90957

Lentokoneen siiven jäätymisen ilmaisin - Detektor för att mätä nedisning av flygplanets vinge.

Lentokoneen siiven profiili on lentämisen kannalta nykyaikaisissa koneissa hyvin kriittinen. Jos profiili pääsee muuttumaan jostain syystä huononevat siiven lento-ominaisuudet ja sakkausominaisuudet samalla ratkaisevasti.

5 Siiven profiili ei juuri pääse muuttumaan muuten paitsi jos siiven pinta jäätyy eri syistä. Lentokoneen siiven jäätymisestä onkin muodostunut melko suuri riskitekijä lentoliikenteessä sillä on osoittautunut, että jääkerrokset saattavat kasvaa jopa tuuman pakuiseksi jolloin siiven lento-ominaisuudet huononevat 10 olennaisesti. Viime aikoina on tapahtunut useita matkustajalentokoneiden putoamisia joiden syyksi on voitu osoittaa juuri siiven jäätyminen. Jään muodostumisella on myöskin toinen haitta: monissa suihkukoneissa moottorit ja niiden ilmaottoaukot sijaitsevat rungon takaosassa siten, että siiven 15 taipuessa lentokoneen noustessa ilmaan jää irtoaa ja imeytyy suoraan moottorin ilmanottoaukkoihin jolloin moottorin turbiinisiivet rikkoutuvat.

Jäänmuodostus voi tapahtua usealla eri tavalla: lennon aikana sääolosuhteet saattavat olla sellaiset, että jäätä alkaa syntyä 20 siipiin; myös maassa tapahtuvan rullauksen aikana sääolosuhteet saattavat synnyttää jäätä siiven pinnalle; mutta kaikkein yllättävin on sellainen tilanne, että kone lennettyään suurissa korkeuksissa jossa on kylmää (esim. - 50°C) kerää siivilleen paksun jääkerroksen laskeuduttuaan alas kentälle. Tämä johtuu 25 siitä, että polttoaine säiliöissään on jäähtynyt hyvin kylmäksi lennon aikana. Polttoainesäiliöt ovat rakenteeltaan sellaisia että polttoaine pääsee koskettamaan siiven yläpintaa jolloin siiven yläpinta voimakkaasti jäähtyy keräten jäätä pinnalleen vaikka ilman lämpötila kentällä olisikin plussan puolella.

50 Tämä viimeksi mainittu jäätymisilmiö onkin ollut vaikeasti 2 todennettava ja aiheuttanut useita yllätyksiä lentoliikenteelle. On selvää, että lentokoneita valmistavat yhtiöt ovat ryhtyneet toimenpiteisiin jäätymisen aiheuttaman vaaran eliminimoimiseksi. Yleisin tapa on ruiskuttaa siivet glykolinesteellä, joka sulattaa 5 siivelle mahdollisesti kertyneen lumen ja jään pois. Toinen tapa on seurata ulkoilman kosteutta ja lämpötilaa jolloin ne olosuhteet jossa jäätä ylipäätään pääsee syntymään voidaan etukäteen ennakoida ja johtaa moottorien palamislämpöä siiven etureunalle sulattamaan jää. Lentokoneen rungon etuosassa on 10 vielä erityinen jään tunnistin anturi joka antaa jäätymishälytyksen mikäli sen anturin pinnalle kerääntyy jäätä. Tällöin voidaan ryhtyä jäätymisvaaran edellyttämiin varotoimenpiteisiin. Tämä anturi ei kuitenkaan ilmoita onko nimenomaan siiven pinnalle kerääntynyt jäätä.

15 Erityisesti Finnair on koneissaan käyttänyt hyvin yksinkertaista jään ilmaisua: siiven pinnalle on kiinnitetty eräänlaisia virtauslankoja jotka lepattavat ilmavirtauksessa mikäli siiven pinta on vapaa ja jäätä ei esiinny. Lisäksi on käytetty eräänlaista selvästi näkyvää laippaa jota voidaan tarkastella 20 maasta käsin. Jos laippa ja siihen kiinnitetty asteikko näkyy huonosti on siiven pinnalla jäätä.

