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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Blitzschutzvorrichtung und insbesondere, aber nicht
ausschließlich,
auf eine Blitzschutzvorrichtung für ein Radom.
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Es ist bekannt, daß elektrische
Felder um scharfe Kanten herum verzerrt werden, was zu einer Konzentration
der Feldstärke
an solchen Punkten führt.
Infolgedessen sind scharte Kanten an hohen Gebäuden und Luftfahrzeugen im
besonderen Maß anfällig für Blitzschläge in einem
Sturm. Dies ist ein besonderes Problem für Flugzeuge, die um eine bessere
Aerodynamik zu erhalten, oft Krümmungen
mit geringem Radius aufweisen. Ein Beispiel eines derart eng gekrümmten Vorsprungs
ist das Radom, das allgemein im Bug eines Flugzeugs eingebaut ist.
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Das Radom trägt im allgemeinen das Radarsystem
und andere Ausrüstungen,
die auf elektromagnetische Felder empfindlich ansprechen, und das Radom
wird notwendigerweise aus einem dielektrischen Material gefertigt,
und infolgedessen kann ein Blitzschlag an einem Radom zu einer Zerstörung des Radom
führen
und darauffolgend zu einem Absturz des Flugzeugs, infolge einer
aerodynamischen Unstabilität.
Deshalb sind Flugzeuge mit Blitzschutzsystemen ausgerüstet, um
die Beschädigung
zu begrenzen, die im Fall eines Blitzeinschlags in das Radom verursacht
werden können.
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Herkömmliche Schutzsysteme sind
als Blitztrenner bekannt. Diese bestehen im allgemeinen aus Metallstreifen,
die sich von der Spitze des Radom über seine äußere Oberfläche und zurück nach der metallischen Zelle
des Flugzeugs erstrecken. Bei einem Blitzeinschlag in das Radom
wird der Strom durch die leitfähigen
Streifen in die metallische Flugzeugzelle überführt, wo höhere Stromdichten in sicherer
Weise verteilt werden können.
Neuere Variationen umfassen Einrichtungen, die als „Knopfstreifen" bekannt sind. Diese
bestehen aus einer Reihe dicht benachbarter Metallpunkte, die von
einem Streifen aus dielektrischen Material getragen werden. Kurz vor
einem Blitzeinschlag beginnt die atmosphärische elektrische Aufladung,
die den Flugzeugaufbau umschließt,
das Dielektrikum zu ionisieren, wodurch die elektrostatische Ionisation
umgebender Luftmoleküle eingeleitet
wird. Die Metallpunkte erhöhen
die örtliche
Feldstärke
und bilden ein Plasma, wodurch ein leitfähiger Kanal gebildet wird,
um den durch Blitzschlag induzierten Strom zu leiten.
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Während
des Blitzschlags werden die kleinen Metallmengen, die in diesen
Leitern benutzt werden, extremen Temperaturen und elektrodynamischen
Kräften
unterworfen, die ein Abblättern
verursachen. Infolgedessen haben diese Systeme nur eine „Einmal-Einschlag"-Fähigkeit
und müssen
nach der Landung ersetzt werden. Ein weiteres Problem in Verbindung
mit diesen konventionellen Techniken besteht darin, daß sie immer
das Vorhandensein von Metall am Radom erfordern, und zwar unabhängig von
den atmosphärischen
Bedingungen. Die leitfähigen
Eigenschaften dieses Metalls können
eine schwerwiegende Aberration des Strahlungsmusters des Radarsystems
verursachen, mit der Folge einer Verschlechterung der Systemdurchführung. Es
wurde auch bereits vorgeschlagen (US-A-4 323 946) leitfähige Fluide
auf dielektrische Oberflächen
zum Zweck einer Entladung aufzubringen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Blitzschutzvorrichtung für
ein Radom, das an einer Flugzeugzelle befestigt ist und folgende
Teile aufweist: eine Quelle elektrisch leitfähigen Fluids; Zuführungsmittel
zum Zuführen
des leitfähigen
Fluids nach der Oberfläche
des Radom, vor einem Blitzschlag, wenn dieses Radom installiert
ist; Steuermittel zur Steuerung der Zuführungsmittel, mit einem oder
mehreren elektrostatischen Feldsensoren, zur Feststellung einer Änderung
in den umgebenden atmosphärischen Bedingungen,
welche die hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlages anzeigen,
und Mittel zur Einleitung der Einspeisung des leitfähigen Fluids
bei Feststellung einer derartigen Änderung atmosphärischer
Bedingungen, welche einen Schwellwert-Detektor aufweisen, um festzustellen,
wann eine von dem einen oder den mehreren elektrostatischen Feldsensoren
festgestellte elektrostatische Feldamplitude einen vorbestimmten
Schwellwert überschreitet,
und einen Schalter zur Aktivierung der Zuführungsmittel, wenn der vorbestimmte
Schwellwert überschritten
wird; und Mittel zum Richten des leitfähigen Fluid über die
Oberfläche
des installierten Radom nach der Flugzeugzelle, wobei ein Kanal
vorgesehen wird, um Ströme
zu führen,
die durch den Blitzschlag in die Flugzeugzelle induziert wurden,
und um eine Verteilung ohne Beschädigung des Radom vorzunehmen.
