用于复合飞机的信号返回网络的制作方法
本国际pct专利申请依赖于2016年11月11日提交的美国临时专利申请第62/420,613号的优先权，其全部内容通过引用并入在本文中。
本公开总地涉及复合飞机中的电磁威胁防护，并且更具体地涉及信号返回网络。
背景技术：
与大多数地面交通工具不同，飞机在被闪电或其它大放电攻击时不提供到地面的直接路径。相反，当闪电攻击具有金属机身的飞机时，电流将在飞机的主体(其作为法拉第笼)的外部上行进，并且被传送到另一云或其它元件。以这种方式，金属机身还可作为用于飞机上的任何电气系统的地平面。然而，具有复合机身的飞机不能提供相同的类似法拉第笼的特性：因为复合材料是不良导体，所以闪电在未提供电流路径的情况下可损坏复合机身。此外，复合机身不能作为用于电气系统的地平面。
因此，为了解决这些问题，许多现有的复合飞机提供一对网络：用于通过飞机导引(route)闪电的闪电网络，以及用作飞机上的电气系统的地平面的信号返回网络。紧跟对复合飞机的闪电攻击之后，电流在飞机的复合表面上发展，这在信号返回网络上生成衍生电流。通过对飞机的闪电攻击所生成的衍生电流可在电气系统中感应另外的电流，可能影响系统的抗扰度，或者对电气系统造成损坏。这对于电气系统的机上敷设电缆产生更高的屏蔽要求，以保护免受感应电流影响，从而增加飞机重量。
因此，需要改进的信号返回网络设计。
技术实现要素：
本公开提供一种飞机以及用于减少流向(例如，复合)飞机上的电气系统的电流的系统集成方法。信号返回网络与复合结构间隔开，并且第一非导电部件和第二非导电部件分别在第一附接点和第二附接点处附接在信号返回网络与复合结构之间。导电部件在第三附接点处附接在信号返回网络与复合结构之间，以用于将信号返回网络电耦合到复合结构。导电部件将信号返回网络电耦合到复合结构，从而为沿着复合结构的表面朝向信号返回网络行进的电流提供路径。
依照一个广泛方面，提供了一种飞机，包括：复合结构；信号返回网络，所述信号返回网络与复合结构间隔开；第一非导电部件，所述第一非导电部件在第一附接点处附接在信号返回网络与复合结构之间；第二非导电部件，所述第二非导电部件在第二附接点处附接在信号返回网络与复合结构之间；以及导电部件，所述导电部件在第三附接点处附接在信号返回网络与复合结构之间，以用于将信号返回网络电耦合到复合结构。
在一些实施例中，第三附接点基本上位于信号返回网络的中点处。
在一些实施例中，第一附接点和第二附接点分别位于信号返回网络的第一端和第二端处。
在一些实施例中，飞机还包括：位于飞机内的至少一个电气系统；以及至少一个电连接器，所述至少一个电连接器用于将电气系统电耦合到信号返回网络。
在一些实施例中，第三附接点是从复合结构到信号返回网络的唯一电气路径，并且其中，信号返回网络的其余部分是电浮置的。
在一些实施例中，信号返回网络与复合结构间隔开至少一英寸。
在一些实施例中，复合结构的阻抗小于从第三附接点观察的包括导电部件和信号返回网络的路径的阻抗。
在一些实施例中，在第三附接点与第一附接点之间的信号返回网络的阻抗基本上等于在第三附接点与第二附接点之间的信号返回网络的阻抗。
在一些实施例中，在信号返回网络和连接到信号返回网络的电缆的闭合电气回路中生成的总磁通量φtot被定义为
在一些实施例中，在电缆的芯中感应的时变电压vinc(t)被定义为
依照另一广泛方面，提供了用于减少流向飞机的至少一个电气系统的电流的系统，包括：用于接收电流的复合结构；导电部件，所述导电部件附接到复合结构，以用于将电流分成沿着复合结构行进的结构电流和沿着导电部件行进的导电路径电流；信号返回网络，所述信号返回网络从复合结构隔开，并附接到导电部件，以将信号返回网络电耦合到复合结构，从而将导电路径电流分成通过信号返回网络路在相反方向上朝向至少一个电气系统导引的第一信号返回网络电流和第二信号返回网络电流；以及第一非导电部件和第二非导电部件，所述第一非导电部件和所述第二非导电部件分别在第一附接点和第二附接点处附接在信号返回网络和复合结构之间。
在一些实施例中，信号返回网络在第三附接点处附接到导电部件，所述第三附接点基本上位于信号返回网络的中点处。