Vallitsevasta tekniikan tasosta voidaan todeta että yleisesti on käytössä rungon etuosaan kiinnitetty tunnistin joka muodostuu lyhyestä värähtelevästä sauvasta joka värähtelee jatkuvasti 25 omalla resonanssitaajuudellaan. Mikäli resonaattorisauvan päälle kerääntyy jäätä aiheuttaa jää ja sen suuri viskositeetti värähtelytaajuuden muutoksen ja värähtelyamplituudin vaimenemisen. Hiljattain on otettu käyttöön myös hieman toisenlainen ultraääneen perustuva anturi joka voidaan asentaa 30 siivelle haluttuun kohtaan. Tämä anturi muodostuu siiven tason pinnalle asennetusta metallikiekosta jonka alla on ultraäänikide joka saattaa metallikiekon värähtelemään. Mikäli kiekon päälle kerääntyy vettä niin veden viskositeetti on niin pieni, että värähtely ei juuri vaimene. Mutta jos vesi kiekon päällä jäätyy 35 muuttuu viskositeetti jyrkästi ja värähtelyn amplitudi laskee

II

3 90957 selvästi mikä voidaan havaita kiekon alla olevalla ultraäänikiteellä. Tämän anturin etuna on se, että se voidaan asentaa polttoainesäiliön kohdalle jolloin se ilmaisee jäätymisen juuri siinä kohtaa missä jäätyminen on vaarallinen. Haittapuoliin 5 kuuluu se, että tämä anturi on hyvin hankala asentaa koska se tulee asentaa polttoainesäiliön sisälle mikä tietysti on mm. räjähdysvaaran takia vaarallista ja kallista. Toisekseen tämä anturi ilmaisee jäätymisen vain tietystä, pistemäisestä kohdasta mikä täyden varmuuden saamiseksi ei riitä.

10 Suomalaisessa patentissa 61249 selostetaan ultraäänianturi jolla voidaan ilmaista asvalttitiellä nk. mustan jään olemassaolo lähettämällä ohutta lankaa pitkin ultraäänipulssi joka sitten heijastuu langan päästä. Mikäli lanka on jään peitossa niin kaikupulssia langan päästä ei saada. Tämän anturin heikko kohta 15 on siinä, että jos lanka on vain osittain jään peitossa, niin jäätymiskohdasta voidaan saada ylimääräinen heijastus mikä huonontaa anturin toiminnan luotettavuutta. Edelleen anturin tarvitsema ilmaisuelektroniikka on kohtalaisen monimutkainen.

Kuten tunnettua ilmailuelektroniikan tulee olla mahdollisimman 20 luotettavaa ja yksinkertaista.

Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on eaada aikaan laite, joka ultraäänen avulla ilmaisee onko lentokoneen siivelle tai esim. moottorin ilmanottoaukon ympärille kertynyt jäätä. Laitteen tulee olla mahdollisimman yksinkertainen ja varmatoiminen laite 25 ilmailuelektroniikan turvalaitevaatimusten mukaisesti.

Nyt esillä olevalle keksinnölle on tunnusomaista pääasiallisesti se, että laite käsittää mittaavana anturina ohuen lankamaisen tai nauhamaisen akustisen aaltoputken, jonka toisessa päässä on ultraäänilähetin ja toisessa päässä ultraäänivastaanotin, että 30 laitteeseen kuuluu elektroniset laitteet jolla voidaan mitata anturilangan läpi menneen ultraäänipulssin intensiteetti ja vaimeneminen jäätymisen yhteydessä, ja että samanaikaisesti ultraäänen vaimenemisen mittauksen kanssa mitataan langan sähköistä vastusta, sekä että haluttaessa voidaan lanka kuumentaa 35 sähköllä siten, että sitä ympäröivä jää sulaa jolloin ultraäänen 4 intensiteetti palautuu alkuperäiseen arvoonsa.

