DE2909310A1

DE2909310A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines gasfoermigen traegerstrahls

Info

Publication number: DE2909310A1
Application number: DE19792909310
Authority: DE
Inventors: Jean Cariou; Serge Larigaldie
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1979-09-20
Also published as: NL187663C; DE2909310C2; SE431498B; JPH0322880Y2; FR2419647A1; SE7902056L; FR2419647B1; GB2016818A; SU1170984A3; JPS54126399A; GB2016818B; US4228479A; NL187663B; NL7901923A; JPH0196699U

Description

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMAR PATENTANWALT

Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales 29-59 avenue de la Division Leclerc 9232Ο Chatillon

Frankreich
Anwaltsakte 5588

2 HAMBURG 1 BEIM STRO H HAU SE 3 RUF 040/24 67 43 TELEX 2 173 64S OKPA D

ZUGELASSENER VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

K/Ho. -55Ö8 7. März 1979

Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Trägerstrahls

Es wird die Priorität der Patentanmeldung in Frankreich Nr. 78 07067 vom 10. März 1978 in Anspruch genommen.

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Trägerstrahls für elektrische Ladungen, insbesondere zur Beeinflussung des elektrischen Potentials eines Körpers, wie insbesondere eines Luftfahrzeugs und besonders eines Hubschraubers, wobei diese Vorrichtung eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene metallische Nadel umfaßt, deren Spitze in dem Hals einer aus einer Druckluftquelle gespeisten, metallischen Düse angeordnet ist, sowie Mittel zum Ausstoß des Trägerstrahls in die Atmosphäre.

Eine solche Vorrichtung gestattet, das elektrostatische Potential eines Körpers in bezug auf seine Umgebung zu verändern, entweder um den Wert dieses Potentials zu erhöhen, oder um ihn zu vermindern, oder ferner, um dieses Potential auf einem niedrigen Wert, d.h. bei null, aufrechtzuerhalten.

Im Bereich der Luftfahrt gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise, die Ansammlungen elektrischer Ladungen, die im Flug auftreten, auf einer Struktur zu begrenzen, und zwar geschieht dies· durch: ihre Abführung an die umgebende Atmosphäre.

Die elektrostatische Ladung eines Luftfahrzeugs ergibt sich im wesentlichen durch eine Trennung elektrischer Ladungen beim Auftreffen von in der umgebenden Luft in Suspension befindlichen Teilchen, wie beispielsweise Regentropfen, Eiskristalle, Staubkörner, Sandkörner-usw., auf die äußeren Oberflächen des Luftfahrzeugs.

Wenn das elektrostatische Potential eines Luftfahrzeugs einen überhöhten Wert erreicht, erfolgen spontan partielle Entladungen, die mitunter als Koronaentladungen bezeichnet werden, und diese Bntladungsvorgänge von impulsförmiger Art stören die Kommunikations- und/oder Navigationsfunkanlagen. In bestimmten Fällen bewirken diese Entladungen, daß diese Anlagen nicht genutzt werden können.

Somit bietet die Beseitigung des sich an Luftfahrzeugen bil-

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denden statischen Elektrizität ein schwer zu lösendes Problem.

Es ist vorgeschlagen worden, Luftfahrzeuge mit feststehenden Tragflächen mit Stäben aus einem Widerstandsmaterial zu versehen, die durch eine oder zwei Spitzen abgeschlossen sind. Die Koronaentladungen, die vorzugsweise im Endbereich der genannten Stäbe auftreten, haben dann eine weniger störende Wirkung als diejenigen Entladungen, die an den zugespitzten oder scharfkantigen Teilen des Luftfahrzeugs auftreten, und dies infolge des durch den ohmischen Widerstand der Stäbe erzeugten Integrationseffektes. Diese Vorrichtungen oder Potentialableiter unterbinden das Auftreten von Entladungen an Spitzen oder Kanten, die das Luftfahrzeug in der Nähe dieser Ableiter aufweist.

Die Wirkungsweise dieser Potentialableiter wird durch die Relativbewegung des Luftfahrzeugs in bezug auf die umgebende Luft begünstigt, diese sind besonders wirkungsvoll bei schnellfliegenden Flugzeugen. Dies trifft nicht zu, wenn diese Potentialableiter auf Hubschraubern angeordnet sind, die sich mit geringerer Geschwindigkeit fortbewegen und sich auch in stationärer Fluglage befinden können.

