ES2895658T3 - Método y aparato para inhibir la formación de y/o eliminar hielo de los componentes de una aeronave - Google Patents

Método y aparato para inhibir la formación de y/o eliminar hielo de los componentes de una aeronave Download PDF

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Alan Giles
James Machin
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Abstract

Un sistema (100) para una aeronave que comprende: un componente (400, 500, 600, 700, 900) de la aeronave que tiene una superficie (1200), en donde el componente (400, 500, 600, 700, 900) comprende al menos una porción de al menos uno de los siguientes: un ala de aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, una pala de rotor de helicóptero y una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración; una pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210), colocado cada uno próximo a una porción de la superficie (1200); y una unidad de control (102) acoplada a la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210), la unidad de control (102) configurada para impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) a una o más frecuencias entre 1 Hz y aproximadamente 1 kHz; en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) está configurado para introducir un desplazamiento de la superficie (1200) en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie (1200) y/o deshacer las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie (1200); en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) comprende un accionador piezoeléctrico (114, 116, 118, 1004, 1210) y la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) son flexibles y se ajustan sustancialmente a una curvatura de la superficie (1200); en donde la superficie (1200) comprende una porción orientada hacia dentro (402, 502, 602, 702) y una porción orientada hacia fuera (404), estando expuesta dicha porción orientada hacia fuera (404) durante el vuelo, caracterizado por que una pluralidad de tiras de accionador (406, 504, 604, 704, 902), comprendiendo cada una uno o más de dichos accionadores, están dispuestas en dicha porción orientada hacia dentro, siendo dichos accionadores accionadores compuestos de macrofibra.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para inhibir la formación de y/o eliminar hielo de los componentes de una aeronave
Esta solicitud es una continuación de y reivindica el beneficio sobre la solicitud de EE. UU. n.° 13/204.630, presentada el 5 de agosto de 2011, de Giles et al., titulada "Method and Apparatus for Inhibiting Formation of and/or Removing Ice from Aircraft Components".
Antecedentes de la invención
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere generalmente a sistemas de deshielo. Más específicamente, la invención se refiere a sistemas de deshielo para su uso en la superficie exterior de la superficie de vuelo de una aeronave.
2. Discusión de la técnica relacionada
La formación de hielo atmosférica se produce cuando las gotas de agua en la atmósfera se congelan en los objetos con los que entran en contacto. La formación de hielo atmosférica puede provocar la acumulación de hielo en las superficies exteriores de una aeronave y provocar cambios significativos en la aerodinámica de varias superficies de vuelo. Dichos cambios pueden aumentar los riesgos de seguridad, ya que alteran el flujo de aire y aumentan la resistencia sobre las superficies de control de vuelo y de elevación de la aeronave.
Los sistemas de protección contra el hielo se emplean comúnmente para hacer frente a los problemas de la formación de hielo en las aeronaves. Tradicionalmente, los sistemas de deshielo se basan en medios químicos o térmicos para prevenir la formación de hielo y/o eliminarlo. Adicionalmente, algunos sistemas de deshielo convencionales crean un esfuerzo cortante transversal de alta frecuencia (ultrasónico) para deslaminar las capas de hielo en una estructura isotrópica. Una de esas enseñanzas se describe en una publicación de José L. Palacios, Edward C. Smith y Joseph L. Rose de la Universidad Estatal de Pensilvania, titulada Investigation of an Ultrasonic Ice Protection System for Helicopter Rotor Blades, (en adelante, "Palacios et al."); copyright 2008 de la American Helicopter Society International, Inc.
Por ejemplo, en Palacios et al. se describe el uso de accionadores ultrasónicos de disco de resonancia radial de 28,5 kHz para inducir un esfuerzo cortante transversal ultrasónico para deslaminar las capas de hielo formadas en una pala de rotor de helicóptero.
Otro método y aparato para eliminar los escombros de un parabrisas o lámina de aire se enseña en la solicitud de patente de Ee. UU. n.° 2009/0120471 y las patentes de EE. UU. n.° 7.459.831 y 7.084.553 a Ludwiczak. Particularmente, la solicitud de EE. UU. n.° 2009/0120471 titulada Vibrating Debris Remover, describe un dispositivo para su fijación a lo largo del borde de un material, como el parabrisas o la superficie aerodinámica de un automóvil (como el ala de una aeronave), que incluye una subunidad de vibración que produce energía mecánica vibratoria para eliminar los desechos sólidos de la superficie del material.
El documento WO 2009/019696 A2 describe un sistema mecánico de deshielo por vibración para una aeronave que usa un motor para impulsar una masa excéntrica en movimiento de rotación y un conjunto de desplazamiento acoplado a una superficie de la aeronave. Una disposición de pedestales dispuestos debajo de la superficie del borde de ataque de un ala se conoce a partir del documento GB 2472053 A. Por lo tanto, los pedestales se accionan para cambiar la distancia desde el pedestal hasta el borde de ataque.
En Venna et al ("Piezoelectric Transducer Actuated Leading Edge De-Icing with Simultaneous Shear and Impulse Forces", Journal of aircraft vol. 44, N.° 2, págs. 509-515 (2007)) se describen aplicaciones de deshielo efectivas y energéticamente eficientes que utilizan accionamientos piezoeléctricos. Un sistema de deshielo que utiliza una tira de película piezoeléctrica como sensor de la presencia de hielo se describe en el documento US 5206806 A.
El documento US4732351 describe un aparato para la prevención de la formación de hielo y la eliminación de hielo formado previamente de la superficie de varios artículos. Se aplica un material piezoeléctrico a las superficies expuestas al medio ambiente que deben mantenerse libres de hielo.
Compendio de la invención
Se proporciona un sistema y un método según la reivindicación 1 y la reivindicación 13, respectivamente.
Un sistema para una aeronave comprende: un componente de la aeronave que tiene una superficie, en donde el componente comprende al menos una porción de al menos uno de los siguientes: un ala de aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, una pala de rotor de helicóptero y una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración; una pluralidad de accionadores, situado cada uno próximo a una porción de la superficie; y una unidad de control acoplada a la pluralidad de accionadores, la unidad de control configurada para impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores a una o más frecuencias entre aproximadamente 1 Hz y aproximadamente 1 kHz; en donde cada uno de la pluralidad de accionadores está configurado para introducir un desplazamiento de la superficie en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie y/o deshacer las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie. De ese modo, cada uno de la pluralidad de accionadores comprende un accionador piezoeléctrico, y la pluralidad de accionadores son flexibles y se ajustan sustancialmente a una curvatura de la superficie. La superficie comprende una porción orientada hacia dentro y una porción orientada hacia fuera, estando expuesta dicha porción orientada hacia fuera durante el vuelo, en donde una pluralidad de tiras de accionador, comprendiendo cada una uno o más de dichos accionadores, están dispuestas en dicha porción orientada hacia dentro, siendo dichos accionadores accionadores compuestos de macrofibra.
Se define un método para su uso con una aeronave, en donde el componente comprende al menos una porción de al menos uno de los siguientes: un ala de aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, una pala de rotor de helicóptero y una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración, que comprende: impulsar una pluralidad de accionadores, cada uno de ellos situado cerca de una porción de la superficie de un componente de la aeronave; e impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores a una o más frecuencias entre aproximadamente 1 Hz y aproximadamente 1 kHz, de modo que cada uno de la pluralidad de accionadores introduzca un desplazamiento de la superficie en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie y/o deshacer las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie. De ese modo, cada uno de la pluralidad de accionadores comprende un accionador piezoeléctrico, y la pluralidad de accionadores son flexibles y se ajustan sustancialmente a una curvatura de la superficie. La superficie comprende una porción orientada hacia dentro y una porción orientada hacia fuera, estando expuesta dicha porción orientada hacia fuera durante el vuelo, en donde una pluralidad de tiras de accionador, comprendiendo cada una uno o más de dichos accionadores, están dispuestas en dicha porción orientada hacia dentro, siendo dichos accionadores accionadores compuestos de macrofibra.
En una realización, un método para su uso en una aeronave comprende: determinar que existe una condición, indicando la condición la posible formación de hielo en la superficie de una aeronave; impulsar una pluralidad de accionadores en respuesta a la etapa de determinación, la pluralidad de accionadores próximos a una superficie de la aeronave; transferir energía desde la pluralidad de accionadores a la superficie para inhibir la formación de hielo en al menos una porción de la superficie; determinar que la condición ya no está presente; e interrumpir el accionamiento de la pluralidad de accionadores y la transferencia de las etapas de energía.
