JP2008526586A - 航空機のサンドイッチ構造体内の水の検出、定量化、および／または、位置特定のシステム、およびこのシステムの実施方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 航空機の機体に使用されるサンドイッチ構造体内に、微量でも水分が入ると機体の強度に悪影響を与えることになる。この水分の検出の方法において、操作上の制限をなくし、その能率を高め、発見箇所の早期修理を可能にする。
【解決手段】この水の検出システムは、マイクロ波の反射波を利用するものであって、マイクロ波発生装置（２）、構造体内に取り付けられたマイクロ波送信子兼センサ（３）を少なくとも二つ、および、構造体内に伝播した後のマイクロ波を検出するのに適したマイクロ波検出装置（４）、水を含まない空の構造体（１）のモデリングを少なくとも一つ含むライブラリ（５）に組み合わされたデータ処理装置を有する。また、本発明は、このシステムの実施方法、ならびに、かかるシステムを有する航空機にも関するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機のケーソン構造体内の、また、とりわけサンドイッチ型の複合構造体内の水の存在を検出、定量化、および位置特定をするためのシステムおよび方法に関するものである。本発明の用途は、航空機の分野、とくに、航空機構造体の非破壊検査による保守の分野にある。より具体的には、本発明は、いわゆる「ケーソン収納された」構造、すなわち閉鎖構造に適用されるのであり、これは、炭素製のカバーとＮｏｍｅｘ（登録商標）のようなボール紙製ハニカム、または、ガラス繊維製ハニカムの内部の層を備えたサンドイッチ型の複合構造材料で実現される。

航空機の分野において、また、とくに運用中の飛行機の保守の分野において、飛行機の構造体内の水の存在を検出することは重要である。実際、水は飛行機の特定の部材内、とりわけサンドイッチ型複合構造材料製部材内に存在することがある。「サンドイッチ」型材料とは、それぞれの側が外被で覆われた蜂の巣型細胞状のハニカム構造体を有する材料である。この外被は、水を通さない材料で実現することができる。この外被は、部材の縁にわたって一緒になるように加工し、かくして、蜂の巣型細胞状の構造体の周囲にカバーを形成することができる。この状態は、「これらの部材は、ケーソン収納された」といわれる。例えば、着陸ギアのトラップ、機外上下勤翼部、レーダー用アンテナのドーム状のカバーのレードーム、またさらに昇降機はサンドイッチ複合構造体で実現されることが多い部材である。しかるに、これらの部材内、とりわけ中間層区域内の水の存在は構造体の強度と重量に影響し、それが飛行中の飛行機の不都合な挙動を引き起こすことがある。現在、これらの構造体内の水の存在は、保守段階の定期検査によって、あるいはその存在の現れ（構造体の膨張、凝結の染みなど）によって、あるいは、極端な場合、構造体の重量の増加による機械式作動装置への影響によって検出されている。

場合によっては、部材が損傷することがあり、部材の完全交換が必要になる。とくに、サンドイッチ複合構造体内に水が検出されたとき、水を排出し、この水によって発生した損傷を修理することが必須である。そのため、一定時間飛行機を停止することが必要である。くわえて、水の存在の有無を確認する目的で、一切の修理に先立ってこれらの部材の検査を実現するために飛行機を停止することもまた必要である。飛行機の検査を実現するためには、比較的長時間飛行機を停止することが必要である。ところが、飛行機の停止はコストが高くかかる。さらには、現在用いられている検査技術もまたコストが高く、実施が困難なことが多い。実際、水の存在を検出するための飛行機の構造体の検査は、例えば、サーモグラフィー技術あるいはレントゲン撮影技術によって実現される。サーモグラフィーは構造体全体の加熱を必要とし、レントゲン撮影は検査対象の部材の隔離を必要とする。これらの非破壊検査技術は複雑で、実施に時間がかかり、利用には特別な注意が必要である。

