高度航空機センサー：リアルタイム着氷検知と融解率監視

ブリティッシュコロンビア大学（UBC）オカナガンキャンパスの研究者たちは、航空機着氷センサーのリアルタイム応答を改善しました。内蔵アンテナにより、強化されたセンサーは現在、航空にとって極めて重要な2種類のデータ、着氷蓄積と融解率を即座に特定できます。

現在、航空機の着氷検出は2つの方法のいずれかで行われます：旧来の目視チェック、またはインピーダンスセンシング。インピーダンスセンシングでは、堆積した氷の蓄積と融解が起きてからでないと検出できません。

UBCシステムは目視確認への依存と、氷蓄積を感知するために液体水を必要とすることを排除します、と主任研究者のUBC助教Mohammad Zarifi氏は述べています。

「これにより、パイロットが目視で氷の有無を判断できるよりもはるかに前から検出可能です」とZarifi氏はTech Briefsに語っています。

（以下の動画では、グレン研究センターがカメラを用いて氷の蓄積が航空機エンジンに与える影響を調べた様子をご覧いただけます。）

アンテナをセンサーに組み込むことで、UBC開発デバイスの結果をオペレーターとリアルタイムで共有し、蓄積への対処が可能になります。

このマイクロ波センサーは、実際にはスプリットリング共振器（SRR）として知られる光学ナノ構造で、5.82GHzで動作します。内蔵加熱機能を持つセンサーは、表面上または周囲の誘電特性変化を検出することで水と氷を効果的に区別します。

水は氷より多くの電気エネルギーを蓄え、SRRはこの2つの特定の誘電率を測定するのに特に適しています。

関連研究はジャーナル『Applied Materials and Interfaces』に掲載されました。Zarifi教授主導の研究は、航空機、道路、歩道など氷と霜が極めて重要な用途でのSRR着氷検知センサーとしての有効性を実証しました。

保護層を含む特許取得済みセンサーは、現在航空業界の承認に向けた試験中です。UBCチームは最近、カナダ国防省からの資金提供も発表され、研究者たちは開発を継続できます。

Zarifi氏はまた、複数の風力タービン企業と協力し、センサーを風力発電所に適応させています。

この技術は塩分を含む氷（より低温で凍結）を検知できるため、洋上石油掘削リグや海洋インフラでの蓄積検知にも役立つ可能性があります。

以下のTech Briefsとの短いインタビューで、Zarifi教授はなぜこのデバイスが航空業界と再生可能エネルギー業界の両方の注目を集めたかを説明しています。

Tech Briefs：UBCの初期プレスリリースで、初期結果に基づき航空業界と再生可能エネルギー業界から大きな関心を受けたとありました。詳しく教えていただけますか？ 何が両業界の関心を引いたのですか？ 彼らの反応が次の研究ステップにどう影響しましたか？

Prof. Mohammad Hossein Zarifi：初期の関心は、構造物の空力特性が極めて重要な用途から来ました。航空機翼や風力タービンブレードの形状の小さな変化が、これらの構造物が発生する揚力や電力に劇的な影響を与える可能性があるためです。

航空宇宙業界での今後の作業は、抗氷剤（着氷イベントの可能性を減らすために一般的に散布される）の存在下での氷形成に対するデバイス感度の向上です。

Tech Briefs：風力タービンの場合はどうですか？

Prof. Mohammad Hossein Zarifi：風力タービンでの着氷検出は異なります。タービン監視エンジニアは、同じ風速での期待発電量と比較して発電量の低下から氷形成を予測します。これらのセンサーは発電量に影響が出るはるか前に氷を検出でき、エンジニアが除氷システムを作動させる十分な時間を与えます。風力業界のエンジニアから得た情報に基づき、次のステップはデバイスをパッケージングし、現場で実装してさらなる特性評価を行い、産業応用に向けた準備を進めることだと考えています。

Tech Briefs：センサーは何を検出でき、その情報は今日の航空機で利用可能な現在の検出オプションよりどう価値がありますか？

Prof. Mohammad Hossein Zarifi：私たちのセンサーは、表面で起きているのが目視できるよりもはるか前に氷形成を検出できます。また、氷の厚さや堆積率などの情報を抽出できます。これは、機内着氷イベントを経験しているパイロットへの早期警告として価値があり、抗氷システムの作動や単純な高度変更で条件回避が可能になります。

氷厚の表示は風力タービン作業者にとって複数の理由で重要です。第一に、タービンの下で作業している場合、厚い氷板が落下して誰かを負傷させないことを確実にしたいからです。正確な氷厚検出のもう一つの理由は、着氷イベント中にタービンブレードをどのようにピッチ制御すれば発電量を最大化できるかをエンジニアに知らせるからです。

Tech Briefs：アンテナをセンサーに組み込めると、どんな用途が可能になりますか？

Prof. Mohammad Hossein Zarifi：最近、アンテナをセンサーとして使用することを調査しています。アンテナを着氷検知に用いることに関心があるのは、センサーのアレイ化複雑性を大幅に減らせるからです。異なる周波数で動作する送信アンテナのアレイを実装し、データを単一受信アンテナに送信できれば、データの一元化と処理が大幅に簡素化されます。これは広い表面で着氷センシングを行う必要がある場合に応用があります。

Tech Briefsのさらなるセンサー革新

NASAの車輪ベース着氷センサーについて学ぶ。

ルイス研究センターのトランスデューサは氷の存在を検出できます。

センサー＆テスト知識ハブへ。

Tech Briefs：次は？ 今何に取り組んでいますか？

Prof. Mohammad Hossein Zarifi：このプロジェクトの次のステップはセンサーをパッケージングし、現場で実装することです。また、航空宇宙用途で抗氷材料存在下での検出を可能にする手法のさらなる調査も必要です。

さまざまな業界からこのような関心の流入があり、非常にエキサイティングです。それぞれの用途が課す独自の課題に取り組むことを楽しみにしています。極限環境条件、海水噴霧、抗氷材料、単純な複雑な空力構造など、どんな課題であっても、成功する着氷センサーを実装できると信じています。

研究はカナダ自然科学工学研究評議会ディスカバリグラント、Mitacsアクセラレートグラント、カナダイノベーション財団グラント、カナダ国防省グラントによって資金提供されました。

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