KR20080022103A - 틸트로터 항공기용 결빙 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

각각 복수의 블레이드를 가진 하나 이상의 회전날개(11)를 갖는 항공기용 결빙 관리 시스템이 구성된다. 이 시스템은, 교류(AC) 전력(13)을 공급하기 위한 AC 전원으로서, 회전날개(11)로부터 멀리 떨어져 항공기에 탑재되도록 적합화된 AC 전원을 갖는다. 컨버터는 AC 전력을 직류(DC) 전력으로 전환한다. 하나 이상의 방빙 장치는 회전날개에 탑재되고 DC 전력을 사용하여 동작한다.

Description

틸트로터 항공기용 결빙 관리 시스템{ICE MANAGEMENT SYSTEM FOR TILTROTOR AIRCRAFT}

본 발명은 일반적으로는 결빙 관리 시스템 분야에 관한 것으로, 자세하게는 회전익(rotary-wing) 항공기용 결빙 관리 시스템에 관한 것이다.

결빙 관리 시스템은 수년 동안 다양한 고정익(fixed-wing) 항공기에 사용되어 왔지만, 헬리콥터 및 틸트로터와 같은 회전익 항공기를 위한 결빙 관리 시스템은 거의 개발되지 않았다. 전형적으로, 헬리콥터에는 그들의 무게, 복잡성, 및/또는 비용 때문에 제빙(de-ice) 및/또는 방빙(anti-ice) 컴포넌트와 같은 방빙 장치가 장착되지 않는다. 또한, 공기주입 부츠(inflatable boot)와 같은, 몇몇 유형의 결빙 관리 컴포넌트는 헬리콥터에 사용되기에는 부적합하다. 대부분의 헬리콥터는 결빙 상태 동안에는 전혀 비행하지 못한다.

기존의 시스템 또는 제공되는 시스템에 대해, 효율성, 크기, 및 무게는 주요 고려사항이다. 결빙 관리 시스템은 항공기의 비행에 필요한 충분한 양력이 생성되도록, 주 회전날개(main rotor) 상의 결빙을 방지하고, 항공기의 적당한 방향 제어를 허용하기 위해 꼬리 회전날개(tail rotor) 상의 결빙을 방지한다. 몇몇 고려할 수 있는 방법에는, 방빙(anti-ice) 시스템과 같은 시스템으로 결빙되는 것을 방지 할 것인지, 또는 제빙(de-ice) 시스템과 같은 시스템으로 이미 형성된 얼음을 흩어지게 하고(shedding) 관리할 것인지 여부가 포함된다. 그러나, 전력을 생성하여 결빙 관리 시스템으로의 전력 공급을 제어하는 것은 컴포넌트들의 크기 및 무게를 고려하여 수행되어야 한다. 모든 추가 컴포넌트들은, 비행에 필요한 다른 장비들을 위해 사용될 수 있었던 공간을 차지하게 되어, 캐빈의 크기를 줄이거나 항공기의 크기를 증가시키게 된다. 항공기의 더 큰 가용 하중 용량을 허용하기 위해 결빙 관리 시스템의 무게 또한 최소로 유지되어야된다.

무게 및 복잡성을 고려해야 하기 때문에, 공개된 회전익 항공기용 결빙 관리 시스템은 전형적으로 3상 교류(AC) 전력을 사용한다. 3개의 블레이드를 갖는 회전날개 상에는, 하나의 위상이 각 블레이드에 "Y" 부하 구조로 공급되거나 2개의 위상이 델타 부하 구조로 제공되기 때문에 3상 전력 분배가 간단하고, 3상 발전기 상의 부하는 그 부하가 대칭적이기 때문에 균형 잡혀있다.

그러나, 이런 유형의 전력을 사용하는 시스템은 3의 배수가 아닌 개수의 블레이드를 가진 회전날개에는 쉽게 적용되지 못한다. 예를 들어, 5개의 회전날개 블레이드를 갖는 헬리콥터에 3상 전력을 제공하면, 5는 3의 배수가 아니기 때문에 "Y" 부하 구조인 회전날개 블레이드당 하나의 위상은 부하 불균형을 도입하고, 똑같은 문제가 델타 부하 구조의 경우에 2개의 위상을 제공할 때에도 발생한다. 이것은 현대의 전력 발전 시스템에 바람직하지 않은 AC 발전기의 부하 불균형을 야기한다.

본 발명의 한 가지 목적은 임의의 개수의 날개를 가진 회전날개와 함께 사용될 수 있도록 구성된 회전익 항공기용 결빙 관리 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은 임의의 개수의 날개를 가진 회전날개와 함께 사용할 수 있도록 구성된 회전익 항공기용 결빙 관리 시스템을 제공함으로써 달성된다.