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Die Anordnung des elektrisch leitfähigen Mediums
in Fluidform ermöglicht
die Schaffung eines flexiblen Systems, wobei das den Blitz leitende
Element ausgelegt werden kann, wenn die atmosphärischen Bedingungen derart
sind, daß eine
beträchtliche
Gefahr eines Blitzeinschlags besteht. Die Steuermittel überwachen
die atmosphärische
Bedingung und leiten die Ausgabe des leitfähigen Fluids über die Ausgabevorrichtung
nach der Oberfläche
des Radom ein, wenn eine Änderung
festgestellt wird, die eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags anzeigt.
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Die Luftströmung über der Oberfläche des Radoms
im Flug reicht aus, um das leitfähige
Fluid über
die Oberfläche
des Radoms zu leiten und es auf die Flugzeugzelle zu richten, so
daß ein
Kanal gebildet wird, der die durch einen Blitzeinschlag induzierten
Ströme
nach der Flugzeugzelle zur Verteilung leitet. Wenn die Bedingungen
derart sind, daß eine
wesentliche Gefahr eines Blitzeinschlags nicht besteht, dann kann
das leitfähige
Fluid von der Radomoberfläche
entfernt werden. Wenn ein Blitzschutz nicht erforderlich ist, kann
das leitfähige
Fluid in einem Isolierbehälter
gespeichert werden, wodurch eine Leiterstörung mit dem Radarsystem ausgeschaltet
und eine daraus folgende Verschlechterung des Radarverhaltens verhindert
wird.
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Die Steuermittel weisen allgemein
eine Reihe von Sensoren auf, um Änderungen
in der Atmosphäre
festzustellen, die auf einen imminenten Blitzschlag hinweisen. Wenigstens
ein Sensor stellt Änderungen
in der elektrostatischen Feldstärke
fest und andere können
optional Faktoren feststellen, wie zum Beispiel Änderungen im Lichtpegel, in
Temperatur, in Feuchtigkeit usw. Ein Schwellwertsensor ist ebenfalls
in den Steuermitteln eingebaut, um festzustellen, wenn die Feldstärke einen
vorbestimmten Pegel überschritten
hat, der eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzschlags anzeigt.
Die Steuermittel können
außerdem
eine Software aufweisen, um die Ausgabe und die Entfernung des Fluid
zu steuern. Im typischen Fall liegt der Schwellwert im Bereich von 1000
Volt pro Meter.