在一些实施例中，第一附接点和第二附接点分别位于信号返回网络的第一端和第二端处。
在一些实施例中，导电部件是从复合结构到信号返回网络的唯一电气路径，并且其中，信号返回网络的其余部分是电浮置的。
在一些实施例中，信号返回网络与复合结构间隔开至少一英寸。
在一些实施例中，复合结构的阻抗小于从第三附接点观察的包括导电部件和信号返回网络的路径的阻抗。
在一些实施例中，在导电部件与第一附接点之间的信号返回网络的阻抗基本上等于在导电部件与第二附接点之间的信号返回网络的阻抗。
在一些实施例中，在信号返回网络和连接到信号返回网络的电缆的闭合电气回路中生成的总磁通量φtot被定义为
在一些实施例中，在电缆的芯中感应的时变电压vinc(t)被定义为
依照另一个广泛方面，提供了用于减少流向飞机的至少一个电气系统的电流的方法，包括：在飞机的复合结构处接收电流；将电流分成沿着复合结构行进的结构电流和通过导电部件向复合结构行进的导电路径电流；将导电路径电流分成在相反方向上沿着信号返回网络行进的第一信号返回网络电流和第二信号返回网络电流；以及将第一信号返回网络电流和第二信号返回网络电流导引到所述至少一个电气系统，以在所述至少一个电气系统中产生相反的感应电流。
在一些实施例中，分离导电路径电流包括基本上在信号返回网络的中点处分离导电路径电流。
在一些实施例中，导电路径是从复合结构到信号返回网络的唯一电气路径，并且其中，信号返回网络的其余部分是电浮置的。
在一些实施例中，信号返回网络与复合结构间隔开至少一英寸。
在一些实施例中，结构电流具有比导电路径电流的幅值大的幅值。
在一些实施例中，第一信号返回网络电流和第二信号返回网络电流具有基本上相等的幅值。
在一些实施例中，在信号返回网络和连接到信号返回网络的电缆的闭合电气回路中生成的总磁通量φtot被定义为
在一些实施例中，在电缆的芯中感应的时变电压vinc(t)被定义为
本文中描述的系统、设备和方法的特征可被以各种组合使用，并且还可被以各种组合用于该系统和计算机可读存储介质。
附图说明
从结合附图进行的以下详细描述中，本文中描述的实施例的另外的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是示例飞机的图。
图2是根据实施例的信号返回网络设计的图。
图3a至图3d是基于图2的信号返回网络设计的电流图。
图4是图2的信号返回网络设计的电路图。
图5是飞机对外部电流的示例频率响应的图表。
图6是图2的信号返回网络的框图表示。
图7是根据实施例的用于减少流向飞机的至少一个电气系统的电流的方法的流程图。
应注意的是，在所有附图中，相似的特征通过相似的附图标记来标识。
具体实施方式
参考图1，具有机身11、一对机翼14和尾翼16的飞机10配备有驾驶舱12和一个或多个飞行部件18。飞机10可以是任何类型的飞机，包括螺旋桨飞机、喷气式飞机、涡轮喷气式飞机、涡轮螺旋桨飞机、涡轮轴飞机、滑翔机等。驾驶舱12可以被设置在飞机10上的任何适合的位置处，例如在机身11的前部处。驾驶舱12被构造用于容纳一个或多个飞行员，飞行员通过一个或多个操作员控制件(未图示)来控制飞机10。操作员控制件可以包括任何适合数目的踏板、轭、方向盘、中心杆、飞行杆、杠杆、旋钮、开关等。
机身11是复合机身，该复合机身可由一种或多种复合材料制成，所述复合材料包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物、玻璃等。在某些实施例中，机身由复合材料的多个层制成。机翼14和尾翼16还可由任何一种或多种复合材料制成，所述复合材料可以是与如用于机身11的材料相同的材料，或者可以是不同的材料，或材料的合成物。
参考图2，飞机10可被设计成提供信号返回网络，以用于减少流向飞机10的至少一个电气系统的电流。更具体地，信号返回网络220与飞机10的复合结构210间隔开。复合结构210可以是机身11或其一部分、一个或多个机翼14或其一部分、尾翼16或其一部分，或其任何适合的组合。信号返回网络220可以是由任何适合的导电材料制成的线、网或其它结构。在一些实施例中，信号返回网络220例如是由铜制成的金属线。信号返回网络220与复合结构210间隔开任何适合的距离，例如至少一英寸。