En otra realización, un método para inhibir la formación de hielo en una aeronave comprende: impulsar de forma selectiva una pluralidad de accionadores en el tiempo en una secuencia entre sí, la pluralidad de accionadores próximos a una superficie de la aeronave y dispuestos en un patrón que se extiende a lo largo de al menos una porción de la superficie; transferir energía desde la pluralidad de accionadores a la superficie para inhibir la formación de hielo en al menos una porción de la superficie y romper las formaciones existentes de hielo en al menos la porción de la superficie.
En otra realización, un método para inhibir la formación de hielo en una aeronave comprende: impulsar una pluralidad de accionadores en cada una de una pluralidad de frecuencias predeterminadas dentro de un período de tiempo predeterminado, la pluralidad de accionadores próximos a una superficie de la aeronave; transferir energía desde la pluralidad de accionadores a la superficie para inhibir la formación de hielo en al menos una porción de la superficie y deshacer la formación existente de hielo en al menos la porción de la superficie.
En otra realización más, un método para su uso con un sistema inhibidor de hielo para una aeronave comprende: identificar un material anfitrión y una forma de la superficie de una aeronave, la superficie quedará expuesta durante el vuelo de la aeronave; modelar el material anfitrión y la forma para determinar las frecuencias resonantes de la forma; acoplar una pluralidad de accionadores en la proximidad de al menos una porción de la forma; impulsar la pluralidad de accionadores al menos en las frecuencias resonantes; medir una impedancia de la pluralidad de accionadores en función de la frecuencia; seleccionar, en función de la medición, una pluralidad de frecuencias resonantes para su uso en la activación de la pluralidad de accionadores durante el vuelo de la aeronave con el fin de inhibir la formación de hielo en al menos una porción de la superficie y deshacer la formación existente de hielo en al menos la porción de la superficie.
Breve descripción de los dibujos
La exposición anterior, así como otros aspectos, otras características y otras ventajas de las diversas realizaciones de la invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción más particular de la misma, presentada junto con los siguientes dibujos.
La FIG. 1 es un diagrama de bloques que representa un sistema de deshielo que comprende un sistema de control para coordinar el accionamiento de uno o más accionadores de conformidad con una realización de la invención;
la FIG. 2 es un diagrama de flujo que representa un método para diseñar un componente de una aeronave para su uso en la eliminación del hielo existente y/o inhibir la formación de hielo en el componente de conformidad con una realización de la invención;
la FIG. 3 es un diagrama de flujo que representa un método para inhibir el hielo y/o eliminarlo de un componente de una aeronave de conformidad con otra realización más de la invención;
la FIG. 4 es una vista en perspectiva de un componente de una aeronave, mostrado con una pluralidad de accionadores dispuestos en la superficie interior de conformidad con algunas realizaciones de la invención;
la FIG. 5 es una vista en perspectiva de un componente de una aeronave con una pluralidad de accionadores dispuestos en una superficie interior de conformidad con algunas realizaciones de la invención;
la FIG. 6 es una vista en perspectiva de un componente de una aeronave con una pluralidad de accionadores dispuestos en la superficie interior de conformidad con una realización de la invención;
la FIG. 7 es otra vista en perspectiva más de un componente de una aeronave con una pluralidad de accionadores dispuestos en la superficie interior de conformidad con una realización de la invención;
la FIG. 8 es un gráfico de impedancia frente a la frecuencia que representa múltiples frecuencias resonantes de un componente de una aeronave de acuerdo con algunas realizaciones de la invención;
la FIG. 9 es una vista de perfil lateral de la sección transversal de un componente, de conformidad con algunas realizaciones de la presente invención;
la FIG. 10 es un diagrama esquemático de una tira de accionador de conformidad con una realización de la invención;
la FIG. 11 es un gráfico que muestra el consumo de energía del accionador con respecto a la frecuencia, de conformidad con algunas realizaciones de la presente invención;
la FIG. 12 representa una pluralidad de dispositivos accionadores agrupados en zonas, de conformidad con algunas realizaciones de la presente invención; y
la FIG. 13 es un diagrama de flujo que representa un método para inhibir hielo y/o eliminarlo de un componente de una aeronave de conformidad con otras realizaciones de la invención.
Los caracteres de referencia correspondientes indican los componentes correspondientes en las diversas vistas de los dibujos. Los expertos en la materia apreciarán que los elementos de las figuras están ilustrados por motivos de simplicidad y claridad y no necesariamente han sido dibujados a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos de las figuras pueden exagerarse con respecto a otros elementos para ayudar a mejorar la comprensión de diversas realizaciones de la invención. También, los elementos comunes pero bien entendidos que son útiles o necesarios en una realización comercialmente factible a menudo no se representan para facilitar una vista menos obstruida de estas diversas realizaciones de la invención.
Descripción detallada
La siguiente descripción no debe tomarse en un sentido limitativo, sino que se hace simplemente con el propósito de describir los principios generales de las realizaciones ilustrativas. El alcance de la invención debe determinarse con referencia a las reivindicaciones.
La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización", o expresiones similares, significa que una característica en particular, estructura o elemento descrito en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la invención. De este modo, el uso de las expresiones "en una realización", y expresiones similares a lo largo de esta memoria descriptiva puede hacer referencia, pero no necesariamente, a la misma realización.
Con referencia primero a la FIG. 1, se muestra un sistema 100 para su uso en la eliminación y/o inhibición de la acumulación de hielo en la superficie de un componente de la aeronave, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. Específicamente, el sistema 100 comprende una unidad de control 102, en donde la unidad de control 102 comprende, además: un microcontrolador 104, un generador de ondas 106, un amplificador 108 y una fuente de alimentación 110. El sistema 100 comprende, además, un acoplamiento 112, accionadores 114, 116 y 118, un componente 120 y un sensor 122. Un experto en la técnica entendería que, dependiendo de la realización, el sistema 100 podría comprender más o menos accionadores que los que se muestran en la FIG. 1. Adicionalmente, el generador de ondas 106 puede comprender uno o más generadores de ondas; de manera similar, el amplificador 108 puede comprender uno o más circuitos amplificadores y el sensor 122 puede comprender uno o más dispositivos sensores.
En la realización ilustrada, la unidad de control 102 está configurada de manera que el microcontrolador 104 esté acoplado al generador de ondas 106; estando acoplado el generador de ondas 106 al amplificador 108 y en donde la fuente de alimentación 110 está acoplada, además, al amplificador 108. En algunas realizaciones, la unidad de control 102 está acoplada al acoplamiento 112 en donde el acoplamiento 112 está acoplado, además, a cada uno de los accionadores 114, 116 y 118. En algunas realizaciones, cada uno de los accionadores 114, 116 y 118 se acoplará, además, al sensor 122, en donde el sensor 122 también está acoplado al microcontrolador 104 de la unidad de control 102. En la realización ilustrada, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 están dispuestos mecánicamente sobre (o próximos a) el componente 120. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 están posicionados cada uno sobre el componente 120 o próximos al mismo de una manera correspondiente a una curvatura de la superficie del componente 120. En algunos ejemplos, que no forman parte del alcance de las reivindicaciones, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 se pueden incrustar dentro del componente 120. Por ejemplo, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden estar incrustados dentro de múltiples capas de un material compuesto que forma el componente 120.
El acoplamiento 112 puede comprender esencialmente cualquier mecanismo mediante el cual la señalización eléctrica pueda transmitirse desde la unidad de control 102 a uno o más de una pluralidad de accionadores 114, 116 y 118. Por ejemplo, el acoplamiento 112 puede comprender, pero sin limitación: cables, interruptores o conectores eléctricos, etc. En algunas realizaciones, la comunicación entre la unidad de control 102 y el acoplamiento 112 y/o comunicación entre el acoplamiento 112 y los uno o más accionadores 114, 116 y 118 se puede lograr usando una señal inalámbrica. Adicionalmente, en algunas realizaciones, la unidad de control 102 se diseñará para minimizar la masa de la unidad de control 102.