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Unter gewissen Umständen können bekanntermaßen Flugzeuge
elektrostatische Ladungen im Laufe des Flugs bei relativ stabilen
Wetterbedingungen sammeln. Unter diesen Umständen ist die Polarität des E-Feldes über die
gesamte Oberfläche
des Flugzeugs die gleiche (das heißt entweder an allen Punkten
von der Oberfläche
nach außen
gerichtet, oder nach der Oberfläche
nach innen gerichtet). Wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Blitzschlag-Atmosphäre besteht,
dann ändert
sich die Polarität
des E-Feldes an der Flugzeugoberfläche, über diese Oberfläche nach
außen,
in gewissen Bereichen und nach innen in anderen Bereichen. Um eine hohe
Blitzschlag-Wahrscheinlichkeit
besser gegenüber
starken E-Feldern infolge anderer Phänomene zu unterscheiden, ist
es zweckmäßig, daß die Steuermittel
eine Einrichtung aufweisen, die eine lokale Polarität der E-Felder
an der Flugzeugoberfläche
feststellen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung
wird dies erreicht, indem mehrere polaritätsempfindliche, elektrostatische
Feldsensoren an verschiedenen Stellen der Flugzeugoberfläche angeordnet
werden, vorzugsweise in einer räumlichen
Umfangsanordnung über
die Längsachse
des Radom. Es ist zweckmäßig, das
Feld an der Oberfläche
abzutasten, das nach oben, nach unten, nach rechts, nach links,
nach vorn und hinten verläuft.
Geeignete elektrostatische und polaritätsempfindliche Sensoren umfassen
integrierte Optik-E-Feldsensoren, beispielsweise solche, die den
elektrooptischen Pockel-Effekt oder den elektrooptischen Kerr-Effekt
in Materialien wie Lithium-Niobat benutzen. Es ist auch eine Logikschaltung
vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß sie eine Bedingung feststellt,
wo wenigstens ein elektrostatischer Sensor eine Feldamplitude detektiert,
die den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und bei welcher
Bedingung die Polarität des
Feldes, das von den zahlreichen elektrostatischen Feldsensoren detektiert
wird, nicht die gleiche ist. Wenn diese Bedingung festgestellt wird,
aktiviert die Logikschaltung das Ausgabesystem durch irgendeinen
bekannten Schaltmechanismus.
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Wenn die Luftströmung ausreicht, um das leitfähige Fluid über das
Radom zu leiten, kann es zweckmäßig sein,
gewisse Führungen
in der Oberfläche
des Radom vorzusehen, damit das leitfähige Fluid konsistent auf dem
gleichen Pfad fließt.
Eine solche Führung
kann zweckmäßigerweise
in Form einer flachen Nut auf der Oberfläche des Radoms vorgesehen werden.
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Nachdem die Blitzschlaggefahr vorüber ist, ist
es erwünscht,
den leitfähigen
Kanal von der Radomoberfläche
zu entfernen. Nachdem die Zuführungsmittel
aufgehört
haben, kann die Luftströmung
benutzt werden, um das Fluid von der Oberfläche zu entfernen. Vorzugsweise
umfaßt
die Vorrichtung Merkmale, die speziell so ausgebildet sind, daß das Fluid
entfernt wird. Gemäß einer
Option kann dieses Merkmal eine Quelle einer reinen Trägerflüssigkeit sein,
und es können
Mittel vorgesehen werden, das Zuführungssystem mit der reinen
Trägerflüssigkeit
zu spülen
und diese über
den leitfähigen
Kanal zu richten, wodurch der leitfähige Kanal entfernt wird. Die Steuermittel
können
so ausgebildet werden, daß Änderungen
in der umgebenden Atmosphäre
festgestellt werden, wenn diese anzeigen, daß sich die Bedingungen einer
hohen Blitzeinschlag-Wahrscheinlichkeit in eine normale Bedingung
zurückentwickelt haben.
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Die Speisevorrichtung kann irgendeine
geeignete Form aufweisen, aber zweckmäßigerweise besteht sie aus
zwei oder mehreren dielektrischen Kapillarröhrchen, die dicht an der Spitze
des Radom münden
und über
eine Pumpe und eine Ventilanordnung, die einem Reservoir zugeordnet
ist, wird Fluid zugeführt,
das in die Kapillarröhrchen
geleitet wird. Das Zuführungssystem
wird zweckmäßigweise durch
ein pneumatisches oder hydraulisches System betätigt, und sollte elektrisch
und räumlich
von der leitfähigen
Flugzeugzelle oder irgendwelchen Teilen die elektrisch damit verbunden
sind, isoliert sein, um einen Blitzeinschlag am Flugzeug über einen
Pfad innerhalb des Radom zu verhindern. Dies kann zweckmäßigerweise
durch Betätigung über ein
pneumatisches oder hydraulisches System erreicht werden, das elektrisch
nicht leitende Rohre und Fluide benutzt. Stattdessen kann die Zuführungseinrichtung durch
eine elektrische Pumpe und Ventileinrichtungen betätigt werden,
die durch eine örtliche
Batterie gespeist werden, und die Steuermittel umfassen einen Signalkreis
aus optischen Fasern.