Keksinnön mukainen jäätyrnisanturi perustuu siis siihen, että ohutta lankaa tai nauhaa pitkin lähetetään mekaaninen ultraäänisignaali toisesta päästä ja toisesta päästä mitataan 5 langan läpi menneen ultraäänisignaalin intensiteetti. Jos lankaa peittää vesikerros niin ultraääni ei vaimene, mutta jos vesi jäätyy niin ultraääni ei pääse etenemään langassa vaan vaimenee jyrkästi. Jos lanka on sohjon peitossa niin ultraääni vaimenee jonkin verran eräänlaiseen väliarvoon, jolloin sohjonkin ilmaisu 10 on mahdollista. Jään ja veden viskositeettiero on suuri jolloin langan läpi edenneen ultraäänen intensiteettierokin on suuri. Käytettävän langan halkaisija voi olla 1-2 mm ja langan sijasta voidaan käyttää myös nauhamaista aaltoputkea. Langan materiaali voi olla esim. terästä, nikkeliä tai muuta vastaavaa pienen 15 akustisen vaimennuksen omaavaa materiaalia, mutta magnetostriktiivinen nikkeli sopii parhaiten, koska se ei aiheuta korroosiota, sen sähköinen vastus on kohtalaisen suuri (sähköistä kuumennusta varten) ja siihen voidaan helposti synnyttää ultraääni magnetostriktioanturin (tai pietsoanturin) avulla.

20 On sinänsä tunnettua, että magnetostriktion avulla voidaan synnyttää ohueen lankaan ultraääni kiertämällä langan ympärille käämi, johon johtamalla sähköinen pulssi saadaan myös lankaan synnytettyä ultraäänipulssi. Samanlaisella käämillä voidaan myös vastaanottaa ultraäänipulssi ja muuntaa se sähköiseksi 25 signaaliksi. Tässä keksinnössä on tärkeätä se, että se ei perustu nk. pulssi-kaiku periaatteeseen vaan langan läpi edenneeseen ultraäänisignaaliin ja sen vaimenemisen havaitsemiseen. Tässä on olennainen ero edellä mainittuun keksintöön nähden. Kun jäätä ei langan päällä esiinny on läpi 30 mennyt signaali vaimentumaton ja kaikki on kunnossa. Vasta kun läpi mennyt signaali on voimakkaasti vaimentunut, on todennäköistä, että jäätä on langalle syntynyt. Itse anturilankahan asennetaan siiven päälle myöhemmin esitettävällä tavalla. Tärkeä etu on myös se, että vastaanottimen ei tarvitse 35 olla tahdistettu lähetyspulssiin mikä yksinkertaistaa 5 90957 elektroniikkaa merkittävästi vaan vastaanotin voi olla "auki" kaiken aikaa. Langan läpi mennyt ultraäänipulssi voi hävitä tai "kadota" myös sen takia, että lanka jostain syystä katkeaa. Mutta langan katkeaminen voidaan helposti ilmaista mittaamalla langan 5 vastus päästä päähän anturien kohdalla. Mikäli vastus on säilynyt alkuperäisenä vaimeneminen ei ainakaan ole johtunut langan katkeamisesta. Kun lanka asennetaan lentokoneen siivelle se asennetaan eristetylle alustalle jotta metallinen siipi ei oikosulje langan vastusta. Toinen lisävarmistus saadaan sillä, 10 että vastusmittauskontaktien kautta lankaa kuumennetaan sähkövirralla siten, että lankaa yn^äröivä jää uudelleen sulaa. Tällöin jo kertaalleen vaimentuneen ultraäänisignaalin tulee palautua koska lankaa ympäröi enää vain vesi. Näillä keinoilla keksinnön mukaiseen jääindikaattoriin saadaan tarvittava varmuus.

15 Kuva 1 selvittää lohkokaaviona keksinnön mukaista laitetta.

Kuva 2 selvittää kaaviollisesti anturin sijoittamista lentokoneen siivelle.

Kuva 3 selvittää kaaviollisesti anturin sijoittamista lentokoneen moottorin ilmanottoaukon suulle.

20 Kuva 4 selvittää kaaviollisesti anturilangan eräitä mahdollisia poikkileikkauksia sekä irroitettavaa karatyyppistä anturia.