En algunas realizaciones, la unidad de control 102 se diseñará para minimizar el peso o la masa de la unidad de control 102 con respecto al tamaño y/o salida de una fuente de alimentación. Por ejemplo, la unidad 102 de control puede diseñarse para minimizar la relación entre la masa de la unidad de control y la masa de la fuente de alimentación 110. A modo de ejemplo, la unidad de control 102 puede diseñarse de tal manera que la unidad de control 102 esté configurada para proporcionar energía y uno o más de la pluralidad de accionadores estén configurados para operar a una relación de potencia a área del accionador de no más de aproximadamente 0,1 vatios por centímetro cuadrado. En alguna realización, la potencia total del sistema no debe exceder los 2 kW por aeronave. En algunas realizaciones, la relación entre la potencia y el área del accionador será de aproximadamente 0,03 vatios por centímetro cuadrado. En algunas realizaciones, la unidad de control 102 pesará menos que una cantidad absoluta; a modo de ejemplo, la unidad de control 102 se puede construir de manera que no exceda un peso de 11,34 kg (25 libras). Asimismo, en algunas realizaciones, la unidad de control puede configurarse de manera que no exceda una relación específica entre peso y salida de potencia. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la unidad de control 102 puede estar configurada para tener una relación peso/salida de potencia de menos de 5,7 gramos (0,0125 libras) por vatio. En algunas realizaciones, la unidad de control 102 puede configurarse para que tenga una relación peso/salida de potencia de menos de 4,5 gramos (0,01 libras) por vatio. En algunas realizaciones, la unidad de control 102 puede configurarse para tener una relación entre peso y potencia de salida de menos de 2,5 gramos (0,005 libras) por vatio.
Según algunas realizaciones, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden ser flexibles para poder adaptarse sustancialmente a la curvatura de una superficie (p. ej., una curvatura del componente 120).
Según algunas realizaciones, el componente 120 puede comprender un material isotrópico o compuesto tal como una aleación, fibra de carbono, grafito, un polímero, un termoplástico o una fibra de vidrio, etc. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el componente 120 puede comprender, pero sin limitación, uno o más componentes de la aeronave y/o superficies de vuelo, como el ala de una aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de la aeronave (como un flap o un timón de profundidad), una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, o una pala de rotor de helicóptero, etc. A modo de ejemplo, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden estar incrustados dentro de una o más capas de un material compuesto que forma un componente de aeronave. Por ejemplo, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden estar dispuestos cerca (o incrustados dentro) de un borde de ataque compuesto de un componente de aeronave (como un ala de avión o un perfil o ala de un vehículo aéreo no tripulado) con respecto a una dirección de vuelo de la aeronave.
En la práctica, el sistema 100 funciona para inhibir y/o prevenir el depósito de hielo y/o funciona para eliminar el hielo existente, del componente 120, por vibración del componente 120 lograda con el accionamiento de uno o más de los accionadores 114, 116 y/o 118. El accionamiento de uno o más de los accionadores 114, 116 y/o 118 puede ser controlado por la unidad de control 102 mediante la señalización recibida a través del acoplamiento 112. A modo de ejemplo, el generador de ondas 106 puede generar una señal a una frecuencia deseada para su uso en la vibración de uno o más accionadores 114, 116 y/o 118 provocando la activación del componente 120. Más específicamente, cuando la señal del generador de ondas 106 es recibida por el amplificador 108 (y amplificada usando la fuente de energía 110), la señal amplificada resultante se introduce luego en el acoplamiento 112 y luego es recibida por uno o más accionadores 114, 116 y 118. En algunas realizaciones, la recepción de una señal periódica por parte de uno o más accionadores 114, 116 y 118 dará como resultado la activación de uno o más accionadores 114, 116 y 118 provocando una transferencia de energía mecánica al componente 120. En algunas realizaciones, esta transferencia de energía mecánica proporciona un desplazamiento de una parte del componente en tres dimensiones que inhibe la formación de hielo (u otros desechos) y/o se rompe y elimina el hielo existente formado en la porción de la superficie del componente.
De conformidad con algunas realizaciones, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 estarán dispuestos en el componente 120 (p. ej., el borde de ataque de una superficie aerodinámica/ala de aeronave con respecto a una dirección de vuelo). Al recibir la señalización del acoplamiento 112, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 serán accionados a una frecuencia determinada por el generador de ondas 106, resultando en una transferencia de energía mecánica vibratoria, en tres dimensiones (p. ej., direcciones x, y y z), en la superficie del componente 120. A modo de ejemplo, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden colocarse en relación con el componente 120 de tal manera que el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 provoque una flexión en el plano y fuera del plano en la superficie del componente 120 (es decir, deformaciones en tres dimensiones, incluidas las direcciones transversal y longitudinal).
En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 puede usarse para inhibir al menos parcialmente la formación de hielo en una superficie del componente 120 (p. ej., un ala de aeronave) y/o para su uso en la eliminación de hielo que ya se ha depositado en la superficie del componente 120. Como apreciaría un experto en la técnica, el hielo es solo una forma de desecho para las que se pueden utilizar las realizaciones de la invención; sin embargo, acumulaciones de otros tipos de desechos (como, pero sin limitación, suciedad y aceite) también se pueden eliminar y/o inhibir usando algunas realizaciones de la invención. Adicionalmente, como apreciaría un experto en la técnica, algunos métodos y aplicaciones de las realizaciones de la invención pueden aplicarse a un componente o superficie que no forma parte de una aeronave.
En algunas realizaciones, la frecuencia de accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será controlada por el microcontrolador 104 en función de la retroalimentación recibida del sensor 122. Es decir, la unidad de control 102 puede configurarse de manera que la unidad de control 102 esté acoplada a al menos un sensor (tal como el sensor 122 de la FIG. 1) y configurada para conmutar una frecuencia de activación de uno o más accionadores 114, 116 y 118 en función de la señalización recibida del sensor 122. Como alternativa, en algunas realizaciones, la unidad de control 102 puede configurarse para impulsar los uno o más accionadores 114, 116 y 118 automáticamente (e independientemente de) la señalización recibida del sensor 122.
A modo de ejemplo, el sensor 122 puede detectar la frecuencia operativa o resonante a lo largo de una o más ubicaciones del componente 120. Esta frecuencia resonante medida del componente 120 puede entonces ser utilizada por el microcontrolador 104 para sintonizar la frecuencia de la señal generada por el generador de ondas 106. A su vez, la unidad de control 102 accionará uno o más accionadores 114, 116 y 118 a una frecuencia en, o cerca de, la frecuencia de resonancia/operativa del componente 120 (en o cerca de sus ubicaciones respectivas). La frecuencia operativa o resonante de una posición a lo largo del componente 120 puede verse afectada por muchos factores, incluyendo, pero sin limitación, la masa, la composición y/o la geometría/forma del componente 120.
Adicionalmente, en algunas realizaciones, al menos un sensor (p. ej., el sensor 122) se acoplará a uno o más accionadores (p. ej., los uno o más accionadores 114, 116 y 118) y se configurará para detectar una impedancia de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 cuando el accionador está siendo accionado por la unidad de control 102. De manera similar, en algunas realizaciones, la unidad de control 102 puede configurarse para impulsar uno o más accionadores 114, 116 y 118 a una tasa de consumo de energía predeterminada de manera que los accionadores no excedan el umbral de potencia predeterminado. A modo de ejemplo, los uno o más accionadores 114, 116 y 118 pueden impulsarse de tal manera que no exceda una relación de potencia específica a área superficial.
En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 a la frecuencia de resonancia del componente 120 eliminará y/o evitará más eficazmente la formación de hielo en la superficie del componente 120, que el accionamiento en otras frecuencias no resonantes. En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en la superficie del componente 120 cuando se accione a frecuencias más bajas, por ejemplo, entre 1 Hz y 1 kHz. En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en el componente 120 cuando se accione a una frecuencia entre 10 Hz y 500 Hz. En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en el componente 120 cuando se accione entre 55 Hz y 235 Hz. En algunas realizaciones, el accionamiento de la superficie del componente 120 en los intervalos de frecuencia más bajos no solo reducirá el consumo de energía (en relación con el accionamiento a altas frecuencias), sino que desplazará de manera más eficaz la superficie del componente 120, eliminando y previniendo eficazmente la acumulación de hielo (u otros desechos). De este modo, en algunas formas, se pueden proporcionar componentes de masa o peso más bajos en relación con los sistemas de frecuencia más alta.
Con referencia a continuación a la FIG. 2, se muestra un diagrama de flujo que describe un método para diseñar un componente de una aeronave para su uso en la eliminación del hielo existente y/o inhibir la formación de hielo en el componente, de conformidad con una realización de la invención. Este método se describirá con referencia ocasional al sistema de deshielo representado por la FIG. 1; sin embargo, debe entenderse que el método 200 no se limita al sistema representado en la FIG. 1, o cualquier otro sistema.
