungssystem mit autarker Stromversorgung und drahtloser Datenübertragung geschaffen. Beispielsweise können kleine Gruppen aus zwei bis vier oder mehr Sensoren verteilt über eine Faserverbundstruktur angeordnet und jeweils mit einer lokalen Energieerzeugungslage bzw. einem lokalen Energiespeicher verbunden werden. Jede dieser Gruppen kann derart unabhängig von den anderen Gruppen mit elektrische Energie versorgt werden. Darüber hinaus kann jeder Gruppe drahtlos an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit des System angebunden sein. Prinzipiell können die Gruppen jedoch ebenso untereinander drahtlos kommunizieren, z.B. über ein dafür vorgesehenes drahtloses Datennetzwerk.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Energieerzeugungslage als polymere Dünnschichtsolarzelle ausgebildet sein. Derartige Solarzellen können erheblich dünner und leichtgewichtiger als herkömmliche, kristalline Solarzellen und dennoch großflächig gefertigt werden. Dank dem geringeren Materialeinsatz sind Dünnschichtsolarzellen günstiger in der Produktion als kristalline Solarzellen. Ferner können die Solarzellen entweder direkt als großflächige, gegebenenfalls gekrümmte Lagen in ein Faserverbundlaminat während der Faserverbundfertigung eingearbeitet werden. Alternativ oder zusätzlich können Dünnschichtsolarzellen nachträglich mit einem fertigen Faserverbund zu einer einteiligen Struktur stoffschlüssig verbunden werden, z.B. durch ein Klebeverfahren und/oder ein Schweißverfahren. Zudem bieten moderne Dünnschichtsolarzellen einen hervorragenden Wirkungsgrad und eine entsprechend gute Energieeffizienz.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Energieerzeugungslage integral mit der Faserverbundstruktur gefertigt sein. Beispielsweise kann die Energieerzeugungslage als eine oder mehrere Laminatlagen in eine Faserverbundlaminat eingearbeitet werden, z.B. im Zuge eines Automated-Fiber-Placement (AFP) oder Automated-Tape-Laying (ATL) Verfahrens oder dergleichen. Bei derartigen Verfahren werden mehr oder weniger dünne, faserverstärkte Bänder mit oder ohne Kunststoffmatrix oder anderen Materialien von einem Legekopf, welcher robotergeführt sein kann, unter Anwendung von Druck und Temperatur entlang eines vorgegebenen Pfads auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt. Die Faserverbundbänder können hierbei in der Ablagefläche insbesondere gekrümmt abgelegt werden, z.B. indem die Bänder mittels des Drucks einer Ablegerolle und der vorhandenen Materialspannung in einem vorbestimmten Verlauf ausgerichtet werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Faserverbundstruktur als Faserkunststofflaminat und/oder als Fasermetalllaminat ausgebildet sein. Eine untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage kann mit einer oberen Faserverbundschicht der Faserverbundstruktur stoffschlüssig verbunden sein. Beispielsweise kann die untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage mit der oberen Faserverbundschicht verklebt sein. In einer alternativen Variante kann die untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage mit der oberen Faserverbundschicht über ein Schweißverfahren stoffschlüssig verbunden werden. Beispielsweise kann die Faserverbundstruktur einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen, der schichtweise durch Einwirkung von Temperatur und Druck verflüssigt und mit weiteren Komponenten stoffschlüssig verbunden werden kann. In einem konkreten Beispiel kann die Faserverbundstruktur aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoff gefertigt sein, z.B. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. In einem anderen konkreten Beispiel kann die Faserverbundstruktur wechselnde Schichten aus einem Metallmaterial, z.B. einer Aluminiumlegierung, und einem Fasermaterial, z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff, umfassen. In beiden konkreten Beispielen kann die untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage auf die obere Faserverbundschicht aufgeklebt oder anderweitig mit stoffschlüssig mit dieser verbunden sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Faserverbundstruktur als Fasermetalllaminat ausgebildet sein, wobei eine untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage eine obere Faserverbundschicht der Faserverbundstruktur bilden kann. Beispielsweise kann die untere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage ein Metallmaterial wie eine Aluminiumlegierung als Elektrodenmaterial aufweisen. Diese Lage aus Metallmaterial kann hierbei nun gleichzeitig als oberste Metalllage des Fasermetalllaminats der Faserverbundstruktur dienen. Beispielsweise kann eine sich anschließende zweitoberste Faserverbundschicht elektrisch isolierend wirken, z.B. eine Lage aus Glasfaserlaminat.