회전익 항공기용 결빙 관리 시스템은 항공기의 하나 이상의 회전날개의 블레이드들 상에 위치한 가열 소자의 동작을 제어하기 위한 컴퓨터 기반의 프로세서를 갖는다. 그 프로세서에 의해 제어되는 전력 분배기는, 공급되는 3상 교류(AC) 전력의 양, 솔리드 스테이트 AC 릴레이(solid-state AC relay), 3상 AC 전력을 단일 전압 DC 전력으로 변환하기 위한 AC 대 DC 브리지 정류기, 및 어느 가열 소자에 전류를 인가할지 선택하기 위한 DC 스위칭 소자를 모니터하기 위한 비-기생 변류기를 포함한다. AC 릴레이는, 영-교차점 스위칭과 같은 스위칭 시, 낮은 레벨의 전자기 간섭(EMI)을 발생시키는 바람직한 유형이다. DC 전력은 스립-링을 통해 회전날개에 공급된다. AC 전력은 2개의 발전기로부터 공급되어, 한 발전기가 동작 실패한 경우 대체 발전기로의 전원의 전환을 허용한다. AC 릴레이 및 DC 스위치는 전류가 가열 소자로 흐르는 것을 차단하기 위해 용장 능력(redundant capability)을 제공한다.

본 발명은, (1) 감소된 복잡성; (2) 균형잡힌 3상 AC 부하; (3) 저비용 컴포넌트들을 사용할 수 있는 능력; (4) 낮은 레벨의 EMI; (5) 조밀한 크기; (6) 가벼워진 무게; 및 (7) 증가한 신뢰성을 포함하는 많은 이점들을 가진 결빙 관리 시스템을 제공한다.

추가 목적, 특징, 및 이점들은 후속하는 기술된 명세서에서 명백해질 것이다.

본 발명의 특징 및 이점을 포함하여, 본 발명의 더욱 완벽한 이해를 위해, 유사한 부분에는 유사한 번호가 표시되어 있는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 상세한 설명에 참조가 이루어진다:

도 1은 본 발명에 따른 결빙 관리 시스템을 갖는 회전익 항공기의 조망도;

도 2는 본 발명에 따른 결빙 관리 시스템의 컴포넌트들의 개략도;

도 3은 본 발명에 따른 시스템에 사용되는 꼬리 회전날개 방빙 분배기의 조망도;

도 4는 본 발명에 따른 시스템에 사용되는 상부 제빙 분배기의 조망도;

도 5는 본 발명에 따른 시스템에 사용되는 하부 제빙 분배기의 조망도;

도 6은 도 3의 꼬리 회전날개 방빙 분배기 및 연관된 방빙 장치의 개략도;

도 7은 도 4의 하부 제빙 분배기, 도 5의 상부 제빙 분배기, 및 연관된 제빙 장치의 개략도;

도 8은 본 발명에 따른 시스템의 교류 전력 분배 시스템을 공칭 구조(nominal configuration)로 도시한 개략도;

도 9는 도 8의 교류 전력 분배 시스템을 제1 선택 폴트 구조로 도시한 개략도; 및

도 10은 도 8의 교류 전력 분배 시스템을 제2 선택 폴트 구조로 도시한 개략도이다.

본 발명은 3상 교류(AC) 발전 시스템을 갖는 회적인 항공기용 결빙 관리 시스템이다. 이 시스템은, 헬리콥터의 주 회전날개 및 꼬리 회전날개와 틸트로터 항공기의 프롭-회전날개(prop-rotor) 양자 모두를 포함하여, 3의 배수가 아닌 개수의 블레이드를 가진 하나 이상의 회전날개를 갖는 항공기에 특히 유용하다.

시스템은, 회전날개의 블레이드에 탑재된 방빙 컴포넌트 및/또는 제빙 컴포턴트와 같은 방빙 장치를 병합하고 있으며, 이 장치들은 전열 가열 소자, 파팅 스트립(parting strip), 및/또는 블레이드의 선택된 영역에 위치한 다른 적당한 장치들을 포함할 수 있다. 3상 AC 발전기는, 직류(DC) 발전기 시스템과 비교하여 감소한 크기 및 복잡성을 갖기 때문에 항공기에 탑재되어 사용되기에 좋은 전력 공급 수단이다. 본 발명의 시스템은, AC 전력을 DC 전력으로 변환하고 DC 전력을 슬립-링(slip-ring) 또는 그와 유사한 접속을 통해 회전날개에 전도시킴으로써 3의 배수가 아닌 개수의 블레이드를 갖는 회전날개에 3상 AC 전력을 사용함으로써 발생하는 내재적 문제를 극복한다. 시스템은 또한 제빙 컴포넌트 및 방빙 컴포넌트의 회전날개 내에 스위칭을 제공하여 슬립-링 접속을 단순화한다.

도 1은 본 발명에 따른 결빙 관리 시스템이 장착된 회전익 항공기인 헬리콥터(11)가 도시되어 있다. 도면에는 헬리콥터가 도시되어 있지만, 본 발명의 시스템은 틸트로터 항공기와 같은 임의의 유형의 회전익 항공기에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 헬리콥터(11)는 동체(13), 5개의 회전날개 블레이드(17)를 갖는 주 회전날개(15), 및 4개의 블레이드(21)를 갖는 꼬리 회전날개(19)를 갖는다. 조종 실(23)은 동체(13)의 전면부에 위치하고, 조종사와 부조종사 각각을 위한 전면유리(23a, 25b)를 갖는다.