Außerdem macht die Formgebung eines Rumpfes oder Körpers eines Hubschraubers die Anbringung dieser Potentialableiter schwierig.

Es wurde für zum Transport angehängter Lasten (bei als "Kräne" eingesetzten Hubschraubern) bestimmte Hubschrauber oder zur Rettung von in Gefahr befindlichen Personen vorgeschlagen, im Verlauf der Hubschraubermanöver eine feste leitende Verbindung für die Elektrizität zwischen dem Hubschrauber in stationärer Fluglage und dem darunterliegenden Boden herzustellen. Wenn sich der Hubschrauber auf einem höheren elektrischen Potential befindet (das etwa hundert Kilovolt erreichen kann), sind sowohl für die Personen am Boden, wie auch im Hinblick auf eine Brandentwicklung beim Überleiten leicht entzündbarer Stoffe Zwischenfälle oder Unglücksfälle zu befürchten.

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Die Erdung von Hubschraubern durch Leiterkabel ist also nur eine anscheinend wirksame Abhilfemaßnahme und in zahlreichen Fällen nicht anwendbar.

Trotz der in verschiedenen Richtungen durchgeführten Untersuchungen ist es bis heute nicht gelungen, Hubschrauber oder ähnliche Luftfahrzeuge mit wirksamen Potentialableitern zu versehen, außer bei Sonderformen von Hubschraubern (mit Doppelrotoren, mit Motoren am Heck). Aber diesen Sonderformen müssen die in der Strömung der Rotoren und/oder Turbinen angeordneten Spitzen auf ein sehr hohes Potential gebracht werden, in der Größenordnung von 200 kV, was oft vom Gesichtspunkt der Sicherheit, der Masse und des Platzbedarfs eine unannehmbare Belastung darstellt.

Mittel zur Erzeugung eines Ionenausstoßes mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse haben nicht die erhofften Ergebnisse geliefert, weil die Ableitungsströmmung (der Austrittsstrom) der elektrischen Ladungen zu gering war.

Der Betrieb von Hubschraubern, insbesondere von Allwetterhubschraubern, dich auch ohne Sicht, d.h. "blind", fliegen sollen, ist also durch die Ansammlung statischer Elektrizität eingeschränkt, die den Betrieb der an Bord angeordneten Kommunikations- und Navigationsfunkanlagen stört.

Die Erfindung stellt nun diese Mängel ab und vermindert diese Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die auf das elektrostatische Potential eines Körpers mittels eines Strahls von gasförmigen Teilchen einwirkt, die Träger elektrischer Ladungen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine an eine elektrische Hochspannungsquelle angeschlossene metallische Nadel und Mittel zum Ausstoß eines gasförmigen Trägerstrahles für elek-

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trische Ladungen in die Atmosphäre durch den Spitzen- oder Nadeleffekt umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die den Trägerstrahl für die elektrischen Ladungen bildende Düse im Endbereich eines elektrisch isolierenden Isolierrohres angeordnet ist, und daß die Ausstoßöffnung des Trägerstrahls durch eine massive Isolierkappe aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff umgeben ist.

Die von dem gasförmigen Trägerstrahl transportierten elektrischen Ladungen werden in an sich bekannter Weise von der auf eine hohe Spannung gebrachten Nadelspitze geliefert, die im Bereich des Halses einer elektrisch leitenden Düse angeordnet ist, der ein Spuren von Feuchtigkeit enthaltendes Druckgas entströmt»

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist die Düse mit der elektrischen Masse der Hochspannungsquelle über eine elektrische Verbindung verbunden, die einen Entkopplungswiderstaisd. von hohem Wert umfaßt.

Nach einem weiteren anderen Merkmal der Erfindung wird der Ausstoß des gasförmigen Trägerstrahls in die Atmosphäre mittels eines elektrisch leitenden Rohres bewirkt, das jedoch einen hohen otimischen Widerstand aufweist und mit der Stirnseite der Düse in Berührung steht und eng von einem Kopfteil umgeben ist, das die Isolierkappe darstellt. In dieser Weise tritt der elektrisch aufgeladene Trägerstrahl in einem gewissen Abstand von der Düse aus.