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine obere Elektrodenschicht der Energieerzeugungslage lichtdurchlässig ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann die obere Elektrodenschicht Indiumzinnoxid aufweisen (englisch: „Indium Tin Oxide“, ITO), d.h. eine ternäre Zusammensetzung aus Indium, Zinn und Sauerstoff zu unterschiedlichen Anteilen. ITO wirkt unter anderem thermisch isolierend und ist besonders kratzresistent. Prinzipiell können ebenso weitere geeignete Materialien für Dünnschichtsolarzellen genutzt werden, wie z.B. fluordotiertes Zinnoxid (englisch: „Fluorine Tin Oxide“, FTO), aluminiumdotiertes Zinkoxid (englisch: „Aluminum Zinc Oxide“, AZO), antimondotiertes Zinnoxid (englisch: „Antimony Tin Oxide“, ATO), Graphen usw. In einem konkreten Beispiel kann die obere Elektrodenschicht ITO aufweisen, eine mittlere Schicht kann als ein polymerer Heteroübergang ausgebildet sein und eine untere Elektrodenschicht kann eine Metalllegierung aufweisen, wie beispielsweise eine Aluminiumlegierung.
Gemäß einer Weiterbildung kann das System weiterhin einen Sensorknoten umfassen. An dem Sensorknoten können die Zustandssensoren jeweils elektrisch angeschlossen sein. Der Sensorknoten kann dazu ausgebildet sein, die Zustandsdaten von den Zustandssensoren zu empfangen und drahtlos an die Datenverarbeitungseinheit zu übermitteln. Der Sensorknoten kann somit als lokaler Knoten zur Bündelung einer Anzahl von Zustandssensoren dienen, z.B. zwei, drei, vier oder mehr Zustandssensoren. Hierzu kann der Sensorknoten dazu ausgebildet sein, die Zustandssensoren zu steuern bzw. zu regeln und/oder mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher bzw. der Energieerzeugungslage zu versorgen. Ferner kann der Sensorknoten eine Antenne für die Anbindung an ein drahtloses Datennetzwerk aufweisen, welches den Sensorknoten und somit ebenfalls die Zustandssensoren datentechnisch mit der Datenverarbeitungseinheit koppelt. In alternativen Ausgestaltungen können jedoch ebenso die Zustandssensoren individuell über eine drahtlose Anbindung an die Datenverarbeitungseinheit angebunden sein. Der Sensorknoten kann beispielsweise einen Mikroprozessor, einen Mikrokontroller oder dergleichen umfassen, welcher Bestandteil eines integrierten Schaltkreises sein kann, der in den Sensorknoten integriert ist und alle notwendigen Bestandteile umfassen kann, wie beispielsweise Datenverbindungen zu den Zustandssensoren, eine oder mehrere Datenantennen, Stromleitungen zu den Zustandssensoren etc.
Gemäß einer Weiterbildung können die Zustandssensoren mit dem Sensorknoten jeweils über eine elektrische Leitung verbunden sein. Die elektrische Leitung kann zumindest bereichsweise als gedruckte Leitung auf einer Oberfläche der Faserverbundstruktur ausgebildet sein. In dieser Variante sind die elektrischen Leitungen somit besonders platz- und gewichtssparend in das System integriert. Beispielsweise können die elektrischen Leitungen direkt auf eine Oberfläche der Faserverbundstruktur gedruckt werden. Alternativ können die elektrischen Leitungen auf eine flexible Folie gedruckt werden, welche wiederum auf die Oberfläche der Faserverbundstruktur geklebt oder anderweitig an dieser befestigt sein kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Sensorknoten dazu ausgebildet sein, die Zustandssensoren mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher und/oder der Energieerzeugungslage zu versorgen. Hierzu kann der Sensorknoten Daten- und/oder Stromleitungen umfassen, die den Sensorknoten mit den Zustandssensoren auf der einen Seite und mit dem Energiespeicher und/oder der Energieerzeugungslage auf der anderen Seite verbinden. Ferner kann die Energieerzeugungslage direkt mit dem Energiespeicher verbunden sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Energiespeicher und/oder der Sensorknoten ein Schutzgehäuse aufweisen. Das Schutzgehäuse kann an einer Unterseite der Faserverbundstruktur befestigt sein. Beispielsweise können der Energiespeicher und der Sensorknoten