Kuvan 1 mukaisesti elektronisella pulssitetulla signaaligeneraattorilla 2 synnytetään anturilankaan 1 ultraäänipulsseja sopivalla taajuudella joka useimmiten on 150 -25 250 kHz. Tämä ultraäänisignaali syntyy langan päässä olevasea ultraäänianturissa 3 joka on kiinnitetty anturilankaan sellaisella tavalla, että ultraääni siirtyy anturilankaan sopivalla tavalla. Anturi 3 voi olla esim pietsokeraaminen anturi jossa on sopivan kokoinen reikä johon lanka pujotetaan tai 30 sitten anturi voi olla sinänsä tunnettu magnetostriktiivinen anturi joka muodostuu langan ympäri kierretystä käämistä.

Anturilangan 1 toisessa päässä on samanlainen anturi 4 joka vastaanottaa lähetetyn ultraäänisignaalin ja joka muuntaa sen elektroniseksi signaaliksi joka voidaan havaita elektronisella 35 vahvistimella 5 joka vahvistaa saadun signaalin riitävän 6 voimakkaaksi jotta sitä voidaan käsitellä elektroniikasta sinänsä tunnetuin keinoin esimerkiksi viemällä vastaanotettu signaali nk. kynnysilmaisimeen 6 joka antaa hälytyksen hälyttimellä 7 mikäli anturilangan läpi menneen ultraäänisignaalin taso on pudonnut 5 liian alas. Edelleen keksinnön mukaiseen laitteeseen kuuluu olennaisena osana mittausjohtimet 8 jotka ovat kiinnitetyt anturilangan kumpaankin päähän ja joilla voidaan jatkuvasti mitata langan vastusta ja sen muutoksia elektronisella mittarilla 9. Samoilla johtimilla voidaan myös haluttaessa kuumentaa anturi 10 lankaa kuumentimella 10 sillä tavalla että lankaa 1 mahdollisesti ympäröivä jää sulaa jolloin saadaan lisävarmennus mahdollisen jään muodostumisesta. Keksinnön mukainen laite toimii siis siten, että normaalissa tilanteessa kun anturilankaa ei ympäröi jää tai sitä ympäröi vesi tai mahdollisesti nestemäinen 15 jäätymisen estoaine kuten glykoli niin anturilankaa pitkin lähetetty ultraääni ei vaimene ja vastaanotin 5 havaitsee voimakkaan ultraäänisignaalin ja vastaanottimeen 5 liitetty kynnysilmaisin 6 ei anna hälytystä. Mikäli anturilanka on jään peittämä niin ultraääni vaimenee jyrkästi ja vastaanotin 5 ja 20 kynnysimaisin 6 ei havaitse mitään signaalia jolloin lentokoneen ohjaamoon saadaan jäätymishälytys. Hälytys voidaan saada myös silloin kun lanka on mennyt poikki sillä silloinhan vastaanotin 5 ei saa mitään signaalia. Langan katkeaminen saadaan ilmaistua mittaamalla jatkuvasti langan vastusta joka kasvaa hyvin 25 suureksi langan katkettua kuten tiedetään. Olennainen lisävarmennus saadaan jäätymishälytyksen yhteydessä kuumentamalla sähköisesti lankaa niin paljon että sitä ympäröivä jää sulaa. Tällöin jäätymishälytyksen tulee poistua.

Kuva 2 esittää miten anturilanka voidaan asentaa lentokoneen 30 siivelle 11 polttoainesäiliön 12 yli. Lanka voidaan taivuttaa siivessä olevien reikien läpi siten että itse anturit ja siihen tulevat sähkökontaktit tulevat siiven pinnan alapuolelle. On selvää, että lanka tulee asentaa ilmavirtauksen suuntaisesti siten, että turbulenssia muodostuu mahdollisimman vähän. Kuva 3 7 90957 selvittää miten anturilanka voitaisiin asentaa suihkumoottorin ilmanottoaukkoon 13. Kuva 4 selvittää millaisia erilaisia poikkileikkauksia anturilangalla 1 voi olla. Pyöreän anturilangan halkaisija voi olla 1-2 mm jolloin se ei häiritse siiven 5 aerodynamiikkaa. Anturi/ joka on itse asiassa aaltoputki voi olla myös liuskamainen tai puolipyöreä. Tällaiset anturit voidaan kiinnittää siiven pintaan helpommin kuin pyöreä. Siiven pintaan anturilangan alle tulee levittää eristävä kerros esim. epoksimaalia jolloin vastuksen mittaus onnistuu ilman 10 ongelmia. Keksinnön mukaisella laitteella voidaan ilmaista myös eri välitiloja jäätymisessä kuten esimerkiksi sohjon olemassaolo tai paksun jäänestoglykolin olemassa olo seuraamalla läpikulkeneen ultraäänen amplituudia eri välitilanteissa.

