Зонд для измерения толщины нароста инея на поверхности
Изобретение относится к оптическому зонду и к устройству, содержащему множество таких оптических зондов, предназначенному для измерения толщины нароста инея на аэродинамической поверхности летательного аппарата.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения значительной толщины инея (например, несколько десятков сантиметров). Зонд содержит множество измерительных каскадов (с El no En), которые расположены последовательно один над другим, по меньшей мере, по существу ортогонально к основанию зонда, и каждый измерительный каскад содержит, по меньшей мере, один излучатель, который может излучать световой пучок, который является, по меньшей мере, по существу параллельным указанному основанию, и, по меньшей мере, один приемник, который может принимать световой пучок после отражения от инея. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 9 ил.
Настоящее изобретение относится к оптическому зонду и к устройству, содержащему множество таких оптических зондов, предназначенному для измерения толщины нароста инея на поверхности, в частности на аэродинамической поверхности летательного аппарата (крыла, хвостового оперения и т.д.).
Известно, что при особых метеорологических условиях в полете на аэродинамических поверхностях летательного аппарата могут образовываться наросты инея, в результате чего, с одной стороны, видоизменяется аэродинамический профиль и, следовательно, изменяются аэродинамические характеристики указанных поверхностей, а с другой стороны, летательный аппарат делается тяжелее, и изменяется его балансировка. Поэтому такие наросты инея могут приводить летательный аппарат в неуправляемое состояние и вызывать его падение.
Чтобы исследовать метеорологические условия образования инея и тем самым предвидеть наросты инея на аэродинамических поверхностях летательного аппарата и исключать их последствия, определенные компании проводят летные испытания. В рамках процедуры сертификации летательных аппаратов эти испытания имеют своей целью расширение знаний относительно конфигураций естественных наростов инея, которые могут быть положены в основу при подтверждении уже существующих моделей. Поэтому они делают возможными определение конфигураций наростов, измерение толщин и, в частности, распространение измерений на профиль аэродинамических поверхностей и определение состояния указанного профиля.
Что касается только измерения толщины наростов инея, то уже известны многочисленные зонды, которые работают на основе реализации таких физических принципов, как электрическая индукция и распространение в инее ультразвука, микроволн и световых пучков.
Например, в патенте США №6425286 описан электрооптический зонд для обнаружения инея. Этот зонд содержит основание, предназначенное для прикрепления зонда к поверхности летательного аппарата в контакте с аэродинамическим потоком, а также удлиненный корпус, ортогональный к указанному основанию и снабженный полостью, в которой может накапливаться иней. Через полость пропускается световой пучок, а датчик делает возможным обнаружение наличия или отсутствия указанного пучка. Если иней имеется, он заполняет полость, так что световой пучок не может быть обнаружен датчиком. Этот зонд также содержит нагревательное устройство для расплавления инея, накопившегося в полости. Путем подсчета числа циклов нагревания посредством зонда можно оценивать суммарное количество образующегося инея.
Независимо от физического принципа, на котором основана работа этих известных зондов, опыт показывает, что ими можно измерять только ограниченные толщины инея и часто с низкой точностью.
Одна из задач настоящего изобретения заключается в устранении этих недостатков и связана с созданием оптического зонда, способного точно измерять значительные толщины инея (например, несколько десятков сантиметров).
Для этого согласно изобретению предложен зонд для измерения толщины нароста инея на поверхности, в частности на аэродинамической поверхности летательного аппарата, при этом указанный зонд снабжен основанием, пригодным для применения на указанной поверхности, и характеризуется
тем, что он содержит множество измерительных каскадов, наложенных один на другой, по меньшей мере, по существу ортогонально к указанному основанию; и
тем, что каждый измерительный каскад содержит:
по меньшей мере, один излучатель, способный излучать световой пучок, по меньшей мере, по существу параллельный указанному основанию, и
по меньшей мере, один приемник, способный принимать указанный световой пучок после отражения от указанного инея.
Толщина инея, покрывающего указанную поверхность, соответствует расстоянию, разделяющему указанное основание и последний каскад, приемник которого принимает световой пучок, излучаемый взаимодействующим с ним излучателем, при этом разрешающая способность измерения соответствует расстоянию, разделяющему этот последний каскад и первый каскад, приемник которого не принимает светового пучка, излучаемого взаимодействующим с ним излучателем. Тем самым получается шкала измерений толщины инея.
