JP2013500895A - 電気機器及び複合材料製の部品を有する航空機 - Google Patents

Abstract

航空機は、少なくとも１つの機器（１２）と、前記機器が接続された複合材料部品（１６）とを有する。前記機器の故障電流回路が前記部品を経由するように構成されている。

Description

本発明は、航空機上に据え付けられた電気機器に関する。

航空機は、種々の非常に多くの数の電気機器や装置を有する。それらは、モータや、コンピュータのような電子装置であり得る。

このような機器のうち、多くには単相で電力が与えられている。この目的で、機器はケーブル手段で発電機の正端子に接続される。発電機の負端子への接続は、機器の他方の端子を、発電機の負端子が接続されている飛行機の金属グラウンドに接続することによって行われる。これにより、動作電流用の回路が構成される。

機器に関して生じ得る故障電流を流すための備えも必要である。例として、このタイプの電流は、リーク電流や短絡電流であり、異常事態時に生じ得る。飛行機の大部分が金属でできている場合には、機器は飛行機の金属部品に接続されており、故障電流を動作電流と同様に流すことができる。

しかし、非金属繊維で強化されたプラスチック基材を有する複合材料から飛行機の部分を製造することが望まれる場合には、事情は異なる。このような材料は、金属ほど電気の良導体ではない。

動作電流が流れるように、航空機の金属グラウンドをこのタイプの航空機内にある機器に接続するために、各機器は特定のケーブル手段によって前記グラウンドに接続される。したがって、胴体にあって、電気的構造ネットワーク（electrical structure network）又は「ＥＳＮ」とも呼ばれる、特定のメタルネットワークを考えることが知られている。

更に、機器から金属グラウンドへ戻る、生じ得る故障電流に対する備えが必要である。そのために、メタリックボンディングネットワーク（metallic bonding network）又は「ＭＢＮ］と呼ばれる特定の故障用ネットワークが用いられる。このネットワークは、機器からの故障電流を流すことができるメッシュ又は格子を飛行機に設けるために、シートレールのような飛行機の構造的金属部品と部分的に一致する。この状況において、複合材料が存在するにもかかわらず、飛行機の金属部品間を電気的に導通させるために、飛行機の各フレーム及び各クロスメンバに金属テープのような特定の部材を備えるようにすることが知られている。この導通が、故障電流を飛行機のグラウンドに流すのに役立つ。

しかし、これらの金属エレメントは全体として、複雑であり非常に多くの問題を生じさせるメッシュを形成する。このように、特定の要素を加えることにより、飛行機の重量が増加する。このことにより、全ての組み立て作業を成し遂げるのに必要な時間も増加する。関連コストも無視できない。これらのエレメントは、電流帰還ネットワークをより複雑にもする。このようなエレメントを用いることにより、寸法合わせ、メンテナンス、腐食、及びＥＳＮの異なる部分の接続に関して、特別な検討が必要になる。

本発明の目的は、複合材料で作られた部品を有する飛行機上の故障電流を流すためのより簡単な解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、少なくとも１つの電子機器と、この機器が接続される複合材料部品とを有する航空機を提供する。この航空機は、前記機器の故障電流回路が前記部品を経由するように構成されている。

このように、機器からのいずれの故障電流も、複合材料と金属との両方で構成された非均一ネットワーク手段によって流れ得る。ネットワークの金属部分は、航空機の金属グラウンドに対応する。これは主ネットワークである。複合材料で作られた部品は、故障電流をこの主ネットワークに導き得る送出ネットワークを形成する。したがって、機器からの故障電流を流すために使われるのは、複合材料自身である。航空機に搭載された複合材料の電気的特性では、複合材料によって航空機の動作電流をグラウンドに流すことはできないが、これとは対照的に複合材料によって故障電流を流すことはできる、という事実を本発明は利用する。本発明の実施には、多数の特別な構成要素を加える必要はない。余分な重量を追加することや、組み立て作業に要する時間を著しく増加させることもない。コストが著しく増加することはなく、電流帰還ネットワークがより複雑になることもない。最後に、ＥＳＮの様々な部分を相互接続するために上述の検討の用意をする必要はない。

