FR2792324A1 - Perfectionnements a la detection de la presence de givre, glace ou neige, ainsi que de la presence d'un liquide de degivrage ou d'anti-givre, sur la surface d'un aeronef, tel qu'un avion au sol - Google Patents
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Abstract
Liquide à base de glycol destiné à être répandu sur des surfaces d'aéronef pour les dégivrer ou les protéger du givre, caractérisé en ce qu'il comporte un additif qui est un marqueur spectral dont la présence sur une surface d'aéronef peut être mise en évidence par un éclairage de ladite surface à une longueur d'onde donnée.
Description
PERFECTIONNEMENTS A LA DETECTION DE LA PRESENCE DE
GIVRE, GLACE OU NEIGE, AINSI QUE DE LA PRESENCE D'UN LIQUIDE
DE DEGIVRAGE OU D'ANTI- GIVRE, SUR LA SURFACE D'UN
AERONEF, TEL QU'UN AVION AU SOL
La présente invention est relative à la détection de la présence de givre, glace ou neige, ainsi que de la présence d'un liquide de dégivrage ou
d'anti - givre, sur la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Il existe deux types de risques liés au givre sur les avions: le givrage
en vol et le givrage au sol.
En vol, le givrage survient lorsque l'avion rencontre, en altitude, des conditions météorologiques qui, par interaction avec l'écoulement aérodynamique de l'avion, provoquent l'accumulation de glace. Cette accumulation a lieu en des points particuliers prédictibles, notamment au niveau des bords d'attaque. Pour minimiser les risques d'accident, on installe généralement à bord des avions des dispositifs de dégivrage électrique ou pneumatique accompagnés ou non de détecteurs de présence de givre. Ces détecteurs et dispositifs de dégivrage sont placés aux endroits o se forment les accumulations. Les détecteurs embarqués sont par exemple des détecteurs à ultrasons, qui fonctionnent par détection d'une masse additionnelle, ou encore des détecteurs de type électrique, qui détectent la présence de substances diélectriques dans tous les cas, ils ne
permettent de détecter la présence de glace que dans leur voisinage.
Au sol, le givrage est dû à l'accumulation de glace, givre ou neige en l'absence d'écoulement aérodynamique. A l'inverse du givrage en vol, le givrage au sol peut survenir sur toutes les parties de l'avion. Ces accumulations sont à l'origine de risques importants pendant la phase de décollage elles créent des modifications (pertes) sur les caractéristiques aérodynamiques de l'avion, alors que celles-ci sont critiques pendant la phase de décollage; le décollement de la glace et son ingestion par les moteurs peut, notamment dans le cas d'avions à moteurs arrières, entraîner
l'extinction desdits moteurs pendant le décollage.
Les techniques de dégivrage et d'antigivrage utilisées actuellement consistent à appliquer sur toutes les parties de l'avion des fluides appelés fluide de type 1 pour le dégivrage et fluide de type 2 pour l'antigivrage - composés principalement de glycol. Ces applications se font à partir d'installations fixes ou mobiles, telles que des portiques ou des camions
équipés de nacelles.
Ces techniques sont efficaces mais posent des problèmes
d'exploitation.
Notamment, les attentes sur les circuits d'accès à la piste d'envol peuvent être suffisamment longues pour que l'avion regivre avant même son décollage, obligeant ainsi à recommencer la procédure de dégivrage ou d'antigivrage. Par conséquent, les procédures de dégivrage ou d'antigivrage sont plus souvent utilisées qu'il ne serait nécessaire. Ceci représente un
coût important pour les compagnies aériennes.
Par ailleurs, ces procédures de dégivrage ou d'antigivrage sont mises en oeuvre alors que les passagers sont embarqués. Elles retardent
les décollages et diminuent donc la ponctualité des vols.
Egalement, les quantités importantes de glycol utilisées polluent les
abords de l'aéroport.
Pour minimiser l'impact de ces problèmes d'exploitation tout en maintenant un bon niveau de sécurité, les personnels des compagnies aériennes sont formés à la détection de la présence de givre ou glace sur la
surface des avions.
Il n'est, en effet, pas envisageable d'utiliser pour la détection au sol des détecteurs du type de ceux connus à ce jour pour la détection du givrage en vol. De tels détecteurs ne permettent en effet qu'une détection locale alors que le givrage au sol met en jeu l'ensemble de l'avion. il faudrait, par conséquent, pouvoir équiper toute la surface de l'avion, ce qui d'une part l'alourdirait et le renchérirait tout en posant nombre de problèmes techniques, et d'autre part serait difficilement réalisable sur la flotte des
avions existants.
