NO143267B - Fremgangsmaate og innretning for deteksjon av is paa overflaten av et fartoey - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt systemer for deteksjon av overflateis, og særlig isdetektorer for anvendelse på luftfartøyer.

De problemer som angår dannelse av is på luftfar-tøyer, er velkjente og går tilbake til flygingens første tider. Under visse klimatiske forhold har is en tendens til å danne seg, særlig i nærheten av de fremre kanter av aerofoiloverflater, i lag av vesentlig tykkelse. Isen ikke bare øker luftfartøyets effektive vekt, men den kan også øke slepe-eller luftmotstanden og redusere det løft som tilveiebringes av aerofoilen. Som kjent benyttes forskjellige metoder for å detektere tilstedeværelse av is. Etter deteksjon av is kan kjente avisingssystemer anvendes eller innkoples for å befri luftfartøyet for is.

Selv om forskjellige metoder er blitt benyttet tidligere for beskyttelse mot is, har alle vist seg å være upålitelige av en eller annen grunn. De tidligere kjente metoder- har dessuten typisk bare vært i stand til å detektere is over meget begrensede områder. En tidligere kjent metode for isdeteksjon er kjent som åpnings- eller trykkfølermeto-den, og benytter fremovervendende åpninger, idet dannelsen av is på åpningene detekteres som en reduksjon i trykk.

Andre isdeteksjonsteknikker avhenger av deteksjon av en variasjon i en spesiell mekanisk eller elektrisk parameter, såsom elektrisk eller termisk ledningsevne, eller dempning av lys som passerer gjennom isen. Selv om noen av disse teknikker kan virke noenlunde tilfredsstillende på luftfartøyer med faste vinger, fremstår ytterligere problemer ved deteksjon av is på helikoptere. Vanligvis blir helikoptere benyttet på lavere høyder, og det er mer sannsynlig at de vil på-treffe nedisingsforhold enn moderne luftfartøyer med faste vinger. Videre er mange av de tidligere kjente teknikker ikke i stand til å tilpasses for anvendelse på roterende flater. Følgelig har det hittil ikke vært tilgjengelig noen helt tilfredsstillende metode for deteksjon av is på helikopterrotorblad.

Av det foregående vil det være åpenbart at det eksisterer et klart behov for et isdeteksjonssystem som på pålitelig måte kan indikere tilstedeværelse av is på et luft-fartøy, og særlig på rotorblad for helikoptere. Det er også et behov for'et isdeteksjonssystem som er i stand til på pålitelig måte å detektere tilstedeværelse av is over forholdsvis store områder. Den foreliggende oppfinnelse oppfyller begge disse behov.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte for deteksjon av is på den ytre overflate av et luftfartøy, omfattende de trinn å tilveiebringe en energikilde, å kople energi fra kilden til et overflatelag av is, og å overvåke et ved energikilden frembrakt signal for å indikere tilstedeværelsen av is på overflaten, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at det genereres et elektromagnetisk mikrobølgesignal, at mikrobølgesignalet koples til den ene ende av en permanent ovérflatebølgeleder av et dielektrisk materiale med en dielektrisitetskonstant som er den samme som for is, idet overflatebølgeledereri og islaget danner en sammensatt bølgeleder, at mikrobølgesignalet overføres langs overflatebølgelederen i en retning parallelt med en overflate på hvilken is skal detekteres, at en del av mikrobølgeener-gieh reflekteres "tilbake langs bølgelederen fra dennes andre ende, og at det i et reflektometer detekteres et forhold mellom overført og reflektert energi med hensyn til den sammensatte bølgeleder, slik at tilstedeværelsen og beliggenheten av isen kari detekteres ved hjelp av reflektometeret.

