JP2009229465A - 落雷検出 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機への落雷を検出する。
【解決手段】航空機は複合構造と、構造領域の落雷検出カバー範囲を与えるための複数の小さい軽量のポーリング可能な通信装置を具備している。各通信装置は少なくとも落雷電流が近くを流れるならば動作不能にされる。電磁効果を受けやすい構造は本体と、構造のＥＭＥ検出を行うために本体に取付けられている複数のＲＦＩＤタグを含んでいる。各タグは少なくともＥＭＥ電流に近い場合には動作不能にされる。航空機の構造の健全状態を解析する方法は航空機の１領域をカバーする複数の通信装置に質問し、動作不能の装置を識別し、動作不能の装置から任意の検査ゾーンを識別する処理を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は落雷検出に関する。

通常の航空機および大型の商用のジェット機は落雷に対して脆弱である。これらの金属構造とは異なって、これらの航空機の複合構造は落雷により発生される大きな電流と電磁力を容易に導通させて排除することができない。

複合構造を有する航空機には落雷保護手段（ＬＳＰ）が取り付けられることができる。例えば導電媒質が落雷電流を放散し分散させるため表面上または構造中に設けられることができる。

航空機の特定領域を落雷電流が流れるか否かを決定する問題が存在する。落雷は別々の位置で加えられ離脱され、落雷電流はＬＳＰパスまたはその間の予測できないパスを流れる可能性がある。単なる１例として、落雷は機体の機首で生じ、機体の後部方向へのパスを流れ、水平尾翼上のランダムな位置で離脱される。複合材料に対する損傷は落雷の生じた位置および離脱位置で生じる可能性がある。複合材料に対する損傷はまた落雷電流が取るパスに沿って生じる可能性もある。

落雷により生じる損傷は隠れており、或いは視覚検査により明白にならない可能性がある。落雷により生じる損傷を検出するため、航空機構造の非常に大きい領域が検査される必要がある。しかしながら非常に大きい領域上の非破壊的検査（ＮＤＩ）は時間がかかり高価である。さらに非常に大きい領域が検査される必要がある場合には特定領域（例えば表面の穴、塗装の損傷を含む領域）は見落とされる可能性がある。

本発明の１実施形態によれば、航空機は複合構造と、構造領域の落雷検出カバー範囲を与えるための複数の小さい軽量のポーリング可能な通信装置を含んでいる。各装置は少なくとも落雷電流に近いならば動作不能にされる。

本発明の別の実施形態によれば、電磁効果を受けやすい構造は本体と、構造のＥＭＥ検出を行うために本体に取付けられている複数のＲＦＩＤタグを含んでいる。各タグは少なくともＥＭＥ電流に近い場合には動作不能にされる。

本発明の別の実施形態によれば、航空機の構造の健全状態を解析する方法は航空機の１領域をカバーする複数の通信装置に質問し、動作不能の装置を識別し、動作不能の装置から任意の検査ゾーンを識別する処理を含んでいる。

航空機を示す図。 航空機の落雷検出範囲を与える通信装置の異なるパターンを示す図。 航空機構造の表面に取付けられた通信装置を示す図。 航空機構造中に埋設された通信装置を示す図。 航空機のアップリケに搭載される通信装置を示す図。 落雷を検出する方法を示す図。 無線通信装置を示す図。

図１を参照すると、複数の複合構造を有する航空機110を示している。幾つかの複合構造はファイバガラスまたは炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）のような複合材料から全体的に作られることができる。他の構造は複合材料と金属との組合せであってもよい。例えば複合構造は複合材料、金属ファスナ、電気結合ジャンパ、落雷保護用金属を含むことができる。

航空機上の幾つかの複合構造は他の構造よりも落雷を受けやすい。大型の商用の航空機で、最も落雷を受けやすい構造にはエンジン室120、翼と垂直及び水平の安定化装置の先端130、レードーム140が含まれている。航空機の機体150及び他の構造160も非常に影響を受けやすい。

落雷は航空機110の別々の位置で落雷し、および離脱し、落雷電流はＬＳＰパスを流れるか、隠れたまたは視覚検査では明白ではない予測不能なパスを流れる可能性がある。

図２の（ａ）を参照すると、これは落雷を受けやすい構造の領域210の落雷の検出カバー区域を与えるための複数の小さい軽量のポーリング可能な通信装置220を示している。各装置220は落雷を受けたかまたは落雷に近いならば動作が不能になる。雷雨期間中に装置220の１つが動作できなくなったならば、領域210の落雷電流が生じたと仮定されることができる。装置220のパスが動作できなくなったならば、領域210の落雷電流が予測されるだけでなく、電流が流れる可能性があるパスが識別されることができる。