In einem Anwendungsfall der Erfindung ist das Isolierrohr an einem Körper befestigt, dessen elektrostatisches Potential man zu begrenzen wünscht, wie beispielsweise an dem Körper eines Luftfahrzeugs, und die elektrische Masse der Hochspannungsquelle ist mit der mechanischen Masse des Luftfahrzeugs verbunden. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung imstande, die sich auf einer Struktur des Luftfahrzeugs im Flug ansammelnden elektrischen Ladungen in die Atmosphäre abzuführen.

Nach einem anderen Anwendungsfall wird die erfindungsgemäße

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Vorrichtung zur Untersuchung von Effekten eingesetzt, die an einem Körper durch die Ansammlung von elektrischen Ladungen hervorgerufen werden, die merkbar sein elektrostatisches Potential erhöhen.

Dieser Körper, beispielsweise ein Hubschrauber am. Boden, wird lokal einem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestoßenen Gasstrahl ausgesetzt, derat, daß es möglich wird, die Ansammlung oder die Ausbreitung der elektrischen Ladungen auf der Oberfläche des Körpers zu untersuchen und die in Einsatz zu bringenden Mittel zu bestimmen, um den Einfluß dieser Ladungen minimal werden zu lassen.

Die erfindungsgeraäße Vorrichtung ist dann ebenfalls dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr Mittel umfaßt, die gestatten, den gasförmigen Trägerstrahl gegen diejenige Oberfläche zu richten, deren elektrostatisches Potential man zu erhöhen wünscht.

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen, die schematisch, im Axial- oder Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, die als elektrischer Potentialabieiter einsetzbar ist.

Vom Körper oder Rumpf 11 des Hubschraubers oder dergl., dessen elektrisches Potential man zu begrenzen wünscht, um es im wesentlichen auf dem Wert null zu halten, geht ein hohler Rundstab oder ein Isolierrohr aus einem Isolierwerkstoff bei 12 aus, dessen zur Verbindung am Rumpf oder Körper 11 dienende Bodenfläche 13 zur Verbindung des Isolierrohres i2 mit einer Druckgasquelle 10, wie beispielsweise Druckluft, die Spuren von feuchtigkeit enthält. Das Isolierrohr 12 mit kreisförmigem Querschnitt weist eine Länge von etwa 60 cm auf, diese Längenangabe ist jedoch nicht von einschränkender Art. An seinem, von der Bodenfläche 13 abgewandten Endbereich ist ein metallischer Düsenkörper 15 befestigt, in dem eine zylinderförmige Vorkammer 16 ausgebildet ist, die sich in der eigentlichen Düse

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17 fortsetzt, deren gekrümrate innere Oberfläche bei 18 den Hals 19 der Düse bildet. In der Mitte des Halses 19, entlang der Achse der Düse, ist der Endbereich 22 einer metallischen Nadel 21 angeordnet, deren anderer Endbereich mit einem Pol 24 einer Hochspannungsquelle 25 verbunden ist, deren anderer Pol 26 mittels eines Leiters 27 mit der Masse des Körpers 11 verbunden ist.

Der äußere Teil 29 des Isolierrohres 12 und des Düsenkörpers 15 werden vom rohrförmigen Körper 31 einer Isolierhaube 32, beispielsweise aus "Plexiglas" oder Methylmethacrylat, umschlossen. Der Körper 31 ist zylinderförmig und läuft dünner werdend in Richtung seines zum Körper 11 des Hubschraubers gerichteten Endes zu und geht formschlüssig mit der äußeren Oberfläche 34· des Isolierrohres 12 in eine Öffnung 33 über.

Der Körper 31 der Isolierhaube 32 setzt sich zum anderen Endbereich durch eine massive Kappe 35 von lanzett- oder spitzbogenartiger Formgebung fort, in der ein mittiger Kanal 36 ausgenommen ist, der in eine Kammer 37 mündet, die durch den Körper 31 abgegrenzt ist. Der Boden der genannten Kammer wird durch einen schulterförmigen Ansatz 38 gebildet. Der Durchmesser des Kanals 36 ist wesentlich größer als der Durchmesser einer Austrittsöffnung 41 der Düse, so daß in dem Kanal 36 ein Rohr 42 untergebracht werden kann, bei dem der Durchmesser seiner inneren Oberfläche 43 genau gleich dem Durchmesser der Austrittsöffnung 41 der Düse ist, und dessen Wandstärke derart gewählt ist, daß die zylinderförmige äußere Oberfläche 44 des genannten Rohres 42 mit der zylinderförmigen inneren Oberfläche 45 des Kanals 36 einen ringförmigen Zwischenraum 46 bildet. Der innere Randbereich 47 des Rohres 42 steht mit der Stirnseite 48 des Düsenkörpers 15 in Berührung. Das Rohr 42 ist in einem nicht isolierenden, jedoch hochohmigen Werkstoff, mit einem Wider-

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stand in der Größenordnung von 10 Ohm ausgeführt, wobei man in dem vorliegenden Anwendungsfall den Werkstoff als Halbleiter bezeichnen kann.