Néanmoins, les méthodes de détection de givrage utilisées par les personnels des compagnies aériennes sont artisanales et souvent difficiles d'application du fait notamment des mauvaises conditions météorologiques et de luminosité (en particulier dans les pays de haute latitude) dans lesquelles elles sont généralement mises en ceuvre. En outre, il est important en pratique de pouvoir détecter la présence de glycols de dégivrage ou d'anti-givrage de façon à éviter de renvoyer au dégivrage tout avion possédant déjà une protection d'antigivre. Il arrive en effet couramment que les précipitations atmosphériques continuent à déposer de la neige ou à former de la glace sur la surface d'un avion qui vient d'être recouvert de liquide antigivre. Le rôle du liquide antigivre est donc de transformer instantanément ce dépôt pâteux en couche liquide (eau). Cette transformation a pour conséquence de dissoudre petit à petit le liquide antigivre. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler en permanence
la concentration en glycol du produit antigivre.
Le but de l'invention est donc de proposer une nouvelle technique permettant la détection de givre, de glace ou de neige à la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol, tout en permettant en même temps de
détecter la présence de glycols de dégivrage ou d'anti-givre.
PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR
Pour pallier les limitations des technologies par ultra-sons qui ne permettent que des détections ponctuelles et qui de ce fait ne peuvent être dédiées qu'aux capteurs embarqués pour la détection du givrage en vol, il a
déjà été proposé de mettre en oeuvre des détections de type optique.
Notamment, on connaît par le brevet US-5.500.530 une technique de détection consistant à déterminer un contraste entre les intensités lumineuses réfléchies à deux longueurs d'onde, I'une comprise entre 1,16 et 1,20 pm, l'autre comprise entre 1,24 et 1,23 lm. Selon qu'il y a présence ou absence de givre ou de glace sur les ailes de l'avion, ce contraste est
supérieur ou inférieur à 0.
Toutefois, cette technique est fortement limitée notamment du fait que les faibles valeurs du contraste empêchent de différencier la présence
de glace de celle d'un liquide anti-givre ou de dégivrage.
Il a également déjà été proposé dans le brevet US 5 617 076 un procédé et un dispositif de détection utilisant la propriété selon laquelle une réflexion sur une surface métallique conserve l'état de polarisation de la lumière incidence, alors qu'une réflexion vitreuse sur une surface
diélectrique modifie l'état de polarisation du faisceau incident.
Des dispositifs mettant en oeuvre le principe exposé dans ce brevet
ont été testés.
Ils posent plusieurs problèmes.
Notamment, les accumulations constituées d'eau et de neige
mélangées sont mal détectées.
Egalement, la détection ne peut se faire que lorsque les détecteurs ont une orientation sensiblement voisine de la normale à la surface examinée, ce qui pose des difficultés importantes dans le cas d'aéronefs
présentant des surfaces particulièrement incurvées.
En outre, ces dispositifs ne permettent pas de mettre en évidence la
présence de produits dégivrants ou anti-givre.
On connaît par ailleurs par le brevet FR 2.764.382 de la demanderesse un procédé de détection de givre selon lequel on éclaire la surface de l'aéronef par deux longueurs d'onde, I'une (au voisinage de 690 nm) à laquelle la lumière est essentiellement diffusée par la structure de l'aéronef à travers les éventuelles couches de glace ou d'eau, I'autre (au voisinage de 1550 nm) à laquelle la lumière est au contraire essentiellement absorbée. Cette technique repose sur une constatation simple. Si l'on détecte de l'eau sur une épaisseur supérieure à quelques centaines de micromètres à la surface d'un aéronef, alors il ne peut s'agir que d'eau gelée. En effet, les formes géométriques d'un avion ne sont pas compatibles avec une
accumulation d'un liquide en forte épaisseur.
Or, alors que la différenciation de la présence d'eau par rapport à la présence de glace est très difficile à réaliser et conduit à des principes de mesures sophistiqués, aux résultats peu fiables, la détection de l'eau, sous toutes ses formes physiques, est très facile à mettre en oeuvre par mesure
d'absorption spectrale.
La double mesure proposée dans le brevet FR 2.764.382 permet de déterminer simplement, mais aussi avec un excellent contraste, la présence ou l'absence d'eau, qui dans le cas d'un aéronef, ne peut être que gelée. La
détection réalisée est fiable et sans équivoque.
Ce brevet FR 2.764.382 propose également de détecter la présence de glycol sur la surface analysée et de différencier la présence de glycols de la présence éventuelle de givre, neige ou glace en utilisant une troisième longueur d'onde (située au voisinage de 1100 nm) correspondant à l'harmonique 3 de la résonance fondamentale de la liaison C-H et donc à un
pic d'absorption pour les glycols.