一对非导电部件240附接在信号返回网络220与复合结构210之间。非导电部件240用于将信号返回网络220固定到复合结构210。非导电部件240中的第一个位于第一附接点242处，并且非导电部件240中的第二个位于第二附接点244处。第一附接点242和第二附接点244可位于信号返回网络220的基本上相反的端处，或者在任何其它适合的位置处。非导电部件240可以是适合于将信号返回网络220固定到复合结构210的任何部件，例如由塑料或其它电介质制成的支撑件。尽管图示了仅两个非导电部件240，然而应该理解的是，可在信号返回网络220与复合结构210之间附接任何适合数目的非导电部件。
附加地，导电部件250在第三附接点246处附接在信号返回网络220与复合结构210之间。导电部件250可由导电金属(诸如铜、银、铝)制成，或者由允许将信号返回网络220电耦合到复合结构210的任何其它适合的导电材料制成。第三附接点246可以位于信号返回网络220的中点处，位于第一附接点242与第二附接点244之间的中点处，或者位于相对于信号返回网络220和/或第一和第二非导电部件240的任何其它适合的位置处。简言之，导电部件250作为复合结构210与信号返回网络220之间的导电路径，同时信号返回网络220的其余部分相对于复合结构210电浮置。
飞机10还包括一个或多个电气系统230(这里被示出为电气系统232和234)，其电耦合到信号返回网络220，并且使用信号返回网络220作为地平面。电气系统230可使用任何适合的连接装置(例如电缆束或屏蔽电缆)耦合到信号返回网络220，并且可以以任何适合的方式互连。例如，电气系统230中的每一个均可经由一条或多条电线连接到信号返回网络220，所述一条或多条电线被焊接、粘合或者以其它方式连接到信号返回网络220。
参考图3a至图3d，示出了电流图的系列。在图3a中，外部电流300(例如闪电)攻击复合结构210，使第一结构电流310沿着复合结构210行进。在某些情况下，第一结构电流310沿着复合结构210的表面行进。在其它情况下，第一结构电流310通过复合结构210而行进。在仍然其它的情况下，第一结构电流310可沿着复合结构210的表面并通过复合结构210而行进。
在图3b中，在到达导电部件250时，第一结构电流310分成第二结构电流320和导电路径电流330。第二结构电流320沿着复合结构210的表面和/或通过复合结构210继续，并且导电路径电流330沿着导电部件250从复合结构210向信号返回网络220行进。在一些实施例中，导电路径电流330在幅值上比第二结构电流320小。在其它实施例中，导电路径电流330和第二结构电流320具有基本上类似的幅值。
在图3c中，在到达信号返回网络220时，导电路径电流330被分成第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344。第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344在相反方向上沿着信号返回网络220行进，并且具有与信号返回网络220的、第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344行进所沿着的部分成比例的幅值。例如，如果导电部件250所位于的第三附接点246是在信号返回网络220的中点处，则第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344将各自沿着信号返回网络220的约略一半行进。信号返回网络220的两半将具有基本上相等的阻抗，并且因此第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344将具有为导电路径电流330的幅值的约略一半的、基本上相等的幅值。
