DE3629430A1 - Messanordnung zum feststellen von rissen in strukturbauteilen von luftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Feststellen von Rissen in Strukturbauteilen von Luftfahrzeugen mit als Rißsen­ sor dienenden, vorzugsweise an Bauteilen aus faserverstärkten Ver­ bundwerkstoffen angebrachten, mit Licht versorgbaren Lichtleitfa­ sern sowie mit den Lichtdurchgang der Lichtleitfasern überwachen­ den Auswertegeräten.

Meßanordnungen dieser Art werden, wie aus der WO 82/03 454 bekannt, insbesondere zum Prüfen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunst­ stoffen benutzt. Bei solchen Prüfverfahren handelt es sich um Un­ tersuchungen von Bauteilen mit simulierten Lasten, nicht aber um Überwachungen von Strukturen während des Einsatzes. Die Lichtleit­ fasern können dabei an der Oberfläche der zu prüfenden Bauteile angebracht sein oder, insbesondere bei Bauteilen aus faserverstärk­ ten Verbundwerkstoffen, in diese Bauteile integriert werden. Der Einsatz der Lichtleitfasern als Rißsensoren hat den Vorteil einer hohen Nachweisempfindlichkeit, wobei eine einmal ausgelöste Rißan­ zeige irreversibel bleibt.

Trotz dieser unbestrittenen Vorteile sind Rißsensoren zum dauerhaf­ ten Überwachen belasteter Strukturen, beispielsweise Flugzeugzel­ len, bisher nicht eingesetzt worden, weil der Einsatz solcher Riß­ anzeigen wegen der Vielzahl der zu überwachenden Bauteile und Bau­ teilverbindungen ein Netzwerk verlangt, das wegen seines erforder­ lichen Umfanges und Gewichtes nicht zu rechtfertigen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und funktionssicheres Verbindungsnetzwerk zu schaffen zum dauerhaften Versorgen und Überwachen von an einer Flugzeugzelle weit verzweigt angeordneten, als Rißsensoren dienenden Lichtleitfasern. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Versorgungs- und Überwachungsleitungen mehrerer Rißsensoren eines örtlichen Flugzeugbereiches jeweils zu einem die Überwachungssignale durch Multiplexen einem Übertragungsweg zuleitenden Interface geschaltet sind und daß ein im Cockpit des Flugzeuges angeordneter Rechner die Überwachungssignale aller Rißsensoren über die jeweiligen Über­ tragungswege zyklisch abfragt und beim Ausbleiben eines Überwa­ chungssignals eine als Bruch im zugehörigen Rißsensor interpretier­ te Schadensmeldung auslöst.

Die erfindungsgemäße Maßnahme bietet die Möglichkeit, ein weitver­ zweigtes faseroptisches Nervensystem in einer Flugzeugzelle, ins­ besondere in den aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen hergestell­ ten Bauteilen zu verlegen und damit frühzeitig Strukturschäden an der Flugzeugzelle zu erkennen. Dies geschieht durch permanente optoelektronische Abfrage der Rißsensoren mit Meldung von Ort und Umfang des Schadens im Rechner. Die Abfragefolge und die Abfrage­ frequenz können dabei durch Programmierung des Rechners bestimmt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 9 aufgeführt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Prinzipdarstellungen zur zyklischen Abfrage mehrerer aus Lichtleitfasern bestehender Rißsensoren,

Fig. 2 eine mechanische Abtastvorrichtung zur zyklischen Abfrage von aus Lichtleitfasern bestehenden Rißsensoren,

Fig. 3 ein Gesamtkonzept für ein faseroptisches Nervensystem und

Fig. 4 ein weiteres Konzept für ein faseroptisches Nervensystem.