In einem Ausführungsbeispiel, das gute Resultate gegeben hat,

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lag der innere Durchmesser des Rohres 42 bei 3 mm, und seine Länge bei 50 mm.

Durch das verbleibende Spiel oder den Zwischenraum bei 49, der zwischen der vorderen Stirnseite 48 des Düsenkörpers 15 und dem schulterförmigen Ansatz 38 gebildet wird, steht der ringförmige Zwischenraum 46 in Verbindung mit der Kammer 37.

Es sind öffnung 52 in der das Isolierrohr bildenden Wandung vorgesehen und stellen die Verbindung zwischen einer inneren Kammer 53 des genannten Isolierrohres und der Kammer 37 her.

Der vordere Endbereich des Rohres 42 weist eine abgeschrägte Fläche 5^ auf, die formschlüssig an die innere Oberfläche ^ der verjüngten Spitze der Kappe 35 angepaßt ist.

Ein Entkopplungswiderstand 61 ist zwischen den Düsenkörper und Masse geschaltet und ganz oder teilweise im Inneren des Isolierrohres 12 untergebracht.

Im Bereich des Halses der Überschalldüse, in deren Mitte der Endbereich 22 der auf eine hohe Spannung - entweder positiv oder negativ, je nach dem Vorzeichen der auszustoßenden Ladungengebrachten Nadel 21 angeordnet ist, werden Teilchen geringer Beweglichkeit erzeugt, die aus der Kondensation der natürlichen Feuchtigkeit, die in der Luft enthalten ist, auf gasförmigen Ionen einer Polarität resultieren, die ihrerseits aus der Koronaentladung stammen, die am Endbereich 22 der Nadel 21 auftritt.

Es ist festgestellt worden, daß bei Zufuhr von Druckluft zur Düse 17, derart, daß ein Austreten mit Überschallgeschwindigkeit am Hals 19 der Düse 17 und im Kanal 36 auftritt, und mit einer Hochspannungsquelle in der Höhe von etwa 10 kV der Entladungsstrom einen Wert von 60.«.70 ^uA bei einem Druck von 5 Bar in der inneren Kammer 53 erreichen kann, was ein Ergebnis darstellt, das bislang mit einem Potentialäbleiter dieses fyps nicht hat erhalten werden können.

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Es ist zu bedenken, daß dieses Ergebnis nicht nur auf der Tatsache beruht, daß der Strahl an die Atmosphäre in einem größeren Abstand von dem zu schützenden Körper abgegeben wird, sondern auch und insbesondere, daß der Endbereich des Isolierrohres eine Isolierhaube trägt.

Das Vorhandensein des Isolierrohres 12 beseitigt praktisch die Rückströmung der ladungen in die I-eitende Struktur des Luftfahrzeugs.

Die Isolierhaube 32 verhindert Jeglichen Fluß oder jegliche Strömung zwischen den metallischen Teilen des Ableiters und der äußeren Umgebung.

Die Isolierhaube 32 unterbindet ebenfalls die Koronaentladungen auf der Außenwandung der Düse.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Rohr 42 und dem Düsenkörper 15 verhindert, daß die Ansammlung von Ladungen auf der inneren Wandung des Rohres störende plötzliche Entladungen im Inneren dieses Rohres 42 hervorruft.

Andererseits unterbindet die Existenz eines hohen D_ruckes in dem ringförmigen Zwischenraum 46 die Entladungen in diesem Zwischenraum.

Das Vorhandensein des Entkopplungswiderstandes 61, dessen

ohraischer Widerstand von etwa 5x10 Ohm auf seiner ganzen Länge verteilt ist, gestattet, zu einer Kennlinie des Ausstoßstromes in Abhängigkeit von der Spannung der Quelle zu gelangen, die wenig sprunghaft verläuft und damit günstig für die Betriebsstabilität ist.

Der genannte Entkopplungswiderstand 61 liefert im übrigen einen wirksamen Schutz gegenüber dem Hochspannungsgenerator.