Преимущественно каждый излучатель представляет собой светоизлучающий диод, тогда как каждый приемник представляет собой фотодиод.
Предпочтительно, что зонд согласно настоящему изобретению содержит корпус, который прикреплен к указанному основанию и который заключает в себе указанное множество наложенных один на другой измерительных каскадов, с тем, чтобы на уровне каждого из указанных измерительных каскадов указанный корпус был снабжен прозрачным окном для указанного светового пучка. Множество указанных окон может быть образовано иллюминатором, общим для всех измерительных каскадов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления зонд согласно настоящему изобретению содержит нагревательное средство, способное осуществлять поверхностное расплавление нароста инея, по меньшей мере, в окрестности указанных окон и предпочтительно около указанного зонда. Поэтому указанный зонд свободен от нароста инея, в результате чего исключаются механические напряжения зонда, создаваемые наростом, опасность изменения слоя инея непосредственно зондом и опасность изменения точки сходимости для излучателя и приемника каждого каскада.
Чтобы во время полета летательного аппарата возмущение потока воздуха вблизи зонда было по возможности небольшим, предпочтительно иметь указанный корпус удлиненной формы. Тем самым образование нароста инея не подвергается возмущению, а измерения являются надежными. Следует отметить, что нагревательное средство делает возможным предотвращение повышения лобового сопротивления зонда, которое будет наблюдаться в случае, если последний весь покрыт инеем.
В дополнение к этому также следует отметить, что известными зондами, упомянутыми в настоящей заявке выше, а также зондом согласно настоящему изобретению обеспечиваются только точечные измерения толщины, которых недостаточно для исследования всего профиля нароста инея на указанной поверхности.
Для разрешения этой проблемы в способах по известному уровню техники обычно используют пластину, прикрепляемую ортогонально к указанной поверхности и несущую шкалу измерений длины. В полете за каждой пластиной, которая может иметь форму участка кольца, если она прикреплена к передней кромке, осуществляют наблюдение с помощью камеры, которую располагают на борту летательного аппарата, и на индикаторе показывается толщина инея, накопленного вдоль указанной пластины. Однако вследствие удаленности камеры и осуществления наблюдения пластины с помощью последней через иллюминатор летательного аппарата результаты измерений не могут быть хорошими. Кроме того, такое измерительное устройство чувствительно к вибрациям, в результате чего ухудшается качество изображений, разрешение и, следовательно, измерений, точность измерений является низкой.
Поэтому еще одна задача настоящего изобретения заключается в исключении этой последней проблемы.
Для этого настоящее изобретение относится к устройству, делающему возможным определение толщины нароста инея на поверхности, при этом такое устройство отличается тем, что оно содержит множество зондов согласно изобретению, распределенных по указанной поверхности.
Когда указанная поверхность представляет собой аэродинамическую поверхность, повергающуюся воздействию аэродинамического потока, предпочтительно направлять окна указанных зондов поперек указанного аэродинамического потока. Тем самым исключается искажение результатов измерений вследствие эффекта волны и из-за инея, который образуется соответственно перед зондом и позади него.
Предпочтительно, чтобы указанное устройство содержало, по меньшей мере, один комплект зондов, расположенных в аэродинамическом потоке (на одной линии или смещенных с тем, чтобы исключить маскирование одного зонда другим), а указанный комплект зондов окружал переднюю кромку аэродинамической поверхности.
Конечно, зонды могут быть прикреплены непосредственно к поверхности, на которой желательно измерение толщины инея. Однако в том особом случае, когда не хотят повреждать указанную поверхность, предпочтительно прикреплять указанные зонды к опоре, которую временно присоединяют к указанной поверхности, которая параллельна последней, и при этом остается вспомогательный промежуток относительно указанной поверхности. Такая опора описана, например, в патенте США № 5874671.
Прилагаемые чертежи поясняют вариант осуществления изобретения. На чертежах одинаковыми позициями обозначены подобные элементы.
