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Dokumentenidentifikation DE60018728T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001175622
Titel FESTE MULTIFUNKTIONSSONDE FÜR LUFTFAHRZEUG
Anmelder Thales Avionics S.A., Velizy-Villacoublay, FR
Erfinder CHOISNET, Joel, F-94117 Arcueil Cedex, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60018728
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 28.04.2000
EP-Aktenzeichen 009253584
WO-Anmeldetag 28.04.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/FR00/01162
WO-Veröffentlichungsnummer 0000067039
WO-Veröffentlichungsdatum 09.11.2000
EP-Offenlegungsdatum 30.01.2002
EP date of grant 16.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G01P 13/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01P 5/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Multifunktionssonde, die dazu bestimmt ist, den statischen Druck und den Gesamtdruck sowie den Anströmwinkel der Strömung eines Fluids in der Nähe eines Luftfahrzeugs zu messen. Die Sonde ist besonders dazu bestimmt, die Parameter der Luftströmung in der Nähe eines Flugzeugs zu messen.

Der statische Druck ist ein sehr wichtiger Parameter für die Sicherheit eines Flugzeugs. Eine internationale Norm erstellt einen Zusammenhang zwischen dem statischen Druck und der Höhe. Dieser Zusammenhang wird verwendet, um ein Luftfahrzeug eindeutig einer Höhe zuzuordnen, indem ihm ein statischer Druckwert zugeteilt wird, der während seines Flugs eingehalten werden muss.

Der Gesamtdruck wird nicht als solcher ausgewertet, aber er ermöglicht es, den dynamischen Druck zu bestimmen, indem der Differenzdruck zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck berechnet wird. Der dynamische Druck ist ein sehr wichtiger Parameter, da er es ermöglicht, die Geschwindigkeit der Luftströmung zu bestimmen; die Geschwindigkeit der Luftströmung ihrerseits kommt in der Berechnung des Auftriebs des Flugzeugs vor.

Die Druckmessungen werden mittels Druckmessstellen durchgeführt. Die ersten bekannten Sonden waren mit einer einzigen Druckmessstelle ausgerüstet. Diese Begrenzung bedingte die Verwendung mehrerer Sonden, um die verschiedenen Druckmessungen durchführen zu können.

Die üblicherweise verwendete Konfiguration enthält:

  • – eine statische Drucksonde, um den lokalen statischen Druck Ps zu messen
  • – eine Gesamtdrucksonde, um den Gesamtdruck Pt zu messen
  • – und einen Anströmwinkelmesser, um den lokalen Anströmwinkel &agr; zu messen.

Mit einer solchen Konfiguration erfordert die Berechnung der Parameter statischer Druck Ps, Gesamtdruck Pt und lokaler Anströmwinkel &agr; die genaue Kenntnis einerseits der Eigenschaften der drei Sonden und andererseits des aerodynamischen Felds des Flugzeugs an den Positionspunkten der Sonden auf dem Flugzeugrumpf. Außerdem erfordert jede Sonde ihr eigenes Enteisungssystem.

Um diese Nachteile zu beseitigen, kann der Fachmann auf eine Multifunktionssonde zurückgreifen. Eine Multifunktionssonde ermöglicht es vorteilhafterweise, die obigen Parameter an einem gleichen Punkt des Flugzeugs zu messen. Die Optimierung der Position der Sonde vereinfacht die Berechnungen. Die Verwendung einer Multifunktionssonde ermöglicht es, die Anzahl von Sonden zu reduzieren, und folglich ermöglicht sie es, die zum Enteisen notwendige Erwärmungsleistung zu reduzieren. Es gibt verschiedene Arten von Multifunktionssonden.