Man hat die Hochspannung bis auf einen Wert von 30 kV bringen können.

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sr -

Bex einer anderen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für den "Beschüß" mit elektrischen ladungen ausgelegt. Dabei ist diese Vorrichtung tragbar oder ortsveränderlich. Die Nadel 21 ist mit einem Pol der Hochspannungsquelle, und der Entkopplungswiderstand 61 mit dem anderen Pol verbunden.

Es sind Mittel zur Lenkung des die Isolierkappe verlassenden Strahls auf einen zu "beschießenden" Körper , beispielsweise eines Luftfahrzeugs, vorgesehen.

Der "Beschüß" mit dem aus dem Rohr 4-2 austretenden gasförmigen Trägerstrahl gestattet die Ansammlung der elektrischen Ladungen, beispielsweise auf dem Körper eines am Boden befindlichen Hubschraubers, sowie die Untersuchung dieser Ansammlung und/oder der Ausbreitung dieser Ladungen auf der Oberfläche des genannten Körp-ers im Hinblick auf die Bestimmung derjenigen Mittel, die die in Einsatz zu bringen sind, um den Einfluß dieser Ladungen minimal werden zu lassen.

- Patentansprüche

Al

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Trägerstrahls für elektrische Ladungen, insbesondere zur Beeinflussung des elektrischen Potentials eines Körpers, wie insbesondere eines Luftfahrzeugs und besonders eines Hubschraubers, wobei diese Vorrichtung eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene metallische Nadel umfaßt, deren Spitze in dem Hals einer aus einer Druckluftquelle gespeisten metallischen Düse angeordnet ist, sowie Mittel zum Ausstoß des TrägerStrahls in die Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet , daß die den Trägerstrahl für die elektrischen Ladungen bildende Düse (17) im Endbereich eines elektrisch isolierenden Isolierrohres (12) angeordnet ist, und daß die Ausstoßöffnung (41, 43) des Trägerstrahls durch eine massive Isolierkappe (35) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff umgeben ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkappe (35) zu einer Isolierhaube (32) gehört, die den vom Körper (11) des Hubschraubers entfernten Teilbereich des Isolierrohres (12) umhüllt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Düse (17) austrittsseitig ein Rohr (42) vorgesehen ist, das mit der Stirnfläche (48) der Düse (17) in Berührung steht und in einem nicht isolierenden Werkstoff, jedoch mit hohem elektrischen Widerstand ausgeführt ist, und daß das Rohr (4-2) in der Isolierkappe (35) derart angeordnet ist, daß der Trägerstrahl, der elektrisch aufgeladen ist, zu seinem Ausstoß dieses Rohr (42) durchströmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein enger ringförmiger Zwischenraum (46) zwischen dem genannten Rohr (42) und einem Kanal (36) in der Isolierkappe (35)> in welchem das Rohr (42) gelagert ist, vorhanden ist und unter erhöhtem Druck steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Zwischenraum (46) mit der zur Bildung des Trägerstrahls verwendbaren Druckluftquelle (10) in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Zwischenraum (46) in Verbindung steht mit einer Kammer (37) der Isolierhaube, die ihrerseits mit dem Innenraum (53) des Isolierrohres (12) in Verbindung isteht, den die unter Druck stehende Luft durchströmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (12) zumindest eine Ausnehmung oder öffnung (52) in seinem in der Isolierhaube (32) angeordneten Teilbereich aufweist, und daß ein Zwischenraum (49) zwischen der Stirnfläche (48) der Düse (17) und einem schulterförmigen Ansatz (38) zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Kanal (36) in der Isolierkappe (35) und der genannten Kammer (37) ausgebildet ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (15) der Düse (17) mit einem Entkopplungswiderstand (61) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Lenkung des die Isolierkappe (35) verlassenden Trägerstrahls auf den Körper eines Luftfahrzeugs umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Entkopplungswiderstand (61) mit dem anderen Pol (26) der Hochspannungsquelle (25) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (12) am Körper (11) des Luftfahrzeugs befestigt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der andere P₀I (24) der Hochspannungsquelle (25) mit dem Körper (11) des Luftfahrzeugs und dem von dem mit dem Körper (15) der Düse (17) verbundenen Endbereich des Entkopplungswiderstandes (61) abgewandten Endbereich dieses letzteren verbunden ist.

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