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Wenn eine Pumpe benutzt wird, um
die leitfähige
Flüssigkeit
zuzuführen,
kann die Pumpe eine Umkehrwirkung aufweisen, das heißt das Fluid
kann in das Reservoir zurückgefördert werden,
wenn die Gefahr eines Blitzschlags aufhört.
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Geeignete Fluide zur Benutzung als
leitfähiges
Fluid umfassen alle dielektrischen Träger, die mit leitfähigen Partikeln
beschickt sind. Beispielsweise kann destilliertes Wasser benutzt
werden, das Kohlenstoff-Partikel trägt. Es können fakultativ Additive zugesetzt werden,
um die Durchführung
zu verbessern, wobei diese Zusätze
Netzmittel oder Antiblockiermittel sein können, die die Partikel trennen,
und eine Blockierung der Speiseröhrchen
und Öffnungen verhindern.
Weiter können
Zusätze
vorgesehen sein, die die Verdampfungstemperatur oder die Geschwindigkeit
der Verdampfung des Fluid verringern, und es können anti-statische oder Antihaftmittel
zugesetzt werden, um das Anhaften der leitfähigen Partikel nach der Ausgabe
zu vermindern. Weitere Fluide umfassen leitfähige Gase oder Partikel leitfähigen Materials,
beispielsweise Quecksilberdampf oder Kohlenstoffrauch.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Leiten eines Blitzes über die
Oberfläche
eines Radoms mit den folgenden Schritten: es wird eine Quelle mit
einem elektrisch leitfähigen
Fluid vorgesehen; es wird das leitfähige Fluid auf die Oberfläche des
Radom aufgebracht, wenn eine Änderung
in den atmosphärischen Umgebungsbedingungen
festgestellt wird, die die hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzschlags
anzeigen; und es wird das leitfähige
Fluid über
die äußere Oberfläche des
Radom gerichtet, wodurch ein leitfähiger Kanal für den Durchtritt
von elektrischem Strom geschaffen wird, der von einem Blitzschlag
herrührt, und
es wird der Strom über
eine Flugzeugzelle verteilt, an der das Radom befestigt ist.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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1 ist
ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Systems;
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2 veranschaulicht
ein pneumatisch betätigtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 veranschaulicht
ein elektrisch betätigtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 veranschaulicht
das Steuersystem für das
Ausführungsbeispiel
nach 2;
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5 veranschaulicht
das Steuersystem für das
Ausführungsbeispiel
nach 3.
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Wie aus 1 ersichtlich, liefert ein System elektrostatischer
Sensoren, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen
sind, einen Eingang für ein
Steuersystem 2, das einen Schwellwertsensor und eine einfache
Logikschaltung aufweist. Wenn die Logikschaltung Bedingungen feststellt,
die eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags anzeigen, dann
teilt die Schaltung dies der Pumpe 4 und den Ventilen 3 des
Zuführungssystems 7, 8 mit.
Das leitfähige
Fluid aus einem Reservoir 5 wird über Ventile 3 und
Pumpe 4 nach einem System von Kapillarröhrchen 7 gefördert, die
an verschiedenen Punkten in der Nähe der Spitze des Radom münden. Bei
Ausgabe des leitfähigen
Fluid, bei im Flug befindlichen Flugzeug, zieht die Luftströmung das
ausgegebene leitfähige
Fluid in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Flugzeugbewegung über die
Radomoberfläche
und nach der metallischen Flugzeugzelle.
