Geavanceerde vliegtuigsensor biedt real-time ijsdetectie en smeltsnelheidsmonitoring

Onderzoekers van de University of British Columbia (UBC) in Okanagan hebben de realtime-respons van vliegtuig-ijs-sensoren verbeterd. Met een ingebouwde antenna, kunnen de verbeterde sensoren nu onmiddellijk twee typen cruciale luchtvaartdata identificeren: ijsopbouw en smeltsnelheid.

Momenteel wordt ijsdetectie op vliegtuigen uitgevoerd op één van twee manieren: met een oudmoderne oogcontrole, of met impedantie-sensing. Impedantie-sensing vereist de opbouw en dan het smelten van het afgestorte ijs voordat het gedetecteerd kan worden.

Het UBC-systeem verwijdert de afhankelijkheid van visuele bevestiging en de noodzaak voor vloeibaar water om ijsopbouw te voelen, volgens hoofdonderzoeker en UBC-assistent-professor Mohammad Zarifi.

"Dit stelt detectie ver vóór de piloot visueel kan bepalen of ijs aanwezig is," zei Zarifi tegen Tech Briefs.

(In een onderstaande video, zie hoe Glenn Research Center camera's gebruikte om te onderzoeken hoe ijsopbouw een vliegtuigmotor beïnvloedt.)

Door een antenna in de sensor te incorporeren, kunnen de resultaten van het UBC-ontwikkelde apparaat in realtime met de operator gedeeld worden om eventuele opbouw aan te pakken.

De microgolfsensor is eigenlijk een optische nano-structuur bekend als een split-ring resonator (SRR), werkend op 5,82 GHz. De sensor, met ingebouwde verwarmingscapaciteiten, onderscheidt effectief tussen water en ijs door veranderingen in de dielektrische eigenschappen op of rond zijn oppervlak te detecteren.

Water slaat een groter bedrag elektrisch energie op dan ijs, en een SRR is speciaal uitgerust om de twee specifieke permittiviteitsniveaus te meten.

Onderzoek gerelateerd aan de technologie werd gepubliceerd in het tijdschrift Applied Materials and Interfaces hier. De studie, geleid door Prof. Zarifi, demonstreerde de effectiviteit van SRRs als ijsdetectiesensoren voor toepassingen waar ijs en rijp van groot belang zijn, zoals op vliegtuigen, wegen, of looppaden.

De gepatenteerde sensor, die een beschermende laag bevat, wordt nu getest voor goedkeuring door de luchtvaartindustrie. Het UBC-team kondigde recentelijk ook financiering aan van Canada's Department of National Defense, wat de onderzoekers in staat stelt de ontwikkeling voort te zetten.

Zarifi collaboreert ook met een aantal windturbine-bedrijven om de sensoren in windparken aan te passen.

Omdat de technologie zoutrijk ijs kan voelen, dat bij koudere temperaturen vriest, kan het apparaat additioneel helpen detecteren van opbouw op olierigs en mariene infrastructuur.

In een kort interview met Tech Briefs hieronder legt Prof. Zarifi uit waarom het apparaat de aandacht van zowel de luchtvaart- als hernieuwbare-energie-industrie heeft getrokken.

Tech Briefs: Een vroege persbericht van UBC hier zei dat je veel interesse ontving van de luchtvaart- en hernieuwbare-energie-industrie, gebaseerd op je initiële bevindingen. Kun je er meer over zeggen? Wat was van belang voor de luchtvaart- en hernieuwbare-energie-industrie? En hoe informeerde hun reactie de volgende stap van je onderzoek?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: De initiële interesse ontvangen op ons ijsdetectieapparaat is gekomen van toepassingen waar de aerodynamische eigenschappen van een structuur van extreem belang zijn. Kleine veranderingen in de vorm van een vliegtuigvleugel of windturbineblad door ijsvorming kunnen drastische impact hebben op de lift of gegenereerde kracht door deze structuren.

