KR20090095521A - 방빙/제빙 시스템 및 방법과 이 시스템이 포함된 항공기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조의 외표면에 초음파를 사용하는 방빙/제빙 시스템에 관한 것으로, 이와 같은 방빙/제빙 시스템이 포함된 구조 및 방빙/제빙 방법은 본 발명의 시스템에 의해 제공된다.

본 발명에 따른 방빙 시스템은 변환기 그룹의 정규 배열에 관련된 외표면(2)에 배치된 적어도 하나의 기본 메쉬(i,j)의 매트릭스(16)를 스캐닝하는 수단을 포함하며, 스캐닝 수단은, 스캐닝 수단에 연결되어 각 메쉬에 대해 초음파를 방사하는 변환기로부터 얻어진 신호들의 총량을 생산할 수 있는 신호누적 수단을 통해, 메쉬에 변환기 그룹에 의해 방사된 초음파를 교대로 집중시킨다.

방빙, 제빙, 항공기, 비행기, 초음파,

Description

방빙/제빙 시스템 및 방법과 이 시스템이 포함된 항공기{ANTI-ICING/DE-ICING SYSTEM AND METHOD AND AIRCRAFT STRUCTURE INCORPORATING THIS SYSTEM}

본 발명은 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조의 외표면에 초음파를 사용하는 방빙/제빙 시스템에 관한 것으로, 이와 같은 방빙/제빙 시스템이 포함된 구조 및 방빙/제빙 방법은 본 발명의 시스템에 의해 제공된다.

항공기의 날개, 헬리콥터의 블레이드 또는 항공기의 엔진 덮개에 제빙을 위한 초음파를 사용하는 것은 일반적으로 공지되어 있다. 독일 특허 DE-A-10 2004 060 675호는 비행기 날개의 리딩 에지(leading edge)의 후미에 배치되어, 날개 구조의 강성에 따라 선택된 작동 주파수로 선단부의 제빙을 제어하는 압전 변환기(piezoelectric transducer)를 사용한 장치 및 방법을 기술한다.

또한 국제특허 WO-A-2007/095935호에는, 비행기 날개의 얼음층을 스캔하고 얼음층의 테두리에 의해 반사된 초음파를 측정함으로써 비행기 날개를 덮은 얼음층의 두께를 측정하도록 초음파를 발산하며 비행기 날개의 내부에 통합된 변환기의 2 차원 네트워크(two-dimensional network)의 사용방법이 공지되어 있다.

상기 항공기 구조에 대한 공지의 제빙 시스템의 주요 단점은, 이러한 구조의 외표면의 모든 관련 영역의 순간적인 착빙(icing)을 방지하거나 충분히 제빙하기 위해 요구되는 현저한 비효율적 에너지 소비에 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조의 외표면에 초음파를 사용하는 방빙/제빙 시스템을 제안하는 것이며, 이러한 시스템은 착빙 구조의 외표면과 마주하게 설치되는 다수개의 압전 변환기를 포함하며, 이러한 시스템은 상기 단점을 해소한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방빙 시스템은 변환기 그룹의 정규 배열에 관련된 외표면에 배치된 적어도 하나의 기본 메쉬의 매트릭스를 스캐닝하는 수단을 포함하며, 스캐닝 수단은, 스캐닝 수단에 연결되어 각 메쉬에 대해 초음파를 방사하는 변환기로부터 얻어진 신호들의 총량을 생산할 수 있는 신호누적 수단을 통해, 메쉬에 변환기 그룹에 의해 방사된 초음파를 교대로 집중시킨다.

이와 같은 기본 메쉬의 각 매트릭스의 누적 및 스캐닝 수단은 착빙에 대해 보호하거나 이러한 구조의 제빙을 가능하게 하며, 종래의 제빙 시스템에 비해 에너지 소모를 현저히 줄일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방빙 시스템은 다수의 메쉬를 포함하는 다수개의 매트릭스에 의해 형성된 네트워크를 포함하며, 메쉬는 각 매트릭스 당 500 내지 5000개가 존재한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 신호누적 수단은 각 매트릭스 내부의 각 변환기 그룹에 의해 방사된 각 신호의 파장 및 위상을 매 순간 재계산하고, 이로 인해 상기 스캐닝 수단은 상기 각 메쉬에 합성파(resultant wave)에서 최대 진폭을 갖도록 방사된 초음파의 총량(sum)을 집중시킨다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 변환기는 외표면에 대향한 구조의 내표면 또는 "스킨(skin)"에 장착된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 변환기 그룹은 메쉬의 각 매트릭스와 결합되며, 매트릭스 외측의 외표면의 주변 테두리에 각각 마주하고 대향하게 배치된 변환기의 두 개의 시리즈를 포함한다.

선택적으로, 본 발명의 일례에 따르면, 변환기의 시리즈 각각은 대응 매트릭스의 방향에서 균등하게 간격을 두고 배치된 다수개의 변환기 페어를 포함하며, 각 페어의 두 개의 변환기 중 하나는 파손된 다른 변환기를 대체하도록 설계된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 변환기 그룹은 케이블에 의해 구조에 수용된 전기 발생기에 의해 구동되고, 각 메쉬로 전달되는 초음파의 파라미터들을 계 산하도록 설계된 컴퓨터에 결합된 메모리에 연결되며, 모든 변환기들은 결정된 스캐닝 순서에 따라 스캐닝 수단을 제어할 수 있는 전자 제어 장치에 연결된다.