Фиг.1 - вид в перспективе оптического зонда согласно настоящему изобретению, видимого со стороны его иллюминатора.
Фиг.2 - увеличенный местный осевой разрез зонда по фиг.1, при этом указанный разрез проходит через указанный иллюминатор и соответствует линии II-II на фиг.3.
Фиг.3 - увеличенный поперечный разрез зонда из фиг.1, при этом указанный разрез соответствует линии III-III на фиг.2.
Фиг.4 - иллюстрация принципа измерения оптическим зондом согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 - вид сверху приведенного для примера устройства, содержащего множество зондов.
Фиг.6 - вид сбоку устройства из фиг.5.
Фиг.7 - вид устройства согласно изобретению, окружающего переднюю кромку аэродинамической поверхности.
Фиг.8 - вид сверху, соответствующий фиг.7.
Фиг.9 - вид временной опоры для закрепления зондов устройства согласно изобретению.
Зонд I, представленный на фиг.1 в качестве примера осуществления настоящего изобретения, содержит удлиненный корпус 1, например цилиндрический, вытянутый вдоль оси L-L. На одном из концов зонд I содержит основание 2, ортогональное к оси L-L. По меньшей мере, один электрический кабель 3, протянутый через основание 2, обеспечивает возможность электрического соединения зонда I с наружной стороной.
Часть боковой стенки корпуса 1 снабжена продольным проемом 4, закрытым продольным иллюминатором 5, который является прозрачным для красного или ближнего инфракрасного излучения.
Внутри удлиненного корпуса 1 размещена в продольном направлении печатная плата 6, соединенная электрически с кабелем 3 и закрепленная соответствующим образом внутри указанного корпуса напротив указанного иллюминатора 5.
Печатная плата 6 содержит множество пар оптических излучателей 7 и оптических приемников 8, распределенных вдоль оси L-L. Излучатели 7 и приемники 8 закреплены на печатной плате 6 с помощью их монтажных лепестков соответственно 9 или 10. В каждой паре из излучателя 7 и приемника 8 оптическая ось 11 излучателя 7 проходит через иллюминатор 5 и пересекает оптическую ось 12 соответствующего приемника 8, которая также проходит через указанный иллюминатор 5, в точке 13 сходимости, находящейся на наружной стороне указанного иллюминатора 5.
Оптические излучатели 7 представляют собой светоизлучающие диоды, излучающие в красном или ближнем инфракрасном диапазоне. Оптические приемники 8 представляют собой фотодиоды, чувствительные к тем же самым излучениям.
Плоскости Р, задаваемые каждой осью 11 и каждой соответствующей осью 12, параллельны друг другу, и предпочтительно, чтобы они находились на одинаковом расстоянии друг от друга. Поэтому каждая пара из излучателя 7 и приемника 8 образует измерительный каскад, при этом указанные измерительные каскады с Е1 по En (где n - целое число, равное, по меньшей мере, двум) последовательно расположены вдоль оси L-L, то есть, например, они наложены один на другой, по меньшей мере, по существу ортогонально к основанию 2 (см. фиг.4).
Кроме того, зонд I содержит электронагревательные резисторы 14 и 15, которые могут снабжаться током с помощью кабеля 3.
Как показано на фиг.4, когда на поверхности S, на которой зонд I закреплен или установлен с помощью основания 2, образуется нарост инея G, приемники 8 измерительных каскадов, находящиеся в условиях инея (в показанном примере каскады с Е1 по Ei, где i - целое число, наибольшее значение которого равно n), принимают от указанного инея отражения световых пучков, излучаемых соответствующими излучателями 7, и излучают соответствующие сигналы, тогда как приемники 8 измерительных каскадов, находящихся выше инея (каскадов с (Ei+1) по En в показанном примере), не могут принимать пучки, излучаемые взаимодействующими с ними излучателями 7, и поэтому остаются пассивными.
Поэтому нетрудно определить толщину е нароста инея G, эта толщина больше отметки hi высоты последнего каскада Ei, приемник 8 которого принимает световой пучок взаимодействующего с ним излучателя 7, но меньше отметки (hi+1) высоты первого каскада (Ei+1), приемник 8 которого не принимает светового пучка, излучаемого взаимодействующим с ним излучателем 7.