装置220の動作能力はそれをポーリングすることにより決定されることができる。例えばネットワークに接続されるかネットワーク上で通信する装置220はその接続確認によりポーリングされる。動作可能な装置220は接続確認（pinging）に応答する。打撃を受けたか過電力を受けた装置220は応答しない。

ワイヤ接続バスに接続された装置220は装置から「状態ディスクリート値」（例えば動作可能／動作不能）を単に読取ることによりポーリングされることができる。ディスクリートな値は常にポーリングプロセスに利用可能であるので、このようなポーリングを受ける装置220からの応答を待機する必要はない。

装置220は１つのパターンで構成されることができる。領域210は図２の（ａ）に示されているような格子パターンのような格子パターン、または図２の（ｂ）（図２の（ｂ）の同心円は参照のみのためである）に示されているような放射パターンのような放射パターン、或いは幾つかの他の反復可能なパターンで構成されている装置220によりカバーされることができる。パターンは反復可能なパターンに限定されない。高い幾何学的複雑性または他表面制約を有するかあるいは可変のレベルのカバー解像度が所望される不規則な非対称またはその他の反復可能ではない「ランダム」パターンが例えば設置に使用されることができる。

領域210は構造全体または構造の一部だけをカバーしてもよい。例えば図２の（ａ）の格子パターンは翼の先端をカバーするために使用されることができ、図２の（ｂ）の放射パターンは（航空機方向に真正面に見る）レードームの先端のカバー範囲を与えるために使用されることができる。２以上の構造が通信装置220によりカバーされることができる。構造の多数の領域は通信装置220によりカバーされることができる。落雷を受けやすい構造がカバーされることができ、落雷を受けにくい構造もカバーされることができる。

領域210の装置220の「密度」は単位面積当りに分散される装置220の数を指している。単位面積当りの装置220の数は装置を付加する価格及び重量、構造の臨界、落雷の付加または離脱の可能性（即ち落雷への敏感度）、所望の解像度、冗長等のような要素に基づくことができる。

装置220は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）装置で見られるコンポーネントを使用することができる。簡単な装置220はポーリングされるとき識別情報（ＩＤ番号）または幾つかの他の基本的な情報（例えば監視される航空機構造コンポーネントの位置、モデル番号、設置日、部品番号またはセキュリティ暗号化または認証キー）のみを提供できる。

幾つかの実施形態では、領域210中の全ての装置220は落雷に対して同じしきい値を有することができる。即ち全ての装置220はあるしきい値で故障する。

しかしながら他の実施形態では、異なる装置220は異なるしきい値を有することができる。即ち幾つかの装置220は高い大きさの電流に耐えることができる。例えば高いしきい値を有する単一の装置220は低いしきい値を有する装置220により囲まれている。包囲する装置が落雷電流により破壊されたが、高いしきい値を有する装置が依然として動作可能であるならば、落雷は高いしきい値と低いしきい値の間の大きさを有すると仮定されることができる。異なるしきい値を有するこのような装置220を分散することによって、電流の大きさの方向性または勾配が決定されることができる。

装置220のしきい値は多くの方法で変化されることができる。第１の例として、ある範囲の導電被覆が装置220が設けられる表面に適用される。第２の例として、異なる装置220は高電圧に対する保護のために異なる過渡サプレッサダイオードを有することができる。

装置220は共にワイヤ接続されることができる。例えば装置220は航空機の表面近くを通るワイヤ接続バスに接続されることができる。装置220はワイヤ接続されたバスに接続される機上コンピュータによりポーリングされることができる。例えば安全ではない臨界メンテナンスコンピュータまたはその他のこのような専用コンピュータは装置220をポーリングでき、その後飛行コンピュータまたは他の機上コンピュータとインターフェースする。ワイヤ接続されたバスはローカルな装置のデータ記憶、データ処理および／または入力と出力に必要とされる可能性がある装置220への電力の提供に使用されることもできる。

ワイヤ接続されるバスは固有の問題を有する。例えば落雷電流はＬＳＰ導体ではなくワイヤ接続されたバスを流れる可能性もある。その場合、ワイヤ接続されたバスは航空機の他の部分への雷誘起電流の意図しない転送を生じる可能性がある。さらに一連の装置220は落雷電流により破壊される可能性がある。これらの破壊された装置220は交換されなければならない。