본 발명에 따른 방빙 시스템은 각 스캐닝 순서에서 사용된 초음파를 결정하도록 제어 장치에 연결되며 외표면의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 장치를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방빙 시스템은 매트릭스 중 하나로부터 인접한 다른 매트릭스로 방사되는 초음파의 전파를 방해하는 음향 감쇠 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 감쇠 수단은 매트릭스(16)들 사이의 분할 감쇠 스트립(17)을 포함하는 것이 바람직하며, 감쇠 스트립은 "델테인(Deltane)"과 같은 점탄성 엘라스토머를 주성분으로 하되 바람직하게는 금속재질이며, 외표면에 대향한 상기 구조의 내표면과 지지 플레이트 사이의 매트릭스들 사이의 마주하는 경계에 각각 배치된다.

또한, 감쇠 수단은 감쇠 보더를 포함하는 것이 바람직하며, 감쇠 보더는 "델테인(Deltane)"과 같은 점탄성 엘라스토머를 주성분으로 하고 각 매트릭스와 변환기를 감싸는 외표면의 주변 영역에 배치되며, 감쇠 보더는 각 매트릭스에 방사된 초음파의 가장자리 효과에 의한 반사를 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 변환기 그룹은 선회 시간 동안에 각 매트릭스의 착빙 영역의 존재를 탐지하기 위하여, 연속적으로 초음파를 방사하고 수용할 수 있는 가역 변환기를 포함한다.

본 발명에 따른 방빙 시스템은 선회 시간 동안에 착빙 영역의 탐지 이후에 착빙 영역을 연속적으로 제빙할 수 있도록, 변환기 중 적어도 하나는 방사기로서 기능하고 다른 변환기들은 수용기로서 기능하며, 방빙 시스템은 저장 신호 압축 및 전환 수단에 연결된 방사 신호 저장 수단을 포함하며, 스캐닝 수단은 반전되고 압축된 신호를 착빙 영역을 향해 집중시킬 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 방빙/제빙 시스템에 사용되는 각 변환기는 세라믹 재료에 기반한 다층 압전 변환기일 수 있다.

본 발명에 따른 외표면이 착빙되는 날개 또는 엔진 덮개와 같은 항공기 구조는 상술한 방빙 시스템이 통합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일례에 따른 비행기 날개를 형성하는 항공기 구조에서, 변환기 그룹은 매트릭스와 결합되고, 매트릭스 외측의 외표면의 두 개의 평행한 주변 테두리의 상측면과 하측면에 각각 배치된 변환기의 두 개의 시리즈를 포함하며, 시리즈들의 변환기들은 구조의 길이방향에서 균등하게 간격을 두고 배치되고 상측면 및 하측면 전원 집전기에 연결된다.

본 발명에 따르면, 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조의 외표면에 초음파를 사용하며 외표면과 인접하게 구조에 설치되는 다수개의 압전 변환기를 사용하는 방빙 방법은, 변환기에 의해 변환기 그룹의 동일 배열에 관련한 외표면의 적어도 하나의 기본 메쉬의 매트릭스에 진행파(traveling wave)를 방사하는 단계;

매트릭스의 각 메쉬에 대해 초음파를 방사하는 변환기로부터 얻어진 신호의 총량(summation)을 구하는 단계; 및

메쉬에 방사된 합성 진행파(resultant traveling wave)를 교대로 집중시키도록 적어도 하나의 매트릭스를 스캔하는 단계;를 포함한다.

다시 말해, t 순간에서의 메쉬(i,j) 상에, 이후 t+1 순간에서의 메쉬(i+1, j+1) 상에 최대 에너지를 유발하기 위해 더 작은 진폭을 가지나 매 순간 재계산될 파장과 위상을 갖는 초음파들을 변환기들을 통해 동시에 전송함으로써, 착빙으로부터 매트릭스의 각 메쉬들을 교대로 보호할 수 있다. 이러한 동작 모드는 덜 에너지-집약적(energy-intensive)인 이점을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 매트릭스를 스캔하는 단계는, 합성파에 대해 최대의 전체 진폭을 갖게, 바람직하게는 메쉬에 생성된 1㎛ 이상의 변위에 대응하게 각 메쉬의 진동 에너지를 최대화하도록 신호들의 파장 및 위상을 매 순간 재계산한다.

매트릭스의 치수 및 그룹 내의 변환기의 수는 희망하는 최대 스캐닝 주기에 따라 선택되는 것이 바람직하다.

변환기는 매트릭스의 각 매쉬에 집중되어 처리되는 초음파의 패킷을 방사하되, 패킷의 주파수는 100㎑ 내지 5㎒ 사이인 것이 바람직하다. 각 변환기는 구조의 두께에 따라 측정된 초음파 파장의 반(half-ultrasound wavelength) 정도의 두께를 나타낸다.

또한, 외표면의 온도는 각 변환기에 대한 스캐닝 순서의 초음파를 선택하도록 측정되는 것이 바람직하다.

매트릭스들 중 하나에 방사된 초음파는 인접한 매트릭스로 전파되는 것을 방 지하도록 인접한 매트릭스 사이에서 감쇠되거나, 각 매트릭스에 방사된 초음파는 가장자리 효과에 의한 반사를 방지하도록 매트릭스와 대응 변환기 주변에서 감쇠되는 것이 바람직하다.