도 2는 결빙 관리 시스템(27)의 컴포넌트 및 컴포넌트들 간의 통신 방향을 도시하고 있다. 시스템(27)은 조종실(23)에 위치한 제어 패널(도시안됨)을 통해 항공기 승무원에 의해 제어되는 2개의 컴퓨터 기반의 프로세서(29, 31)를 포함한다. 각 프로세서(29, 31)는 서로 독립적이고, 그들 각각은 회전 날개(13, 17) 상의 장치들 및 전면유리(23a, 25b)를 제어할 수 있다. 바람직한 구조에서, 프로세서(29, 31)는 계기 판독치를 비교하고 시스템(27)의 일부 또는 모든 컴포넌트들에 대한 제어를 제공하기 위해 서로 통신함으로써, 프로세서(29, 31) 중 하나가 동작 실패하는 경우에도 컴포넌트들을 충분히 제어할 수 있도록 허용한다. 각 프로세스(29, 31)는 검출기 제어기(35)를 통해 얼음 검출기(33)와 연동되고, 이 검출기 제어기(35) 및 얼음 검출기(33)는 비행 중 결빙 상태의 검출 및 대기의 수분 함유량 계산값을 프로세서(29, 31)에 제공하도록 협력한다.

프로세서(29)는 꼬리 회전 날개(19)의 블레이드(21)에 있는 전열 방빙 장치(도시안됨)에 전력을 분배하는 것을 제어하기 위해 꼬리 회전 날개 방빙 분배기(TAD; tail-rotor anti-ice distributor)(37)와 연동된다. 결빙 형성을 방지하는 온도를 유지하는 방빙 장치는, 꼬리 회전 날개(19)로부터 형성된 결빙막이 주 회전 날개(15) 및 충격 블레이드(17)의 평면판을 통과할 때 블레이드(21) 상의 결빙 형성을 막기 위해 바람직하게 꼬리 회전 날개(19) 상에서 사용된다. TAD(37)는 회전 날개(19)에 탑재된 슬립 링을 통해 꼬리 회전 날개(19) 상의 방빙 장치에 전도성- 접속된다. 프로세서(29)는 또한 조종사 전면유리(25a)의 제빙을 제공하는 제빙 장치(도시안됨)를 제어한다.

프로세서(29)는 또한 주 회전 날개(15)의 블레이드(17) 상의 전열 제빙 장치에 전력을 분배하는 것을 제어하도록 협력하는 하부 제빙 분배기(LDD; lower de-ice distributor)(41), 상부 제빙 분배기(UDD; upper de-ice distributor)(39), 및 LDD(41)를 통해 UDD(39)와 연동된다. UDD(31)는 주 회전 날개(15)에 탑재되고, 도면의 점선은 UDD(39)의 설치 위치를 가리킨다. UDD(39)는, 회전날개(15)와 대체적으로 동축이 되도록 주 회전날개(15)의 중심부 내에 위치하고 그곳을 향하도록 장착된다. UDD(39) 및 LDD(41)는 회전날개(15)에 탑재된 슬립 링을 통해 서로 전도성-접속된다.

프로세서(31)는 부조종사의 전면유리(25b)의 제빙을 제공하는 제빙 장치(도시안됨)를 제어하고 프로세서(29)용 모니터 및 백업으로서 동작하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이런 능력으로, 프로세서(31)는 회전날개(15, 19) 상의 결빙 관리 장치를 통과하는 전류를 모니터하고 프로세서(31)가 명령하는 "켜짐" 및 "꺼짐" 시간을 모니터한다. 바람직한 실시예에서, 프로세서(29)는, 자신의 수행을 스스로 모니터하고, 원하는 방식에서 벗어난 방식으로 장치의 동작을 명령하고 있다고 판단되는 경우, 시스템(27) 제어를 프로세서(31)에 전달하며, 조종실(23)의 디스플레이에 에러 메시지를 전송한다. 마찬가지로, 프로세서(29)가 예상된 방식으로 동작하지 않는 것으로 판단된 경우, 프로세서(31)는 조종실 디스플레이에 에러 메시지를 전송할 것이다.