Eine erste Art fasst die beweglichen Multifunktionssonden zusammen. Eine Sonde dieser Art, wie sie im Patent 3 079 758 beschrieben ist, weist einen beweglichen Teil, allgemein Anströmwinkelmesser genannt, auf, der in der Richtung des Luftstroms positioniert wird und der Messstellen für den statischen Druck und den Gesamtdruck trägt. Die Herstellung dieser Art von Sonde ist sehr schwierig. Der Anströmwinkelmesser erfordert eine komplexe mechanische Verbindung mit dem festen Teil der Sonde. Die Verbindung muss die Drehung des Anströmwinkelmessers ermöglichen und gleichzeitig eine Kontinuität der Druckleitungen zwischen dem Anströmwinkelmesser und dem festen Teil gewährleisten, wobei diese Kontinuität keine Lecks aufweisen darf. Die Herstellung der Dichtheit ist also schwierig, da sie mit der Drehung des Anströmwinkelmessers kompatibel sein muss.

Eine zweite Art fasst die festen Multifunktionssonden zusammen. Eine typische Sonde ist im Patent US 4 096 744 beschrieben. Diese Sonde besitzt Druckmessstellen, die an verschiedenen Stellen der Sonde verteilt sind. Diese Verteilung ermöglicht nach der Berechnung den Zugriff auf die Informationen über die Höhe, die Geschwindigkeit und den Anströmwinkel. Diese Sonde weist aber eine Gesamtdruck-Messstelle Pt am vorderen Ende der Sonde auf; diese Messstelle wird häufig als "Pitot" bezeichnet. Die Pitot-Messstelle macht die Nase der Sonde empfindlich. Das Patent US 5 628 565 beschreibt eine ausgereifte Sonde, die in der Lage ist, gleichzeitig verschiedene Drücke und die Temperatur des Luftstroms zu messen. Aber auch diese Sonde ist mit einer Pitot-Messstelle versehen, die die Nase der Sonde empfindlich macht.

Der nächstliegende Stand der Technik wird vom Patent DE 196 40 606 gebildet. Eine Ausführungsvariante ist aus dem Patent FR 1 300 142 bekannt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine feste Multifunktionssonde für ein Luftfahrzeug zu liefern, die den oben erwähnten Nachteil nicht aufweist.

Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine feste Multifunktionssonde für ein Luftfahrzeug zum Gegenstand, die einen geschlossenen vorderen Teil aufweist und mindestens drei Druckmessstellen besitzt, die in verschiedenen Teilabschnitten an bestimmten Punkten des Sondenkörpers verteilt sind. Die erfindungsgemäße feste Multifunktionssonde ermöglicht die Messung der Parameter der bezüglich der Sonde in Bewegung befindlichen Fluidströmung. Zu diesem Zweck weist sie auf:

  • – einen um eine Längsachse drehsymmetrischen Körper, der von einer abgerundeten Kappe verschlossen wird, wobei der Körper in der Strömung angeordnet ist,
  • – mindestens drei Druckmessstellen, die sich an bestimmten Punkten des Körpers befinden und auf unterschiedliche Teilabschnitte verteilt sind, um einen ersten, einen zweiten und einen dritten Druckwert zu erfassen,
  • – Druckmesseinrichtungen, die den Druckmessstellen zugeordnet sind, um mindestens so viele Drücke P1, .... Pn zu messen, wie Druckmessstellen vorhanden sind,
  • – Rechenmittel, um den lokalen Anströmwinkel &agr; der Strömung zu berechnen, indem ein bestimmtes Verhältnis gemessener Drücke in Abhängigkeit vom lokalen Anströmwinkel &agr; in folgender Form ausgedrückt wird:
    wobei A, B, C, D, E, F Konstanten sind, die nur von den Koordinaten der Druckmessstellen abhängen, wobei die bestimmte Position der Druckmessstellen so ist, dass der Ausdruck des Verhältnisses in Abhängigkeit vom lokalen Anströmwinkel &agr; praktisch linear ist,

    und um den Gesamtdruck Pt der Strömung in Höhe der Sonde, den statischen Druck Ps im Unendlichen stromaufwärts vor der Sonde und den dynamischen Druck Pt–Ps ausgehend von Druckkoeffizienten kP der Druckmessstellen zu berechnen.