individuelle Schutzgehäuse aus einem Metallmaterial aufweisen. Das oder die Schutzgehäuse können beispielsweise über lösbare oder permanente Verbindungen an der Faserverbundstruktur, insbesondere so nahe wie möglich an der Energieerzeugungslage, befestigt sein. Beispielsweise können Verbindungshalter oder -pads oder dergleichen auf die Unterseite der Faserverbundstruktur geklebt werden. Die Schutzgehäuse können nun beispielsweise mittels Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln bzw. Verbindungselementen an diesen Verbindungshaltern angebracht werden. Die elektrischen Leitungen der Zustandssensoren können durch dafür vorgesehene Öffnungen in dem jeweiligen Schutzgehäuse hindurchgehen. Alternativ können die elektrischen Leitungen ebenso an den Schutzgehäusen befestigt werden bzw. mit dafür vorgesehenen Anschlüssen gekoppelt werden, z.B. über eine Crimpverbindung oder ähnlich.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Schutzgehäuse eine Inspektionsklappe aufweisen. Die Schutzgehäuse können im Betrieb geschlossen gehalten werden. Lediglich zu Inspektionszwecken können die Inspektionsklappen geöffnet werden. Die Inspektionsklappen können beispielsweise an einer Unterseite der Schutzgehäuse angeordnet sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Schutzgehäuse unmittelbar unterhalb der Energieerzeugungslage an der Faserverbundstruktur befestigt sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann das System eine Vielzahl von Sensorknoten mit zugehörigen Zustandssensoren aufweisen. Jeder Sensorknoten kann beispielsweise mit einer Handvoll, z.B. einer einstelligen Anzahl, von Zustandssensoren verknüpft sein. Jeder Sensorknoten kann individuell über eine oder mehrere entsprechende Antennen an die Datenverarbeitungseinheit drahtlos angebunden sein. Prinzipiell können darüber hinaus mehrere, auch redundant wirkende Datenverarbeitungseinheiten vorgesehen sein. Beispielsweise kann jeweils eine Gruppe aus jeweils mehreren Sensorknoten und einer zugehörigen Datenverarbeitungseinheit eine Sensor-Zelle bilden, wobei das System mehrere solcher Sensor-Zellen umfassen kann, z.B. eine oder mehrere Sensor-Zellen auf einer Tragfläche sowie eine oder mehrere Sensor-Zellen auf einem Rumpf eines Flugzeugs. Die Datenverarbeitungseinheiten und damit die Sensor-Zellen können wiederum über eine Datenleitung oder eine drahtlose Verbindung mit einem zentralen System-Server verbunden sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Faserverbundstruktur als ein Hautfeld von einem Rumpf und/oder einer Tragfläche des Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet sein.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 schematische Ansicht eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur eines Luft- oder Raumfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2a, 2b schematische Schnittansichten von beispielhaften Faserverbundstrukturen aus dem System in 1;
3 schematische Perspektivansicht einer Faserverbundstruktur von schräg unten mit einer Sensorzelle aus dem System in 1; und
4 schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs mit dem System aus 1-3.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems 10 zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur 1 eines Luft- oder Raumfahrzeugs 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 zeigt die Faserverbundstruktur 1 in einer schematischen Perspektivansicht von schräg unten.
Das System 10 umfasst mehrere Sensor-Zellen 22, welche jeweils eine Mehrzahl von Sensorknoten 11 beinhalten, die jeweils in drahtloser Datenkommunikation mit zwei zellenzugehörigen Datenverarbeitungseinheiten 5 stehen (eine der beiden Datenverarbeitungseinheiten 5 kann hierbei beispielsweise als redundante Backup-Einheit für den Fall dienen, dass die andere Datenverarbeitungseinheit 5 ausfällt). Die Datenverarbeitungseinheiten 5 sind wiederum über elektrische Leitungen 12 mit einem zentralen System-Server 21 des Systems 10 verbunden. Die Sensorknoten 11 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Zustandssensoren 2 (vgl. 3), welche an und/oder in der Faserverbundstruktur 1 dazu ausgebildet sind, Zustandsdaten der Faserverbundstruktur 1 zu erfassen. Bei der Faserverbundstruktur 1 kann es sich hierbei beispielsweise um ein Hautfeld von einem Rumpf und/oder einer Tragfläche des Luft- oder Raumfahrzeugs 100 in 4 handeln (z.B. ein Passagierflugzeug).