도 3은 TAD(37)의 내부를 보여주기 위해 상부 커버가 제거된 TAD(37)의 조망도이다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 헬리콥터(11)는 개별적인 버스 상에 전력을 제공하는 2개의 3상 AC 발전기로 바람직하게 구성된다. 전기 버스 각각은 입력 커넥터(43)를 통해 한 세트의 내부 컴포넌트에 전도성-접속되고, 그 세트 각각은 버스들 중 하나로부터의 전력을 전환 및 스위칭하도록 구성된다. 컴포넌트 각각의 세트는 3개의 솔리드-스테이트 릴레이(45) (각각의 AC 위상을 위한), 3상 AC 전력을 DC 전력으로 전환시키기 위한 브릿지 정류기(47), 및 고용량 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; insulated-gate bipolar transistor)(49), 또는 정류기(47)로부터 출력된 DC 전력을 충분히 전환하기 위한 유사한 스위치를 포함한다. 그 다음 DC 전력은 출력 커넥터(51)를 통해 TAD(37)로부터 출력된다. 바람직한 실시예에서, 더 많거나 더 적은 블레이드가 버스에 접속될 수 있더라도, 공칭 구성에서는 각 버스는 4개 블레이드로 구성된 꼬리 회전날개의 하나의 마주보는 블레이드 쌍에만 전력을 공급한다. 전자기 간섭(EMI)을 최소화하고 시스템(27)의 컴포넌트들 상의 스트레스를 줄이기 위해, 릴레이(45)는, 전력의 파형이 전류가 흐르지 않음을 가리키는 영점을 교차할 때만 전환되는 영점 교차 스위칭을 포함하는 유형이 바람직하다. 릴레이(45) 및 IGBT(49)의 스위칭은 프로세서(29, 31)에 의해 제어된다. 정류기(47)는 바람직하게, 무거운 변류기를 요구함으로써 정류기(47)의 무게가 증가하는 결과를 가져오는 전압 스텝(voltage step)을 갖지 않는다. 쿨링 핀(53)은 내부 컴포넌트로부터의 열 에너지를 방출하기 위해 TAD(37)의 각부(chassis) 상에 위치한다.

도 4를 참조해보면, UDD(39)는 5개의 블레이드 커넥터(55)를 갖고, 그 각 커넥터(55)는 UDD(39)를 회전날개(15)의 한 블레이드(17)에 연동시킨다. 아래 설명되는 바와 같이, UDD(39)는 고용량 IGBT(도시안됨)를 갖고, 그 각 IGBT는 모든 블레이드에 대해 동일한 가열 구역을 동시에 스위칭하도록 구성된다. 따라서, UDD(39)는 단일 블레이드(17) 상의 가열 구역의 개수와 동일한 개수의 IGBT를 포함한다. 예를 들어, 각 블레이드(17) 상에 8개의 가열 구역이 있는 경우, UDD(39) 내부에는 8개의 IGBT가 있을 것이다. 바람직하게, 가열 구역은 한 세트의 임계 구역 및 한 세트의 비 임계 구역으로 나뉘고, 각각의 세트는 버스들 중 하나에 공칭 접속된다. 아래 설명되는 바와 같이, 바람직한 실시예는 또한 가열 소자를 동작시키기엔 제한된 전력량만이 이용 가능할 때와 같이, 원한다면 임계 구역만의 선택적 동작을 허용한다. IGBT의 스위칭은 프로세서(29) 또는 프로세서(31)에 의해 제어된다.

도시된 바와 같이, 5개의 블레이드(17)를 갖는 회전날개(15)를 위해 구성된 UDD(39)는 UDD(39)의 각 측면 상에 위치한 블레이드 커넥터(55)를 갖고 5각형 모양의 단면을 갖는다. 그러나, UDD(39)의 모양은 상이한 개수의 블레이드를 갖는 회전날개에 대해서는 상이해질 것이다. 예를 들어, 4개 블레이드를 갖는 회전날개를 위한 UDD는, UDD의 각 측면 상에 위치한 블레이드 커넥터를 갖는 사각형 모양의 단면을 갖는다.

도 5는 LDD(41)의 내부를 보여주기 위해 상부 커버가 제거된 LDD(41)의 조망도이다. LDD(41)는, TAD(37)와 같이, 2개 세트의 내부 컴포넌트를 포함하고, 전기 버스 각각은 입력 커넥터(57)를 통해 내부 컴포넌트 세트들 중 하나에 전도성-접속 되며, 그 각각의 세트는 버스들 중 하나로부터 전력을 변환 및 스위칭하도록 구성된다. 각 컴포넌트 세트는 각 위상에 대한 3개의 솔리드 스테이트 릴레이(59), 및 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 브릿지 정류기(61) (바람직하게는 전압 단계가 없는)를 포함한다. 그 다음 DC 전력은 회전날개(15) 상의 슬립 링을 통해 UDD(39)에 전도성-접속되는 출력 커넥터(63)를 통해 LDD(41)로부터 출력된다. EMI 및 시스템(27)의 컴포넌트 상의 스트레스를 최소화하기 위해, 릴레이(59)는 영 교차 스위칭을 포함하는 유형이 바람직하다. 릴레이(59) 스위칭은 프로세서(29) 또는 프로세서(31)에 의해 제어된다. 쿨링 핀(65)은 내부 컴포넌트로부터의 열 에너지를 방출하기 위해 LDD(41)의 각부(chassis) 상에 위치된다.