Aufgrund der nicht vorhandenen Pitot-Druckmessstelle ist eine erfindungsgemäße Sonde robuster als eine feste Multifunktionssonde, die mit einer solchen Messstelle ausgestattet ist. Außerdem ermöglicht das Nichtvorhandensein einer Pitot-Messstelle die Freigabe von Raum für den Einbau eines Heizkreises, wodurch das Enteisen an der Nase der Sonde verbessert wird.

Der feste Aufbau der Sonde erleichtert die Überprüfung der Unversehrtheit der Sonde vor dem Flug sowie die Übertragung der Heizenergie und der pneumatischen Drücke. Der Aufbau der Sonde ermöglicht sowohl einen Einbau an der Flugzeugnase, ähnlich wie der Einbau eines Nasenrohrs, als auch einen Einbau entlang des Flugzeugrumpfs mit Hilfe eines als Träger dienenden Masts und mit Hilfe einer Befestigungsplatte.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die Sonde drei Druckmessstellen auf. Die Druckmessstellen sind Druckmesseinrichtungen und Rechenmitteln zugeordnet. Die Sonde ermöglicht es, den lokalen Anströmwinkel, den Gesamtdruck und den statischen Druck der aerodynamischen Strömung wiederherzustellen, in der sie angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Sonde keine Gesamtdruck-Messstelle auf.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Sonde eine vierte Druckmessstelle auf, die Druckmesseinrichtungen zugeordnet ist. Eine solche Sonde ermöglicht es auch, die oben aufgeführten Parameter (lokaler Anströmwinkel, Gesamtdruck und statischer Druck der Strömung) wiederherzustellen, aber mit einer Sicherung der Informationen, die die erste Ausführungsform nicht ermöglicht. Eine Störung einer der Messstellen oder einer der Druckmesseinrichtungen kann nach einem Vergleich der verschiedenen ausgehend von den verschiedenen Messungen berechneten Werte erfasst und angezeigt werden. Wie bei der ersten Ausführungsform weist die Sonde keine Gesamtdruck-Messstelle auf.

Die Erfindung wird gut verstanden werden und weitere Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkende Darstellung zu verstehen ist. Die Beschreibung erfolgt anhand der beiliegenden Figuren, die zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen festen Multifunktionssonde,

2 eine schematische Darstellung der Anordnung der Druckmessstellen einer erfindungsgemäßen Sonde,

3 die Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit an einem Punkt der Sonde,

4 eine besondere Anordnung der Druckmessstellen der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde,

5 eine besondere Anordnung der Druckmessstellen der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde,

6 eine erfindungsgemäße feste Multifunktionssonde, die außerdem Mittel zum Messen der Gesamttemperatur aufweist.

1 stellt schematisch eine feste Multifunktionssonde gemäß der Erfindung dar. Die Sonde besitzt einen Körper 1, Druckmessstellen 2, Druckmesseinrichtungen 3 und Rechenmittel 4.

Der Körper 1 hat ein Profil mit einer Drehsymmetrie um eine Längsachse X. Das Profil ist so, dass die Strömung des Fluids im Anströmwinkel-Nutzbereich keine Ablösung aufweist. Dieser Bereich kann zum Beispiel zwischen Anströmwinkeln von ± 40° liegen. Der Körper wird von einer abgerundeten Kappe 5 verschlossen. Der Körper ist in der Strömung des Fluids angeordnet. Die Sonde weist mindestens drei Druckmessstellen 2 auf, wobei jede Druckmessstelle einen Druck Pe, Pi, Pr misst. Die Druckmessstellen sind auf dem Körper angeordnet und stehen über hermetisch abgedichtete Kanäle mit Druckmesseinrichtungen 3 in Verbindung. Die Druckmesseinrichtungen sind den Druckmessstellen 2 zugeordnet, um mindestens so viele Drücke zu messen, wie Druckmessstellen 2 vorhanden sind. Die Druckmesseinrichtungen bestehen aus Differenzdruck- oder Absolutdrucksensoren C1, ..., Cn. Die Ausgänge P1, ..., Pn der Sensoren werden von den Rechenmitteln 4 ausgewertet. Die Rechenmittel 4 können einen Prozessor oder ein Mikrokontrollorgan aufweisen, um die Berechnungen der Parameter der Strömung des Fluids ausgehend von gemessenen Druckwerten P1, ..., Pn durchzuführen.