변형예에서, 가장자리 효과에 의한 각 매트릭스와 대응 변환기 주변의 반사는 정상파(standing wave)를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 변환기의 페어(pair)는 대응 매트릭스의 방향에서 균등하게 간격을 두고 배치되며, 각 페어의 두 개의 변환기 중 하나는 파손된 다른 변환기를 대체하도록 사용될 수 있다. 이와 관련하여, (예를 들면, 착빙으로부터 보호될 비행기 날개의 경우 비행기의 이륙 이전에) 방빙을 수행하기 이전에 테스트가 수행되며, 상기 테스트는:

매트릭스와 관련된 변환기(Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)의 페어에 포함된 테스트될 방사 변환기(X_t)로 신호를 방사하되, 모든 다른 변환기(X_k)(k는 t와 다른 것 임)의 그룹은 수신 모드로 사용되는 단계;

수신 모드의 상기 적어도 하나의 변환기(X_k)에 상기 신호가 비수용되는지 여부를 수신 모드의 상기 변환기에 의한 방사원의 위치를 재탐색하는 시간 선회 기법을 사용하여 체크하는 단계; 및

상기 변환기(X_t)의 파손으로 인하여 다른 방사 변환기(Y_t)로 변환하여 방빙을 수행하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 메쉬의 각 매트릭스에 대하여 시간 선회 기 법에 의한 외표면의 제빙이 수행될 수 있으며, 제빙은:

각 매트릭스에 관련된 방사 모드에서 사용된 적어도 하나의 변환기에 초음파를 방사하되, 상기 초음파는 상기 매트릭스의 얼음 형성 점(Ｓ)에 의해 유발된 특이점에 직면하는 단계;

수신 모드에서 사용되고 매트릭스에 관련된 변환기에 의해, 특이점에 직면한 초음파의 대표 신호를 포착하고 신호를 내부 메모리에 저장하는 단계; 및

이전에 위치된 이후 형성된 얼음의 점을 연속적으로 제빙하기 위해, 신호를 전환하고 압축하여 전환되고 압축된 신호에 대응하는 초음파를 특이점을 향해 재집중시키는 단계;를 포함한다.

본 발명의 특징, 이점 및 상세는 비제한적인 도시의 방식으로 주어진 본 발명의 다양한 실시예의 상세한 설명에 나타날 것이고, 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 방빙/제빙 시스템(4)은 종래의 제빙 시스템에 비해, 제빙 모드에서의 에너지 소모를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 (도 4에 도식화한)방빙/제빙 시스템을 사용하여, 항공기 날개나 헬리콥터의 블레이드와 같은 항공기 구조(3)의 외표면(2)의 착빙으로 부터 보호하거나 제빙되는 영역(1)의 전형적인 일례를 도시한다. 이 영역(1)은 날개 또는 블레이드의 리딩 에지 선(5)의 길이축에 대칭하게, 예를 들면 길이축의 양측면인 날개의 상측면(6)과 하측면(7)에서 연장된다.

도 2 및 도 3은 영역(1)의 양측면에서, 처리될 외표면(2)에 대향하는 구조(3)의 내표면(11)에 본 발명에 따른 가역 압전 변환기(10)의 두 개의 시리즈(8,9)의 배치를 나타낸다(변환기는 방사 모드, 방빙 모드, 또는 수신모드, 제빙 모드에서 작동될 수 있음). 각각의 변환기(10)는 초음파 파장의 반 정도의 최소 치수를 나타내도록 설계되며, 세라믹 재료에 기반한 멀티레이어 타입인 것이 바람직하다.

따라서 이러한 변환기의 두 시리즈(8,9)는 리딩 에지 선(5)에 대해 서로 대칭적으로, 예컨대 구조(3)의 길이방향으로 배치된다. 같은 열(8,9)의 변환기(10)는 예컨대 20㎝ 간격으로 페어로서 분리되고, 구조(3)(예컨대, 항공기 날개나 헬리콥터 블레이드의 바닥부에서)의 내부에 위치한 전원 공급 케이블(미도시)에 의해 전원이 공급된다. 따라서, 구조(3)의 크기와 변환기(10)의 수에 따라, 하측면 전원 집전기와 상측면 전원 집전기(미도시)를 사용하는 것이 고려될 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 각각의 변환기(10)는 상술한 케이블을 통해 전기 발생기(12)에 연결되는 한편, 방사되는 초음파의 성분을 계산할 수 있는 컴퓨터 알고리즘에 결합되는 독립 메모리(13)에 연결된다(이 독립 메모리는 아래에 기술될 시간 선회 기법을 실행하는데 사용됨). 게다가, 변환기(10)는 스캐닝 수단에 연결된 신호 누적 수단(signal summing means)을 통해 변환기(10)에 의해 방사된 초음 파를 처리될 영역(1)에 정의된 기본 치수(i,j)에 집중시킬 수 있는 스캐닝 수단을 제어하는 일반 전자 제어 장치(14)에 모두 연결된다(도 5 및 도 6).