Toutefois, cette approche, bien qu'originale et astucieuse, est limitée dans le cas d'une utilisation nécessitant une instrumentation rustique et fiable. En effet, si le pic d'absorption de la liaison C - H est important à la longueur d'onde fondamentale, celui-ci est beaucoup moins important à la longueur d'onde correspondant à l'harmonique 3. En outre, des essais expérimentaux ont montré que les pics d'absorption des glycols autour de 11 00nm sont très proches de ceux de l'eau et variables selon la composition exacte du mélange utilisé. Or, les glycols de dégivrage peuvent être aussi bien des glycols purs que des glycols fortement dilués dans de l'eau.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention propose quant à elle une solution qui est d'une grande simplicité de mise en oeuvre, d'un faible coût et qui permet de détecter de façon fiable d'une part la présence de givre, de glace ou de neige et d'autre
part la présence de glycols de dégivrage ou d'anti-givre.
A cet effet, I'invention propose un liquide à base de glycol destiné à être répandu sur des surfaces d'aéronef pour les dégivrer ou les protéger du givre, caractérisé en ce qu'il comporte un additif qui est un marqueur spectral dont la présence sur une surface d'aéronef peut être mise en
évidence par un éclairage de ladite surface à une longueur d'onde donnée.
Ce marqueur peut être un colorant présentant au moins un pic d'absorption à une longueur d'onde différente d'un pic d'absorption de l'eau ou de la glace ou être un colorant fluorescent. L'invention propose également un procédé pour dégivrer ou protéger contre le givre au moins une surface d'un aéronef, selon lequel on répand
sur ladite surface un liquide à base de glycol.
Elle propose en outre un procédé pour la détection de givre, glace ou neige, à la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol, ainsi que pour la détection de la présence d'un liquide de dégivrage ou d'antigivre à base de glycol, selon lequel on éclaire ladite surface à une longueur d'onde qui est essentiellement transmise par la glace et l'eau, ainsi qu'à une autre longueur d'onde qui est essentiellement absorbée par la glace et l'eau, on mesure les intensités de la lumière réfléchie à ces longueurs d'onde et on détermine en fonction des intensités ainsi mesurées s'il y a présence ou absence de givre, glace ou neige sur la surface analysée et selon lequel également on éclaire ladite surface à une troisième longueur d'onde, on mesure une intensité de la lumière reçue en retour de ladite surface et on détermine en fonction de cette intensité et éventuellement des intensités mesurées aux deux autres longueurs d'onde s'il y a présence ou absence de liquide de dégivrage ou d'antigivre sur la surface analysée, le liquide de dégivrage ou d'antigivre étant un liquide selon l'invention et la troisième longueur d'onde étant choisie pour permettre de mettre en évidence la
présence du colorant sur la surface de l'aéronef.
Comme on l'aura compris, I'ajout d'un marqueur spectral dans le liquide de dégivrage ou d'antigivre permet d'identifier de façon simple et
sans équivoque la présence de ce liquide dans du givre environnant.
DESCRIPTION DETAILLEE
La description qui suit est donnée à titre illustratif et non limitatif.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le liquide de dégivrage et de protection anti-givre est une composition à base de glycol à laquelle est mélangé un additif destiné à servir de marqueur, qui présente une forte absorption dans une bande spectrale différente de celle
correspondant à l'absorption de l'eau.
Ce marqueur est un colorant qui se dissout en très petite quantité
dans les glycols de dégivrage et d'antigivre.
Il est choisi pour ses propriétés d'absorption à des longueurs d'onde détectables et différenciables des autres longueurs d'onde utilisées pour la détection de givre. Il est également choisi pour sa compatibilité avec les
liquides de dégivrage et d'anti-givre utilisés par les compagnies aériennes.
Des exemples de marqueurs sont donnés plus loin de façon plus détaillée. La détection de la présence de givre, de glace ou de neige sur une surface d'un aéronef se fait en éclairant la surface de celui-ci avec trois
longueurs d'onde X1, k2 et X3 différentes.
La longueur d'onde X, est choisie dans le proche infra rouge (700 -
800 nm) et correspond à une faible absorption de H20, quelque soit sa forme physique (eau, glace, neige, givre...), la lumière étant essentiellement
transmise par l'eau et la glace à cette longueur d'onde.
La longueur d'onde X2 est choisie voisine de 1500nm et correspond à
une forte absorption par l'eau et la glace.
La longueur d'onde X3 est quant à elle choisie de façon à
correspondre à la longueur d'onde d'absorption du marqueur.