2 zeigt schematisch in einem Diagramm die Anordnung der Druckmessstellen auf dem Körper 1 einer erfindungsgemäßen Sonde. Die Sonde weist mindestens drei Druckmessstellen PPe, PPi, PPr auf, derart, dass:

PPe durch ihre Abszisse xe und ihren Winkel ϕe gekennzeichnet wird,

PPi durch ihre Abszisse xi und ihren Winkel ϕi gekennzeichnet wird,

PPr durch ihre Abszisse xr und ihren Winkel ϕr gekennzeichnet wird.

Jede Druckmessstelle hat einen Druckkoeffizienten kP, der sich gemäß den folgenden Beziehungen ausdrückt:

wobei bedeuten:

Ps der statische Druck im Unendlichen stromaufwärts vor der Sonde,

P der Druck an der betrachteten Messstelle,

Pt der Gesamtdruck der Strömung in Höhe der Sonde,

V die Geschwindigkeit der Strömung in Höhe der betrachteten Messstelle für eine Geschwindigkeit im Unendlichen stromaufwärts vor der Sonde gleich dem Einheitswert.

Für eine in Betracht gezogene Druckmessstelle sind die Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in 3 dargestellt. V ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in Höhe der betrachteten Druckmessstelle 6 für eine Geschwindigkeit im Unendlichen stromaufwärts gleich dem Einheitswert. Die Darstellung zeigt eine Sonde, deren Körperprofil 1 durch eine Ellipse simuliert wird. Die Achse X der Abszissen entspricht der Längsachse der Sonde. Die Strömung des Fluids mit einer Geschwindigkeit V und einem Anströmwinkel &agr; kann in zwei Strömungen unterteilt sein, eine Längsströmung und eine Querströmung. Der Längsströmung entspricht eine Geschwindigkeit stromaufwärts parallel zur Symmetrieachse X der Sonde und mit einem Modul Vcos&agr;. Im betrachteten Punkt der Fläche tangiert die induzierte Geschwindigkeit V1cos&agr; den Meridian an diesem Punkt. Der Querströmung entspricht eine Geschwindigkeit stromaufwärts senkrecht zur Symmetrieachse X der Sonde und mit einem Modul Vsin&agr;. Die am betrachteten Punkt der Fläche induzierte Geschwindigkeit hat eine Komponente mit einem Modul V2sin&agr;cos&PHgr;, die in diesem Punkt den Meridian tangiert, und eine Komponente mit einem Modul V3sin&agr;sin&PHgr;, die den Kreis im betrachteten Punkt tangiert. &PHgr; stellt die Winkelposition des Punkts bezüglich der Anströmebene dar, die von der Symmetrieachse X der Sonde und der Geschwindigkeit stromaufwärts V der Strömung des Fluids definiert wird. Die Werte von V1, V2 und V3 hängen nur von der Abszisse des betrachteten Punkts ab. Die Überlagerung der Längs- und Querströmungen ermöglicht die Berechnung der Geschwindigkeit V an jedem Punkt der Sonde, insbesondere an einer Druckmessstelle, gemäß der Beziehung: V2= (V1 cos&agr; + V2 sin&agr; cos&PHgr;)2 + (V3 sin&agr; sin&PHgr;)2(3) wobei bedeuten:

&agr; der Anströmwinkel der Strömung,

&PHgr; die Winkelposition der Druckmessstelle bezüglich der Anströmebene,

V1, V2, V3 die Komponenten der Geschwindigkeit am betrachteten Punkt. Die Geschwindigkeiten V1, V2, V3 werden für eine Geschwindigkeit im Unendlichen stromaufwärts gleich dem Einheitswert berechnet. Die Komponenten der Geschwindigkeit V1, V2 und V3 hängen nur von der Abszisse der Druckmessstelle ab. Sie werden gemäß einem üblichen Verfahren ausgehend vom Profil der Sonde berechnet, zum Beispiel gemäß dem Verfahren HESS und SMITH.