Die von den Zustandssensoren 2 erfassten Zustandsdaten können beispielsweise Strukturparameter der Faserverbundstruktur 1 umfassen wie Temperatur, mechanische Last und/oder Spannung oder dergleichen, Beschädigungen der Faserverbundstruktur 1, Beschleunigungen der Faserverbundstruktur 1 usw. Hierzu können die Zustandssensoren 2 z.B. elektronische Sensoren einschließlich Detektoren oder Antennen o.ä. umfassen, z.B. Temperaturfühler, Beschleunigungssensoren oder piezoelektrische Wandler. Die Zustandssensoren 2 können über und in der Faserverbundstruktur 1 verteilt angeordnet sein. In dem Beispiel von 3 sind insgesamt vier Zustandssensoren 2 vorgesehen. Zwei dieser Zustandssensoren 2 sind auf einer Oberfläche 13 einer Unterseite 15 der Faserverbundstruktur 1 befestigt. Ein weiterer Zustandssensor 2 ist auf einer gegenüberliegenden Oberseite 15b der Faserverbundstruktur 1 angebracht. Der vierte Zustandssensor 2 ist in die Faserverbundstruktur 1 eingebettet (rechts in 3). Beispielsweise kann einer der Zustandssensoren 2 als Beschleunigungssensor ausgebildet sein. Wenn ein Objekt in der Nähe dieses Zustandssensors 2 auf das Luftfahrzeug 100 trifft, erkennt der Zustandssensor 2 den Aufprall und kann eine Abschätzung des Aufprallortes sowie möglicherweise des betroffenen Bereichs und/oder der Stärke des Aufpralls liefern. Piezoelektrische Wandler andererseits können z.B. innerhalb der Faserverbundstruktur 1 platziert werden und Wellen erfassen, die sich in dem Material ausbreiten und ein Maß für entstandene Aufprallschäden liefern können. Während der Ausbreitung durch das Material werden diese Wellen durch Diskontinuitäten im Material beeinflusst, wie z.B. Brüche, Verformungen oder Verschiebungen aufgrund von Einschlägen oder Materialermüdung. Hierbei wird die Ausbreitung sehr spezifisch beeinflusst und die Veränderungen in dem propagierten Wellenspektrum können gemessen und analysiert werden, um festzustellen, ob ein Schaden aufgetreten ist oder nicht. Auf diese Weise können mögliche Schäden an einem Rumpf oder an Tragflächen eines Luftfahrzeugs 100 elektronisch erkannt und bewertet werden.
Jeder der Zustandssensoren 2 ist mit dem Sensorknoten 11 über eine elektrische Leitung 12 verbunden, über welche die Zustandssensoren 2 von dem Sensorknoten 11 mit elektrischer Energie versorgt werden. Gleichzeitig ist die elektrische Leitung 12 dazu ausgebildet, die Zustandsdaten zwischen dem jeweiligen Zustandssensor 2 und dem Sensorknoten 11 auszutauschen, wobei diese von dem Sensorknoten 11 wiederum drahtlos über eine Antenne an die Datenverarbeitungseinheit 5 weitergeleitet werden (nicht eingezeichnet in 3). Konkret sind die elektrischen Leitungen 12 in 3 direkt auf die Oberfläche 13 der Unterseite 15 der Faserverbundstruktur 1 aufgedruckt. Um die elektrischen Leitungen 12 mit den entsprechenden Zustandssensoren 2 zu verbinden, sind teilweise Durchführungen durch die Faserverbundstruktur 1 vorgesehen (nicht eingezeichnet). Weiterhin sind die elektrischen Leitungen 12 über eine Crimpverbindung 18 und sich daran anschließende Verbindungskabel 20 an den Sensorknoten 11 angeschlossen. Der Sensorknoten 11 selber befindet sich samt einem Mikrokontroller und entsprechenden integrierten Schaltungen innerhalb eines Schutzgehäuses 14b aus einem Metallmaterial, welches über Verbindungselemente 19 wie beispielsweise Schrauben oder dergleichen an der Unterseite 15 der Faserverbundstruktur 1 befestigt ist. Zu Montage-, Wartungs- und/oder Inspektionszwecken weist der Sensorknoten 11 ferner eine Inspektionsklappe 16b an einer Unterseite auf.