好都合なことに、前記航空機は、前記機器に接続され、前記部品との間の締まりばめ手段によって前記部品に組み付けられた少なくとも１つの接触部材を有する。

これにより、故障電流が適切に流れるように、前記機器と前記複合材料部品との間に良質な電気的接続を確保することができる。より正確には、この締まりばめは、前記部材と前記部品との間の接触抵抗を最小限又は無視できるほどに小さくし、故障電流を前記複合材料部品を経由してより流れやすくするのに役立つ。

好ましくは、前記接触部材は、前記部品の開口部内に伸びており、前記部材の直径ｖ及び前記部品の直径ｅは、次式、
（ｖ−ｅ）／ｖ≧０．００２５
を満たす。

直径の間のこの関係は、確実に接触抵抗を無視できるほどに小さくする。

好都合なことに、前記複合材料は、カーボンファイバーで強化されたプラスチック材料を有する。

好ましくは、前記故障電流回路の回路長の大部分は、前記航空機の金属製の部品で構成されている。

このように、前記ネットワークは、大部分が金属エレメント、特に航空機の構造エレメントで構成されていて、あり得る最小のメッシュ電気抵抗を得ている。

好都合なことに、電気機器の数及び複合材料部品の数は、少なくとも２であり、前記航空機は、各機器の前記故障電流回路が、関連する前記部品及び前記金属構造を経由し他の機器に関連する前記部品を経由しないように前記複合材料部品に接続された、金属構造を有する。

好ましくは、前記航空機は、前記機器に関する故障電流を検出するのに適したモニタリング装置を含む。

この装置は、故障電流の出現による起こり得る結果から前記機器を保護するのに役立つ。

好ましくは、前記装置は、前記機器に関する故障電流を検出すると前記機器への電源供給を遮断するのに適している。

好都合なことに、前記モニタリング装置は、前記機器の部分を構成する。

このように、前記装置は前記機器の専用である。この装置は、故障電流が生じたときには、他の機器の動作を中断することなく前記機器を隔離することができる。航空機組み立てラインにおいて行われるべき特別な組み立て作業は必要ない。

また、本発明は、航空機を製造する方法を提供する。この方法において、前記航空機の電気機器が複合材料部品に接続され、前記航空機は、前記機器のための故障電流回路が前記部品を経由するようになっている。

好ましくは、少なくとも１つの接触部材が前記機器に接続され、前記接触部材は前記部品との間の締まりばめ手段によって前記部品に組み付けられる。

本発明の他の特性及び利点は、非限定的な例として示される実施形態及び変形例の以下の記載から、添付の図面を参照して、更に明らかになる。

図１は、本発明の飛行機の透視図である。 図２は、図１の飛行機に搭載された機器の接続を示す電気回路図である。 図３は、機器と、その図１の飛行機の構造の部分への接続を示す図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶについての、飛行機上の接続の断面図である。 図５は、２つの材料の締めしろの関数として結合抵抗がどのように変化するかを示す曲線を示すグラフである。 図６は、モニタリング装置の原理の変形例を示す電気回路図である。 図７は、本モニタリング装置を組み込んだ機器の接続の電気回路図である。

図１は、本発明の航空機（aeronef）を示す。これは、重航空機（aerodyne）、より正確には飛行機（avion）である。飛行機２は、胴体４と、それぞれのエンジン８を保持する２つの翼６と、尾翼１０とを有している。

飛行機２は、機上に、種々の装置及び器具によって構成された多数の電気機器を有する。例えば、これらはモータや、コンピュータのような電子装置であり得る。これらの機器１２の１つが図３に示されている。