Der Ausdruck (2) des Druckkoeffizienten kann unter Verwendung der Formeln cos2&agr; = ½(1 + cos2&agr;), sin2&agr; = ½(1 – cos2&agr;) und 2sin&agr;·cos&agr; = sin2&agr; entwickelt werden, um den Koeffizienten folgendermaßen auszudrücken: kP = 1 – a – b·cos2&agr; – c·sin2&agr;(4) wobei a, b und c Konstanten sind, die nur von der Position der Druckmessstelle und dem Profil der Sonde abhängen.

Die den Druckmessstellen zugeordneten Druckmesseinrichtungen messen mindestens ebenso viele Drücke wie es Druckmessstellen gibt. Eine erste Einrichtung ist ein Differenzsensor, der P1 = Pe – Pr misst. Eine zweite Einrichtung ist ein Differenzsensor, der P2 = Pi – Pr misst. Eine dritte Einrichtung ist ein Absolutdrucksensor, der P3 = Pr misst. Dies ermöglicht es den Rechenmitteln, das Verhältnis

zu messen, das folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

Dieses Verhältnis kann folgendermaßen geschrieben werden:

wobei A, B, C, D, E, F Werte sind, die nur von den Koordinaten (xe, xi, xn, ϕe, ϕi, ϕn) der Druckmessstellen abhängen.

Wenn diese Koordinaten geeignet gewählt werden, ist es möglich zu erreichen, dass A = 0, B = 0 und F = 0, und dass E/D einen solchen Wert hat, das das Verhältnis

mit dem Anströmwinkel &agr; praktisch linear ist.

Für eine Variation von &agr; von ±40° mit E/D = 0,560825 ist zum Beispiel der Ausdruck des Verhältnisses in Abhängigkeit von &agr; bis auf 10–3 linear.

Die Berechnung des Verhältnisses

ermöglicht es so, den Anstömwinkel &agr; und dann die Druckkoeffizienten kPe, kPi, kPr und dann (Pt–Ps), Ps und Pt zu bestimmen.

Das System ist aber nicht optimiert, da die Variation des Verhältnisses

bezüglich des Nutzbereich-Anströmwinkels &agr; nicht die größtmögliche ist. Dies ist aber wünschenswert, um die Präzision der Berechnungen zu optimieren.

4 stellt schematisch in einem Diagramm eine besondere Anordnung der Druckmessstellen der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde dar. Diese Anordnung ermöglicht eine Optimierung der Bestimmung der Parameter der Strömung. Die Position jeder der drei Druckmessstellen PPe, PPi und PPr1 wird in Abhängigkeit vom Profil des Körpers 1 der Sonde so bestimmt, dass:

  • – PPe sich an der Oberseite der Sonde in einem ersten Teilabschnitt 7 vorzugsweise senkrecht zur Achse der Sonde und in der Anströmebene befindet,
  • – PPi sich auf der Unterseite der Sonde im gleichen Teilabschnitt wie PPe und PPe diametral gegenüberliegend in der Anströmebene befindet, und
  • – die Messstelle PPr1 aus einem Kranz von miteinander in Verbindung stehenden Löchern besteht. Der Kranz befindet sich im gleichen Teilabschnitt 8, vorzugsweise senkrecht zur Achse der Sonde. Die Löcher haben vorzugsweise einen gleichmäßigen Abstand auf dem Umfang dieses Teilabschnitts. Wenn die Druckmessstelle PPr1 acht Löcher aufweist, sind diese vorzugsweise in einem Abstand von 45° zueinander angeordnet. Diese besondere Ausführungsform entspricht der Darstellung der 4.