도 6은 TAD(37) 내부의 컴포넌트들 및 그 컴포넌트들의 꼬리 회전날개(19)의 블레이드(21)에 있는 방빙 장치로의 접속을 보여주는 개략도이다. 도 6은 AC 버스 1 및 AC 버스 2를 도시하고 있는데, 그 각각의 버스는 3개의 위상 A, B, 및 C 각각을 위한 도체(67, 69, 71)를 개별적으로 포함하고 있다. 각 버스는 헬리콥터(11)의 AC 전력 발전 시스템(도시안됨)에 전도성-접속되는데, AC 발전기 쌍 중 하나의 쌍에 공칭 접속된다. 상술한 바와 같이, 각 버스는 TAD(39) 내에서 솔리드 스테이트 릴레이(45)를 통해 브리지 정류기(49)에 개별적으로 접속된다. 각각의 릴레이(45)는 도체(67, 69, 71) 중 하나를 통해 전력 흐름을 스위칭하는 능력을 제공한다. 각각의 정류기(47)로부터 흘러나와 다시 돌아가는 DC 전력 출력은, 꼬리 회전날개(19)에 내의 슬립-링(77)을 통해 도체(79, 81)에 각각 접속되는 도체(73, 75)를 통해 전송된다. 도체(79, 81)는 회전날개(19) 중의 블레이드(21)에 각각 위치하는 가열 소자(83, 85)에 전도성-결합된다. 릴레이(45) 스위칭은 가열 소자(83, 85)로 흐르는 전력을 제어하고, TAD(37) 내의 각 도체(75) 상의 IGBT(49)를 사용함으로써 용장성 스위칭이 제공된다. 변류기(87)는 각 도체(67, 69, 71)를 통해 흐르는 전류 양의 측정을 제공하고, 버스를 위한 한 세트의 변류기(87)는 하나의 프로세서(29, 31)에 접속되고, 버스를 위한 다른 세트의 변류기(87)는 나머지 프로세서(29, 31)에 접속된다. 이 구성은 각 버스의 도체(67, 69, 71)를 통해 흐르는 전류의 비 기생적이고 독립적인 측정을 제공하고, 양 프로세서(29, 31)가 전류 흐름이 정해 놓은 제한 내에 있는지 여부를 판단하도록 허용한다. IGBT(49)는 TAD(37) 내에 위치하기 때문에, 슬립 링(77)은 각 버스를 위한 2개의 고전력 접속만을 요구하는데, 연관된 도체의 각각의 쌍, 즉, 도체(73)와 도체(79) 그리고 도체(75)와 도체(81)를 접속시킨다.

동작중, 3상 AC 전력은 AC 버스 1 및 AC 버스 2를 통해 공급되고, 각 도체(67, 69, 71)가 하나의 위상을 전송한다. 가열 소자들(83, 85)의 동작을 원할 때, 제어 프로세서(29, 31)는 IGBT(49)를 통해 전류가 흐르도록 허용하기 위해 우선 IGBT(49)에게 스위치 "켜짐"을 명령한다. 이것은 각 IGBT(49)를 위한 광절연체에 명령 신호를 전송함으로써 행해지고, 그 각 광절연체는 연관된 IGBT(49)가 스위칭하도록 한다. 그 다음, 제어 프로세서(29, 31)는 릴레이(45)를 통해 전류가 흐르도록 허용하기 위해 릴레이(45)에게 스위치 "켜짐"을 명령한다. 이 순서로 스위칭을 제어함으로써, 솔리드 스테이트가 3상 AC 사인곡선의 영-교차점에서만 스위치 켜짐 및 스위치 꺼짐으로 바뀌게 되므로 낮은 EMI 및 방출이 달성된다. 영-교차점 스위칭은 또한 슬립 링(77) 및 AC 발전기 상의 스트레스를 최소화한다.

릴레이(45) 및 IGBT(49)가 스위침 "켜짐"일 때, AC 전류는 각 정류기(47)를 통해 흐르도록 허용된다. DC 출력 전력은 정류기(47)로부터 도체(73)에 흘러 슬립 링(77)을 통해, 그리고 도체(79)를 통해 가열 소자(83, 85)에 흐른다. DC 전력은 도체(81), IGBT(49), 슬립 링(77), 및 도체(75)를 통해 정류기(47)로 다시 돌아온다. 동작중, 프로세서(29, 31)는 시스템의 결함을 나타낼 수 있는, 도체(67, 69, 71)를 통해 흐르는 전류의 기대 값으로부터의 임의의 이탈을 검출하기 위해 변류기(87)의 출력을 모니터한다. 제어 프로세서(29, 31)는, 우선 릴레이(45)에게 스위치 "꺼짐"을 명령하고, 그 다음 연관된 버스를 위한 IGBT(49)에게 스위치 "꺼짐"을 명령함으로써, 가열 소자(83, 85)로 흐르는 전류를 멈추게 한다. 대안으로서, 회전날개(19)의 블레이드(21)에 탑재된 광학 온도 센서(도시 안됨)의 출력은 프로세서(29,31)가 회전날개(19)의 가열된 부분의 원하는 온도를 유지하기 위한 장치를 스위칭하도록 제어함으로써 사용될 수 있다.