ワイヤ接続されたバスは別の固有の問題を有する。ワイヤ接続されたバスは他の機上システムとの電磁妨害（ＥＭＩ）問題を生じる可能性がある。ワイヤ接続されたバスは落雷電流により破壊される可能性があり、それによって装置220はポーリングされることができない。無線装置はこれらの固有の問題を回避する。

図７を参照すると、無線通信装置710の１例が示されている。無線装置710はプロセッサ720、アンテナ730、メモリ740、送信機／受信機750を含んでいる、メモリ740は特有の識別情報でプログラムされることができる。装置710はポーリング装置（例えばＲＦＩＤ読取装置）によりポーリングされるとき特有の識別情報を送信する。ポーリング装置はコマンドを含んだ電波の送信によりポーリングを行う。

無線装置710は小型で軽量の廉価なＲＦＩＤタグであってもよい。通常のＲＦＩＤタグはこれらが落雷により発生された電流が近くを流れるとき故障することが予測されている（通常のＲＦＩＤタグでは、ＲＦＩＤピンに対する典型的な最大電圧は１．５ボルトに過ぎず、最大の許容可能な電流は約１．５ミリアンペアに過ぎない）。ＲＦＩＤタグは通常、本体キャパシタンス（静電気）に対する保護のために内蔵ダイオードを有するが、近くを落雷電流が通過すると、タグを故障させる可能性がある。

ＲＦＩＤ装置または他の受動装置のような無線装置710はエネルギ取入れ（例えば電磁波、振動、熱）技術により付勢されることができる。受動ＲＦＩＤタグは電気的にパワーアップし、ポーリング装置のコマンドに対する応答を送信する（例えば特有の識別情報を供給する）ため電波からのエネルギを使用する。

ＲＦＩＤタグのような無線装置は特定の動作周波数に限定されない。低周波数のＲＦＩＤタグは典型的に１２０−１３４ｋＨｚ範囲で動作する。高周波数のＲＦＩＤタグは典型的に１３．５６ＭＨｚで動作する。無線装置は典型的に８５０−９６０ＭＨｚの範囲の超高周波数でも動作できる。

無線装置はその他の利点を提供する。これらは小型で軽量である。これらは非接触性であり、視線を必要としない。ワイヤが必要とされないので、無線装置は航空機へ（燃料価格および放出を増加する）大きな重量を付加せずに加えられることができる。さらに、無線装置は電気的に分離され、これらはワイヤが設けられない位置に付加されることができる。無線装置は媒介物（例えば安全ではない臨界コンピュータ）の代わりに飛行コンピュータと直接通信できる。

無線装置710は受動的であってもよい。受動装置の利点はバッテリ電力を必要としないことである。しかしながら幾つかの実施形態では、無線装置710はバッテリで付勢されることができる。

無線通信装置は機上コンピュータにより飛行中にポーリングされることができる。無線通信装置は携帯用装置または他の固定または可搬の地上装置により地上でポーリングされることもできる。

通信装置は種々の方法で複合構造に取り付けられることができる。通信装置を取付ける異なる例が図３−５に示されている。

図３を参照すると、構造（例えば外装、構造スパー、スティンガー）320の表面に取付けられている無線通信装置310を示している。幾つかの実施形態では、無線装置310は密封材料、エポキシまたは温度硬化又は光硬化される加圧接着性の接着剤により構造320に取付けられることができる。幾つかの実施形態では、剛性の基板に製造される無線装置310はファスナにより構造素子320に取り付けられることができる。このようなファスナは非導電材料（例えばナイロン）から作られてもよく、あるいは導電材料（例えば金属）から作られてもよいが、それから離脱する良好な導電パスを有している。幾つかの実施形態では、剛性またはフレキシブルな基板に製造される無線装置310は接着テープにより構造320に取付けられることができる。

表面に取付けられた装置の環境条件はそれぞれの所望の設置位置について考慮されることができる。上塗り（例えば塗装又は他の保護被覆）が考慮されることができる。

図４を参照すると、複合外装420のような複合構造中に埋設されているＲＦＩＤタグ410のような無線装置を示している。例えばラベルのような幾何学形状を有するＲＦＩＤタグ410はファイバガラスの硬化前にファイバガラスの層（第１の幾つかの層内）の間に位置されることができる。このようなＲＦＩＤタグ410は標準的な硬化サイクルに耐えることができる。２２０゜Ｆのオートクレーブファイバガラスパネルの硬化温度後のＲＦＩＤタグ410の読取り／書込み能力が検査で証明された。このような埋設されたＲＦＩＤタグ410が非破壊的調査（ＮＤＩ）検査にパスしたことも検査で証明された（例えばタグ410は被覆剥離または層間剥離としては考えられない）。