Das System 10 umfasst ferner einen Energiespeicher 3, z.B. eine (strukturelle) Batterie, welche dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren 2 in wiederaufladbarer Weise zu speichern. Der Sensorknoten 11 ist mit diesem Energiespeicher 3 zum Betrieb der Zustandssensoren 2 elektrisch verbunden. Ebenso wie der Sensorknoten 11 weist auch der Energiespeicher 3 ein Schutzgehäuse 14a aus Metall mit einer Inspektionsklappe 16a auf. Der Energiespeicher 3 ist wiederum über Verbindungskabel 20 mit einer Energieerzeugungslage 4 elektrisch verbunden, welche auf der Faserverbundstruktur 1 dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren 2 zu erzeugen. Um die Länge der Verbindungsleitungen bzw. -kabel möglichst klein zu halten, sind sowohl der Energiespeicher 3 als auch der Sensorknoten 11 unmittelbar unterhalb der Energieerzeugungslage 4 an der Faserverbundstruktur 1 befestigt.
In 2a und 2b sind Schnittansichten zweier derartiger Faserverbundstrukturen 1 samt darauf befindlicher Energieerzeugungslage 4 dargestellt. In beiden Beispielen ist die Energieerzeugungslage 4 als polymere Dünnschichtsolarzelle ausgebildet, welche eine lichtdurchlässige ober Elektrode 8 auf der Basis von Indiumzinnoxid aufweist, an die sich ein Heteroübergang anschließt, der wiederum auf einer unteren Elektrode 6 aus einer Aluminiumlegierung aufsitzt. In der Variante in 2a ist die Energieerzeugungslage 4 integral mit der Faserverbundstruktur 1 gefertigt, wobei letztere aus Faserverbundschichten 17 besteht, die abwechselnd aus einer Aluminiumlegierung und einem Glasfaserlaminat gefertigt sind. Konkret dient hierbei eine obere Faserverbundschicht 9 gleichzeitig als untere Elektrode 6 der Energieerzeugungslage 4.
In dem alternativen Beispiel in 2b ist die Energieerzeugungslage 4 hingegen stoffschlüssig mit der Faserverbundstruktur 1 verbunden, z.B. mittels einer Klebung oder Schweißung. In diesem Fall umfasst die Faserverbundstruktur 1 eine Vielzahl von Faserverbundschichten 17 aus einem kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, wobei die Fasern in den Faserverbundschichten 17 abwechselnd in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind (in 2b durch Schraffur angedeutet).
Das System 10 umfasst eine Vielzahl von Sensorknoten 11 entsprechend zu jenem in 3, welche jeweils drahtlos mit einer oder mehreren zugehörigen Datenverarbeitungseinheiten 5 kommunizieren und hinsichtlich ihrer Energieversorgung völlig autark ausgebildet sind. Demensprechend können kleinen Gruppen aus Zustandssensoren 2 in einem geeigneten Bereich der Primärstruktur des Luftfahrzeugs 100 platziert werden und dort lokal über den zugehörigen Sensorknoten 11 (einschließlich damit verbundenen Energiespeicher 3 und Energieversorgungslage 4) betrieben werden. Daten- und Stromleitungen müssen somit bestenfalls in einem örtlich sehr begrenztem Bereich vorgesehen werden. Die Sensorknoten 11 können wiederum drahtlos mit den Datenverarbeitungseinheiten 5 und damit letztendlich mit einem zentralen System-Server 21 kommunizieren, der beispielsweise an einem geeigneten Ort innerhalb des Luftfahrzeugs 100 bereitgestellt sein kann. Unter anderem können aufgrund dieser Ausbildung des Systems 10 in erheblichem Maße Leitungskabel und damit Gewicht und schlussendlich Kosten eingespart werden. Die Zustandssensoren 2 werden in flexibler und autarker Weise lokal betrieben, wobei der Energiespeicher 3 Schwankungen in der Energiezufuhr der Energieerzeugungslage 4 zumindest zu einem gewissen Grad ausgleichen kann.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
Bezugszeichenliste

1: Faserverbundstruktur
2: Zustandssensor
3: Energiespeicher
4: Energieerzeugungslage
5: Datenverarbeitungseinheit
6: untere Elektrodenschicht
7: Heteroübergang
8: obere Elektrodenschicht
9: obere Faserverbundschicht
10: System zur Zustandsüberwachung
11: Sensorknoten
12: elektrische Leitung
13: Oberfläche der Faserverbundstruktur