El método 200 comienza con la etapa 202 que implica identificar el componente y el material. En algunas realizaciones, la identificación del componente y el material incluirá la identificación de la forma de la superficie y/o composición del componente. La identificación del componente puede implicar, además, la identificación de la forma y/o temperatura de la estructura de la superficie de una aeronave que está (o estará) expuesta durante el vuelo de la aeronave. En algunas realizaciones, el componente comprenderá el borde de ataque de un componente de la aeronave con respecto a una dirección de vuelo, p. ej., el borde de ataque del ala de una aeronave, etc.
En la etapa 204, se modela el componente y se determinan las frecuencias resonantes del componente. En algunas realizaciones, las frecuencias resonantes del componente se pueden determinar usando uno o más sensores, por ejemplo, similares al sensor 122 descrito anteriormente con respecto a la FIG. 1. En una realización, el modelo del componente se utiliza para determinar la frecuencia de resonancia de la superficie del componente, que puede ser una función de una o más variables que incluyen, pero sin limitación, la forma/geometría de la superficie del componente y/o la composición del material del componente, etc.
Como apreciaría un experto en la técnica, puede haber varias formas de modelar un componente y/o la superficie del componente para determinar una o más frecuencias resonantes. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la resonancia aproximada de un componente y/o la superficie del componente puede determinarse uniendo uno o más accionadores a la superficie del componente/componente y realizando un análisis vibratorio (p. ej., utilizando el análisis de elementos finitos) para determinar una o más frecuencias resonantes del componente y/o la superficie del componente.
En algunas realizaciones, las frecuencias resonantes de un componente y/o la superficie del componente se pueden determinar usando un sensor (p. ej., el sensor 122 expuesto anteriormente en el sistema 100 de la FIG. 1) para ejecutar un análisis de impedancia constante en las zonas de frecuencia deseadas. A modo de ejemplo, se pueden conectar sensores (como los uno o más sensores 122) al componente y usarlos para determinar la impedancia del componente, ya que la frecuencia se opera entre 1 Hz y 1 kHz. En algunas realizaciones, los sensores unidos al componente y/o la superficie del componente pueden realizar un análisis de impedancia constante del componente y/o la superficie del componente cuando uno o más accionadores se accionan a una o más frecuencias de actuación entre 10 Hz y 500 Hz. En algunas realizaciones, los sensores conectados al componente pueden realizar un análisis de impedancia constante del componente y/o la superficie del componente cuando los uno o más accionadores se accionan a una o más frecuencias de accionamiento entre 55 Hz y 235 Hz.
En algunas realizaciones, la resonancia estructural de un componente y/o la superficie del componente puede determinarse usando uno o más accionadores y/o acelerómetros y la resonancia del accionador puede determinarse usando una medición de impedancia. Sin embargo, como apreciaría un experto en la técnica, la resonancia del componente cambiará cuando uno o más accionadores estén acoplados a la superficie del componente.
En la etapa 206, uno o más accionadores están unidos al componente. En algunas realizaciones, los accionadores se unirán a una superficie interior del componente. Por ejemplo, el componente puede comprender una porción orientada hacia dentro (p. ej., un perfil aerodinámico como el ala de una aeronave) y los accionadores se pueden unir a las superficies orientadas hacia fuera o hacia dentro del perfil aerodinámico. Sin embargo, en algunas realizaciones, los accionadores se unirán a las superficies orientadas hacia dentro a intervalos regularmente espaciados y/o uno o más accionadores se pueden colocar dentro de un material compuesto, como se analizará con más detalle a continuación.
Asimismo, en algunas realizaciones, los accionadores estarán dispuestos mecánicamente sobre una superficie del componente de manera que el accionamiento de los accionadores desplazará mecánicamente el componente en un movimiento fuera del plano (tridimensional) sin causar daño estructural al componente. A modo de ejemplo, los accionadores pueden estar dispuestos sobre el componente, de modo que el accionamiento haga que se transfiera una fuerza tridimensional a la superficie del componente.
Uno o más accionadores (p. ej., los uno o más accionadores 114, 116 y 118 de la FIG. 1) puede disponerse sobre el componente en prácticamente cualquier disposición, dependiendo de la realización. En algunas realizaciones, se puede disponer una pluralidad de accionadores en el componente en un patrón que se extiende a lo largo de al menos una porción de la superficie del componente. Como se tratará con más detalle a continuación con respecto a la FIG.
12, en algunas realizaciones, puede disponerse una pluralidad de accionadores en una pluralidad de zonas en el componente, en donde cada zona corresponde a una región respectiva de la superficie del componente.
En la etapa 208, las una o más frecuencias resonantes determinadas del componente (como se determinó en la etapa 204) se prueban accionando los accionadores unidos en la etapa 206, como se tratará con más detalle con respecto a la FIG. 8, más adelante. En algunas realizaciones, las frecuencias resonantes relativas del componente variarán según la ubicación del componente. De este modo, en algunas realizaciones, cada accionador será accionado en (o cerca de) las frecuencias correspondientes a las frecuencias resonantes del componente en la posición de ese respectivo accionador en el componente.
En la etapa 210, uno o más de los accionadores se accionarán (impulsarán) para eliminar el hielo existente del componente y/o para inhibir la acumulación de nuevos depósitos de hielo en el componente. En algunas realizaciones, esto se hace para verificar que el dispositivo realmente funcionará antes de ponerlo en funcionamiento. En la práctica, los accionadores pueden accionarse/impulsarse esencialmente durante cualquier período de tiempo y en cualquier patrón; sin embargo, en algunas realizaciones, los accionadores se accionarán durante un período de entre 0,001 segundos y 10 segundos, p. ej., con el interés de minimizar el consumo de energía.
En algunas realizaciones, los accionadores se accionarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 1 Hz y 1 kHz. En algunas realizaciones, los accionadores se accionarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 10 Hz y 500 Hz. En algunas realizaciones, los accionadores se accionarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 55 Hz y 235 Hz.
La FIG. 3 es un diagrama de flujo que representa un método 300 para inhibir y/o eliminar hielo de un componente de una aeronave de conformidad con otra realización más de la invención. A pesar de ello, este método se describirá con referencia ocasional al sistema de deshielo (p. ej., el sistema 100 representado en la FIG. 1), pero debe entenderse que el método descrito no se limita al sistema 100, ni a ningún otro sistema.
El método 300 de la FIG. 3 comienza con la determinación de las condiciones de formación de hielo, como se muestra en la etapa 302. En algunas realizaciones, la determinación de las condiciones de formación de hielo se realiza con respecto a las condiciones de formación de hielo en una superficie exterior del componente. En algunas realizaciones, esta determinación se puede hacer usando uno o más sensores tales como los sensores 122 representados en la FIG. 1. Asimismo, las condiciones de formación de hielo pueden determinarse utilizando una variedad de otros sensores; a modo de ejemplo, esta determinación puede basarse, pero sin limitación, en información recibida de uno o más sensores de temperatura, altitud, humedad, velocidad del viento y/o humedad, etc.
En la etapa 304, uno o más accionadores son impulsados (accionados) de acuerdo con parámetros que definen un modo de funcionamiento para eliminar el hielo existente y/o inhibir la formación de hielo en la superficie del componente. El accionamiento del accionador da como resultado un desplazamiento de la superficie en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie y/o romper las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie. En algunas realizaciones, los accionadores se impulsarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 1 Hz y 1 kHz. En algunas realizaciones, los accionadores se impulsarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 10 Hz y 500 Hz. En algunas realizaciones, los accionadores se impulsarán a una o más frecuencias de accionamiento entre 55 Hz y 235 Hz.
En algunas realizaciones, el modo de funcionamiento será controlado por una unidad de control tal como la unidad de control 102 ilustrada en el diagrama de bloques de la FIG. 1 (antes).
A modo de ejemplo, la unidad de control 102 puede recibir, desde uno o más dispositivos sensores, una indicación de que se ha formado hielo en un componente como el componente 120 representado en la FIG. 1. La recepción de una indicación positiva de formación de hielo puede provenir de uno o más sensores, tal como el sensor 122 representado en la FIG. 1 o, como alternativa, puede originarse a partir de uno o más sensores y/o medios de indicación externos (y no representados por) el sistema 100 de la FIG. 1.