本発明は、上述の技術の問題点を改善することを、まさにその目的とする。この目的のために、本発明は、検査対象の構造体内で発生した電磁波である、複数のマイクロ波の手段を用いて、サンドイッチ構造体内の水の存在の検出、定量化、および／または位置特定のシステムおよび方法を提供する。このシステムおよびこの方法は、構造体内の水の存在を容易に検出することを可能にし、それは早期に修理を実現することを可能にし、したがって低いコストで実現することを可能にするものである。

より正確には、本発明は航空機のためのサンドイッチ構造体内の水の検出システムに関するものであり、
・マイクロ波発生装置、
・構造体内に取り付けられたマイクロ波送信子兼センサを少なくとも二つ、
・構造体内に伝播した結果のマイクロ波を検出するのに適したマイクロ波検出器、および、
・水を含まない空の構造体のモデリングを少なくとも一つ含むライブラリに組み合わされたデータ処理装置
を有することを特徴とする水の検出システムに関するものである。

したがって、このシステムはサンドイッチ構造体内の水の存在を検出し、この水を定量化することを可能にする。

また、本発明は、下記の特徴の一つまたは複数を有することもできる。
・送信子兼センサは、それぞれ、構造体の上に固定された台座、および、構造体内部に位置づけられた導電体ロッドを有する。
・マイクロ波発生装置は、構造体に応じて選択された中心周波数の前後で周波数が変調されたマイクロ波を発生する。
・マイクロ波は、構造体に応じることができる水の励起周波数の前後でおよそ１ＧＨｚの周波数の幅にわたって変調される。
・システムは、三角法によって水の位置特定をするために構造体内に分配された送信子兼センサを少なくとも三つ有する。このようにして、本発明のシステムは水の箇所がある、一つまたは複数の場所を決定することを可能にする。
・マイクロ波発生装置はインパルスを発生する。
・マイクロ波の送信子兼センサは構造体内に搭載され、一方、マイクロ波発生装置、マイクロ波検出器、データ処理装置、および、ライブラリは地上にある。
・サンドイッチ構造体は、マイクロ波非透過性の材料製の外被二つ、および、マイクロ波低吸収性の材料製の中間層区域一つを有する。
・外被は炭素製であり、中間層区域はハニカム、Ｎｏｍｅｘあるいはガラス繊維製であるか特定の合成フォームのようにマイクロ波をほとんど通さない性質の中の材料製である。

また、本発明は航空機のサンドイッチ構造体内の水の検出方法にも関するものであり、該方法は、
・サンドイッチ構造体内へのマイクロ波送信の過程、
・構造体内を伝播した結果のセンサによるこれらのマイクロ波の受信の過程、
・水の存在ならびにこの水の体積の決定のための可変周波数での順次走査の過程
を有することを特徴とする水の検出方法である。

また、本発明は航空機のサンドイッチ構造体内の水の検出方法にも関するものであり、該方法は、
・サンドイッチ構造体内へのマイクロ波送信の過程、
・構造体内を伝播した結果のセンサによるこれらのマイクロ波の受信の過程、
・構造体内のこれらのマイクロ波の伝播時間の決定の過程、および、
・水の位置特定を演繹するためのこの伝播時間の処理の過程
を有することを特徴とする水の検出方法である。

この場合、マイクロ波は固定周波数で送信される。

また、本発明は、サンドイッチ構造体および前述のシステムを有する航空機にも関するものである。

図１は、本発明の水検出システムを備えた構造体の実施例の図である。

図２は、本発明のシステムのアンテナの斜視図である。

図３は、サンドイッチ構造体に取り付けられた本発明のシステムのアンテナの断面図である。

図４は、本発明の第一の実施態様による本発明のシステムで発生した信号の一例である。

図５は、本発明の第一の実施態様による水が無いときとあるときに検出した信号の一例を示している。

図６は、第二の実施態様による、サンドイッチ構造体内のアンテナの配分の一例である。

図７は、本発明の第二の実施態様において水のあるときと無いときに検出した信号の一例である。

本発明は、組込アンテナを介して構造体内にマイクロ波を注入して、サンドイッチ構造体内の水の存在を検出するためのシステムに関するものである。かかるシステムは図１に概略が示されている。より正確には、この図１は、本発明のシステムを備えた構造、または部材の実施例を示している。この実施例において、検査対象の部材であるサンドイッチ構造体１は、長方形の形状を有する。もちろん部材はさまざまな形状を有することができ、またとりわけ、航空機の構造に適した形状を有することができる。このサンドイッチ構造体１の部材は、例えば、飛行機の前輪のトラップである。