도 7은 LDD(41) 및 UDD(39) 내의 컴포넌트들 그리고 그들의 주 회전날개(15)의 블레이드(17)에 있는 방빙 장치로의 접속을 나타내는 개략도이다. 도 7은 각각 3개의 위상 A, B, 및 C를 위한 도체들(89, 91 , 93)을 각각 포함하는 AC 버스 1 및 AC 버스 2를 도시하고 있다. 각 버스는 헬리콥터(11)의 AC 발전기 시스템(도시안됨)에 전도성-접속되고, 한 쌍의 AC 발전기 중 하나에 공칭적으로 접속된다. 상술한 바와 같이, 각 버스는 LDD(41) 내에서 솔리드 스테이트 릴레이(59)를 통해 브릿지 정류기(61)에 개별적으로 접속된다. 각 릴레이(59)는 도체들(89, 91 , 93) 중 하나를 통해 흐르는 전력을 스위칭하는 능력을 제공한다. 각 정류기(61)로부터 흘러나와 다시 정류기(61)로 돌아가는 DC 전력 출력은, 주 회전날개(15) 내에서 슬립 링(99)을 통해 도체들(101, 103)에 각각 접속되는 도체들(95, 97)을 통해 전송된다. 도체들(101, 103)은 회전날개(19)의 한 블레이드(17)에 위치한 가열 소자들(105, 107, 109, 111 , 113) 각각에 전도성-결합된다. 각 세트의 가열 소자들(105, 107, 109, 111 , 113)은 가열 구역을 포함하고, 각각의 버스는 다수의 독립적으로 스위칭된 구역에 접속된다. 바람직한 구성에서, AC 버스 1은 비 임계 가열 구역에 전도성-접속되고, AC 버스 2는 임계 가열 구역에 접속된다. 버스들 간의 구역 분할은, AC 전력 공급이 원하는 값 이하일 때 동작하는 임계 구역의 선택을 제공한다.

릴레이(59) 스위칭은 가열 소자들(105, 107, 109, 111 , 113)로 흐르는 전력을 제어하고, UDD(39) 내의 각각의 도체(103) 상의 IGBT(115)를 사용함으로써 용장성 스위칭이 제공된다. 변류기(117)는 각 도체들(89, 91, 93)을 통해 흐르는 전류 양의 측정을 제공하고, 버스를 위한 한 세트의 변류기(117)는 하나의 프로세서(29,31)에 접속되고, 버스를 위한 다른 세트의 변류기(117)는 나머지 프로세서(29,31)에 접속된다. 이 구성은 각 버스의 도체들(89, 91, 93)을 통해 흐르는 전류의 비 기생적이고 독립적인 측정을 제공하고, 양 프로세서(29, 31)가 전류 흐름이 정해 놓은 제한 내에 있는지 여부를 판단하도록 허용한다. 도체들(119, 121)은 도체(101, 103)에 각각 전도성-결합되고, 대응하는 버스에 결합된 추가 가열 구역에 DC 전력을 전도시킨다. 각 추가 구역은 연관된 가열 구역에 대한 스위칭 제어를 제공하기 위한 IGBT(115)를 갖는다.

동작 중, 3상 AC 전력은 AC 버스 1 및 AC 버스 2를 통해 공급되고, 각 도체들(89, 91, 93)은 하나의 위상을 전송한다. 특정 구역을 위해 가열 소자들(105, 107, 109, 111 , 113)의 동작이 요구될 때, 제어 프로세서(29, 31)는 IGBT(115)를 통해 전류가 흐르는 것을 허용하도록 우선 그 구역용 IGBT(115)에게 스위치 "켜짐"을 명령한다. TAD(37)에 대해 상술한 바와 같이, 이것은 각 IGBT(115)를 위한 광절연체(도시 안됨)에 명령 신호를 전송함으로써 바람직하게 행해지고, 그 각 절연체는 LDD(41)에 위치하여 연관된 IGBT(115)가 스위칭하도록 한다. 그 다음, 제어 프로세서(29, 31)는 릴레이(59)를 통해 전류가 흐르는 것을 허용하기 위해 릴레이(59)에 스위치 "켜짐"을 명령한다. 이런 스위칭 순서는 낮은 EMI 및 방출의 결과를 가져오고 슬립 링(99) 및 AC 발전기 상의 스트레스를 최소화한다.

슬립 링(99)은 버스당 2개의 고전력 접속을 요구하는데, 연관된 도체 쌍, 즉, 도체(95)와 도체(101) 및 도체(97)와 도체(103)를 접속시킨다. IGBT(115)가 슬립 링(99)에 의해 LDD(41)로부터 분리된 UDD(39)에 위치하기 때문에, 연관된IGBT(115)를 스위칭하기 위한 각 절연체로부터의 신호는, 슬립 링(99)을 통해 전송되어야 한다. 그러나, 회전날개(15) 내의 공통의 그라운드를 사용하는 것은, 각 구역이 제어 프로세서(29, 31)로부터 각 IGBT(115)를 위한 절연체까지 그 명령을 전송하기 위해 하나의 슬립 링 접속(도시 안됨)만을 요구한다는 것을 의미한다.