Videre er det tilveiebrakt en innretning for deteksjon av is på "overflaten av en gjenstand i overensstemmelse med den angitte fremgangsmåte, hvilken innretning omfatter en elektromagnetisk energikilde, en koplingsanordning for kopling av energien fra kilden til et overflatelag av is, og en signalmonitor for indikasjon av tilstedeværelsen av overflateislaget ved déteksjon av en endring i et signal som frembringes ved energikilden,' og er'kjennetegnet ved at energikilden er eh mikrobølgeénergikilde, og at koplingsan-ordningén bmfcrttér eri overflatébølgéleder som inneholder et langstrakt,' dielektrisk legeme av et materiale med en dielektrisitetskonstant' som er den 'samme'som for is, ' idet "det" dielektriske legeme og islaget til sammen utgjør en sammensatt bøTgefeder,"''eri' mikrbbøigeeirergikopler for tilførsel av mik^oto^lgeé^érgx "-tiT"dek"ene éri'del'av det dielektriske legeme, og en fast bølgelederavslutning for refleksjon av energi som overføres langs overflatebølgelederlegemet, tilbake mot den nevnte ene ende, idet signalmonitoren omfatter en sammenlikner for sammenlikning av mikrobølgesignalene som overføres til og reflekteres fra den sammensatte bølgeleder.

I en fordelaktig utførelse av innretningen omfatter sammenlikneren et reflektometer som tilveiebringer et utgangssignal som representerer den komplekse verdi av impedans- eller refleksjonsegenskapene til den sammensatte over-flatebølgeleder. Videre kan den nevnte bølgelederavslutning være et impedansmistilpasningselement, f.eks. et kortslutningselement. Mistilpasningselementet resulterer i en delvis eller total refleksjon av energien tilbake langs overflate-bølgelederen, idet den reflekterte energi detekteres av re-flektormeteranordningen. Da isen vanligvis vil inneholde mange urenheter, deriblant en vesentlig mengde av ikke-frosset vann, vil den oppvise et tapsbeheftet dielektrisk medium for overføringen av mikrobølgeenergien, og mye mindre energi vil bli reflektert ut fra den sammensatte bølgeleder, bestående av isen og den permanente overflatebølgeleder, når et lag av is er til stede.

Det blir ikke tilført tilstrekkelig energi til islaget til å varme opp eller smelte isen i noen betydelig grad, men innretningen ifølge oppfinnelsen er velegnet for bruk i forbindelse med en mikrobølgesignalkilde av større styrke, som ville bli aktivert ved deteksjon av en vesentlig eller forutbestemt ismengde, og som ville virke slik at den varmet opp isen og bevirket fjerning av denne. Alternativt kan oppfinnelsen anvendes uavhengig som en isdetektor uten hensyn til den type av avisingsinnretning som benyttes.

Det vil være åpenbart at oppfinnelsen representerer et vesentlig fremskritt på det område som angår isdeteksjonssystemer. Anvendelsen av mikrobølgeenergi som overføres gjennom isen som virker som en overflatebølgeleder, og over-våkningen av islagets refleksjonskarakteristikk, tillater spesielt at tilstedeværelsen og mengden av is kan bestemmes pålitelig og nøyaktig.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i tilknytning til et antall utførelseseksempler under henvis-

ning til tegningen, der fig. 1 viser en skjematisk illustra-sjon av isdeteksjonssystemet ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et ekvivalent kretsskjema for den sammensatte overflate-bølgeleder som er dannet av et islag og en permanent overfla-tebølgeleder, fig. 3 viser en skjematisk representasjon av

overføringen av mikrobølgeenergi gjennom den permanente over-flatebølgeleder og et islag på en luftfartøyoverflate, fig. 4 viser et sideriss, delvis i snitt, av en kopler som benyttes til å overføre mikrobølgeenergi til overflatebølgelederen, og fig. 5 viser et delvis gjennomskåret planriss som svarer til siderisset på fig. 4.

Som vist på tegningene for illustrasjonsformål, angår oppfinnelsen i prinsipp en metode for deteksjon av islag som er dannet på de ytre overflater av luftfartøyer. Den er særlig velegnet for deteksjon av is på aerofoiloverflater av luftfartøyer både med faste og roterende vinger.