本発明によると、図１のシステムは、マイクロ波発生装置２、送信子兼センサ３、およびマイクロ波検出装置４から構成され、このマイクロ波検出装置は、例えば、マイクロ波検出器４ａであるショットキーバリアダイオードとデータ処理装置４ｂとから構成される。以下に述べるごとく、このデータ処理装置４ｂはライブラリ５に組み合わされている。マイクロ波発生装置２は、電磁波を発生し、送信子３によってサンドイッチ構造体１の部材の内部に伝達される。この電磁波は、周波数がおよそ２．４５ＧＨｚ（構造の形状に応じて）のマイクロ波であり、インパルスで送信、または連続で送信（およそ１ＧＨｚの周波数変調で）することができる。

以下により詳細に説明するごとく、これらのマイクロ波は連続信号の形で、または、インパルスの形で送信することができる。

サンドイッチ構造体１の部材は、炭素製外被、および、例えばＮｏｍｅｘ（登録商標）またはガラス繊維製のハニカム状の中間層区域を有するサンドイッチ構造体の中に実現される。炭素は電磁波を通さないという利点がある。ハニカム構造体は、電磁波を吸収しないという利点がある。したがって、かかる部材において、電磁波は、マイクロ波発生装置２によって発生され、送信子３によってサンドイッチ構造体１内に送信される。電磁波が構造体１内にあるとき、電磁波は炭素製の二つの外被の間に伝播する。

本発明によると、送信子兼センサ３は、サンドイッチ構造体１の部材上に取り付けられる。送信子兼センサは、サンドイッチ構造体１の部材の中間層区域内を伝播するマイクロ波を、送信する役割と、検知する役割とを有する。標準接続端子によって送信子兼センサ３に接続されたマイクロ波検出装置４は、マイクロ波によって提供された情報の検出と処理を確保する。このマイクロ波の伝播の処理がサンドイッチ構造体１の部材内の水の存在を検出し、位置特定して、定量化することを可能にするのである。

図１の実施例において、サンドイッチ構造体１の部材内の三つのセンサが示されている。以下に説明するごとく、有効なセンサの数は、対象となる用途（水の検出と定量化またはその位置特定）および検査対象の構造体の形状に依存する。

図１の実施例において、ライブラリ５はデータ処理装置４ｂに組み合わされている。このライブラリ５は空のサンドイッチ構造体１の部材のモデリング、すなわち水が含まれていないときのサンドイッチ構造体１の部材の表示を含んでいる。モデリングにはサンドイッチ構造体１の部材のさまざまな送信子兼センサ３の所在も含まれている。例えば、ライブラリ５に記憶されたモデリングは水を含まない空の部材のマップ、あるいは水を含まない空の部材のモデリングテーブルとすることができる。この水を含まない空のモデリングは、相対的に、部材に水が含まれているか否かを決定することを可能にする。より正確には、マイクロ波検出装置４は、センサ３によってマイクロ波を受信したとき、伝播時間および波形の情報を決定し、次いでこれらの情報をライブラリ５内に記録されたモデリングデータと比較する。マイクロ波検出装置４は、波形に応じて、またモデリングと比較して、構造体内の水の量を決定し、結果的に、構造体内の水の箇所９の存在を決定する。くわえて、マイクロ波検出装置４は、送信子兼センサ３と構造体内のさまざまな障害物すなわち仕切壁との間の伝播時間に応じて、かつモデリングと比較して、構造体内のこの水の位置特定、すなわち構造体内のこの水の場所を決定する。