릴레이(59) 및 선택된 IGBT(115)가 스위치 "켜짐"되면서, 각 정류기(61)를 통해 AC 전류가 흐르는 것이 허용된다. DC 출력 전력은 정류기(61)로부터 도체(95) 에 흘러, 슬립 링(99)을 통해, 그리고 도체(101)를 통해 가열 소자(105, 107, 109, 111 , 113)로 흐른다. DC 전력은 도체(103), IGBT(15), 슬립 링(99), 및 도체(97)를 통해 정류기(61)에 되돌아온다. 동작중, 프로세서(29, 31)는 시스템의 결함을 나타내는, 도체(89, 91, 93)를 통해 흐르는 예상 전류 값으로부터의 임의의 이탈을 검출하기 위해 변류기(117)의 출력을 모니터한다. 제어 프로세서(29, 31)는 우선 릴레이(59)에게 스위치 "꺼짐"을 명령함으로써, 가열 소자들(105, 107, 109, 111 , 113)에 전류가 흐르는 것을 멈추게 한다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, AC 전력 분배 시스템의 스위칭은 공칭 구성 및 2개의 결함 구성에 대해 도시된다. 도 8은 고출력 발전기(123)가 도체(125) 및 스위치(127)를 통해 도체(129)에 접속되는 AC 시스템의 공칭 구성을 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, AC 버스 1은 꼬리 회전날개(19)의 2개의 블레이드(21) 및 조종실 전면유리(25a) 상의 방빙 장치에 전도성-접속된다. 또한, AC 버스 1은 부하 제한(load-shed) 스위치(131)를 통해 회전날개(15)용 비 임계 가열 구역, 부조종실 전면유리(25b), 및 하나의 얼음 검출기(33) 및 하나의 제어기(35)를 포함하는 하나의 얼음 검출기 세트 상의 방빙 장치에 전도성-접속된다. 스위치(127)가 도시된 바와 같이 위치되면, 전력은 발전기(123)로부터 도체(125)를 통해서만 AC 버스 1에 흐를 수 있다.

저출력 발전기(133)는 도체(135) 및 스위치(137)를 통해 도체(139)에 접속된다. 도시된 실시예에서, AC 버스 2는 꼬리 회전날개(19)의 다른 2개의 블레이드(21) 및 회전날개(15)의 임계 가열 구역 상의 방빙 장치에 전도성-접속된다. 또 한, AC 버스 2는 얼음 검출기(33)와 제어기(35)로 이루어진 다른 얼음 검출기 세트에 전도성-접속된다. 스위치(137)가 도시된 바와 같이 위치되면, 전력은 발전기(133)로부터 도체(135)를 통해서만 AC 버스 2에 흐를 수 있다.

도 9는, 저출력 발전기(133)가 고장나 버려 고출력 발전기(123)로부터 AC 버스 2에 전력이 공급되는 것을 요구하고 있는 결함(fault) 구성을 도시하고 있다. 발전기(133)가 고장나면, 스위치(137)는, 도체(135)와의 접촉을 끊도록 이동하고 발전기(123)에 전도성-접속된 도체(141)와 접촉하도록 스위칭할 것을 명령받는다. 이 구성은 발전기(123)로부터의 전력이 양 버스 모두에 흐르도록 허용하여, AC 버스 1에 접속된 방빙 장치에 전력을 공급하도록 한다. 이러한 사실은 특히 중요한데, 이는 임계 회전날개 구역은 AC 버스 2에 직접적으로 접속되기 때문에, 그 구역은 스위치(137)가 도체(141)와 접촉되도록 이동될 때까지 전력을 받지 못하기 때문이다. 발전기(123) 상의 전기 부하를 줄이기 위해, 선택된 비 임계 방빙 장치는 전원이 꺼지거나 순환될 수 있다. 도시된 실시예에서, 스위치(131)는, 부조종사 전면유리(25b) 상의 장치가 전원이 꺼졌음에도 불구하고 스위치 "켜짐" 상태로 남는다.

도 10은 고출력 발전기(123)가 고장나 버려, 저출력 발전기(133)로부터의 전력이 AC 버스 1에 공급되도록 요구하고 있는 결함 구성을 도시하고 있다. 발전기(123)가 고장나면, 스위치(127)는, 도체(125)와의 접촉을 끊도록 이동하고 발전기(133)와 전도성-접속된 도체(143)와 접촉하도록 스위칭할 것을 명령받는다. 이 구성은 발전기(133)로부터의 전력이 양 버스에 흐르도록 허용하여, 전력이 AC 버스 1에 접속된 방빙 장치에 공급되도록 한다. 이러한 사실은 특히 중요한데, 이는, 조 종사 전면유리(25a)용 장치가 AC 버스 1에 직접적으로 접속되기 때문에, 그 장치들은 스위치(127)가 도체(143) 접촉되도록 이동할 때까지 전력을 공급받지 못하기 때문이다. 발전기(133) 상의 전기 부하를 줄이기 위해, 부하 제한 스위치(131)가 스위치 "꺼짐" 되어, AC 전력 시스템으로부터 비 임계 장치를 접속해제 한다. 또한, 선택된 방빙 장치는 전원이 꺼지거나 순환될 수 있다. 도시된 실시예에서, 꼬리 회전날개 장치는 발전기(133) 상의 부하를 줄이기 위해 교대로 전력공급된다.