또한, 온도는 재질에서 초음파의 전파에 영향을 주기 때문에, 본 발명에 따른 방빙 시스템(4)은 외표면(2)의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 측정 장치(15)을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 이러한 측정 장치들(15)에 의해 측정되는 온도는 각각의 변환기(10)에 대한 스캐닝 순서의 초음파를 선택하는 입력값을 구성할 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 처리될 영역(1)은 기본 메쉬(i.j)의 적어도 하나의 메트릭스(16)로 나뉘어지며(이 도면의 비 제한적인 예시에는 단지 네 개의 메트릭스(16)가 도시되나, 그 이상의 또는 그보다 적은 메트릭스(16)가 제공될 수 있음), 따라서 메쉬는 그 좌표(i,j)에 의해 확인된다.(i는 1부터 n까지의 정수범위이고, j는 1부터 m까지의 정수범위이다) 예를 들면, 항공기 날개나 헬리콥터 블레이드인 경우, 영역(1)은 대략 20cm 폭을 나타내고, 길이는 몇 미터까지 연장될 수 있다. 따라서 각각의 메트릭스(16)는 구조(3)의 반대편인 작은 표면부(예컨대 1㎠)의 메쉬(i,j)로 가상으로 분할된다. 만약 n이 종렬의 수를 나타내고 m이 횡렬의 수를 나타낸다면, 종렬 n은 리딩 에지(5)의 횡방향으로 연장되며 횡렬 m은 리딩 에지(5)와 평행한 방향으로 연장된다.

따라서, ｎ×ｍ 메쉬(i,j)는 길이방향에서 매트릭스(16)에 함께 그룹지어지며, 각각의 매트릭스(16)는 상술한 두 개의 시리즈(8,9)로 분할된 압전 변환기(10) 그룹에 마주하게 형성된다. 예를 들면, 각각의 매트릭스(6)는 1200 메쉬를 포함한 다.(20㎝의 폭에서 횡방향으로 20, 60㎝ 폭에서 길이방향으로 60). 따라서, 처리될 영역(1)의 매트릭스(16)는 이 매트릭스(16)를 마주하는 방향으로 배열된 변환기(10)를 통해서만 착빙으로부터 보호될 것이며, 그러므로 메쉬(i,j)의 매트릭스(16)는 본 발명에 따른 방빙/제빙 시스템(4)에 의해 독립적으로 처리된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 각각의 매트릭스(16)는 x 변환기 T₁ 부터 T₆ (제한없는 예시중 6개, 혹은 윗면 모서리의 3개 변환기 T₁ 부터 T₃, 그리고 낮은면 모서리의 또다른 3개의 변환기 T₄ 부터 T₆ )까지의 운동역역에 위치되며, 상기 언급된 스캔수단은 방빙 모드에서 메쉬(i,j)의 각각의 메트릭스에 대한 스캔순서를 이행하는 것을 가능하게 하는바, 순서대로 메쉬(i,j)에 상응하는 그룹의 변환기 T₁ 부터 T₆까지에 의해 방사되는 초음파를 집중시킴으로써 이루어지고, 이러한 초음파를 방사하는 변환기 T₁ 부터 T₆로부터 얻어지는 신호의 합인 각 메쉬(i,j)를 생성하도록 설계된 결합된 신호누적 수단에 의해 이루어진다. 상기 누적수단은 매순간 연관된 매트릭스(16) 내의 각 그룹의 각 변환기 T₁ 부터 T₆에 의해 방사되는 초음파 및 신호의 위상을 재계산하도록 설계되어, 합성파(resultant wave)에 대하여 최대 진폭을 갖게 방사된 초음파의 합을 각 메쉬(i,j)에 동시에 집중시킨다.

이제 특히 방빙 모드에서 사용되며, 예컨대 20 × 60 메쉬(i,j)나 1200 메쉬에 대한 매트릭스를 가정하는 본 발명에 따른 방빙/제빙 시스템(4)에 의한 방빙 방법의 실시예에 대해서 더 자세히 설명한다.

모든 지점들에서 상기 매트릭스(16)의 각 순간의 대응 표면에서의 제빙을 위해 충분한 에너지를 갖는 (고정되거나 이동하는) 파동들을 전송하는 이러한 변환기들(T₁ 내지 T₆)을 사용함으로써 착빙으로부터 관련된 매트릭스(16)를 보호하는 대신, t 순간에서의 메쉬(i,j) 상에, 이후 t+1 순간에서의 메쉬(i+1, j+1) 상에 최대 에너지를 유발하기 위해 더 작은 진폭을 가지나 매 순간 재계산될 파장과 위상을 갖는 초음파들을 이러한 6개의 변환기들(T₁ 내지 T₆)을 통해 동시에 전송함으로써, 착빙으로부터 매트릭스(16)의 각 메쉬들(i,j)을 교대로 보호하도록 본 발명에 따른 선택이 이루어진다. 상기 동작 모드는 특히 덜 에너지-집약적(energy-intensive)인 이점을 제공한다.

예를 들면, 이러한 초음파의 전송에 의해 (T₁ 내지 T₄로 나타낸) 4개의 변환기들을 사용하여 메쉬(i,j)를 처리하도록 요구되는 경우:

- l_k는 메쉬(i,j)와 변환기(T_k) 간의 거리를 나타내는데 사용되고 (k=1일 때 거리 l₁이 도 6에 도시된다);

-λ_k는 변환기(T_k)에 의해 전송된 초음파의 파장을 나타내는데 사용되며 (관련 물질에서 초음파의 속도 함수, 예컨대 티타늄 구조(3; titanium structure)에서 대략 5000 m/s와 동일한 속도);

-φ_k는 변환기(T_k)에 의해 전송된 초음파의 위상과 그 최대 진폭(A_k)을 나타낸다.

