고급 항공기 센서, 실시간 결빙 감지 및 용해율 모니터링 제공

브리티시컬럼비아 대학교(UBC) 오카나간 캠퍼스 연구자들이 항공기 결빙 센서의 실시간 응답을 개선했습니다. 내장 안테나로 향상된 센서는 이제 항공에 중요한 두 가지 데이터인 결빙 축적과 용해율을 즉시 식별할 수 있습니다.

현재 항공기 결빙 감지는 구식 육안 검사나 임피던스 감지 두 가지 방식으로 수행됩니다. 임피던스 감지는 퇴적된 결빙이 쌓이고 녹을 때까지 감지할 수 없습니다.

UBC 시스템은 육안 확인 의존성과 결빙 축적을 감지하기 위한 액체 물 필요성을 제거한다고 주연구자이자 UBC 조교수 Mohammad Zarifi는 말합니다.

"이것은 조종사가 시각적으로 결빙 존재 여부를 판단하기 훨씬 전에 감지할 수 있게 합니다."라고 Zarifi는 Tech Briefs에 말했습니다.

(아래 비디오에서 Glenn 연구센터가 카메라를 사용해 결빙 축적이 항공기 엔진에 미치는 영향을 조사하는 것을 보세요.)

센서에 안테나를 통합함으로써 UBC 개발 장치의 결과를 운영자와 실시간으로 공유하여 축적 문제를 해결할 수 있습니다.

마이크로파 센서는 사실 5.82GHz에서 작동하는 분할링 공진기(SRR)라는 광학 나노구조입니다. 내장 가열 기능을 가진 이 센서는 표면 위나 주변의 유전율 변화를 감지하여 물과 얼음을 효과적으로 구별합니다.

물은 얼음보다 더 많은 전기 에너지를 저장하며, SRR은 이 두 가지 특정 유전율 수준을 측정하는 데 특별히 적합합니다.

기술 관련 연구는 Applied Materials and Interfaces 링크 저널에 게재되었습니다. Zarifi 교수 주도의 연구는 항공기, 도로, 보도 등 결빙과 서리가 큰 관심사인 응용 분야에서 SRR이 결빙 감지 센서로서 효과적임을 입증했습니다.

보호층이 포함된 특허받은 센서는 현재 항공 산업의 승인을 위해 테스트 중입니다. UBC 팀은 캐나다 국방부의 자금 지원을 최근 발표했으며, 이는 연구자들이 개발을 계속할 수 있게 할 것입니다.

Zarifi는 또한 여러 풍력 터빈 회사들과 협력하여 센서를 풍력 단지에 적용하고 있습니다.

이 기술이 더 낮은 온도에서 어는 소금물 얼음을 감지할 수 있기 때문에 이 장치는 추가로 해양 석유 굴착 장치와 해양 인프라의 축적 감지에 도움을 줄 수 있습니다.

아래 Tech Briefs와의 짧은 인터뷰에서 Prof. Zarifi는 왜 이 장치가 항공 및 재생에너지 산업 모두의 주목을 받았는지 설명합니다.

Tech Briefs: UBC 초기 보도자료 링크에 따르면 초기 결과로 항공 및 재생에너지 산업으로부터 큰 관심을 받았다고 했습니다. 더 자세히 말씀해 주실 수 있습니까? 무엇이 항공 및 재생에너지 산업의 관심을 끌었습니까? 그리고 그들의 반응이 연구의 다음 단계를 어떻게 알렸습니까?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: 우리 결빙 감지 장치에 대한 초기 관심은 구조의 공기역학적 특성이 극도로 중요한 응용 분야에서 왔습니다. 항공기 날개나 풍력 터빈 날개 모양의 작은 변화가 결빙 형성으로 인해 양력이나 발전량에 급격한 영향을 미칠 수 있습니다.

항공우주 산업에서 이 결빙 센서에 대한 향후 작업은 흔히 결빙 이벤트 가능성을 줄이기 위해 뿌려지는 결빙 방지 유체가 존재하는 환경에서 결빙 형성에 대한 장치 감도를 향상시키는 것입니다.

Tech Briefs: 풍력 터빈의 경우는 어떻습니까?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: 풍력 터빈의 결빙 감지는 다르게 수행됩니다. 터빈을 모니터링하는 엔지니어는 같은 풍속에서 예상 생산량 대비 발전량 감소를 통해 결빙 형성을 예측할 수 있습니다. 이 센서들은 발전량에 영향이 가기 훨씬 전에 결빙을 감지할 수 있어 엔지니어가 제빙 시스템을 켤 충분한 시간을 줍니다. 풍력 업계 엔지니어들로부터 받은 정보에 따르면 다음 단계는 장치를 패키징하고 현장에 구현하여 추가 특성화를 수행하고 산업 적용을 준비하는 것이라고 믿습니다.

Tech Briefs: 센서가 무엇을 감지할 수 있으며, 센서 정보가 오늘날 항공기에서 사용할 수 있는 현재 감지 옵션보다 어떻게 더 가치가 있습니까?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: 우리 센서는 표면에서 결빙이 발생하는 것을 육안으로 볼 수 있기 훨씬 전에 결빙 형성을 감지할 수 있습니다. 또한 결빙 두께와 퇴적 속도 같은 정보를 추출할 수 있습니다. 이는 기내 결빙 이벤트를 경험하는 조종사에게 조기 경고를 제공하여 제빙 시스템을 활성화하거나 단순히 고도를 변경하여 조건을 피할 수 있게 하므로 가치가 있습니다.

결빙 두께 표시는 풍력 터빈 작업자들에게 여러 이유로 중요합니다. 첫째, 터빈 아래에서 작업하는 경우 두꺼운 얼음판이 떨어져 누군가를 다치게 하지 않을지 확신하고 싶을 것입니다. 정확한 결빙 두께 감지의 또 다른 이유는 엔지니어가 결빙 이벤트 동안 터빈 블레이드 피치를 조정하여 발전량을 최대화하는 방법을 알 수 있기 때문입니다.

Tech Briefs: 안테나를 센서에 통합하면 어떤 응용이 가능합니까?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: 최근 우리는 안테나를 센서로 사용하는 것을 조사하고 있습니다. 안테나가 센서 어레이의 복잡성을 크게 줄일 수 있기 때문에 결빙 감지에 안테나를 사용하는 것에 관심이 있습니다. 다른 주파수에서 작동하는 송신 안테나 어레이를 구현하고 데이터를 단일 수신 안테나로 전송할 수 있다면 데이터의 중앙화와 처리가 크게 단순화됩니다. 이는 넓은 표면에서 결빙 감지를 수행해야 하는 경우에 응용이 있습니다.

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Tech Briefs: 다음 단계는 무엇입니까? 현재 무엇에 힘쓰고 있습니까?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: 이 프로젝트의 다음 단계는 센서를 패키징하고 현장에 구현하는 것입니다. 또한 항공우주 응용 분야를 위해 결빙 방지 물질이 존재하는 환경에서 감지를 수행할 수 있는 방법을 추가로 조사해야 합니다.

다양한 산업에서 이렇게 많은 관심이 유입되어 매우 흥분됩니다. 극한 환경 조건, 해수 스프레이, 결빙 방지 물질, 단순히 복잡한 공기역학적 구조 등 어떤 과제든 우리는 성공적인 결빙 센서를 구현할 수 있다고 믿습니다.

이 연구는 캐나다 자연과학공학연구위원회 디스커버리 그랜트, Mitacs 액셀러레이트 그랜트, 캐나다 혁신재단 그랜트, 캐나다 국방부 그랜트로 지원되었습니다.

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