I overensstemmelse med oppfinnelsen blir et islag som er betegnet med henvisningstallet 10, detektert ved at det i dette innføres elektromagnetisk mikrobølgeenergi som tilføres fra en konvensjonell mikrobølgesignalkilde 12, "og som koples til isen ved hjelp av en overflatebølgelederkopler 14 på en slik måte at islaget fungerer som en overflatebølge-leder. Islaget 10 er dannet på et dielektrisk legeme i form av et permanent dielektrisk sjikt eller lag 16 som også fungerer som en overflatebølgeleder, idet det dielektriske legeme 16 er dannet på en luftfartøyoverflate 18, vanligvis av metall, på hvilken is forventes å samle seg. Som vist tilfø-res mikrobølgeenergien ved det dielektriske legemes ene ende 16a. Et mikrobølge-kortslutningselement 20 er anordnet ved den ende av bølgelederlegemet 16 som ligger fjernt fra over-flatebølgelederkopleren 14, for å sikre refleksjon av mikro-bølgeenergi tilbake langs bølgelederen. En todelt retnings-kopler 22 benyttes til å kople mikrobølgeenergien fra signalkilden 12 til overflatebølgelederkopleren 14, og til å til-føre et signal til et reflektomoter 24 som er koplet til dobbelt-retningskopleren 22. Reflektometeret overvåker den komplekse verdi av impedans- eller refleksjonskarakteristikken for den sammensatte bølgeleder som består av islaget 10 og den permanente overflatebølgeleder 16.

Bølgeledere som har form av lukkede rør med sirku-lært eller rektangulært tverrsnitt, er velkjente. Mindre kjent er begrepset med en "åpen grense"-struktur for over-føring av mikrobølgeenergi langs en overflate. Energien er nært bundet til overflaten, og selv om elektriske eller magnetiske felter holdes ved like utenfor bølgelederen, avtar disse eksponentielt i en retning normalt på overflaten. Ut-bredelse av mikrobølgeenergi gjennom en overflatebølgeleder opptrer i det som er alminnelig kjent som "fangede" trans-misjonsmodi, hvilket også kan betraktes som ekvivalent med total indre refleksjon fra bølgelederens overflatebegrensnin-ger. Som vist på fig. 3, kan mikrobølgeenergien betraktes som om den er utsendt inn i den permanente overflatebølgele-der 16 på en slik måte at innfallsvinkelen med overflategren-sene, dvs. med is-luft-grenseflaten, og dielektrikum-metall-grenseflaten, overskrider den kritiske vinkel over hvilken total indre refleksjon vil finne sted.

Driftsfrekvensen for innretningen ifølge oppfinnelsen er ikke kritisk og kan velges slik at den oppfyller spe-sielle konstruksjonskrav, og retter seg etter relevante statsbestemmelser. Typiske frekvenser vil ligge i området 2000 - 22 000 MHz. Signalkilden 12 kan opereres kontinuerlig, dvs. i "kontinuerlig-bølge"-modus, eller den kan tilpasses for pulset drift.

Fig. 2 er et ekvivalent kretsdiagram som viser at den sammensatte bølgeleder er ekvivalent med en transmisjonslinje som er kortsluttet ved sin fjerntliggende ende ved hjelp av elementet 20. På fig. 1 og 2 er bokstaven A benyttet for å indikere inngangsenden for den sammensatte bølge-leder, B er benyttet for å indikere det sted hvor islaget en-der, og D er benyttet for å indikere den kortsluttede ende av bølgelederen.

Materialet i den permanente overflatebølgeleder 16 er valgt slik at det har en dielektrisitetskonstant som er til-nærmet lik dielektrisitetskonstanten for is, slik at det opptrer liten brytning på is-dielektrikum-grenseflaten, og slik at det har en dielektrikumkarakteristikk med forholdsvis lavt tap.

Materialet bør også velges med henblikk på sin evne til å tåle kraftig regn-, sand- og støverosjon. Dette er særlig viktig dersom isdetektoren skal benyttes på helikopterrotorblad. Passende materialer er aluminiumoksyd, en poly-etylen med meget høy molekylvekt, såsom den som selges under varemerket "Lennite", høykvartsfiber-silikonharpikslaminater, smeltet kvarts eller epoksyglass- eller silikonglasslaminater. I tillegg kan et polyurethanerosjonsbelegg med en tykkelse på 0,3 mm benyttes som et erosjonsbelegg over noen av disse materialer. De dielektriske egenskaper for polyurethan gjør ■'. dette materiale uegnet for bruk alene som bølgeledermateriale.