진폭이 최대가 되는 순간에 (그리고 동시에), 진폭(A_k)은 메쉬(i, j) 상에 생성된 미크론보다 작은 변위(displacement) 때문에 방빙을 보장하기에 불충분하다는 것을 경험이 보여준다. 다음을 적용한다:

U_k(x, t_o) = A_k cos(x/λ_k+φ_k)

(x는 변환기(T_k)까지의 거리)

메쉬(i, j) 상의 방빙 상태를 위해 요구되는 조건은 다음과 같이 주어진다:

순간 t_o에서 모든 k에 대해, [l_k - φ_kλ_k/2π]/λ_k = E([l_k - φ_kλ_k/2]/λ_k ) 이며, 여기서 E는 정수 부분을 나타낸다.

결과적으로 메쉬(i, j) 상에서 획득된 진행파(traveling wave)의 합성 진폭(resultant amplitude; U_ij)은 U_ij = Σ_k A_k 이며, 이때의 진폭은 독창적인 방법을 사용하여 방빙을 보장하기에 충분하다.

변환기(T_k)와 메쉬(i, j)의 비-착빙(non-icing)을 보장하기 위해 주입된 초음파의 파라미터들(진폭, 파장, 위상)의 위치 이동에 따라, 다른 메쉬들(i, j)은 비-착빙 상태가 될 수 있다.

각 변환기(T_k)에 의해 전송되고 처리될 메쉬(i, j) 상에 이미 집중된 초음파의 패킷을 사용하는 것이 바람직하며, 이는 전기 에너지를 덜 소비하게 할 수 있다.

따라서, 처리될 영역(1)을 위해 선택된 기하 구조에 따라, 방빙 스캐닝 순서 는 스캐닝 주기를 최적화하는 것을 가능하게 한다. 크기 순으로 생각하기 위해, 본 발명에 따른 각 스캔은 약 밀리세컨드 동안 지속하며, 그 후 각 매트릭스(16)의 메쉬(i, j)의 완전한 스캔 주기는 1200/1000=1.2초보다 작은 것으로 추정하는 것이 가능하다. 이러한 주기는 방빙 모드에서 양호한 동작을 보장하기 위해 가능한 한 짧은 것으로 요구되므로, 각 매트릭스(16)의 치수와 변환기(T_k)의 수는 요구된 최대 스캐닝 기간에 따라 규격화될 수 있다.

압전 변환기(T_k)의 제한 수명을 고려하기 위해, 유리하게는 도 8에 도시된 바와 같은 리던던시(redundancy)를 갖는 이러한 변환기(T_k)를 사용하도록 선택하는 것이 가능하다. 상술한 대표적인 실시예와 비교하면, 각 변환기(T_k)는 변환기들(X_k,Y_x)의 페어(C_k)에 의해 대체된 경우 하나의 변환기만이 동작할 것이다 (따라서, 도 8은 도 6의 예와 관련하여 6 페어의 변환기들(C₁(X₁, Y₁), C₂(X₂, Y₂, C₃(X₃, Y₃), C₄(X₄, Y₄), C₅(X₅, Y₅), C₆(X₆, Y₆))을 도시한다).

따라서, 본 발명에 따른 시스템(4)이 운행되기 전에(예를 들면 각 비행기가 이륙하기 전에), 변환기들(X_t) 중 하나에 의해 소정의 신호를 보내고, 모든 나머지 변환기들(X_k)(k는 t와 다른 것 임)은 그 후 수신 모드에 있음으로써 시험 위상(test phase)을 사용하는 것이 가능하다. 수신 모드에 있는 변환기들 중 어느 것도 신호를 수신하지 못한다면, 그 후 변환기(X_t)는 실패한 것으로 선언될 것이며, 본 발명 에 따른 시스템(4)은 방빙을 위해 변환기 페어(C_t) 중 나머지 변환기(Y_t)로 전환할 것이다. (제빙(de-icing) 부분에서 이하에 설명될) 시간 선회 기법(time turnaround technique)은 수신 모드에서 변환기들에 의해 소스(S)의 위치를 설명하는데 사용될 수 있다.

운행시, 전기 에너지 소비를 제한하고 변환기들(T_k)의 수명을 보존하기 위해, 유리하게는 본 발명에 따른 시스템(4)을 착빙 조건으로만 관여하도록 선택하는 것이 가능하다. 이를 위해, 시간 선회 기법에 따라 동작하는 더욱 적은 수의 변환기들(T_k) 및/또는 (더욱 약한 에너지를 생성하는) 전용 변환기들을 사용함으로써 검출 모드에서 이러한 시스템(4)을 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 규칙적인 착빙-유무(ice-presence) 테스트들이 수행된다. 전용 네트워크에 의한 착빙의 존재를 모니터링하는 것의 장점은 그것이 방빙 변환기들(T_k)의 수명을 보존한다는 점이다.

도 5와 9에 도시된 바와 같이, 매트릭스(16)의 인접 메쉬들(i, j)은 최소한 어느 한 매트릭스(16)에서 또 다른 매트릭스로의 파동들의 전파를 막을 수 있고, 유리하게는 "델테인(Deltane)"과 같은 점탄성체(visco-elastic elastomer)에 기초한 감쇠 스트립(17; damping strips)을 포함하는 음향 감쇠 수단(17, 18; acoustic damping means)에 의해 서로 분리되는 것이 가능하다. 이러한 감쇠 스트립(17)은 처리될 외표면(2)에 대향하는 구조(3)의 내표면(11)과, 예를 들면 티타늄으로 만들어진 금속 지지 플레이트(19) 사이에, 매트릭스들(16) 간 맞댄 경계들에 각각 배열된다. 2.5mm의 두께로 된 구조를 위해, 각 "Deltane" 감쇠 스트립(17)의 두께(a) 는 예를 들면 0.5mm 두껍게 하고, 티타늄 지지판(19)의 두께(b) 또한 예를 들면 0.5mm 두껍게 한다. 이러한 방법으로, 매트릭스들(16)은 본 발명에 따른 방빙(anti-icing) 또는 제빙(de-icing)을 실시할 때 서로 독립적으로 관리된다.