先に述べたごとく、センサは構造体内に固定される。したがって、構造体と共に搭載される。それに反して、マイクロ波発生装置およびマイクロ波検出装置は、外部装置とすることができ、すなわち地上に留め、保守時にだけ使用される装置とすることができる。このシステムは実施が簡単であり、部材の検査は、飛行機の保守段階で地上で定期的に実施できるので、長すぎる停止を回避することができる。さらに、このシステムは少量の水の検出を可能にし、このことは過度な損傷が進む前に部材を修理することを可能にする。したがって、修理は迅速でありコストも低く、飛行機の停止時間は短い。

本発明の変型において、マイクロ波発生装置およびマイクロ波検出装置は、飛行機にも搭載される。

送信子兼センサ３は、アンテナとも呼ばれるが、その実施例は、図２、および図３に示されている。より正確には、図２は取り付けられていないアンテナの斜視図を示している。図３は、検査対象のサンドイッチ構造体１内に取り付けられたときのこの同じアンテナの断面図を示している。

このアンテナ３は、サンドイッチ構造体１の部材の上に固定された台座６、および、この台座６から突出する導電体ロッド７を有する。導電体ロッド７は、ハニカム状の中間層区域１ａの内部に挿入されている。この導電体ロッド７の長さは、検査対象のサンドイッチ構造体に適合した長さである。この長さはおよそ５０ミリメートルとすることができる。台座６は、その一方の端が、サンドイッチ構造体１の部材の外被１ｂ両方のうちの一方に固定されている。台座６の他方の端は、例えば線連結８によって、マイクロ波発生装置２およびマイクロ波検出装置４に接続されている。アンテナ３の役割は、サンドイッチ構造体１の部材の中間層区域１ａ内、すなわち、炭素製の外被１ｂ両方の間の区域に伝播するマイクロ波を、それぞれ、送信し検知することである。

先に述べたごとく、本発明のシステムはサンドイッチ構造体内の水の存在を検出することを可能にする。また、このシステムは、この水の位置特定、および／または定量化を可能にする。

本発明の第一の実施態様によれば、サンドイッチ構造体内の水は、構造体内のマイクロ波の吸収の均一化を可能にする走査の手段を用いて定量化することができる。マイクロ波の伝達および反射のパラメータは、システムの作動周波数（例えば、２ＧＨｚと３ＧＨｚとの間）で水が示す誘電損失によって構造体内の水の体積を決定することを可能にする。この作動モードを実施するために、マイクロ波発生装置２は検査対象の構造体に応じて決定する中心周波数の前後およそ１ＧＨｚの周波数の幅で周波数変調されたマイクロ波を発生する。この中心周波数は、水の励起周波数、すなわち約２．４５ＧＨｚとすることができる。この周波数は、試験対象の構造体の形状と特性に依存する。この操作モードで発生する信号の例は、図４に示されている。より正確には、図４は、可変周波数で連続送信でマイクロ波発生装置２によって送信される信号の一例を示している。この例において、マイクロ波は１．８ＧＨｚと２．８ＧＨｚとの間で線形変動する変調振幅で連続して発生される。

この実施態様において、マイクロ波発生装置２は、構造体内に固定されたアンテナ３に接続される。同様に構造体内に固定されたもう一つのアンテナ３は、マイクロ波検出装置４に接続されている。このマイクロ波検出装置４は、所定の走査周期にわたって受信された信号の平均値を与える長い応答時間の積分回路に結び付けられる。積分回路の出力電圧は、構造体内に存在する水の量に比例する。

この周波数可変の実施態様は、構造体内に分布する電界が平均して均一であるという利点を呈する。センサ３は、一定時間、構造体内の電圧Ｖのさまざまな値を測定し、それをデータ処理装置４ｂに伝達する。電界の均質性のおかげで、データ処理装置４ｂは、時間およびセンサ３によって測定した信号の関数として、積分の結果、構造体内に拡散したエネルギーの特性値である、電圧平均値Ｖｍｏｙを計算することができる。構造体の中に水があるときとないときの得られた信号の平均値の例は、図５に示されている。より正確には、曲線Ｃ１は、水がないときの信号の平均値を示し、曲線Ｃ２は、水があるときの信号の平均値を示している。