Toekomstig werk in de luchtvaartindustrie op deze ijssensor zal zijn om de gevoeligheid van het apparaat te verbeteren voor ijsvorming in de aanwezigheid van anti-ijsvloeistoffen die doorgaans gesproeid worden om de kans op een ijsevent te verminderen.

Tech Briefs: Wat met windturbines?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Ijsdetectie op windturbines wordt anders uitgevoerd. De ingenieur die de turbine monitort kan ijsvorming voorspellen door een afname in stroomproductie vergeleken met de verwachte productie bij dezelfde windsnelheden. Deze sensoren zouden de capaciteit hebben om ijs ver vóór de stroomproductie beïnvloed wordt te detecteren en voldoende tijd geven voor de ingenieur om de-ijsystemen aan te zetten. Gebaseerd op informatie die we van ingenieurs in de windindustrie hebben ontvangen, geloven we dat de volgende stap is om het apparaat te verpakken en in het veld te implementeren om verdere karakterisatie uit te voeren en het voor industriële toepassing voor te bereiden.

Tech Briefs: Wat is je sensor in staat te detecteren, en hoe is de sensorinformatie waardevoller dan de huidige detectieopties beschikbaar op vandaag's vliegtuigen?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Onze sensor is in staat om ijsvorming ver vóór je het ziet op een oppervlak te detecteren. We zijn ook in staat om informatie te extraheren zoals ijskdikte en depositiesnelheid. Dit is waardevol omdat het vroege waarschuwing geeft aan piloten die een in-vlucht-ijsevent ervaren, hen in staat stellend anti-ijsystemen te activeren of simpelweg hoogte te veranderen om de condities te vermijden.

Indicatie van ijskdikte is belangrijk voor mensen die aan windturbines werken uit meerdere redenen. Allereerst dat als je onder de turbine werkt, wil je zeker weten dat een dik vel ijs niet af gaat vallen en iemand mogelijk verwondt. Een andere reden voor accurate ijskdichtedetectie is omdat het de ingenieur kan informeren hoe de turbinebladen te pitchen om stroomuitvoer te maximaliseren tijdens een ijsevent.

Tech Briefs: Welke toepassingen zijn mogelijk zodra je een antenna in de sensor kunt incorporeren?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Recent hebben we het gebruik van antennae als de sensor onderzocht. We zijn geïnteresseerd in het gebruik van antennae voor ijsdetectie omdat ze de complexiteit van het arrayen van sensoren aanzienlijk kunnen verminderen. Als we een array van zendende antennae kunnen implementeren, werkend op verschillende frequenties, en de data overgedragen wordt naar een enkele ontvangende antenna, is de centralisatie en verwerking van de data aanzienlijk vereenvoudigd. Dit heeft toepassingen in het geval dat ijsdetectie over een groot oppervlak uitgevoerd moet worden.

Meer Sensor Innovaties op Tech Briefs

Leer over NASA's wiel-gebaseerde ijssensoren voor voertuigen.

Transducers van Lewis Research Center kunnen de aanwezigheid van ijs detecteren.

Ga naar ons Sensors & Test Kennis Hub.

Tech Briefs: Wat is er aan de hand? Waar werk je nu aan?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: De volgende stap in dit project is om de sensor te verpakken en in het veld te implementeren. We moeten ook verder methoden onderzoeken die ons toelaten detectie uit te voeren in de aanwezigheid van anti-ijsmaterialen voor luchtvaarttoepassingen.

Het is allemaal heel opwindend omdat we zo'n influx van interesse van diverse industrieën hebben gehad en we kijken ernaar uit om de unieke uitdagingen die elke applicatie oplegt te begrijpen. Wat de uitdagingen ook zijn, extreme omgevingscondities, zeespray, anti-ijsmaterialen, of simpelweg complexe aerodynamische structuren, geloven we dat we in staat zijn succesvolle ijssensoren te implementeren.

Het onderzoek werd gefinancierd door een National Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, Mitacs Accelerate Grant, en subsidies van de Canada Foundation for Innovation, en het Canadese Department of National Defense.

Wat denk je? Deel je vragen en reacties hieronder.