바람직하게는, 이러한 감쇠 수단들(17, 18)도 또한 "Deltane"과 같은 점탄성체에 기초하는 보더(18; borders)를 포함하며, 매트릭스들(16)과 변환기들(10) 모두를 감싸 처리될 영역(1)의 주변 지역에 상반하여 배열되며, 이러한 감쇠 보더(18)는 각 매트릭스(16)에서 보낸 초음파의 가장자리 효과(edge effect)에 의한 반사를 방지하도록 설계되어 있다. 따라서, 각 매트릭스(16) 내에서 방빙 초음파의 측정을 단순화하는 것이 가능하다.

변형예로서, 거기에 정상파를 생성하기 위해, 각 매트릭스(16)와 대응되는 변환기(10) 주위에 가장자리 효과에 의한 반사를 반대로 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 중요한 특징에 따르면, 방빙 모드로 실시되게 하기 위해 착빙이 과도한 경우, 항공기 구조(3)의 외표면(2)을 제빙하기 위한 방빙 시스템(4)을 사용하는 것도 가능하다. 이런 경우, 유리하게는 시간 선회 기법을 실시함으로써 제빙 모드가 선택되는 것이 가능하다. 상술한 방빙 모드와 달리, 여기서는 착빙 형성 지점들을 위치시켜 그들이 나타남에 따라 그들을 처리하도록 하는 것이 목적이다.

도 7을 참조하면, 시간 선회 원리는 초음파의 다모듈 전파 특성에 기초한다. 이는 압전 변환기(T_k)를 사용하여 이러한 신호들을 붙잡아 내부 메모리에 그들을 저장하는 음원(S)으로부터 도래하는 신호들에 대한 "청취(listening)"에 있다. 이러 한 신호들은 그 후 리버스될(reversed) 수 있으며 (이를 테면, 반대로 감지되는 방법), 리버스된 후 재방출된다. 따라서, 선회하여 재방출된 초음파는 밖으로 나갔다가 음원 지점(S)에 다시 집중됨에 따라 송환되는 동일한 경로를 사용한다는 것을 알 수 있다. 이는 가역(reversible) 변환기들(T_k), 이를 테면 수신 모드와 방출 모드에서 성공적으로 기능할 수 있는 변환기들을 사용하는 것을 의미한다. 시간 선회(time turnaround)는 방출된 곳에 따른 응답 특이성(uniqueness)에 기초한다. 게다가, 이러한 음원 지점(S) 상에 에너지를 집중하기 위해, 유리하게는 그것을 재 방출하기 전 수신된 파동을 압축하기 위한 선택이 이루어진다. 시간 선회는 따라서 이전에 "고주파 발사된(insonified)" 표면의 음향 신호 맵(map)을 생성하기 위해 활용될 수 있다.

그러므로, 제빙 모드에서 본 발명에 따른 시스템(4)의 동작은 다음과 같다:

- 각 매트릭스(16)의 메쉬들(i, j)상에, 방사기로서의 역할을 하는 하나 이상의 변환기(들)(T₁)는 초음파를 방출하고,

- 그런 다음 수신 모드에서 동작하는 상기 매트릭스(16)의 나머지 변환기들(T₂ 내지 T₆)은 이 파동에서 비롯한 신호를 수신하며,

- 이러한 수신된 신호는 구조(3)로부터 착빙을 효과적으로 제빙하는 것을 가능하게 하는 충분히 재집중된 에너지 특성(S)을 회복하기 위해 리버스 및 압축된다.

도 1은 외표면이 착빙이나 제빙으로부터 보호되는 항공기 날개구조의 부분개략도;

도 2는 본 발명에 따른 압전 변환기의 두 개의 시리즈가 배치된 도 1의 구조의 평면도;

도 3은 본 발명에 따른 변환기가 내표면에 장착된 도 1과 도 2의 구조의 부분개략측면도;

도 4는 본 발명에 따른 방빙/제빙 시스템의 주요 구성요소들 사이의 기능적 결합을 나타내는 개략적인 블럭도;

도 5는 본 발명에 따른 변환기 그룹에 관련된 기본 메쉬의 매트릭스에 의해 분쇄되어 착빙으로부터 보호되거나 제빙되는 영역을 나타내는 도 2의 부분개략도;

도 6은 본 발명에 따른 변환기 그룹에 의해 방사된 초음파가 각 메쉬에 집중되는 것을 나타내는 도 5의 매트릭스 중 하나의 개략도;

도 7은 본 발명에 따른 시간 선회 기법 동안, 제빙 모드의 방빙 시스템의 작동을 나타내는 도 5의 매트릭스의 개략도;

도 8은 변환기의 페어에 의한 예비 모드에서 본 발명에 따른 방빙 시스템의 작동을 나타내는 도 5의 매트릭스의 개략도; 및

도 9는 하나의 매트릭스로부터 다른 매트릭스로 방사되는 초음파를 음향적으로 감쇠시키는 수단이 이러한 구조의 내표면에 안착됨을 나타내도록 도 1의 Ⅸ-Ⅸ 평면을 따라 절개한 본 발명에 따른 시스템이 구비된 구조의 단면도이다.