在图3d中，第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344沿着信号返回网络220向电气系统230行进。因为第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344在相反方向上行进，所以第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344将在电气系统230中产生相反的感应电流，从而减少电气系统230经受的总电流。
因此，由于信号返回网络220经由导电部件250电耦合到复合结构210并且除此之外是电浮置的，所以沿着导电部件250向信号返回网络220行进的任何电流被分成两个部分，即第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344，其当在电气系统230中感应电流时将至少部分地抵消。在某些实施例中，感应电流可以比其中信号返回网络220在多个点处连接到复合结构210的飞机中电气系统230可能经受的那些感应电流低多达6db(分贝)。
参考图4，提供电路图来图示图2的实施例。这里，复合结构210被建模为电阻器412；导电部件250被建模为电阻器450；信号返回网络220被建模为绕第三附接点246分开的两个分支，每个分支具有电阻器422、428和电感器424、426；用于通向电气系统230的敷设电缆的电缆屏蔽层430被建模为两个电阻器-电感器对432、434和436、438；并且用于敷设电缆的电缆芯440被建模为两个电感器442、444。互感464在电感器424和434之间即在信号返回网络220的第一分支与电缆屏蔽层430的第一分支之间发展。类似地，第二互感466在电感器426和436之间即在信号返回网络220的第二分支与电缆屏蔽层430的第二分支之间发展。
如上文所讨论的，外部电流300到达导电部件250并分离，以通过导电部件250朝向信号返回网络220发送导电路径电流330。导电路径电流330然后根据等式(1)随着它进入信号返回网络220而分离：
icp＝isnr1+isnr2(1)
其中icp是导电路径电流330，isnr1是第一信号返回网络电流342，并且isnr2是第二信号返回网络电流344。
由于电流isnr1和isnr2的方向，根据等式(2)和等式(3)，将在信号返回网络220和电缆屏蔽层430的闭环中发展两个磁通量：
其中φ1和φ2分别是第一磁通量和第二磁通量，lsh是作为电感器434和436建模的电缆屏蔽层430的电感，length是信号返回网络220的长度，并且msh/sn是信号返回网络220与电缆屏蔽层430之间的互感耦合，示出为元件464和466。
可将这些通量表达为和，如在等式(4)中一样：
其中φtot是总磁通量。
在其中第三附接点246基本上位于信号返回网络220的中点处的实施例中，第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344将是基本上相等的，因为信号返回网络220的第一分支和第二分支将呈现基本上等效的阻抗。从而，
并且可将等式(4)重写为
并且通过信号返回网络220与电缆屏蔽层430之间的互感464、466在电缆屏蔽层430上产生感应电流的磁通量φtot与导电路径电流330的一半成比例。
可将在电缆屏蔽层上感应的时变电流ish(t)表达为等式(7)：
其中t是时间，rsh是电缆屏蔽层转移电阻，并且lsh是电缆屏蔽层转移电感。在等式(7)中，
基于等式(6)和(7)，可将经由磁感应在电缆芯440上发展的时变电压vcore(t)表达为等式(8)：
其中msh/c是电缆屏蔽层430与电缆芯440之间的互感。
可将等式(8)的经由磁感应在电缆芯440上发展的时变电压vcore(t)与当实现常规的信号返回网络系统时在电缆芯440上感应的电压相比较。更容易在频域中执行这种比较，其中经由磁感应在电缆芯440上发展的频率相关电压vcore(ω)可通过等式(9)来表达：
其中ω是角频率，使得ω＝2πf，其中f是频率。
参考图5，示出了具有图2的实施例的飞机10和常规飞机的示例响应与外部电流300的比较的结果，其中飞机10的示例响应被示出为线502，并且常规飞机的响应被示出为线504。因此，如上文所讨论的，在某些实施例中，电气系统230经受的感应电流可比在常规飞机中电气系统230将经受的那些感应电流低多达6db(分贝)。