図５を参照すると、これはアップリケ520により支持される通信装置510を示している。典型的には厚さが２−４ミルのアップリケは機体の外装、（塗装及び他の被覆の代わりに）翼の外装のような複合構造のための保護被覆を与える。無線装置510はアップリケ520の表面に取付けられることができる。アップリケはその後、例えばエポキシ、密封材、加圧接着性の接着剤、温度硬化接着剤又は光硬化接着剤を使用して複合構造530の表面に取付けられる。

図３−５の取付け方法は複合構造に適用されることもできる。図３と５の取付け方法は金属構造に適用されることもできる。

通信装置は機体のインテグレータに輸送される前に供給業者により設置されることができる。通信装置は機体のインテグレータにより設置されることもできる。通信装置は私有の航空会社、商用航空会社、軍用航空機のオペレータ、個人の航空機オペレータ、メンテナンス提供業者により設置されることもできる。

ここで説明する落雷検出は自動化されることができ、それは迅速に廉価で行われることができる。迅速な診断は落雷位置についての事前の知識なしに行われることができる。

さらに、落雷検出は飛行中または地上で行われることができる。飛行中の検出の１つの利点は飛行中のＮＤＩを行うことのできる航空機が落雷の直後に構造の健全状態を評価することができることである。

図６を参照すると、航空機の構造の健全状態を評価する方法を示している。ブロック610でポーリングは航空機の領域をカバーする複数の装置で行われる。ポーリングは定期的または事件（例えば落雷）に応答して、又はその両者で行われることができる。全ての動作装置は例えば識別情報を与えることによりポーリングに応答する。

ブロック620で、動作不能の装置が識別される。即ちポーリングに応答しない装置が識別される。

ブロック630で、任意の動作不能の装置の位置が識別される。その位置はその検索表にアクセスすることにより識別されることができ、特有の装置に応答して特定の航空機設置位置を返答する。

ブロック640で、影響を受けた領域の解析は検査ゾーンを識別するために行われる。検査ゾーンはＮＤＩによりさらに詳細に検査される。少なくとも、解析は検査下の領域に落雷があったか否かを示すことができる。多数の装置が動作不能であるならば、解析は雷が離脱した電流が流れるパスと落雷の大きさ等を指示することもできる。幾つかの実施形態では、解析はＬＳＰが故障したか否かを示すことができる。

より精巧な解析は故障した装置のＩＤを実際に設置された位置の記録とリンクし、装置の応答の無いことに基づいて、航空機の幾何学形状表示、装置の設置、損傷パスを表示することができる。解析は故障した装置に記憶された全ての情報（例えば設置日、装置の型番等）を含むことができ、特有のＩＤを所定の新しく設置されたタグに書込むためのプログラムインターフェースとして作用することができる。解析はまた多数の航空機にわたる損傷を比較するために経歴的傾向データベース又はその他にリンクされることもできる。

ブロック650で、落雷により生じた損傷の非破壊的検査が任意の検査ゾーンで行われる。例えば超音波検査又は赤外線分光法が検査ゾーンで行われることができる。

したがって、図６の方法は落雷の事前の知識なくＮＤＩが迅速に場所を特定することを可能にする。航空機構造の非常に大きい面積を検査する必要はなく、特定のインジケータ（例えば表面の穴と塗装の損傷を含む領域）が見落とされる可能性は極めて少ない。

ブロック610−640の機能は飛行中に行われることができる。航空機が飛行中にＮＤＩを行うならば、ブロック650の機能も飛行中に行われることができる。落雷検出の結果は航空機の機上のコンピュータに送信されることができ、および／または地上のコンピュータに送信されることができる。落雷が検出されたならば、適切な行動が取られる。第１の例として、パイロットは航空機が落雷を受けたことと落雷の領域を通知される。航空機が飛行中にＮＤＩを行うことができるならば、任意の検査ゾーンを検査でき、任意の損傷をパイロットに通知する。その後、飛行を停止するか継続することについて勧告されることができる。