En måte å uttrykke den relative impedanskarakteri-stikk for en transmisjonslinje er ved hjelp av en dimensjons-løs refleksjonskoeffisient som vil være en matematisk kom-pleks størrelse med reelle og imaginære komponenter. Da den permanente overflatebølgeleder 16 er av et materiale med forholdsvis lavt tap, og da det reflekterende element 20 kan velges slik at det tilveiebringer nesten total refleksjon, vil den refleksjonskoeffisient som detekteres ved hjelp av dobbelt-retningskopleren 22 og reflektometeret 24, ha en stør-relse som er praktisk talt lik én når det ikke er til stede noe islag 10. Det vil imidlertid være en vesentlig fasefor-skjell mellom de utsendte og reflekterte signaler.

Tilveksten eller dannelsen av islaget 10 på det dielektriske lag 16 innfører en forholdsvis tapsbeheftet komponent i den-dielektriske bølgeleder, slik som angitt ved hjelp av impedansen mellom posisjonene B og C på fig. 2. Den energi som utbres gjennom den sammensatte bølgeleder, vil da bli utsatt for et vesentlig tap i størrelse og også en vesentlig faseforskyvning, hvilket resulterer i en refleksjonskoeffisient med en størrelse som er vesentlig mindre enn én, og en fasevinkel som er forskjellig fra den som observe-res ved fravær av islaget. Etter hvert som tilveksten av is fortsetter, vil den ved hjelp av reflektometeret 24 målte refleksjonskoeffisient endres både i størrelse og fase inntil det oppnås en forholdsvis liten refleksjonskoeffisient. De spesifikke verdier av refleksjonskoeffisienter som detekteres ved hjelp av dobbelt-retningskopleren 22 og reflektometeret 24, vil selvsagt avhenge av de spesifikke parametre for isdetektoren.

Som vist ved 26, kan reflektometeret 24 koples

slik at det genererer et styreutgangssignal som indikerer den refleksjonskoeffisient som måles ved hjelp av reflektometeret. Refleksjonskoeffisienten, eller en komponent av denne, kan fremvises direkte på en indikerende anordning (ikke vist) som er kalibrert direkte i ismengde, eller relativ isposisjon, da den relative faseforskyvning for refleksjonskoeffisienten vil være relatert til isens posisjon i forhold til hele den permanente overflatebølgeleder 16. Alternativt, eller i tillegg, kan verdien av refleksjonskoeffisienten sammenliknes med en terskelverdi som er valgt på forhånd under instrumentets kali-brering, og et styresignal kan genereres for å påvirke av-isingsutstyr når refleksjonskoeffisienten når terskelverdien.

Fig. 4 og 5 viser en overflatebølgelederkopler som svarer til den som er betegnet med henvisningstallet 14 på fig. 1. Kopleren omfatter en konvensjonell, rektangulær bølgeleder 30 med en flensforsynt ende 32 for kopling til dobbeltretningskopleren 22 eller andre konvensjonelle mikro-bølgefordelingskomponenter (ikke vist). Ved den ende som er motsatt av flensen 32, er bølgelederen 30 lukket bortsett fra en sirkulær åpning 34 i den ene sidevegg gjennom hvilken det stikker frem en koplingstapp 36, idet tappen er festet til den sidevegg som ligger motsatt av åpningen. Slik som best vist på fig. 5, ligger tappen 36 over og er delvis inn-leiret i overflatebølgelederen 16. Metalloverflaten 18 omfatter en del som omslutter enden av overflatebølgelederen 16, som vist ved 38, for å virke som en reflektor og derved bevirke utstråling av mikrobølgeenergien i den ønskede retning langs bølgelederen 16. Det vil innses at noe av den mikrobølgeenergi som reflekteres fra det reflekterende element 20 og rettes tilbake langs bølgelederen 16, på nytt vil bli reflektert av delen 38 av metalloverflaten 18, hvilket resulterer i en rekke komplekse, sammensatte refleksjoner frem og tilbake langs bølgelederen. En eller annen resulterende komponent av den energi som opprinnelig ble overført inn i bølgelederen 16 gjennom kopleren 14, vil imidlertid bli reflektert tilbake til og ut av kopleren 14 for å detekteres av dobbeltretningskopleren 22 og reflektometeret 24.