Como alternativa, en algunas realizaciones, se pueden usar uno o más sensores para indicar la existencia de condiciones bajo las cuales aumentaría la probabilidad de que se formen formaciones de hielo. A modo de ejemplo, uno o más sensores pueden detectar condiciones (p. ej., altitud, temperatura y/o humedad) bajo las cuales se pueden formar acumulaciones de hielo. Dada tal indicación, uno o más de los accionadores 114, 116 y 118 pueden accionarse para inhibir al menos parcialmente o prevenir la formación de hielo. A modo de ejemplo, la unidad de control 102 del sistema 100 de la FIG. 1 puede recibir una indicación de que el hielo ya se ha formado, o es probable que se forme, sobre una superficie del componente 120. En función de esta indicación, la unidad de control 102 puede impulsar uno o más accionadores 114, 116 y 118 a través del acoplamiento 112.
En algunas realizaciones, el accionamiento de los accionadores (p. ej., los uno o más accionadores 114, 116 y 118 mostrados en la FIG. 1) pueden producirse simultáneamente. En otras realizaciones, el microcontrolador 104 puede controlar el accionamiento de diferentes accionadores de modo que los accionadores se accionen de acuerdo con un patrón. Por ejemplo, el microcontrolador puede activar uno o más accionadores 114, 116 y 118, de modo que el accionamiento se produzca en etapas, p. ej., esencialmente en cualquier patrón de "barrido", dependiendo de la disposición del accionador.
En algunas realizaciones, en donde la pluralidad de accionadores están dispuestos en el componente en una pluralidad de zonas, la unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 de la FIG. 1) se puede configurar para impulsar de forma selectiva la pluralidad de accionadores de cada una de la pluralidad de zonas en el tiempo en relación con los otros de la pluralidad de zonas.
Asimismo, en algunas realizaciones, la frecuencia de la señal de salida generada por el generador de ondas 106 puede variarse para provocar una variación correspondiente en la frecuencia de actuación, p. ej., en uno o más accionadores 114, 116 y 118. De este modo, una unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 de la FIG. 1) se puede utilizar para variar la velocidad de accionamiento (es decir, para controlar el "barrido" de frecuencia) de uno o más de la pluralidad de accionadores, tales como uno o más accionadores 114, 116 y 118 de la FIG. 1.
Adicionalmente, el accionamiento de los uno o más accionadores en el componente puede producirse simultáneamente o puede realizarse en fases, de manera que algunos accionadores se accionen a diferentes intervalos de tiempo y durante diferentes duraciones de tiempo con respecto a otros accionadores. En algunas realizaciones, el accionamiento de los accionadores individuales se producirá en etapas, para "barrer" la superficie del componente. Por ejemplo, las frecuencias de impulso pueden ajustarse en función de las mediciones de impedancia de uno o más sensores, tales como los sensores 122 expuestos anteriormente con respecto a la FIG. 1. Adicionalmente, en algunas realizaciones, la unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 de la FIG. 1) puede impulsar el accionamiento de dos o más de la pluralidad de accionadores en el tiempo, en una secuencia relativa entre sí, de modo que el accionamiento de los accionadores se produce en un patrón específico.
En algunas realizaciones, en donde la pluralidad de accionadores están dispuestos por zonas, el accionamiento puede realizarse zona por zona. Por ejemplo, la unidad de control puede configurarse para impulsar de forma selectiva (y simultáneamente) una pluralidad de accionadores en donde los accionadores se agrupan en diferentes zonas (correspondientes a diferentes regiones del componente) de modo que los accionadores de cada una de la pluralidad de zonas se accionan secuencialmente en el tiempo en relación con los accionadores de las otras zonas.
En algunas realizaciones, una unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 de la FIG. 1) se puede configurar para controlar el accionamiento de los uno o más de los accionadores en una o más frecuencias predeterminadas. Por ejemplo, el control puede configurarse para impulsar de forma selectiva uno o más de los accionadores en una pluralidad de frecuencias predeterminadas dentro de un período de tiempo predeterminado, o puede configurarse para "barrer" sobre un intervalo de frecuencias. Por ejemplo, una unidad de control (tal como la unidad de control 102 de la FIG. 1) puede configurarse para impulsar de forma selectiva dos o más de la pluralidad de accionadores en el tiempo en una secuencia relativa entre sí, los dos o más de la pluralidad de accionadores dispuestos en un patrón que se extiende desde una porción de la superficie en un barrido lineal a otra porción de la superficie.
En la etapa opcional 306, los parámetros de la unidad de control que afectan la frecuencia de actuación y el patrón/ubicación de actuación pueden ajustarse en función de una o más condiciones detectadas. A modo de ejemplo, uno o más sensores (p. ej., el sensor 122 como se muestra en la FIG. 1) pueden enviar señales a la unidad de control relacionadas con las condiciones actuales o cambiantes del componente. Por ejemplo, las frecuencias de excitación pueden ajustarse en función de las mediciones de impedancia de los sensores 122.
En algunas realizaciones, las frecuencias resonantes del componente pueden cambiar a medida que el componente es actuado por fuerzas externas (p. ej., viento, agua, expansión/compresión térmica, etc.). Por ejemplo, las condiciones detectadas del componente pueden referirse a si se acumulan o no acumulaciones de hielo en la superficie del componente y los parámetros de actuación pueden ajustarse en función de la cantidad de acumulación de hielo o de otros factores como la temperatura, humedad, velocidad del viento, nivel de humedad, la presión y/o las características geométricas y/o la forma del componente, etc. En algunas realizaciones, los parámetros ajustados permitirán que la unidad de control accione uno o más accionadores de una manera más eficaz para la eliminación del hielo o la prevención de la formación de hielo, en el componente (p. ej., accionamiento a la frecuencia de resonancia del componente). Después de que se hayan accionado uno o más accionadores para eliminar y/o inhibir la formación de hielo en el componente, el método pasa a la etapa 308.
En la etapa 308 se determina la eliminación de las condiciones de formación de hielo. La eliminación de la determinación de la formación de hielo puede realizarse mediante uno o más sensores (p. ej., el sensor 122 mostrado en la FIG. 1). Como alternativa, en algunas realizaciones, la determinación del deshielo puede realizarse con otros sensores o medios de detección no representados en el sistema 100 de la FIG. 1. Por ejemplo, a altitudes y temperaturas conocidas, es posible que no se conozcan las condiciones de formación de hielo, sin embargo, las condiciones de congelación pueden ser determinadas por altímetro y/o datos de temperatura de otras partes de la aeronave. Después de determinar que el hielo se ha eliminado adecuadamente del componente, el método 300 pasa a la etapa 310 en donde se termina el accionamiento de los uno o más accionadores.
La FIG. 4 ilustra un componente 400 que comprende una superficie interior 402, una superficie exterior 404 y una pluralidad de tiras de accionador 406. En algunas realizaciones, una o más de la pluralidad de tiras de accionador 406 estarán dispuestas en la superficie interior 402 del componente. En algunas realizaciones, las tiras de accionador 406 estarán compuestas de un material flexible que será capaz de adaptarse sustancialmente a una superficie curva, como la superficie curva de un componente de aeronave. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las tiras de accionador 405 pueden comprender un compuesto de macrofibra como el número de referencia M8557P1 fabricado por Smart Material Corporation de Sarasota, Florida (véase también_http://www.smart-material.com/MFC-product-main.html.
Aunque la FIG. 4 ilustra tres tiras de accionador 406 (mostradas) a intervalos regularmente espaciados, puede haber esencialmente cualquier número de tiras de accionador que pueden estar dispuestas en (o próximas a) la superficie interior 402 del componente en prácticamente cualquier patrón. Por ejemplo, la FIG. 6 ilustra un componente 600 con tiras de accionador 604 (se muestran seis) dispuestas en la superficie interior 602 del componente 600.
En algunas realizaciones, los uno o más accionadores y/o las una o más tiras del accionador estarán espaciados/as de tal manera que proporcionen un rendimiento y una fiabilidad óptimos mientras se minimiza el número de accionadores requeridos. Asimismo, la separación de uno o más accionadores y/o tiras de accionadores puede ser única para cada componente, dependiendo de cómo se comporte el componente en cada modo de resonancia.
En algunas realizaciones, cada una de la pluralidad de tiras de accionadores comprenderá uno o más accionadores. Como se comentó anteriormente, el componente 400 puede estar compuesto por un material isótropo o compuesto; sin embargo, en algunas realizaciones, el componente 400 formará un perfil aerodinámico, como el borde de ataque de un componente de aeronave con respecto a la dirección de vuelo de una aeronave (p. ej., el borde de ataque del ala de una aeronave). Sin embargo, en realizaciones alternativas, el componente 400 puede formar esencialmente cualquier componente o estructura de aeronave incluyendo, pero sin limitación: la cola de una aeronave, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una pala de rotor de helicóptero y/o una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración, etc.