본 발명에 따른 이 시스템은 상당한 이점들을 갖는다. 시스템은 매우 조밀하고, 비용이 많이 들지 않으며, 매우 경량이다. 부피가 큰 변류기가 필요하지 않고, 표준 3상 AC 발전기에 대한 변경이 필요 없다. DC 발전기가 필요 없고 이 애플리케이션을 위해 필요한 와이어 게이지는 최소화된다. 또한, 이점들은 감소한 복잡성, 균형잡힌 3상 부하, 낮은 레벨의 EMI를 갖는 컴포넌트의 스위칭, 및 증가한 신뢰도를 포함한다. 본 발명이 도시된 실시예를 참조하여 기술되었지만, 이 설명은 제한하려는 의미로 해석되도록 의도된 것은 아니다. 본 발명의 다양한 변경 및 다른 실시예들은 본 명세서를 참조하면 당업자들에게 명백해질 것이다.

Claims (21)

1. 각각 복수의 블레이드(blade)를 가진 하나 이상의 회전날개(rotor)를 갖는 항공기용 결빙 관리 시스템에 있어서,

   교류(AC) 전력을 공급하기 위한 AC 전원으로서, 상기 회전날개로부터 멀리 떨어져 항공기에 탑재되도록 적합화된 상기 AC 전원;

   상기 AC 전력을 직류(DC) 전력으로 변환시키기 위한 컨버터; 및

   상기 회전날개에 탑재되고 상기 DC 전력을 사용하여 동작하는 하나 이상의 방빙 장치

   를 포함하는 결빙 관리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 컨버터로의 상기 AC 전력의 흐름을 제어하기 위한 AC 스위치를 더 포함하는 결빙 관리 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 AC 스위치는 솔리드 스테이트 릴레이(solid-state relay)인 것인, 결빙 관리 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 방빙 장치로의 DC 전력의 흐름을 제어하기 위한 DC 스위치를 더 포함하는 결빙 관리 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 DC 스위치는 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터인 것인, 결빙 관리 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 컨버터로의 AC 전력의 흐름을 제어하기 위한 AC 스위치로서, 상기 회전날개로부터 멀리 떨어져 위치한 상기 AC 스위치; 및

   하나 이상의 방빙 장치로의 DC 전력의 흐름을 제어하기 위한 DC 스위치로서, 상기 회전날개 상에 위치하는 상기 DC 스위치

   를 더 포함하는 결빙 관리 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 컨버터로부터의 DC 전력을 상기 회전날개에 전도시키기 위한 슬립 링 커넥터를 더 포함하는 결빙 관리 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 컨버터는 브릿지 정류기인 것인, 결빙 관리 시스템.
9. 항공기에 있어서,

   각각 복수의 블레이드를 가진 하나 이상의 회전날개;

   교류(AC) 전력을 공급하기 위한 AC 전원으로서, 상기 회전날개로부터 멀리 떨어져 탑재되는 상기 AC 전원;

   상기 AC 전력을 직류(DC) 전력으로 변환시키기 위한 컨버터; 및

   상기 회전날개에 탑재되고 상기 DC 전력을 사용하여 동작하는 하나 이상의 방빙 장치

   를 포함하는 항공기.
10. 제9항에 있어서, 상기 컨버터로의 AC 전력의 흐름을 제어하기 위한 AC 스위치를 더 포함하는 항공기.
11. 제10항에 있어서, 상기 AC 스위치는 솔리드 스테이트 릴레이인 것인, 항공기.
12. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 방빙 장치로의 상기 DC 전력의 흐름을 제어하기 위한 DC 스위치를 더 포함하는 항공기.
13. 제12항에 있어서, 상기 DC 스위치는 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터인 것인, 항공기.
14. 제9항에 있어서,

    상기 컨버터로의 AC 전력의 흐름을 제어하기 위한 AC 스위치로서, 상기 회전날개로부터 멀리 떨어져 위치한 상기 AC 스위치; 및

    상기 하나 이상의 방빙 장치로의 상기 DC 전력의 흐름을 제어하기 위한 DC 스위치로서, 상기 회전날개 상에 위치한 상기 DC 스위치

    를 더 포함하는 항공기.
15. 제9항에 있어서,

    상기 컨버터로부터의 DC 전력을 상기 회전날개에 전도시키기 위한 슬립 링 커넥터를 더 포함하는 항공기.
16. 제9항에 있어서, 상기 컨버터는 브릿지 정류인 것인, 항공기.
17. 항공기의 회전날개 상의 방빙 장치를 동작시키는 방법에 있어서,

    교류(AC) 전력을 컨버터에 공급하는 단계;

    상기 AC 전력을 직류(DC) 전력으로 변환시키는 단계; 및

    상기 DC 전력을 상기 회전날개 상에 위치한 하나 이상의 방빙 장치에 공급하는 단계

    를 포함하는 방빙 장치 동작 방법.
18. 제17항에 있어서, AC 스위치를 사용하여 상기 컨버터로의 AC 전력의 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는 방빙 장치 동작 방법.
19. 제17항에 있어서, DC 스위치를 사용하여 상기 하나 이상의 방빙 장치로의 DC 전력의 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는 방빙 장치 동작 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 AC 전력을 공급하는 단계는, 2개 이상의 독립적인 AC 소스 중 하나로부터 AC 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것인 방빙 장치 동작 방법.
21. 제20항에 있어서,

    상기 AC 전력 소스들 중 다른 하나에 선택적으로 스위칭하는 단계를 더 포함하는 방빙 장치 동작 방법.

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