De façon préférentielle, cette longueur d'onde est voisine de 1000
nm, par exemple de l'ordre de 1000 à 1100 nm.
L'émission des trois longueurs d'onde Xl, X2 et X3 est par exemple réalisée au moyen de diodes laser d'une puissance d'émission de l'ordre de mW ou inférieure, ou au moyen de microlasers pompés par diode ou encore au moyen d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) permettant
de générer les trois longueurs d'onde.
Ces moyens d'émission sont intégrés à un dispositif qui comporte également des moyens pour la détection des portions de faisceaux réfléchies par la surface de l'aéronef éclairée, ainsi qu'un calculateur qui met en oeuvre un traitement sur les intensités des portions de faisceaux
détectées pour chacune des trois longueurs d'onde kl, 2 et.3.
Le traitement mis en ceuvre par le calculateur sur les intensités mesurées pour les longueurs d'onde XA et X2 permet de déterminer la présence de glace, de givre ou de neige. Par exemple, le calculateur détermine le rapport entre les intensités mesurées pour ces deux longueurs
d'onde et compare ce rapport à un seuil donné.
Le calculateur met également en oeuvre une comparaison de l'intensité rétrodiffusée à la longueur d'onde X3 et de l'intensité rétrodiffusée à la longueur d'onde X2 pour détecter la présence de glycol sur la surface analysée. Il détermine en fonction du rapport entre ces deux intensités la concentration glycol/eau sur le film recouvrant la surface de l'avion. Cette détermination se fait par exemple au moyen de courbes de correspondance entre le rapport des intensités et la concentration préalablement
mémorisées dans le calculateur.
Le marqueur peut par exemple être un colorant utilisé dans l'industrie du laser, présentant une absorption importante dans le domaine
du proche infra-rouge, autour de la longueur d'onde X - 1 p.m.
On notera que l'utilisation de colorants présentant des longueurs
d'onde d'absorption autour de 1000 nm présente de nombreux avantages.
L'oeil humain n'étant pas sensible à une absorption à des longueurs d'onde se situant dans l'infra-rouge, il ne perçoit pas la coloration des glycols. L'effet de coloration n'est donc pas perceptible par les passagers ou
les riverains de l'aéroport.
En outre, des diodes d'émission laser et des détecteurs (par exemple Si ou InAsGa) fonctionnant au voisinage de 1000 nm sont disponibles industriellement. On pourra en particulier avantageusement utiliser des diodes laser émettant à la longueur d'onde 1,06 pm. Cette longueur d'onde - étudiée notamment par les fabricants de diodes lasers pour le marché de la simulation des lasers solides YAG: Nd - correspond à un creux dans la courbe d'absorption spectrale de l'eau. Le contraste - défini par le rapport entre les absorptions de l'eau (ou givre) et du glycol coloré - y est plus élevé qu'à d'autres longueurs d'onde (la bande spectrale visible étant
exclue pour des questions de discrétion oculaire).
A titre d'exemples non exhaustifs, on pourra avantageusement utiliser comme colorants la molécule IR-26, dont la composition est C40 H30 04 S2 C12 et qui présente la structure suivante:
CH-CH - CH -CH
Ct a, N
Ou encore les molécules connues sous les dénominations suivantes: IR -
26; DNTPC-P DNDTPC-P; Q-Switch 5, etc. Ces colorants sont principalement fabriqués et commercialisés par les sociétés: LAMBDA
PHYSIK, EXCITON, KODAK...
Ces molécules, synthétisées essentiellement à des fins d'application
laser, présentent un maximum d'absorption spectrale aux environs de 1050-
1100 nm et répondent aux critères décrits préalablement.
A titre d'exemple, dans le cas o on utilise la molécule IR-26 comme colorant, on utilise préférentiellement une concentration de colorant de I'ordre de 20 mg/ (I de glycol), ce qui correspond à un coefficient
d'absorption de l'ordre de 3 cm-'.
Selon un autre mode de réalisation possible pour l'invention, le liquide de dégivrage et d'anti-givre est un liquide à base de glycol auquel est ajouté un marqueur spectral qui est un colorant fluorescent qui se dissout dans le glycoi. Lorsqu'il est illuminé à sa longueur d'onde X d'excitation, ce
colorant génère une fluorescence à une longueur d'onde Af telle que kf >, i.
L'avantage de cette solution tient en ce que l'intensité émise par fluorescence est généralement plus élevée que l'intensité rétrodiffusée au travers d'un colorant classique, de sorte que des concentrations plus faibles de colorants dans le glycol peuvent être envisagées. En outre, le spectre d'émission d'une molécule fluorescente (Xf) est très étroit (de l'ordre de la
dizaine de nm), ce qui facilite la détection sélective.