飛行機の構造は、図３に示されたシートレール１４のような金属製の構造部材を有する。飛行機は、同じ図に示されたクロスメンバ１６のような複合材料製の構造部材も有する。

「複合材料」という用語は、少なくとも２つの非混和性材料（materiaux nonmiscible）であってそれにもかかわらず強い付着性（adhesion）を示すものの結合を意味するために、ここでは使われている。複合材料は、これに機械的強度を与える骨組み又は補強材、及び保護基材も有する。具体的には、基材はプラスチック材からできていてもよく、補強材はカーボンファイバーからできていてもよい。よって、材料はここではカーボンファイバー強化プラスチック材である。レール１４は、クロスメンバ１６上にあり、クロスメンバ１６に直角に伸び、構造結合エレメント手段１８によってクロスメンバ１６に固定されている。

図２は、飛行機２に搭載された発電機２０への機器１２の接続方法を示す電気回路図である。ここで、発電機は単相型である。機器１２は、回路図上ではそのインピーダンスＺＩで表されており、抵抗Ｒｆを示すケーブル２２のような導体手段によって発電機の正極に接続されている。機器１２は、抵抗Ｒｇを示すケーブル２４のような接地導体によって発電機の負極へも接続されている。このケーブルはそれ自身、機器１２の動作電流の帰還パスにおいて抵抗Ｒｒを示す飛行機２のＥＳＮ２６に接続されている。これらのエレメントは、機器１２の動作電流の帰還用の接地回路を構成しており、この回路は図２において２８で参照される太線で表されている。これは、機器１２の通常動作時に、発電機２０によって出力された電流が流れ、機器１２に電力を供給する、通常パスである。

図２は、直列に接続された機器１２及びケーブル２４を有するブランチ３２と並列に伸びるブランチ３０を示している。ブランチ３０は、スイッチ３４によって記号で表された短絡の可能性を示している。このような短絡時には、発電機２０の正極からの電流は、少なくとも部分的にはブランチ３０を経由して流れ、閉位置にあるスイッチを通り、抵抗Ｒｂによって記号で示されたエレメント３６を経由しＥＳＮ２６を経由する故障電流回路を流れる。

図３に示されているように、この例のエレメント３６は、複合材料部品１６に固定されたプレートのような金属エレメント４２にそれ自身が接続されたケーブル手段４０によって、機器１２を複合材料部品１６に接続することによって構成される。この固定は、それぞれがプレート４２を通り部品１６に入り込む、１つ以上のねじ４３のような金属部材を用いることによって行われる。

図４に示されているように、各ねじ４３は、部品１６との締まりばめである。この目的のために、ねじ４３は、部品１６と接触する軸に沿って滑らかな円筒状の部分を特に呈する。このため、ねじ山４５は、ねじの末端の部分に沿って、ねじの軸のわずかな部分にしか付けられていない。ねじは、ねじの挿入前に用意された、部品１６の調整されたボア４１に入る。具体的には、ねじ４３の直径ｖ及びボアの直径ｅは次の等式、
（ｖ−ｅ）／ｖ≧０．００２５
を満たす。

このような締まりばめにより、ねじの軸の面がボアの複合材料面に押し付けられるようにすることができる。このようにして、ねじとボアとの間で１００メガパスカル（MPa）を越える接触圧を達成するように、ねじとこの部品との間で半径方向の圧力を確立する。この閾値は、ねじとこの部品との間の電気的接触抵抗を確実にほぼ一定かつ最小にするのに役立つ。

値０．００２５により、接触抵抗を無視できる程度にすることを確実にすることができる。０．００３０、更には０．００３５に等しい最小値を用いることによって接触抵抗をより減少させることができる場合には、よりよい結果を得ることができる。もちろん、反対に、プラスチック材料の機械的強度の超過を避けるように、例えば０．００８３を越えないように、比（ｖ−ｅ）／ｖを制限することが望ましい。

図５は、縦座標にプロットされた結合抵抗又は接触抵抗が、ねじとこれが入るボアとの間の締め付け具合の関数としてどのように変化するかを示す、実験に基づく２曲線を示す。この大きさ（ｖ−ｅ）／ｖは、「締めしろ（interference）」という用語で呼ばれ、横座標にパーセンテージで表されている。上の曲線３７は熱可塑性材料に対するテストの結果を示し、下の曲線３８は熱可塑性材料に関係する。値０．２５％の締めしろから、両材料とも結合抵抗は５ミリオーム（mΩ）未満にとどまることがわかる。