14a, 14b: Schutzgehäuse
15a: Unterseite der Faserverbundstruktur
15b: Oberseite der Faserverbundstruktur
16a, 16b: Inspektionsklappe
17: Faserverbundschicht
18: Crimpverbindung
19: Verbindungselement
20: Verbindungskabel
21: System-Server
22: Sensor-Zelle
100: Luftfahrzeug

Claims

System (10) zur Zustandsüberwachung einer Faserverbundstruktur (1), insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeugs (100), mit: einer Faserverbundstruktur (1); einer Vielzahl von Zustandssensoren (2), welche an und/oder in der Faserverbundstruktur (1) dazu ausgebildet sind, Zustandsdaten der Faserverbundstruktur (1) zu erfassen; einem Energiespeicher (3), welcher dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren (2) in wiederaufladbarer Weise zu speichern; einer Energieerzeugungslage (4), welche auf der Faserverbundstruktur (1) dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie zur Versorgung der Zustandssensoren (2) zu erzeugen; und einer Datenverarbeitungseinheit (5), welche zur drahtlosen Datenkommunikation mit den Zustandssensoren (2) für die Weitverarbeitung der erfassten Zustandsdaten ausgebildet ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei die Energieerzeugungslage (4) als polymere Dünnschichtsolarzelle ausgebildet ist.
System (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energieerzeugungslage (4) integral mit der Faserverbundstruktur (1) gefertigt ist.
System (10) nach Anspruch 3, wobei die Faserverbundstruktur (1) als zumindest eines von Faserkunststofflaminat und Fasermetalllaminat ausgebildet ist und eine untere Elektrodenschicht (6) der Energieerzeugungslage (4) mit einer oberen Faserverbundschicht (9) der Faserverbundstruktur (1) stoffschlüssig verbunden ist.
System (10) nach Anspruch 3, wobei die Faserverbundstruktur (1) als Fasermetalllaminat ausgebildet ist und eine untere Elektrodenschicht (6) der Energieerzeugungslage eine obere Faserverbundschicht (9) der Faserverbundstruktur bildet.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine obere Elektrodenschicht (8) der Energieerzeugungslage (4) lichtdurchlässig ausgebildet ist.
System (10) nach Anspruch 6, wobei die obere Elektrodenschicht (8) Indiumzinnoxid aufweist.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin mit: einem Sensorknoten (11), an welchem die Zustandssensoren (2) jeweils elektrisch angeschlossen sind und welcher dazu ausgebildet ist, die Zustandsdaten von den Zustandssensoren (2) zu empfangen und drahtlos an die Datenverarbeitungseinheit (5) zu übermitteln.
System (10) nach Anspruch 8, wobei die Zustandssensoren (2) mit dem Sensorknoten (11)jeweils über eine elektrische Leitung (12) verbunden sind, welche zumindest bereichsweise als gedruckte Leitung auf einer Oberfläche (13) der Faserverbundstruktur (1) ausgebildet ist.
System (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Sensorknoten (11) dazu ausgebildet ist, die Zustandssensoren (2) mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher (3) und/oder der Energieerzeugungslage (4) zu versorgen.
System (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Energiespeicher (4) und/oder der Sensorknoten (11) ein Schutzgehäuse (14a, 14b) aufweist, welches an einer Unterseite (15) der Faserverbundstruktur (1) befestigt ist.
System (10) nach Anspruch 11, wobei das Schutzgehäuse (14a, 14b) eine Inspektionsklappe (16a, 16b) aufweist.
System (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Schutzgehäuse (14a, 14b) unmittelbar unterhalb der Energieerzeugungslage (4) an der Faserverbundstruktur (1) befestigt ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das System (10) eine Vielzahl von Sensorknoten (11) mit zugehörigen Zustandssensoren (2) aufweist.
Luft- oder Raumfahrzeug (100) mit einem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Faserverbundstruktur (1) insbesondere als ein Hautfeld von einem Rumpf und/oder einer Tragfläche des Luft- oder Raumfahrzeugs (100) ausgebildet ist.