De Begriffe Oberseite und Unterseite beziehen sich auf einen Einbau der Sonde entlang des Flugzeugrumpfs. Von einer Druckmessstelle PPe wird gesagt, dass sie sich an der Oberseite der Sonde befindet, wenn sie sich in der von der Achse der Sonde und der Geschwindigkeit der Strömung im Unendlichen stromaufwärts definierten Anströmebene und auf der dem Wind entgegengesetzten Seite für die positiven Anströmwinkel befindet. Eine Messstelle PPi auf der Unterseite liegt einer Messstelle auf der Oberseite diametral gegenüber.

Die Druckmessstellen auf der Oberseite sind durch einen Winkel &PHgr; gleich 0 gekennzeichnet. Die Druckmessstellen auf der Unterseite sind durch einen Winkel &PHgr; gleich &pgr; gekennzeichnet.

Bei einem Einbau auf der Nase des Flugzeugs können zwei zusätzliche Druckmessstellen im ersten Teilabschnitt in einer Ebene senkrecht zu der Ebene angeordnet werden, die die Messstellen auf der Unterseite und der Oberseite enthält. Die vier Druckmessstellen des ersten Teilabschnitts haben vorzugsweise den gleichen Abstand voneinander.

Die Kenntnis der Komponenten der Geschwindigkeit ermöglicht es, die Druckkoeffizienten kPe, kPi und kPr1 zu berechnen, die in den folgenden Beziehungen ausgedrückt werden: kPe = (Pe – Ps)/(Pt – Ps)(8) oder auch: kPe = 1 – (V1cos&agr; + V2sin&agr;)2 (da &PHgr;=0)(9) kPi = (Pi – Ps)/(Pt – Ps)(10) oder auch: kPi = 1 – (V1cos&agr; – V2sin&agr;)2 (da &PHgr;=n)(11) kPr1 = (Pr1 – Ps)/(Pt – Ps)(12) oder auch: kPr1 = 1 – (V'1cos&agr;)2 – 0,5(V'2sin&agr;)2 – 0,5{V'3sin&agr;)2(13)

Der Koeffizient kPr1 wird berechnet, indem der Mittelwert der Koeffizienten der acht zur Bildung der Messstelle PPr1 miteinander in Verbindung stehenden Löcher erzeugt wird.

Die Komponenten V'1, V'2 und V'3 der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an der Druckmessstelle PPr1 unterscheiden sich von den Komponenten V1, V2 und V3 der Strömungsgeschwindigkeit an den Druckmessstellen PPe und PPi. Tatsächlich befindet sich die Druckmessstelle PPr1 auf einer anderen Abszisse als die Druckmessstellen PPe und PPi.

Die Druckkoeffizienten kPe, kPi und kPr1 sind periodische Funktionen des Anströmwinkels &agr;, und sie haben eine Periode &pgr; aufgrund der Potenz zwei, die in den Beziehungen (9), (11) und (13) auftritt.

Die drei Drucksensoren C1, C2, C3 sind den Druckmessstellen zugeordnet. C1 ist ein Differenzsensor, der P1 = Pe – Pr1 misst. C2 ist ein Differenzsensor, der P2 = Pi – Pr1 misst. C3 ist ein Absolutwertsensor, der P3=Pr1 misst. Es kann eine andere Wahl für die Art von Sensoren (Differenz/Absolutwert) getroffen werden.

Die Rechenmittel ermöglichen es, das folgende Verhältnis zu berechnen: (P1 – P2)/(P1 + P2) das gemäß den folgenden Beziehungen ausgedrückt wird: (P1 – P2)/(P1 + P2) = (Pe – Pi)/(Pe + Pi – 2·Pr1)(14) oder auch: (P1 – P2)/(P1 + P2) = (kPe – kPi)/(kPe + kPi – 2·kPr1)(15)

Unter Berücksichtigung der Ausdrücke von kPe, kPi und kPr1 in Abhängigkeit von &agr; kann das Verhältnis (P1 – P2)/(P1 + P2) folgendermaßen geschrieben werden: (P1 – P2)/(P1 + P2) = (&agr;·sin(2&agr;))/(b + c·cos(2&agr;))(16) wobei a, b und c Konstanten sind, die nur von der Position der Druckmessstellen auf der Sonde abhängen.