En la práctica, cuando uno o más de la pluralidad de accionadores se accionan dentro de una o más de las tiras de accionadores 406, se ejercerá una fuerza en tres dimensiones con respecto al plano de la superficie del componente 400. Por ejemplo, cuando se accionan una o más de las tiras de accionador 406, se impartirá una fuerza sobre la superficie interior 402 del componente 400 provocando un desplazamiento mecánico en el componente 400 en tres dimensiones (es decir, direcciones transversal y longitudinal).
La FIG. 5 ilustra un componente 500 que comprende una superficie interior 502. El componente 500 incluye, además, seis tiras de accionador 504 dispuestas a intervalos regulares en la superficie interior 502 del componente 500, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. Sin embargo, en algunas realizaciones, se puede disponer un número mayor (o menor) de accionadores en la superficie exterior del componente y se puede colocar virtualmente en cualquier patrón o disposición. Por ejemplo, la FIG. 7 ilustra un componente 700 con tiras de accionador 704 (se muestran seis) dispuestas en la superficie interior 702 del componente 700.
Con referencia a continuación a la FIG. 8, que ilustra un gráfico 800 de impedancia frente a frecuencia se muestra representando puntos de resonancia (es decir, modos) 802, 804, 806 y 808 de un componente, sobre frecuencias variables (eje x). La impedancia está en unidades de decibelios voltios (dBV). Se muestra una señal de entrada 810 aplicada al componente y se muestra la señal de salida de impedancia resultante 812. Los picos de la señal de salida 812 son los puntos de impedancia relativa más baja de manera que cada pico corresponde a una frecuencia resonante del componente. A modo de ejemplo, la señal de salida 812 ilustra que el componente tiene un primer punto de resonancia 802 a una frecuencia de aproximadamente 78 Hz; un segundo punto de resonancia 804 a una frecuencia de aproximadamente 201 Hz; un tercer punto de resonancia 806 a una frecuencia de aproximadamente 207 Hz; y un cuarto punto de resonancia 808 a una frecuencia de aproximadamente 235 Hz.
En la práctica, una vez determinadas las frecuencias resonantes, uno o más accionadores pueden ser accionados en, o cerca de, una determinada frecuencia de resonancia del componente para causar una flexión máxima en el plano / fuera del plano, dando como resultado la eliminación al menos parcial de las acumulaciones de hielo y/o inhibiendo al menos parcialmente la formación de hielo nuevo en la superficie del componente.
La FIG. 9 ilustra una vista en perspectiva lateral en sección transversal de un componente 900 junto con las tiras de accionador 902 dispuestas en la superficie interior del componente 900. Como se comentó anteriormente, cuando las una o más tiras de accionador 902 son impulsadas (accionadas), una flexión/deformación tridimensional dará como resultado la superficie del componente 900. En algunas realizaciones, cada tira podría contener solo un único elemento accionador; sin embargo, en algunas realizaciones, cada una de las tiras de accionadores contendrá una pluralidad de accionadores. Por ejemplo, la FIG. 10 ilustra una sola tira de accionador 1000 conectada a una fuente de alimentación de accionamiento 1002 y una pluralidad de accionadores 1004 (catorce en total).
Aunque la pluralidad de accionadores 1004 representados en la FIG. 10 es de catorce en total, puede disponerse un número mayor o menor de accionadores en una sola tira de accionadores. Como se ha ilustrado, la pluralidad de accionadores 1004 está conectada, en paralelo, a la fuente de alimentación 1002.
En la práctica, cada elemento accionador de la pluralidad de accionadores 1004 puede modelarse como un circuito RC; de este modo, en algunas realizaciones de la invención, la pluralidad de accionadores puede modelarse como un elemento capacitivo.
La FIG. 11 ilustra un gráfico 1100 del consumo de energía en vatios (eje y) de uno o más elementos accionadores con respecto a la frecuencia (eje x). Por ejemplo, el gráfico 1100 representa el consumo de energía con respecto a la frecuencia de un solo elemento accionador accionado a 1,5 kV 1102; un solo elemento accionador accionado a 4 kV 1104; cuatro elementos accionadores accionados simultáneamente a 1,5 kV 1106; cuatro elementos accionadores accionados simultáneamente a 4 kV 1108; seis elementos accionadores accionados simultáneamente a 1,5 kV 1110; y seis elementos accionadores accionados simultáneamente a 4 kV 1112. Los expertos en la técnica pueden apreciar el consumo de energía a una frecuencia dada (ilustrada en las líneas de la FIG. 11), a través de la relación entre una entrada de onda sinusoidal y la impedancia (Z) de un componente de acuerdo con la Ecuación (1):
Figure imgf000010_0001
donde Z = impedancia (ohmios) del componente, f= frecuencia (Hz) y C = capacitancia del accionador (faradios). Asimismo, como apreciarán los expertos en la técnica, la potencia máxima (Ppk) de un componente se puede calcular usando la Ecuación (2):
Figure imgf000010_0002
donde Ppk = potencia máxima (vatios); Z = la impedancia calculada en la Ecuación 1 (ohmios) y V = la tensión positiva máxima (voltios). Por último, la potencia RMS se puede calcular usando la Ecuación (3):
Figure imgf000011_0001
donde Prms = potencia (vatios) y Ppk = potencia máxima de la Ecuación 2 (vatios). En algunas realizaciones, se conoce la tensión de la señal de entrada y se mide la impedancia, de modo que la potencia máxima y rms se pueda calcular utilizando las ecuaciones (2) y (3). La potencia ilustrada en la FIG. 11 es la potencia rms, Prms.
Aunque uno o más elementos accionadores pueden impulsarse esencialmente en cualquier patrón en un amplio intervalo de frecuencias, en algunas realizaciones, los accionadores se impulsarán de una manera que elimine y/o inhiba de la manera más eficaz la acumulación de hielo al mismo tiempo que se minimiza el número de accionadores requeridos y la cantidad de consumo de energía consumida. En algunas realizaciones, el accionamiento de uno o más accionadores (p. ej., los accionadores 114, 116 y 118 de la FIG. 1, anterior) será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en la superficie de un componente cuando se acciona en una o más frecuencias, por ejemplo, entre 1 Hz y 1 kHz. En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en el componente 120 cuando se accionen a una o más frecuencias entre 10 Hz y 500 Hz. En algunas realizaciones, el accionamiento de los uno o más accionadores 114, 116 y 118 será eficaz para eliminar los depósitos de hielo/prevenir la formación de hielo en el componente 120 cuando se accionen a una o más frecuencias entre 55 Hz y 2435 Hz.
Con referencia a continuación a la FIG. 12, que ilustra una superficie de componente 1200, una línea central de la superficie aerodinámica 1205, una pluralidad de accionadores individuales 1210 dispuestos en un total de seis zonas 1220, 1230, 1240, 1250, 1260 y 1270. Aunque la FIG. 12 ilustra la división de los accionadores individuales 1210 en seis zonas (1220, 1230, 1240, 1250, 1260 y 1270), un experto en la técnica apreciaría que se pueden disponer una o más zonas para incluir cualquiera (o todos) los accionadores individuales 1210 y que las zonas se pueden disponer esencialmente en cualquier patrón o diseño en la superficie 1200 del componente. Por ejemplo, los accionadores individuales 1210 podrían separarse en diferentes zonas con respecto a la línea central 1205 del perfil aerodinámico. Adicionalmente, pueden disponerse una o más zonas para incluir dos o más de los accionadores individuales 1210, independientemente de si los dos o más accionadores se encuentran adyacentes en la superficie del componente 1200.
En la práctica, se puede configurar una unidad de control (no mostrada) para impulsar el accionamiento de los accionadores de cualquier zona particular en un momento específico y/o en un intervalo de frecuencia constante o variable. Por ejemplo, una unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 mostrada en la FIG. 1) se puede configurar para impulsar de forma selectiva cada accionador durante un período de tiempo de entre aproximadamente 0,001 segundos y 10 segundos. En otro ejemplo, la unidad de control puede configurarse para impulsar de forma selectiva cada accionador durante un período de tiempo correspondiente a entre aproximadamente 1 y 10 períodos de una onda de pulso sinusoidal, triangular, y cuadrada de una frecuencia de impulso.