水がないとき、電圧平均値Ｖｍｏｙ１は測定された信号の電圧平均値に対応する。構造体内に水があるとき、電圧平均値は値Ｖｍｏｙ２まで低下する。実際、水は、マイクロ波によって励起されて、送信エネルギーの一部を吸収し、それによって、センサ３のレベルの電圧の形で送信されたエネルギーを減少させる。したがって、処理装置４ｂによって計算された電圧平均値は、処理装置４ｂに組み合わされたライブラリ内に含まれる水を含まない構造体モデルとの比較によって、構造体内の水の有無を反映する。くわえて、電圧平均値Ｖｍｏｙは構造体内に存在する水の量に応じて線形的に変化する。したがって、モデルと試験した構造体との間の電圧変化は前記構造体内に存在する水の量を決定することを可能にする。

第二の実施態様において、水は、マイクロ波発生装置によって送信されたインパルスの手段を用いて構造体内で位置特定し三角法によって検出することができる。言い換えれば、この実施態様において、マイクロ波発生装置２は、マイクロ波インパルスを発生して、サンドイッチ構造体内の定在波モードの発生を回避する利点を有し、結果として水の位置特定を可能にする。

この実施態様において、少なくとも三つの送信子兼センサが、構造体の別個の場所に置かれる。構造体内のマイクロ波の伝播時間と波形がわかれば、これらの情報をライブラリ内に記録したモデリングのデータと比較して、三角法によって、水を含む区域を正確に位置特定することができる。この第二の実施態様についてのセンサの位置付けの実施例が図６に示されている。より正確には、この図６は、水の箇所９の周囲の構造体１内の三つのセンサ３ａ、３ｂ、３ｃの配分の実施例を上面図で示している。かかるシステムは、構造体内のマイクロ波の伝播時間を計算し、そこから水の位置を演繹することを可能にする。

図７は、この第二の実施態様においてアンテナによって検出された信号の一例を示している。より正確には、曲線Ｃ３は、構造体内に水がないときのインパルスの一例を示し、曲線Ｃ４は、欠陥に対して反射した結果の、すなわち水があるとき（例えば、５ｍｌの水）のエコーの一例を示している。

ひとたび水の正確な場所が決定されれば、修理区域を水のある場所だけに限定することによって、損傷した構造体の区域の修理を実施することが可能になる。

上述の本発明のシステムは、サンドイッチ構造体内の水の検出および定量化の方法の実施を可能にする。この方法は、以下の過程から成る。
・インパルスのマイクロ波発生装置２および送信子３の手段によるサンドイッチ構造体１の部材内へのマイクロ波送信の過程、
・マイクロ検出装置４に接続されたセンサ３の手段によるサンドイッチ構造体１の部材の内部を伝播したマイクロ波の受信。これにおいて、センサはシステムの他の送信子によって送信されたマイクロ波を受信する過程
・サンドイッチ構造体１の部材内の可変周波数（三角インパルス）でのマイクロ波の順次走査の実現の過程
・ライブラリ５に記憶された前記部材のモデリングとの比較、およびこの水の箇所の体積の決定および結果的に構造体内の水の存在の決定の過程

本発明のシステムは、サンドイッチ構造体内の水の検出および水の位置の特定化の方法の実施を可能にする。この方法は、以下の過程から成る。
・サンドイッチ構造体内へのマイクロ波送信の過程、
・構造体内を伝播した結果の、センサによるこれらのマイクロ波の受信の過程。この過程において、それぞれのセンサは自身が送信し構造体内の水によって反射されたマイクロ波を受信する。
・構造体内のこれらのマイクロ波の伝播時間の決定の過程
・水の位置を演繹するためのこの伝播時間の処理の過程

構造体内の水の位置の特定化のこの方法において、マイクロ波は、ある一つの固定周波数で送信される。

上述の二つの方法は、同一のシステム、先に述べたシステムのタイプで実施することができる。二つの方法は、飛行機の同一の検査の際に、互いに別個に適用することができ、あるいは反対に、前後して続けて適用することもできる。