参考图6，飞机10包括用于减少流向飞机10的一个或多个电气系统230的电流的系统200。系统200包括复合结构210、导电部件250、信号返回网络的第一分支2201和第二分支2202，以及可选地电气系统230本身。导电部件250附接到复合结构210，以将外部电流300分成沿着复合结构210行进的结构电流(例如第二结构电流320)，以及沿着导电部件250行进的导电路径电流330。信号返回网络220附接到导电部件250，以将信号返回网络220的两个分支2201、2202电耦合到复合结构210，以便将导电路径电流330分成通过信号返回网络220在相反方向上朝向至少一个电气系统230导引的第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344。系统200还可包括第一和第二非导电部件240，所述第一和第二非导电部件240分别在第一附接点242和第二附接点244处附接在信号返回网络220与复合结构210之间。
外部电流300攻击复合结构210，并且外部电流300的一部分被作为导电路径电流330沿着导电部件250重定向。沿着导电部件250行进的导电路径电流330在信号返回网络的两个分支2201、2202之间分离，并且沿着信号返回网络2的分支2201、220行进的两个信号返回网络电流342、344然后行进到电气系统230。
参考图7，示出了用于减少流向飞机10的电气系统230的电流的方法700。在步骤702处，在飞机10的复合结构210处接收电流，诸如外部电流300。所接收到的电流作为第一结构电流310沿着复合结构210行进。
在步骤704处，所接收到的(例如作为第一结构电流310沿着复合结构210行进的)电流被分成沿着复合结构210行进的第二结构电流320和沿着导电部件250行进的导电路径电流330。在一些实施例中，导电部件250的阻抗大于复合结构210的阻抗，并且因此第二结构电流320的幅值大于导电路径电流330的幅值。
在步骤706处，导电路径电流330被分成在相反方向上沿着信号返回网络220行进的第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344。可通过在第一附接点242和第二附接点244处经由第一和第二非导电部件240并且在第三附接点246处经由导电部件250将信号返回网络220附接到复合结构210，来分离导电路径电流330。在一些实施例中，导电路径电流330基本上在信号返回网络220的中点处分离。在其它实施例中，导电路径250是从复合结构210到信号返回网络220的唯一电气路径，并且信号返回网络220的其余部分是电浮置的。
在步骤708处，第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344被导引到电气系统230，以在电气系统230中产生相反的感应电流。因此，方法700的实施方式可使磁通量和电压像上文所描述的那样被生成。这用来减小在电气系统230处生成的感应电压，这进而可导致对用于电气系统230的电缆屏蔽层的要求降低。在某些实施例中，第一信号返回网络电流342和第二信号返回网络电流344具有基本上相等的幅值。
本文中公开的用于减少流向飞机的电气系统的电流的方法和系统的各个方面以及飞机本身可以被单独、相结合地使用，或者在前面描述的实施例中未具体讨论的各种布置中使用，并且因此在其应用上不限于在前面描述中阐述或者在附图中图示的部件的细节和布置。例如，可以将一个实施例中描述的方面以任何方式与其它实施例中描述的方面组合。尽管已经示出并描述了特定实施例，然而对于本领域的技术人员而言显然的是，在不脱离本发明的情况下，可以在其更广泛方面中做出变化和修改。以下权利要求的范围不应该受到示例中阐述的优选实施例限制，而是应该被给予与整个说明书一致的最广泛合理的解释。
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