機器１２は、上述のように部品１６に電気的に接続されており、この部品は、レール１４を経由して飛行機のＥＳＮ２６に接続されている。図２の回路に示されているエレメント３６は、上述のようにこの例においてケーブル４０、プレート４２、ねじ４３、及び、故障電流をもしあれば流す、部品１６の部分によって構成されている。

上述のように、スイッチ３４を閉じることによって記号で表される短絡が生じているときには、電流は、もはやブランチ３２を流れず、ブランチ３０を流れる。故障電流は、上述のように特に複合材料部品１６を経由する回路に流れる。この故障電流回路４４は、図２において破線で表されている。

図６及び７に示された変形例では、モニタリング装置手段４６によって機器１２を故障電流から保護することが認識され得る。このような装置の構造及び動作が、図６に三相型の電源の状況において示されている。原理は、それでもなお、単相電源の場合と同様のままである。機上の３相電源の３つのより線Ａ，Ｂ及びＣは、このように３つのブランチ４８，５０及び５２を有する。装置４６は、これらの３つのブランチが通る円環体５４を有する。単相電源２０が、ブランチｘ１で表されたその正端子とともに示され、グラウンドがブランチｘ２によって表されている。装置４６は、中央制御モジュール４７と、円環体５４に巻かれ、モジュール４７及びグラウンドの両方に接続された巻線５６と、電源２０及びモジュール４７に接続されたコイル５８とを有する。電力が供給されると、コイルは、ブランチＡ，Ｂ及びＣのそれぞれに位置するスイッチ６０を駆動し、ブランチのそれぞれを流れる電流を遮断する。

通常の動作状態では、この状態は均衡のとれた三相モードであり、相Ａ，Ｂ及びＣを流れる電流の和はゼロである。その結果、円環体５４には磁束の流れは存在しない。したがってスイッチ６０は閉じられ続ける。

故障時、例えばこの三相電源によって電力が与えられる負荷で短絡が生じた場合には、相Ａ，Ｂ及びＣを流れる電流の和は、もはやゼロでないので、円環体５４には磁束が現れる。この磁束は巻線５６に電流を誘導し、この電流はモジュール４７に送られる。そして、モジュールは、スイッチ６０を開くためにコイル５８に電力が与えられるようにし、これにより電流がブランチＡ，Ｂ及びＣを流れないようにする。

装置４６は、コイル５８に電力を与えるブランチと並列に伸びるテストブランチを有する。テストブランチは、電源２０のブランチｘ１に接続され、ボタン６１と、円環体５４に巻かれた巻線６２とを有する。この巻線は、グラウンドにも接続されている。ボタン６１が押されると、巻線６２に発電機２０から電力が与えられ、これによって円環体５４内に磁束を生じさせ、巻線５６に電流を誘導する。前述のように、ブランチＡ，Ｂ及びＣのそれぞれの電流の流れが遮断される。

図７は、機器１２の接続の原理を示す。この機器には、抵抗Ｒｆ１及びＲｆ２を有するケーブル２２を経由して発電機２０の正端子によって電力が与えられることがわかる。

通常動作においては、抵抗Ｒｇ１及びＲｇ２を示すケーブル２４を経由して電流が飛行機のグラウンドに流れる。モニタリング装置４６は、これらのケーブル２２及び２４のそれぞれに取り付けられている。故障電流が存在する場合には、電流は、もはやケーブル２２を経由しては流れず、抵抗Ｒｂのエレメント３６を含む故障回路を経由して流れる。

モニタリング装置４６は、ケーブル２２及び２４のそれぞれのために各スイッチ６０を有する。通常動作においては、ケーブル２２及び２４が電気を流すように、両スイッチは閉じられている。故障時には、電気はケーブル３６の故障回路を経由して流れ、これにより、ケーブル２２及び２４によって流れる電流に不均衡が生じる。その結果、モニタリング装置４６はスイッチ６０を開かせ、これによって機器１２と発電機との間のいずれの接続も遮断する。機器１２はこのようにして保護される。