A modo de ejemplo adicional, una unidad de control (p. ej., la unidad de control 102 mostrada en la FIG. 1) puede impulsar la activación de la zona de modo que los accionadores sean impulsados en un movimiento de "barrido" de izquierda a derecha a través de la superficie 1200 del componente. Por ejemplo, la unidad de control 102 puede impulsar los accionadores individuales 1210 de la zona 1220, y luego impulsar sucesivamente los accionadores individuales 1210 de las zonas restantes 1230, 1240, 1250, 1260 y 1270. En algunas realizaciones, el accionamiento de los accionadores individuales 1210 asociados con una zona particular puede solaparse en el tiempo con el accionamiento de los accionadores individuales 1210 de una zona diferente. En algunas realizaciones, el accionamiento de los accionadores individuales 1210 de una zona particular no se superpondrá en el tiempo con el accionamiento de los accionadores individuales 1210 de otra zona.
En algunas realizaciones, el accionamiento de zonas individuales puede ocurrir en un patrón que omite una o más zonas adyacentes. Por ejemplo, la unidad de control 102 puede impulsar sucesivamente los accionadores individuales 1210 de las zonas 1220, 1240, 1260 y luego impulsar sucesivamente los accionadores individuales 1210 de las zonas restantes 1230, 1250, 1260 y 1270. A modo de otro ejemplo, la unidad de control 102 puede impulsar sucesivamente los accionadores individuales 1210 de las zonas 1240, 1230 y 1220 mientras acciona simultánea y sucesivamente los accionadores individuales 1210 de las zonas 1250, 1260 y 1270. De por sí, la unidad de control puede configurarse para impulsar de forma selectiva al menos dos accionadores adyacentes de la pluralidad de accionadores en momentos secuenciales. Como alternativa, la unidad de control puede configurarse para impulsar secuencialmente al menos dos no adyacentes de la pluralidad de accionadores en momentos secuenciales.
En algunas realizaciones, la unidad de control 102 estará configurada para impulsar el accionamiento de los accionadores individuales 1210 asociados con diferentes zonas a una frecuencia esencialmente constante. A modo de ejemplo, la unidad de control puede configurarse para impulsar cada zona a una o más frecuencias correspondientes a una o más frecuencias resonantes determinadas de un componente ubicado en las proximidades.
En algunas realizaciones, la unidad de control puede estar configurada para impulsar diferentes zonas a diferentes frecuencias o para impulsar el accionamiento en un intervalo de frecuencias con respecto a una unidad de tiempo. A modo de ejemplo adicional, una unidad de control puede estar configurada para impulsar los accionadores individuales 1210 de las zonas 1220, 1230 y 1240 a una primera frecuencia correspondiente a un primer modo/frecuencia de resonancia del componente, en donde los accionadores individuales 1210 asociados con las zonas 1250, 1260 y 1270 serán accionados a un segundo modo/frecuencia de resonancia del componente.
Un experto en la técnica debería apreciar que la activación de zona puede ocurrir virtualmente en cualquier patrón con virtualmente cualquier combinación de duraciones de activación. Sin embargo, en algunas realizaciones, los límites de la zona, la secuencia de activación de zona (y duración) y la variación de frecuencia de activación de zona se controlarán de tal manera que eliminen y/o inhiban eficazmente la formación de hielo en la superficie del componente mientras se minimiza el consumo de energía y el recuento total de accionadores. Como apreciaría un experto en la técnica, generalmente se consumirá menos energía al accionar uno o más accionadores a frecuencias más bajas, en lugar de accionar los mismos accionadores a altas frecuencias (p. ej., frecuencias ultrasónicas). Asimismo, como también apreciarán los expertos en la técnica, el accionamiento de uno o más accionadores en (o cerca de) las frecuencias resonantes de la superficie de un componente inducirán un mayor desplazamiento en la superficie del componente, por unidad de potencia, en relación con el accionamiento a frecuencias no resonantes de la superficie del componente. Adicionalmente, como también apreciaría un experto en la técnica, en algunas realizaciones, el impulso del accionamiento de una o más zonas sucesivamente en el tiempo consumirá menos energía que el accionamiento simultáneo de todos los accionadores; de este modo, la capacidad de controlar el accionamiento por zona producirá un mayor control sobre la salida de potencia que debe gastarse y reducirá potencialmente el tamaño de la fuente de alimentación necesaria para llevar a cabo algunas realizaciones, ya que se requerirá menos potencia en cualquier momento dado.
La FIG. 13 ilustra un diagrama de flujo que representa un método para inhibir y/o eliminar hielo de un componente de una aeronave de conformidad con otras realizaciones de la invención. El método 1300 comienza con la determinación de las condiciones de formación de hielo, como se muestra en la etapa 1310. En algunas realizaciones, la determinación de las condiciones de formación de hielo se realiza con respecto a las condiciones de formación de hielo en una superficie exterior del componente. En algunas realizaciones, esta determinación se puede hacer usando uno o más sensores tales como los sensores 122 representados en la FIG. 1. Asimismo, las condiciones de formación de hielo pueden determinarse utilizando una variedad de otros sensores; a modo de ejemplo, esta determinación puede basarse, pero sin limitación, en información recibida de uno o más sensores de temperatura, altitud, humedad, velocidad del viento y/o humedad, etc. En algunas realizaciones, las condiciones de formación de hielo de una superficie del componente pueden basarse, al menos en parte, en una impedancia medida de una superficie del componente.
Las etapas 1320, 1330, 1340 y 1350 proporcionan realizaciones de métodos de ejemplo de impulsar accionadores; por ejemplo, proporcionan ejemplos de la etapa 304 de la FIG. 3.
El método 1300 pasa a la etapa opcional 1320 que implica impulsar uno o más de una pluralidad de accionadores a una frecuencia de resonancia constante. Como entendería un experto en la técnica, un componente puede tener múltiples modos/frecuencias resonantes. En algunas realizaciones, uno o más de una pluralidad de accionadores serán impulsados a la misma frecuencia correspondiente al mismo modo/frecuencia de resonancia de un componente. En algunas realizaciones, uno o más de una pluralidad de accionadores se impulsarán a diferentes frecuencias en donde cada frecuencia de accionamiento corresponde a un modo diferente (aún una frecuencia de resonancia) del componente. Adicionalmente, uno o más de una pluralidad de accionadores pueden impulsarse a una frecuencia resonante en donde la frecuencia resonante corresponde a una frecuencia resonante del componente próximo a ese accionador respectivo. Como alternativa, en algunas realizaciones de la invención, uno o más de una pluralidad de accionadores pueden impulsarse a una frecuencia no resonante o cercana a una frecuencia resonante.
En la etapa opcional 1330, uno o más de una pluralidad de accionadores serán accionados mientras se barre a través de una dimensión de la superficie (p. ej., una superficie del componente). Como se ha tratado anteriormente con respecto a la FIG. 12, una pluralidad de accionadores puede impulsarse en tiempos diferentes o superpuestos de una manera de "barrido", a través de una o más superficies o componentes.
En la etapa opcional 1340, uno o más de una pluralidad de accionadores serán accionados mientras se barren las frecuencias de accionamiento de al menos un accionador. En algunas realizaciones, la frecuencia de accionamiento de un accionador, o una pluralidad de accionadores, puede ser necesaria en respuesta a las condiciones cambiantes de resonancia del componente. Por ejemplo, un componente, como la superficie del ala de una aeronave, puede estar sujeto a condiciones ambientales cambiantes durante el vuelo. Como apreciaría un experto en la técnica, las propiedades de resonancia del componente (ala de aeronave) pueden variar debido a factores como la temperatura, altitud, humedad y el efecto de las acumulaciones de hielo, etc. En respuesta a las condiciones cambiantes de resonancia, en algunas realizaciones puede ser ventajoso variar (barrer) la frecuencia de excitación de uno (o más) accionadores para que corresponda con una frecuencia de resonancia nueva o cambiante del componente. Adicionalmente, en algunas realizaciones, debido a factores de consumo de energía, puede ser ventajoso cambiar la frecuencia de activación de uno o más accionadores para reducir (o aumentar) el consumo de energía neta.
En la etapa opcional 1350, una pluralidad de accionadores se accionan zona por zona. Como se ha tratado anteriormente con respecto a la FIG. 12, cada dispositivo de accionamiento puede incluirse esencialmente en cualquier grupo de dispositivos de actuación (es decir, incluido en cualquier zona). En algunas realizaciones, debido al consumo de energía (u otras preocupaciones), puede ser ventajoso activar zonas por ubicación en lugar de activar todos los dispositivos de actuación simultáneamente. Como apreciaría un experto en la técnica, el accionamiento de zona puede ocurrir esencialmente en cualquier patrón en cualquier esquema de tiempo y con cualquier duración. Sin embargo, en algunas realizaciones, la activación de la zona se producirá para lograr un equilibrio entre la eliminación eficiente y/o inhibición de las acumulaciones de hielo en un componente mientras se minimiza el consumo de energía.