Keksinnön mukaisella laitteella voidaan mitata jäätyminen hyvin 15 laajalta alueelta omi. yli koko polttoainesäiliön ja anturilankoja voidaan asentaa useita pitkin siipeä tarpeen mukaan.

Todettakoon lopuksi vielä kerran, että FI patentin 61249 mukaisessa pulssi-kaiku laitteessa langan osittainen jäätyminen 20 tai langan kiinnittimet jotka painavat langan kiinni alustan pintaan saattavat antaa harha-kaiun jolloin laitteen luotettavuus on kyseenalainen. Täoiän keksinnön mukaisessa laitteessa ei havaita kaikusignaaleja vaan langan läpi mennyttä ultraäänisignaalia joka ei ole arka harhakaiuille. Edelleen tämä 25 laite ei ole herkkä langan pituudelle sillä tässä ei käytetä ultraäänen nk. seisovia aaltoja vaan nimenomaan pulssioiaisia eteneviä aaltoja. Anturilangan päässä oleva ultraäänianturi 3 voi myös muodostua eräänlaisesta mutterilla 14 kiristettävästä ja irroitettavasta karasta samaan tapaan kuin porakoneissa 30 poranterä kiinnitetään karaan. Itse pietsokide 15 sijaitsee karan toisessa päässä josta ultraääni pääsee etenemään karan leukojen kautta anturilankaan 1 kuvan 4 mukaisesti. Tällätavoin ultraäänianturi voidaan helposti irroittaa ja kiinnittää takaisin paikalleen.

35 Muusta tekniikan tasosta todettakoon US patentti 2,419,454 jossa 8 mm. lentokoneen siiven päälle kertyvän jääkerroksen paksuutta mitataan lähettämällä ääniaalto pitkin itse siipimateriaalia siiven pinnan sisäpuolelta. Kun aaltoliike kohtaa siiven pinnan vaimenee aalto mikäli siiven pinta on jäässä. Tässä patentissa 5 ääniaalto synnytetään siiven sisäpinnalla jolloin vain osa aaltoliikkeestä kohtaa siiven ulkopinnan ja tunnistusherkkyys on huono. Koska myös pinnalle kertynyt neste vaimentaa ääniaallon ei kyseistä laitetta voi käyttää esim. polttoainesäiliön kohdalla siivellä koska säiliössä oleva polttoaine vaimentaa tehokkaasti 10 kyseisen mekaanisen aaltoliikkeen. Myös siivessä kiinni olevat seinämät, rivat, niitit ym. vaimentavat ja sirottavat mekaanisia ääniaaltoja. Tässä patentissa ei myöskään ole mitään mahdollisuutta tarkistaa jäätymisen todellisuutta sulattamalla jää sähköisesti. Näin ollen kyseisen patentin mukainen laite on 15 epäluotettava ja soveltumaton tehtäväänsä.

EPO patentissa 0 100 621 esitetään hyvin samantapainen laite, jossa metallilevyyn synnytetään ultraääniaalto joka on nk. Lambin aalto. Tätä aaltoliikettä vaivaa samat puutteet kuin edellämainittua toista anturia: sen ilmaisuherkkyys on heikko ja 20 sitä ei voi käyttää esim. polttoainesäiliön kohdalla koska polttoaine tai muu neste vaimentaa Lambin aaltoa. Tässä keksinnössä ei myöskään ole mitään varmistuskeinoa sähköisen lämmityksen tai vastusmittauksen muodossa joten sen luotettavuus on heikko.