For benyttelse av oppfinnelsen til å detektere is

på helikopterrotorblad, kan mikrobølgesignalkilden 12 på

grunn av sitt lave effektforbruk monteres for rotasjon med rotorbladene, sammen med dobbelt-retningskopleren 22, reflektometeret 24 og overflatebølgelederkopleren 14. Alternativt kunne mikrobølgesignalkilden 12 være montert i helikopter-

skroget og også benyttet til å tilføre større effektmengder for å avise rotorbladene. Dette arrangement ville kreve til-føyelse av en dreieforbindelse og et antall andre konvensjo-

nelle mikrobølgefordelingskomponenter, av hvilke ingen er vist, for å overføre mikrobølgeenergien til rotorbladoverflå-

tene .

Det vil innses av det foregående at oppfinnelsen , representerer et vesentlig fremskritt på det område som angår isdeteksjonssystemer. Anvendelsen av mikrobølgeenergi med forholdsvis lav effekt for å detektere refleksjons- eller impedanskarakteristikken for en sammensatt bølgeleder beståen-

de av en tapsløs bølgeleder og et overflateislag, resulterer spesielt i pålitelig deteksjon av tilstedeværelsen, mengden og posisjonen av islaget på bølgelederen, og også islagets tilveksthastighet.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for deteksjon av is på den ytre overflate av et luftfartøy, omfattende de trinn å tilveiebringe en energikilde, å kople energi fra kilden til et overflatelag av is, og å overvåke et ved energikilden frembrakt signal for å indikere tilstedeværelsen av is på overflaten, karakterisert ved at det genereres et elektromagnetisk mikrobølgesignal, at mikrobølgesignalet koples til den ene ende av en permanent overflatebølgeleder av et dielektrisk materiale med en dielektrisitetskonstant som er den samme som for is, idet overflatebølgelederen og islaget danner en sammensatt bølgeleder, at mikrobølgesignalet overføres langs overflatebølgelederen i en retning parallelt med en overflate på hvilken is skal detekteres, at en del av mikrobølgeener-gien reflekteres tilbake langs bølgelederen fra dennes andre ende, og at det i et reflektometer detekteres et forhold

mellom overført og reflektert energi med hensyn til den sammensatte bølgeleder, slik at tilstedeværelsen og beliggenheten av isen kan detekteres ved hjelp av reflektometeret.

2. Innretning for deteksjon av is på overflaten av en gjenstand i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende en elektromagnetisk energikilde, en koplingsanordning for kopling av energien fra kilden til et overflatelag av is, og en signalmonitor for indikasjon av tilstedeværelsen av overflateislaget ved deteksjon av en endring i et signal som frembringes ved energikilden, karakterisert ved at energikilden er en mikrobølgeenergikilde, og at kop-lingsanordningen omfatter en overflatebølgeleder som inneholder et langstrakt, dielektrisk legeme (16) av et materiale med en dielektrisitetskonstant som er den samme som for is, idet det dielektriske legeme (16) og islaget (10) til sammen utgjør en sammensatt bølgeleder, en mikrobølgeenergikopler (22, 14) for tilførsel av mikrobølgeenergi til den ene ende (16a) av det dielektriske legeme (16), og en fast bølgeleder-avslutning (20) for refleksjon av energi som overføres langs overflatebølgelederlegemet (16), tilbake mot den nevnte ene ende (16a), idet signalmonitoren omfatter en sammenlikner (24) for sammenlikning av mikrobølgesignalene som overføres til og reflekteres fra den sammensatte bølgeleder.

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at- sammenlikneren (24) omfatter et reflektometer som tilveiebringer et utgangssignal som representerer den komplekse verdi av impedans- eller refleksjonsegenskapene til den sammensatte overflatebølgeleder.

4. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at avslutningen (20) er et impedansmistilpasningselement som resulterer i det minste i delvis refleksjon av energien tilbake langs overflatebølgelederen.

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at avslutningen (20) er et kortslutningselement.