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Bei dem speziellen dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist ein zweites Reservoir 6 mit einem reinen Trägerfluid
vorgesehen. Das Steuersystem ist so ausgebildet, daß es die
Umkehr der Bedingungen in einen Zustand unter den Schwellwert feststellt. Wenn
diese Bedingung erkannt wird, dann teilt das Steuersystem dies den
Ventilen 3 mit, die schalten und bewirken, daß das reine
Trägerfluid
freigegeben wird, und über
die Radomoberfläche
strömt,
wodurch der leitfähige
Pfad entfernt wird. Um zu verhindern, daß ein Blitzstrom in das Innere
des Radom geleitet wird, sind leitfähiges Fluidreservoir 5,
Ventile 3 und Pumpe 4 in einem dielektrischen
Behälter 8 eingeschlossen,
und die Kapillarröhrchen 7 bestehen
aus einem Isoliermaterial.
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Die 2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel,
das jenem nach 1 entspricht
und im Bugabschnitt eines Flugzeugs untergebracht ist. Wie aus dieser
Figur ersichtlich, mündet
ein Kapillarröhrchen 7 an
einer Stelle A in der Nähe
der Spitze des transparenten Radar-Radom 10 des Flugzeugs. Wenn
eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Blitzschlags festgestellt wird,
dann wird ein leitfähiges Fluid
von dem Reservoir 5 über
die Ventile 3 und die Pumpe 4 in das Kapillarröhrchen 7 überführt, das
eines einer größeren Anzahl ähnlicher
Röhrchen
ist. Infolge der Geometrie des Bugkonus des Flugzeugs und der Luftströmung während des
Fluges, wandert das Fluid über
die untere Oberfläche
des Radom nach der metallischen Flugzeugzelle 16 und erzeugt einen
leitfähigen
Kanal 9, der von der Spitze des Radom A nach einer Stelle
B der leitfähigen
Flugzeugzelle 16 führt.
Eine Druckluftquelle fördert
Luft über ein
dielektrisches Rohr 11 nach einer Pneumatikpumpe 4.
Außerdem
fördert
ein dielektrisches Rohrnetz 12 ein hydraulisches oder pneumatisches
Fluid, das durch die Logikschaltung gesteuert wird, um das Ausgabesystem
zu aktivieren, wenn eine hohe Blitzschlag-Wahrscheinlichkeit besteht.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3 arbeitet im wesentlichen
in gleicher Weise wie das in Verbindung mit 2 beschriebene, jedoch wird bei diesem
Ausführungsbeispiel
das Steuersystem opto-elektrisch betätigt und nicht hydraulisch
und pneumatisch. Eine Batterie 14, die in einem dielektrischen Behälter 8 angeordnet
ist, speist die Pumpe 4 und die Ventile 3. Die
Information von und nach der Logikschaltung wird über Signale
durch die optischen Fasern 15 geliefert.
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Die 4 und 5 zeigen die Basisschaltung für das Sensorsystem. 4 bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel
nach 2 und 5 bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel
das in 3 dargestellt
ist. Ein E-Feldsensor 21 stellt eine Ladung in dem Umgebungs-E-Feld
fest und liefert ein Signal an einen Verstärker 22. Das Signal
wird über
ein Tiefpaßfilter 23 nach
einem Komparator 24 geschickt, wo es mit einer Bezugspannung 25 verglichen
wird. Vorzugsweise weist die Komparatorschaltung eine Polaritätsidentifizierungvorrichtung
auf. In gleicher Weise werden andere Signale von anderen Sensoren 21a, 21b, 21c, 21d über ähnliche
Schaltungen geleitet. Die Komparatoren 24 können das
Signal dem Schwellwertdetektor 2 und der Logikschaltung
zur Verarbeitung zuführen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
erläutern
die Erfindung zur Benutzung in Verbindung mit einem Radom eines
Flugzeugs. Es ist jedoch für
den Fachmann klar, daß die
Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Das Grundprinzip, das hinter der Erfindung steht, das heißt die Benutzung
eines wahlweise einsetzbaren Fluidleiters anstelle eines permanenten
festen Leiters, kann benutzt werden, um übliche Blitzableiter bei zahlreichen
anderen Anwendungen zu ersetzen.