Claims (29)

1. 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조(3)의 외표면(2)에 초음파를 사용하며 상기 외표면과 마주하게 설치되는 다수개의 압전 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)를 포함하는 방빙 시스템(4)에 있어서,

   상기 변환기 그룹의 정규 배열에 관련된 표면에 배치된 적어도 하나의 기본 메쉬(i,j)의 매트릭스(16)를 스캐닝하는 수단을 포함하며,

   상기 스캐닝 수단은, 상기 스캐닝 수단에 연결되어 상기 각 메쉬에 대해 초음파를 방사하는 상기 변환기로부터 얻어진 신호들의 총량을 생산할 수 있는 신호누적 수단을 통해, 상기 메쉬에 상기 변환기 그룹에 의해 방사된 초음파를 교대로 집중시키는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 신호누적 수단은 상기 각 매트릭스(16) 내부의 상기 각 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 그룹에 의해 방사된 상기 각 신호의 파장 및 위상을 매 순간 재계산하고, 이로 인해 상기 스캐닝 수단은 상기 각 메쉬(i,j)에 합성파에서 최대 진폭을 갖도록 방사된 초음파의 총량을 집중시키는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)는 상기 외표면(2)에 대향한 상기 구조(3)의 내표면(11)에 장착되는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 그룹은 상기 메쉬(i,j)의 각 매트릭스(16)와 결합되며, 상기 대응 매트릭스 외측의 상기 외표면의 주변 테두리에 각각 마주하고 대향하게 배치된 변환기의 두 개의 시리즈(8,9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)의 상기 시리즈(8,9) 각각은 상기 대응 매트릭스(16)의 방향에서 균등하게 간격을 두고 배치된 다수개의 변환기 페어(Ｃ_Ｋ)를 포함하며, 상기 각 페어의 두 개의 변환기 중 하나(Ｙ_Ｋ)는 파손된 다른 변환기(Ｘ_Ｋ)를 대체하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 그룹은 케이블에 의해 상기 구조(3)에 수용된 전기 발생기(12)에 의해 구동되고, 상기 각 메쉬(i,j)로 전달되는 상기 초음파의 파라미터들을 계산하도록 설계된 컴퓨터에 결합된 메모리(13)에 연결되며, 상기 모든 변환기들은 결정된 스캐닝 순서에 따라 상기 스캐닝 수단을 제어할 수 있는 전자 제어 장치(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 스캐닝 순서에서 사용된 초음파를 결정하도록, 상기 제어 장치(14)에 연결되며 상기 외표면(2)의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 장치(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
8. 청구항 1 내 지 7 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 매트릭스(16) 중 하나로부터 인접한 다른 매트릭스로 방사되는 상기 초음파의 전파를 방해하는 음향 감쇠 수단(17,18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방 빙 시스템(4).
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 감쇠 수단(17,18)은 상기 매트릭스(16)들 사이의 분할 감쇠 스트립(17)을 포함하고, 상기 감쇠 스트립은 "델테인(Deltane)"과 같은 점탄성 엘라스토머를 주성분으로 하되 바람직하게는 금속재질이며, 상기 외표면(2)에 대향한 상기 구조(3)의 내표면(11)과 지지 플레이트(19) 사이의 상기 매트릭스들 사이의 마주하는 경계에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 감쇠 수단(17,18)은 감쇠 보더(18)를 포함하고, 상기 감쇠 보더는 "델테인(Deltane)"과 같은 점탄성 엘라스토머를 주성분으로 하고 상기 각 매트릭스(16)와 상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)를 감싸는 상기 외표면(2)의 주변 영역에 배치되며, 상기 감쇠 보더는 상기 각 매트릭스에 방사된 상기 초음파의 가장자리 효과에 의한 반사(reflection)를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환기 그룹(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)은 소요시간 동안에 상기 각 매트릭스(16)의 착빙 영역의 존재를 탐지하기 위하여, 연속적으로 상기 초음파를 방사하고 수용할 수 있는 가역 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 소요시간 동안에 상기 착빙 영역(Ｓ)의 탐지 이후에 상기 착빙 영역을 연속적으로 제빙할 수 있도록, 상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 중 적어도 하나는 방사기로서 기능하고 다른 변환기들은 수용기로서 기능하며, 상기 방빙 시스템은 저장 신호 압축 및 전환 수단에 연결된 방사 신호 저장 수단을 포함하며, 상기 스캐닝 수단은 상기 반전되고 압축된 신호를 상기 착빙 영역을 향해 집중시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)는 세라믹 재료에 기반한 다층 압전 변환기인 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,

    다수의 메쉬(i,j)를 포함하는 다수개의 매트릭스(16)에 의해 형성된 네트워크를 포함하며, 상기 메쉬는 각 매트릭스 당 500 내지 5000개가 존재하는 것을 특징으로 하는 방빙 시스템(4).
15. 외표면(2)이 착빙되는 날개 또는 엔진 덮개와 같은 항공기 구조(3)에 있어서,

    청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 방빙 시스템(4)이 통합되는 것을 특징으로 하는 항공기 구조(3).
16. 청구항 15에 따른 비행기 날개를 형성하는 항공기 구조(3)에 있어서,