図６に示された原理は、電源のモード、すなわち、交流（ＡＣ）電源であるか直流（ＤＣ）電源であるかにかかわらず、適用可能である。

種々のエレメントの寸法及び特にスイッチ６０の容量は、インピーダンスＲｂの関数として算出される。このインピーダンス自身は、ねじ４３と部品１６との間の接触抵抗の質、及びこの部品の抵抗に関連しており、この抵抗の大きさも、複合材料へ電流を流し込むには重要である。

同様に、この仕組みは、比較的高レベルの電流を連続して流すことができるようにする能力があるはずである。

例として、装置４６は、機器１２を構成する機器の電源経路の接触器（contacteurs）に配置されてもよい。しかし、このような実施形態には、機器のうちの１つだけに故障電流が生じている場合であっても、所定の接触器に接続された機器の全てへの電源を遮断してしまうという難点がある。

したがって、それぞれの機器のための装置４６の機能を、その機器自身に実装することが好ましい。すると、機器のそれぞれに過電流から保護するための専用のモニタリング装置を提供することが可能になる。例として、モニタリング装置は、ソリッドステートの電力接触器の形態であり得る。

飛行機内の各機器は、飛行機の少なくとも１つの他の機器が接続されている部品とは異なる、又は１つの機器に専用の、部品１６に接続され得、これらの機器もまた同じＥＳＮを用いる、ということが理解され得る。

本発明は、故障電流の帰還のためのネットワークの複雑さ及び重量の増加を防ぐということが理解され得る。

もちろん、本発明には、その範囲を超えることなく、多数の修正が適用され得る。

締結部材４３は、ねじ以外の部材であってもよい。すなわち、締結部材４３は、ボルト、ピン、リベット等であり得る。同様に、部品４２と１６との間に直接実装されるべき締まりばめのための用意がされていてもよい。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの電気機器（１２）と、
   前記機器が接続された複合材料部品（１６）とを備え、
   前記機器のための故障電流回路（４４）が前記部品を経由するように構成されている
   ことを特徴とする航空機。
2. 前記機器（１２）に接続され、前記部品（１６）との間の締まりばめ手段によって前記部品に組み付けられた少なくとも１つの接触部材（４３）を備える
   請求項１の航空機。
3. 前記接触部材（４３）は、前記部品の開口部（４１）内に伸びており、
   前記部材の直径ｖ及び前記部品の直径ｅは、次式、
   （ｖ−ｅ）／ｖ≧０．００２５
   を満たす
   請求項２の航空機。
4. 前記複合材料は、カーボンファイバーで強化されたプラスチック材料を有する
   請求項１〜３のいずれか１項の航空機。
5. 前記故障電流回路（４４）の回路長の大部分は、前記航空機の金属製の部品で構成されている
   請求項１〜４のいずれか１項の航空機。
6. 電気機器（１２）の数及び複合材料部品の数は、少なくとも２であり、
   前記航空機は、各機器の前記故障電流回路（４４）が、関連する前記部品及び前記金属構造を経由し他の機器に関連する前記部品を経由しないように前記複合材料部品（１６）に接続された、金属構造を有する
   請求項１〜５のいずれか１項の航空機。
7. 前記機器に関する故障電流を検出するのに適したモニタリング装置（４６）を含む
   請求項１〜６のいずれか１項の航空機。
8. 前記装置（４６）は、前記機器に関する故障電流を検出すると前記機器への電源供給を遮断するのに適している
   請求項７の航空機。
9. 前記モニタリング装置（４６）は、前記機器（１２）の部分を構成する
   請求項７又は８の航空機。
10. 航空機（２）を製造する方法であって、
    前記航空機の電気機器（１２）が複合材料部品（１６）に接続され、前記航空機は、前記機器のための故障電流回路（４４）が前記部品を経由するようになっており、好ましくは、少なくとも１つの接触部材（４３）が前記機器（１２）に接続され前記接触部材は前記部品（１６）との間の締まりばめ手段によって前記部品に組み付けられる
    ことを特徴とする方法。

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