En la etapa opcional 1360, se realiza una determinación/detección de las condiciones de formación de hielo. En algunas realizaciones, esta determinación se hará con respecto a las condiciones de formación de hielo en una superficie exterior de un componente. En algunas realizaciones, esta determinación se puede hacer usando uno o más sensores tales como los sensores 122 representados en la FIG. 1. Asimismo, las condiciones de formación de hielo pueden determinarse utilizando una variedad de otros sensores; a modo de ejemplo, esta determinación puede basarse, pero sin limitación, en información recibida de uno o más sensores de temperatura, altitud, humedad, velocidad del viento, impedancia y/o humedad, etc. En algunas realizaciones, las condiciones de formación de hielo de una superficie del componente pueden basarse, al menos en parte, en una impedancia medida de una superficie del componente. En función de las condiciones determinadas, se puede ajustar el modo de conducción y/o la frecuencia de conducción de uno o más accionadores y/o zonas de accionamiento. A modo de ejemplo, el modo/frecuencia de conducción se puede ajustar en cualquiera de los modos descritos en las etapas 1320, 1330, 1340 o 1350 descritas anteriormente.
En la etapa 1370, se tomará una determinación con respecto a la eliminación de las condiciones de formación de hielo. Esta determinación puede referirse a la eliminación de hielo acumulado anteriormente, o puede hacerse con respecto a la probabilidad de nuevas formaciones de hielo, por ejemplo, en función de uno o más factores, incluidos, pero sin limitación: temperatura, altitud, humedad, velocidad del viento, impedancia y/o humedad, etc. En algunas realizaciones, una vez que se verifica la eliminación de hielo del componente, el método 1300 procederá a la etapa 1380 en donde se termina el accionamiento de uno o más de la pluralidad de accionadores.
Las siguientes descripciones no deben tomarse en un sentido limitativo, sino que se hacen simplemente con el propósito de describir los principios generales y realizaciones ilustrativas de la presente invención. El alcance de la invención debe determinarse con referencia a las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (100) para una aeronave que comprende:
un componente (400, 500, 600, 700, 900) de la aeronave que tiene una superficie (1200), en donde el componente (400, 500, 600, 700, 900) comprende al menos una porción de al menos uno de los siguientes: un ala de aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, una pala de rotor de helicóptero y una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración;
una pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210), colocado cada uno próximo a una porción de la superficie (1200); y
una unidad de control (102) acoplada a la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210), la unidad de control (102) configurada para impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) a una o más frecuencias entre 1 Hz y aproximadamente 1 kHz;
en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) está configurado para introducir un desplazamiento de la superficie (1200) en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie (1200) y/o deshacer las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie (1200); en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) comprende un accionador piezoeléctrico (114, 116, 118, 1004, 1210) y la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) son flexibles y se ajustan sustancialmente a una curvatura de la superficie (1200);
en donde la superficie (1200) comprende una porción orientada hacia dentro (402, 502, 602, 702) y una porción orientada hacia fuera (404), estando expuesta dicha porción orientada hacia fuera (404) durante el vuelo, caracterizado por que una pluralidad de tiras de accionador (406, 504, 604, 704, 902), comprendiendo cada una uno o más de dichos accionadores, están dispuestas en dicha porción orientada hacia dentro, siendo dichos accionadores accionadores compuestos de macrofibra.
2. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde la unidad de control (102) está configurada
- para tener una relación peso/salida de potencia inferior a 5,7 gramos (0,0125 libras) por vatio y/o
- para impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) a una o más frecuencias entre aproximadamente 55 Hz y aproximadamente 235 Hz, y/o
- para proporcionar potencia y los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) están configurados para usar la potencia a no más de aproximadamente 0,1 vatios por centímetro cuadrado.
3. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde el componente (400, 500, 600, 700, 900) comprende un ala de la aeronave y la superficie (1200) comprende un borde de ataque del ala con respecto a una dirección de vuelo.
4. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde las una o más frecuencias son una o más frecuencias predeterminadas que corresponden sustancialmente a una o más frecuencias resonantes de la superficie (1200), siendo las frecuencias resonantes al menos una función de una geometría de la superficie (1200).
5. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) está colocado próximo a la porción de la superficie de una manera uniformemente espaciada.
6. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde la superficie (1200) del componente (400, 500, 600, 700, 900) comprende al menos uno de: una aleación, un material compuesto, grafito, un polímero, un termoplástico o fibra de vidrio.
7. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210)
- está configurado para introducir el desplazamiento de la superficie (1200) en las tres dimensiones, incluidas las direcciones transversal y longitudinal.
8. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde la unidad de control (102) está configurada para impulsar de forma selectiva dos o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) en el tiempo en una secuencia relativa entre sí, estando dispuestos los dos o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) en un patrón
- extendiéndose por al menos una porción de la superficie, y/o
- extendiéndose desde una porción de la superficie en un barrido lineal a otra porción de la superficie.
9. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) está dispuesta en una pluralidad de zonas (1220, 1230, 1240, 1250, 1260, 1270), correspondiendo cada zona (1220, 1230, 1240, 1250, 1260, 1270) a una región respectiva de la superficie (1200), en donde la unidad de control (102) está configurada para impulsar de forma selectiva la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) de cada una de la pluralidad de zonas (1220, 1230, 1240, 1250, 1260, 1270) en el tiempo con respecto a otras de la pluralidad de zonas (1220, 1230, 1240, 1250, 1260, 1270), en donde la unidad de control (102) está configurada preferiblemente para impulsar la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) de al menos dos zonas (1220, 1230, 1240, 1250, 1260, 1270) a diferentes frecuencias.
10. El sistema (100) según la reivindicación 1, en donde la unidad de control (102) está configurada para impulsar los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) a una o más frecuencias constantes entre aproximadamente 1 Hz y aproximadamente 1 kHz y/o en donde la unidad de control (102) está configurada para impulsar de forma selectiva los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) en una pluralidad de frecuencias predeterminadas dentro de un período de tiempo predeterminado.
11. El sistema (100) según la reivindicación 1, que comprende, además, al menos un sensor (122) acoplado a los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210), estando configurado el al menos un sensor (122) para detectar una impedancia de los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) cuando son impulsados por la unidad de control (102).
12. El sistema (100) según la reivindicación 11, en donde la unidad de control (102) está acoplada al al menos un sensor (122) y está configurada para conmutar una frecuencia de activación de los uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) en función de la señalización recibida desde el al menos un sensor (122).
13. Un método para su uso con una aeronave que comprende:
impulsar una pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) colocado cada uno próximo a una porción de una superficie de un componente (400, 500, 600, 700, 900) de la aeronave, en donde el componente (400, 500, 600, 700, 900) comprende al menos una porción de al menos uno de los siguientes: un ala de aeronave, una cola de aeronave, un perfil aerodinámico, un timón aeronáutico, una superficie de control de aeronave, como un flap o un timón de profundidad, una pala de turbina eólica, una superficie de admisión del motor, una pala de rotor de helicóptero y una aleta de enfriamiento de serpentín de refrigeración; e
impulsar uno o más de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) a una o más frecuencias entre aproximadamente 1 Hz y aproximadamente 1 kHz, de modo que cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) introduzca un desplazamiento de la superficie (1200) en tres dimensiones para inhibir la formación de hielo en al menos la porción de la superficie (1200) y/o deshacer las formaciones de hielo existentes en al menos la porción de la superficie;
en donde cada uno de la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) comprende un accionador piezoeléctrico (114, 116, 118, 1004, 1210) y la pluralidad de accionadores (114, 116, 118, 1004, 1210) son flexibles y se ajustan sustancialmente a una curvatura de la superficie (1200);
y en donde la superficie (1200) comprende una porción orientada hacia dentro (402, 502, 602, 702) y una porción orientada hacia fuera (404), estando expuesta dicha porción orientada hacia fuera (404) durante el vuelo, caracterizado por que una pluralidad de tiras de accionador (406, 504, 604, 704, 902), comprendiendo cada una uno o más de dichos accionadores, están dispuestas en dicha porción orientada hacia dentro, siendo dichos accionadores accionadores compuestos de macrofibra.
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