On peut par exemple utiliser un colorant de type Fluoresceïne dont le pic d'absorption se situe vers X.j - 510-530nm avec une fluorescence vers Xf 550nm. Dans le cas d'une fluorescence de ce type émettant dans le spectre visible, la détection de glycol n'est plus discrète pour l'oeil. Cette caractéristique, si elle est contraignante d'un point de vue discrétion, offre en revanche l'avantage de permettre au personnel en charge de la
détection de visualiser, sans intermédiaire, les zones recouvertes de glycol.
L'utilisation par le personnel chargé du contrôle, de paires de lunette filtrant le spectre de fluorescence permet également et simplement d'améliorer le contraste. Dans le cas d'une fluorescence émettant dans le spectre IR, la
discrétion totale de la mesure est assurée.
L'utilisation du procédé par fluorescence nécessite toutefois de vérifier, préalablement, que les revêtements des structures à tester
(peintures, colles....) ne génèrent pas une fluorescence parasite.
Claims (11)
1. Liquide à base de glycol destiné à être répandu sur des surfaces d'aéronef pour les dégivrer ou les protéger du givre, caractérisé en ce qu'il comporte un additif qui est un marqueur spectral dont la présence sur une surface d'aéronef peut être mise en évidence par un éclairage de ladite
surface à une longueur d'onde donnée.
2. Liquide de dégivrage ou d'antigivre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le marqueur est un colorant présentant au moins un pic d'absorption à une longueur d'onde différente d'un pic d'absorption de
l'eau ou de la glace.
3. Liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite
longueur d'onde est au voisinage de 1000 nm.
4. Liquide de dégivrage ou d'antigivre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le marqueur est un colorant présentant au moins un
pic d'absorption à une longueur d'onde comprise entre 1050 et 1100 nm.
5. Liquide de dégivrage ou d'antigivre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le marqueur est le colorant connu sous la
dénomination IR-26.
6. Liquide de dégivrage ou d'antigivre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la concentration de ce colorant dans le glycol est de
l'ordre de 20 mg/l.
7. Liquide de dégivrage ou dantigivre selon la revendication 1,
caractérisé en ce que le marqueur est un colorant fluorescent.
8. Liquide de dégivrage ou d'antigivre selon la revendication 7,
caractérisé en ce que le marqueur est la fluorescine.
9. Procédé pour dégivrer ou protéger contre le givre au moins une surface d'un aéronef, selon lequel on répand sur ladite surface un liquide à base de glycol, caractérisé en ce que ledit liquide est un liquide selon l'une
des revendications précédentes.
10. Procédé pour la détection de givre, glace ou neige, à la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol, ainsi que pour la détection de la présence d'un liquide de dégivrage ou d'antigivre à base de glycol, selon lequel on éclaire ladite surface à une longueur d'onde qui est essentiellement transmise par la glace et l'eau, ainsi qu'à une autre longueur d'onde qui est essentiellement absorbée par la glace et l'eau, on mesure les intensités de la lumière réfléchie à ces longueurs d'onde et on détermine en fonction des intensités ainsi mesurées s'il y a présence ou absence de givre, glace ou neige sur la surface analysée et selon lequel également on éclaire ladite surface à une troisième longueur d'onde, on mesure une intensité de la lumière reçue en retour de ladite surface et on détermine en fonction de cette intensité et éventuellement des intensités mesurées aux deux autres longueurs d'onde s'il y a présence ou absence de liquide de dégivrage ou d'antigivre sur la surface analysée, caractérisé en ce que le liquide de dégivrage ou d'antigivre est un liquide selon l'une
des revendications 1 à 8 et en ce que la troisième longueur d'onde est
choisie pour permettre de mettre en évidence la présence du colorant sur la
surface de l'aéronef.
11il. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide de dégivrage ou d'antigivre est un liquide selon l'une des
revendications 2 à 6, en ce que la troisième longueur d'onde dont on éclaire
la surface de l'aéronef correspond à un pic d'absorption du colorant et en ce qu'on mesure l'intensité de la lumière transmise à cette longueur d'onde
après réflexion sur la structure de l'aéronef.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide de dégivrage ou d'antigivre est un liquide selon l'une des
revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la troisième longueur d'onde
dont on éclaire la surface de l'aéronef correspond à une longueur d'onde d'excitation du colorant fluorescent et en ce qu'on mesure l'intensité de la lumière venant de la surface éclairée à la longueur d'onde d'émission
fluorescente correspondant à cette longueur d'onde d'excitation.
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