第２の例として、落雷検出によってある領域が落雷を受けたことが示されるならば、ＮＤＩは航空機の着陸後に地上のチームにより行われるか、またはビークル健全状態メンテナンスサービス（ＶＨＭＳ）により後に行われることができる。航空機が着陸すると、付加的なＮＤＩが通常の技術を使用して行われることができる。

飛行中の検査は航空機の安全性を増加する。ここで説明した落雷検出は航空機のメンテナンスの費用を減少し、臨界的でない問題のために飛行を中止する必要性をなくす。

ブロック660で、航空機が地上に降りると、構造的損傷は十分に評価されることができ、損傷された構造は修理されることができる。さらに動作不能の装置はメンテナンス人員により交換されることができる。動作不能の装置が表面に取付けられているならば、これを除去することができ、置換装置が同じ位置の表面に取付けられることができる。動作不能の装置が埋設されているならば、置換装置は動作不能の装置上の位置の表面に取付けられることができる。

ここで説明した落雷検出は複合航空機に限定されない。落雷検出は金属構造に対しても適用されることができる。検出は金属の航空機上の落雷により生じる問題も識別できる。例えば雷に関連する問題は航空機アビオニクスシステムで識別されることができる。

ここで説明した落雷検出は航空機に限定されない。落雷検出は宇宙船および風力タービンを含むがそれに限定されない他のシステムに適用されることができる。

別の応用は電力ネットワークの給電線の臨界的な接点の監視である。落雷が生じた過電圧からの大電流が電力線に沿ってその電力線により給電されている任意の装置へ流れるので、落雷の直接的な影響による過渡的サージの可能なパスは多分岐の配電網の多数の分岐のサブセットに対して隔離されることができる。可変の検出しきい値で（環境的保護用のエンクロージャ内に収納され臨界的ワイヤ又は接点に取付けられている）電力線に沿って間隔をおいて位置されているＲＦＩＤタグの使用によって、サージの大きさが決定されることができる。電力会社の職員は過渡的サージのパスおよび／または程度を決定するためにＲＦＩＤタグ読取装置を使用し、このようなタグが取付けられている電力線により簡単に駆動することができる。

ここで説明した検出は落雷検出に限定されない。雷は電磁効果（ＥＭＥ）である。より一般的には、ここで説明した検出はＥＭＥの検出に適用されることができる。本体の１領域に配置されている複数の無線通信装置はその領域のＥＭＥの効果を検出するために使用されることができる。

Claims (15)

1. 複合構造と、
   構造領域の落雷検出カバー範囲を与えるための複数の小さい軽量のポーリング可能な通信装置を具備し、各装置は少なくとも落雷電流に近い位置にあるならば動作不能にされる航空機。
2. 前記構造はエンジン室、レードーム、翼の先端、水平の安定化装置の先端、垂直の安定化装置の先端のうちの１つである請求項１記載の航空機。
3. 前記通信装置は落雷電流による損傷の位置が特定されることを可能にする反復パターンで配置されている請求項１記載の航空機。
4. 動作可能な通信装置はポーリングされるとき識別情報のみを提供する請求項１記載の航空機。
5. 少なくとも幾つかの通信装置は落雷の方向又は勾配が決定されるように異なる電流及び電圧しきい値を有している請求項１記載の航空機。
6. 前記通信装置は無線装置である請求項１記載の航空機。
7. 前記通信装置はＲＦＩＤタグである請求項１記載の航空機。
8. 前記通信装置の少なくとも幾つかの装置は複合構造の表面に取付けられている請求項１記載の航空機。
9. 前記通信装置の少なくとも幾つかの装置は複合構造中に埋設されている請求項１記載の航空機。
10. 前記通信装置の少なくとも幾つかの装置は複合構造上のアップリケにより支持されている請求項１記載の航空機。
11. 航空機の１領域をカバーする複数の通信装置に質問し、
    動作不能の装置を識別し、
    動作不能の装置から検査ゾーンを識別する処理を含んでいる航空機上の落雷パスの検出方法。
12. さらに、落雷電流により生じた損傷について検査ゾーン上で非破壊的検査を行う請求項１６記載の装置。
13. 検査ゾーンは落雷発生位置、雷離脱位置、落雷電流が取るパスに沿った位置のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１６記載の装置。
14. 検査ゾーンは飛行中に識別される請求項１８記載の装置。
15. 検査ゾーンは地上で識別される請求項１８記載の装置。

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