Fig. 1 zeigt zwei Möglichkeiten zur zyklischen Abfrage von Licht­ leitfasern, die innerhalb eines örtlichen Bereiches in einem Flug­ zeug angeordnet sind und über ein Interface von einer gemeinsamen Leitung abgefragt werden. In Fig. 1a werden die Eingänge der Licht­ leitfasern 10 jeweils von einer zugeordneten zyklisch angesteuer­ ten Lichtemissionsdiode 11 mit Licht versorgt, während die Ausgän­ ge von einer gemeinsamen Fotodiode 12 abgefragt werden. Die Foto­ diode 12 schaltet daher im Rhythmus der auf die Eingänge wirkenden zyklischen Beleuchtung elektrische Impulse auf eine Leitung 13, die zu einem im weiteren Verlauf noch zu erläuternden Rechner führt In Fig. 1b ist die Fotodiode gegenüber Fig. 1a entfallen. Dafür sind die Ausgänge der Lichtleitfasern 10 auf einen Lichtleiter 14 geschaltet, der den Lichtdurchgang durch die Lichtleitfasern 10 auf optischem Wege zum Rechner meldet. Die Darstellungen nach Fig. 1a und 1b zeigen somit zwei Möglichkeiten, die Überwachungs­ signale der Lichtleitfasern in einem Interface 15 durch Multiplexen auf einen Übertragungsweg zu schalten.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist es auch möglich, die Lichtleitfa­ sern elektromechanisch abzutasten. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Enden der Lichtleitfasern 10 in Anschlußbohrungen 21 einer Scheibe 20 gesteckt, wobei die Anschlußbohrungen der Lichteingänge und die der Lichtausgänge auf zueinander konzentrischen Kreisen liegen. An der Scheibe 20 ist eine Buchse 22 mit einem Abtastarm 23 drehbar gelagert. Die Drehung wird mit einem Hubmagnet 24 be­ wirkt, der über eine Wendelführung 25 und eine Rückstellfeder 26 mit der Buchse 22 gekoppelt ist. Beim Drehen des Abtastarmes 23 und Lichtzuführung über einen Lichtwellenleiter 27 werden die Licht­ leitfasern 10 nacheinander abgefragt, so daß der Lichtwellenleiter 28 an den Ausgängen der Lichtleitfasern Lichtimpulse erhält, die ebenfalls einem Rechner zur Auswertung zugeleitet werden. Das Feh­ len eines Lichtimpulses zeigt, ebenso wie bei den Ausführungsbei­ spielen nach Fig. 1a und 1b, einen Defekt im Bereich der zugeordne­ ten Lichtleitfaser-Kontroll-Schleife an. Bauteile, die einer Sicht­ kontrolle unzugänglich sind, können auf diese Weise überwacht wer­ den.

Wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt, können auf diese Weise umfangreiche Überwachungsaufgaben, zum Beispiel an größeren Bauteilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, durchgeführt werden. Eine Zentraleinheit 30 steuert dabei Abtasteinheiten gemäß Fig. 2 an, denen bis zu fünfzig Lichtleitfasern anschließbar sind. Innerhalb der Zentraleinheit 30 sind entsprechend steuerbare Licht­ quellen 32, Lichtempfänger 33 und Antriebsstufen 34 für die Hubmag­ nete 24 vorgesehen. Diese Stufen werden durch einen entsprechenden Mikroprozessor 35 mit zugeordnetem Speicher gesteuert. Der Mikropro­ zessor 35 steuert darüber hinaus in Abhängigkeit der Überwachungs­ signale ein zentrales Fehlererfassungssystem 36 und eine Darstel­ lungseinheit 37 zur unmittelbaren Anzeige gravierender Schäden an.

Fig. 4 zeigt ein faseroptisches Nervensystem, das zum Beispiel über die Zelle eines gesamten Flugzeuges verlegt sein kann. Die vielen als Rißsensoren wirkenden Lichtleitfasern sind auf mehrere Interface gemäß Fig. 1b geschaltet, die über ein Lichtleitersystem 14 über eine Optronikstufe 40 auf einen Rechner 41 schaltet. Der Rechner 41 steuert seinerseits ein Display 42 zur unmittelbaren Anzeige gravierender Schäden an. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden alle Kanäle (Lichtleitfasern als Rißsensor) innerhalb ört­ licher Bereiche in Interfacestufen zusammengefaßt und durch Multi­ plexen auf eine Leitung geschaltet. Es brauchen daher nur wenige Lichtleiter zum Rechner im Cockpit verlegt werden, wo die Versor­ gung und Abfrage der Rißsensoren ausgelöst wird. Im Rechner 41 ist vorgebbar, mit welcher Abtastfolge und welcher Abtastfrequenz die Kanäle abgefragt werden können. Das Abfragen erfolgt daher durch zyklisches Aussenden von Lichtimpulsen, deren Durchgang in den Lichtleitfasern geprüft wird. Das Ausbleiben eines Lichtimpul­ ses während einer Abfrage wird vom Rechner 41 als Bruch der zugehö­ rigen Lichtleitfaser interpretiert und eine Schadensmeldung ausge­ löst. Diese Schadensmeldung kann unmittelbar angezeigt oder für eine spätere Auswertung durch eine Wartungsmannschaft abgespeichert werden. Ein Pilot eines mit einem faseroptischen Nervensystem aus­ gerüsteten Flugzeuges ist daher frühzeitig in der Lage, Informatio­ nen über Ort, Zeitpunkt und Ausmaß eines Strukturschadens zu erhal­ ten. Hierdurch wird die Sicherheit eines Flugzeuges beträchtlich erhöht.