Во время измерения нагревательными резисторами 14, 15 обеспечивается возможность поверхностного расплавления инея возле зонда I.
Как показано на фиг.5 и 6, можно использовать множество зондов I, распределенных по поверхности S, для измерения толщины нароста инея G во множестве мест на указанной поверхности S. Тем самым можно определять точную форму этого нароста на протяжении поверхности S.
В случае устройства по фиг.7 и 8 поверхность S представляет собой участок аэродинамической поверхности, содержащий переднюю кромку 16, соединяющую верхнюю сторону 17 с нижней стороной 18. Зонды I расположены вокруг передней кромки 16, от верхней стороны 17 до нижней стороны 18. Аэродинамическая поверхность S подвергается воздействию аэродинамического потока, показанного стрелкой F, и указанные зонды I находятся в этом аэродинамическом потоке. Как показано в настоящей заявке выше, предпочтительно, чтобы иллюминаторы 5 указанных зондов I были направлены поперек указанного аэродинамического потока, что показано стрелками f на фиг.8.
В примерах из фиг.4-8 предполагается прикрепление зондов I непосредственно к поверхности S. На фиг.9 зонды I прикреплены к временной опоре 19, которая сама соединена с поверхностью S через посредство клейких площадок 20, при этом остаются вспомогательные промежутки 21 между опорой 19 и поверхностью S, и эти промежутки являются полезными для протягивания электрических кабелей 3. На периферии опоры 19 могут быть предусмотрены постепенно возрастающие переходные участки 22 между поверхностью S и опорой.
1. Зонд для измерения толщины нароста инея (G) на поверхности (S), в частности на аэродинамической поверхности летательного аппарата, при этом указанный зонд снабжен основанием (2), пригодным для размещения на указанной поверхности (S), при этом он содержит множество измерительных каскадов (El-En), наложенных один на другой, по меньшей мере, по существу ортогонально к указанному основанию (2); причем каждый измерительный каскад содержит:
по меньшей мере, один излучатель (7), способный излучать световой пучок, по меньшей мере, по существу параллельный указанному основанию, и
по меньшей мере, один приемник (8), способный принимать указанный световой пучок после отражения от упомянутого инея.
2. Зонд по п.1, в котором указанные излучатели (7) представляют собой светоизлучающие диоды.
3. Зонд по п.1, в котором указанные приемники (8) представляют собой фотодиоды.
4. Зонд по п.1, в котором предусмотрен корпус (1), прикрепленный к указанному основанию (2) и который заключает в себе указанное множество наложенных один на другой измерительных каскадов, при этом на уровне каждого из указанных измерительных каскадов указанный корпус снабжен прозрачным окном (5) для указанного светового пучка.
5. Зонд по п.4, в котором множество указанных окон образовано иллюминатором (5), общим для всех измерительных каскадов.
6. Зонд по п.4, в котором указанный корпус (1) имеет удлиненную форму.
7. Зонд по п.4, в котором предусмотрено нагревательное средство (14, 15) для поверхностного расплавления нароста инея в окрестности указанного зонда.
8. Устройство для определения толщины нароста инея на поверхности, которое содержит множество зондов по п.1, при этом указанные зонды распределены по указанной поверхности.
9. Устройство по п.8, предназначенное для определения толщины нароста инея, образующегося на аэродинамической поверхности, подвергающейся воздействию аэродинамического потока, при этом указанное устройство снабжено зондами, в частности, по п.4, при этом указанные окна (5) зондов направлены поперек указанного аэродинамического потока.
10. Устройство по п.9, в котором предусмотрен, по меньшей мере, один комплект зондов, расположенных в аэродинамическом потоке.
11. Устройство по п.10, в котором указанный комплект зондов окружает переднюю кромку (16) указанной аэродинамической поверхности.
12. Устройство по п.8, в котором основания (2) указанных зондов прикрепляются непосредственно к указанной поверхности (S).
13. Устройство по п.8, в котором основания (2) указанных зондов прикрепляются к опоре, которая временно присоединяется к указанной поверхности (S), которая параллельна последней, при этом остается вспомогательный промежуток (21) относительно указанной поверхности (S).