    상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 그룹은 상기 매트릭스(16)와 결합되고, 상기 매트릭스 외측의 상기 외표면(2)의 두 개의 평행한 주변 테두리의 상측면(6)과 하측면(7)에 각각 배치된 상기 변환기의 두 개의 시리즈(8,9)를 포함하며, 상기 시리즈들의 변환기들은 상기 구조의 길이방향에서 균등하게 간격을 두고 배치되고 상측 면 및 하측면 전원 집전기에 연결되는 것을 특징으로 하는 항공기 구조(3).
17. 항공기의 날개 또는 엔진 덮개와 같은 착빙되는 구조(3)의 외표면(2)에 초음파를 사용하며 상기 외표면과 인접하게 상기 구조에 설치되는 다수개의 압전 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)를 사용하는 방빙 방법에 있어서,

    상기 변환기에 의해 상기 변환기 그룹의 동일 배열에 관련한 상기 외표면의 적어도 하나의 기본 메쉬(i,j)의 매트릭스(16)에 진행파를 방사하는 단계;

    상기 매트릭스의 각 메쉬에 대해 상기 전파를 방사하는 상기 변환기로부터 얻어진 신호의 총량을 구하는 단계; 및

    상기 메쉬에 상기 방사된 합성 진행파를 교대로 집중시키도록 상기 적어도 하나의 매트릭스를 스캔하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
18. 청구항 17에 있어서,

    상기 적어도 하나의 매트릭스(16)를 스캔하는 단계는, 상기 합성파에 대해 최대의 전체 진폭을 갖게, 바람직하게는 상기 메쉬에 생성된 1㎛ 이상의 변위에 대응하게 각 메쉬(i,j)의 진동 에너지를 최대화하도록 상기 신호들의 파장 및 위상을 매 순간 재계산하는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
19. 청구항 17 또는 18에 있어서,

    상기 매트릭스(16)의 치수 및 그룹 내의 상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)의 수는 희망하는 최대 스캐닝 주기에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
20. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)는 상기 매트릭스(16)의 각 매쉬에 집중되어 처리되는 초음파의 패킷을 방사하되, 상기 패킷의 주파수는 100㎑ 내지 5㎒ 사이인 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
21. 청구항 17 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 외표면(2)의 온도는 각 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)에 대한 스캐닝 순서의 초음파를 선택하도록 측정되는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
22. 청구항 17 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 다수개의 매트릭스(16)는 상기 외표면(2)에 정의되며 다수의 메쉬(i,j)를 포함하되, 상기 하나의 매트릭스 당 500 내지 5000개의 메쉬가 구비되는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
23. 청구항 22에 있어서,

    상기 매트릭스들 중 하나에 방사된 초음파는 인접한 매트릭스로 전파되는 것을 방지하도록 인접한 상기 매트릭스(16) 사이에서 감쇠되는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
24. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각 매트릭스(16)에 방사된 초음파는 가장자리 효과에 의한 반사를 방지하도록 상기 매트릭스와 상기 대응 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 주변에서 감쇠되는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
25. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가장자리 효과에 의한 상기 각 매트릭스(16)와 상기 대응 변환기(10,Ｔ _Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ) 주변의 상기 반사는 정상파를 생성하는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
26. 청구항 17 내지 25 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환기(Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)의 페어(Ｃ_Ｋ)는 상기 대응 매트릭스(16)의 방향에서 균등하게 간격을 두고 배치되며, 상기 각 페어의 두 개의 변환기 중 하나는 다른 변환기를 대체하도록 사용되어 상기 다른 변환기를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
27. 청구항 26에 있어서,

    방빙을 수행하는 이전에 테스트가 수행되며, 상기 테스트는:

    상기 매트릭스와 관련된 변환기(Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)의 페어(Ｃ_Ｋ)에 포함된 테스트될 방사 변환기로 신호를 방사하되, 모든 다른 변환기의 그룹은 수신 모드로 사용되는 단계;

    수신 모드의 상기 적어도 하나의 변환기(Ｘ_Ｋ)에 상기 신호가 비수용되는지 여부를 수신 모드의 상기 변환기에 의한 방사원의 위치를 재탐색하는 시간 선회 기법을 사용하여 체크하는 단계; 및

    상기 변환기(Ｘ_Ｋ)의 감쇠로 인하여 상기 다른 방사 변환기(Ｙ_Ｋ)로 변환하여 방빙을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
28. 청구항 17 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 메쉬(i,j)의 상기 각 매트릭스(16)에 대하여 시간 선회 기법에 의한 상기 외표면(2)의 제빙이 수행되며, 상기 제빙은:

    상기 각 매트릭스에 관련된 방사 모드에서 사용된 적어도 하나의 변환기(Ｔ_１)에 초음파를 방사하되, 상기 초음파는 상기 매트릭스의 얼음 형성 점(Ｓ)에 의해 유발된 특이점에 직면하는 단계;

    상기 수신 모드에서 사용되고 상기 매트릭스에 관련된 변환기(Ｔ_２ 내지 Ｔ_６)에 의해, 상기 특이점에 직면한 상기 초음파의 대표 신호를 포착하고 상기 신호를 내부 메모리에 저장하는 단계; 및

    이전에 위치된 이후 형성된 얼음의 점을 연속적으로 제빙하기 위해, 상기 신호를 전환하고 압축하여 상기 전환되고 압축된 신호에 대응하는 초음파를 상기 특이점을 향해 재집중시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.
29. 청구항 17 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각 변환기(10,Ｔ_Ｋ,Ｘ_Ｋ,Ｙ_Ｋ)는 상기 구조(3)의 두께 방향에서 측정된 초음파 파장의 반(half-ultrasound wavelength) 정도의 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 방빙 방법.

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