Das erfindungsgemäße faseroptische Nervensystem kann auch zum Nach­ weis von durch Steinschläge verursachte Schäden oder von durch Meteoriten- bzw. Debriseinschläge verursachte Schäden in Raumfahr­ zeugen benutzt werden. Dies ist besonders für Bauteile aus mit Kohlenstoffasern verstärkten Kunststoffen sehr wichtig, da bei derartigen Baustoffen im Vergleich zu Metallen Einschläge von au­ ßen trotz massiver Beschädigung nicht zu erkennen sind.

Claims (9)

1. Meßanordnung zum Feststellen von Rissen in Strukturbauteilen von Luftfahrzeugen mit als Rißsensor dienenden, vorzugsweise an Bauteilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen angebrachten, mit Licht versorgbaren Lichtleitfasern sowie mit den Lichtdurchgang der Lichtleitfasern überwachenden Auswertegeräten, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungs- und Überwa­ chungsleitungen mehrerer Rißsensoren (10) eines örtlichen Flugzeug­ bereiches jeweils zu einem die Überwachungssignale durch Multiple­ xen einem Übertragungsweg zuleitenden Interface (15) geschaltet sind und daß ein im Cockpit des Flugzeuges angeordneter Rechner (35, 41) die Überwachungssignale aller Rißsensoren (10) über die jeweiligen Übertragungswege (13, 14) zyklisch abfragt und beim Ausbleiben eines Überwachungssignals eine als Bruch im zugehörigen Rißsensor (10) interpretierte Schadensmeldung auslöst.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abfragefolge und die Abfragefrequenz durch Programmierung des Rechners (41) vorgebbar sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen aller Lichtleitfasern (10) eines Interface (15) jeweils eine durch den Rechner (35, 41) in zykli­ scher Folge zur Lichtversorgung angesteuerte Lichtemissionsdiode (11) zugeordnet ist und daß die Ausgänge der Lichtleitfasern zu einem gemeinsamen Ausgang zusammengefaßt sind.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Ausgang der Lichtleitfasern (10) in einem Interface (15) eine Fotodiode (12) zugeordnet ist, deren in elektrische Impulse gewandelten Überwa­ chungssignale über einen als Leitung (13) ausgebildeten Übertra­ gungsweg zum Rechner (35, 41) gelangen.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Ausgänge der Rißsensoren eines Interface (15) mit jeweils einem als Lichtwellen­ leiter (14) ausgebildeten Übertragungsweg zur optischen Übertragung der Überwachungssignale verbunden sind.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausgänge mehrerer Lichtleitfasern (10) in jeweils eine auf konzentrischen Kreisen einer Scheibe (20) liegende Anschlußbohrung (21) gesteckt sind und daß der Scheibe (20) ein drehbarer Abtastarm (23) zugeordnet ist, auf dem zwei Lichtwellenleiter (27, 28) konzentrisch zu den Kreisen der Anschlußbohrungen (21) zur Lichtversorgung und Abtastung des Lichtdurchganges der Lichtleitfasern (10) angebracht sind.

7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtastarm (23) an einer über eine Wendelfüh­ rung (25) mit einem Hubmagnet (24) und einer Rückstellfeder (26) gekoppelten Buchse (22) angebracht ist.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadensmeldung des Rech­ ners (35, 41) einem Speicher für eine zeitversetzt durchführbare Überprüfung zugeführt sind.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte als schwerwiegend vom Rechner (35, 41) erkannte Schadensmeldungen auf einem im Cock­ pit angeordneten Bildschirm direkt anzeigbar sind.