本発明の水検出システムを備えた構造体の実施例の概略図 送信子兼センサである、アンテナの斜視図 サンドイッチ構造体に取り付けられたアンテナの断面図 本発明に係るシステムで発生した信号（第一の実施例） 水の有無による検出信号の比較（第一の実施例） サンドイッチ構造体内のアンテナの配分（第二の実施例） 水の有無による検出信号の比較（第二の実施例）

符号の説明

１ サンドイッチ構造体
１ａ 中間層区域
１ｂ 外被
２ マイクロ波発生装置
３ 送信子兼センサ、アンテナ
４ マイクロ波検出装置
４ａ マイクロ波検出器
４ｂ データ処理装置
５ ライブラリ
６ 台座
７ 導電体ロッド
９ 水の箇所

Claims (14)

1. 航空機のためのサンドイッチ構造体（１）内の水の検出システムであり、
   ・マイクロ波発生装置（２）、
   ・サンドイッチ構造体内に取り付けられたマイクロ波の送信子兼センサ（３）を少なくとも二つ、および、
   ・サンドイッチ構造体内に伝播した結果のマイクロ波を検出するのに適したマイクロ波検出装置（４）、
   ・水を含まないサンドイッチ構造体（１）のモデリングを少なくとも一つ含むライブラリ（５）に組み合わされたデータ処理装置（４ｂ）
   からなることを特徴とする、水の検出システム。
2. 前記送信子兼センサ（３）が、それぞれ、サンドイッチ構造体（１）の上に固定された台座（６）およびサンドイッチ構造体の内部に位置づけられた導電体ロッド（７）を有することを特徴とする、請求項１に記載の水の検出システム。
3. 前記マイクロ波発生装置が、サンドイッチ構造体に応じて選択された中心周波数の前後で周波数変調するマイクロ波を発生することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の水の検出システム。
4. 前記マイクロ波が、水の励起周波数の前後でおよそ１ＧＨｚの周波数の幅にわたって変調されることを特徴とする、請求項３に記載の水の検出システム。
5. 前記送信子兼センサ（３）を少なくとも三つ有し、該送信子兼センサが、三角法によって水の位置特定をするためにサンドイッチ構造体内に分配されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の水の検出システム。
6. 前記マイクロ波発生装置が、インパルスを発生することを特徴とする、請求項５に記載の水の検出システム。
7. 検出システムであり、
   ・前記マイクロ波送信子兼センサ（３）がサンドイッチ構造体内に搭載され、
   ・マイクロ波発生装置（２）、マイクロ波検出装置（４）、データ処理装置、および、ライブラリ（５）が地上にある
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の水の検出システム。
8. サンドイッチ構造体が、マイクロ波非透過性の材料製の外被二つ、および、マイクロ波低吸収性の材料製の中間層区域一つを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の検出システム。
9. 前記外被が炭素製であり、前記中間層区域がハニカム、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）またはガラス繊維製あるいはマイクロ波をほとんど通さない性質の材料製であることを特徴とする、請求項８に記載の検出システム。
10. 航空機のサンドイッチ構造体内の水の検出方法であり、該検出方法が、
    ・サンドイッチ構造体内へのマイクロ波の送信の過程、
    ・サンドイッチ構造体内を伝播した結果のセンサによるこのマイクロ波の受信の過程、
    ・水を含まない空のサンドイッチ構造体のモデリングと比較するためのマイクロ波の伝播の結果検出された信号の処理の過程
    から成ることを特徴とする水の検出方法。
11. 前記信号の処理の過程が、水の存在ならびにこの水の体積の決定のための可変周波数での順次走査を具備することを特徴とする、請求項１０に記載の水の検出方法。
12. 水の検出方法であって、
    ・構造体内のマイクロ波の伝播時間の決定の過程、
    ・水の位置を演繹するためのこの伝播時間の処理の過程
    とから成ることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の水の検出方法。
13. 前記マイクロ波が、固定周波数で送信されることを特徴とする、請求項１２に記載の水の検出方法。
14. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の水の検出システムを有することを特徴とする、サンドイッチ構造体を有する航空機。

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