Die Kenntnis des Verhältnisses (P1 – P2)/(P1 + P2) ermöglicht es also, den Anströmwinkel &agr; zu berechnen.

Aber die Beziehung (16) entspricht allgemein einer nicht linearen Funktion des Anströmwinkels &agr; in Abhängigkeit vom Druckverhältnis. Für einen begrenzten Anströmwinkelbereich kann diese Funktion mittels einer sinnvollen Wahl der Konstanten a, b und c, d.h. mittels einer sinnvollen Wahl der Position der Druckmessstellen auf der Sonde, linear gemacht werden. Mit einer solchen Wahl kann man zum Beispiel erhalten:

eine mittlere Nicht-Linearität (quadratischer Fehler) von ± 10–3 in einem Anströmwinkelbereich von ± 40°, wenn c/b = 0,560825,

oder auch eine mittlere Nicht-Linearität (quadratischer Fehler) von ± 3 × 10–3 in einem Anströmwinkelbereich von ± 50°, wenn c/b = 0,59998,

oder auch eine mittlere Nicht-Linearität (quadratischer Fehler) von ± 7,5 × 10–3 in einem Anströmwinkelbereich von ± 60°, wenn c/b = 0,65422.

Da der Anströmwinkel eine praktisch lineare Funktion des Druckverhältnisses ist, kann er mit einer guten Präzision berechnet werden. Die nachfolgende numerische Anwendung stellt eine besondere Ausführungsform der Erfindung dar; die Hypothesen der Anwendung sind die Folgenden:

  • – der Flugbereich des Luftfahrzeugs geht von 0 bis 257 m/s, was im üblicherweise in der Luftfahrt verwendeten Meßsystem 500 kt entspricht,
  • – der Anströmwinkelbereich des Luftstroms beträgt ± 40° im Geschwindigkeitsintervall zwischen 0 und 103 m/s, was im üblicherweise in der Luftfahrt verwendeten Meßsystem 200 kt entspricht, und er nimmt mit V2 im Geschwindigkeitsintervall zwischen 103 und 257 m/s ab, was im üblicherweise in der Luftfahrt verwendeten Meßsystem 200 bzw. 500 kt entspricht.

Die Sensoren C1 und C2 müssen in dem Intervall arbeiten, das sich von –32 bis +350 hPa erstreckt. Indem man als weitere Bedingung annimmt, dass die Sensoren C1 und C2 eine Präzision von ± 0,25 hPa haben, wird die Berechnung des Anströmwinkels &agr; für eine Geschwindigkeit von 51 m/s, was im üblicherweise in der Luftfahrt verwendeten Meßsystem 100 kt entspricht, mit einer Präzision von:

0,75° für &agr; = ± 40°

0,5° für &agr; = ± 30°

0,3° für &agr; = ± 20°

0,25 für &agr; = 0°

angegeben.

In Kenntnis des Anströmwinkels &agr; ermöglichen die Beziehungen (9), (11) und (13) die Berechnung der Druckkoeffizienten kPe, kPi und kPr1. Die Beziehungen (8), (10) und (12) können kombiniert werden, um den dynamischen Druck (Pt–Ps), den statischen Druck Ps und den Gesamtdruck Pt auszudrücken.

Der dynamische Druck wird durch die folgende Beziehung angegeben: (Pt – Ps) = (P1 + P2)/(kPe + kPi – 2kPr1)(13)

Der statische Druck Ps wird durch die folgende Beziehung angegeben: Ps = P3 – kPr1(Pt – Ps)(14)

Der Gesamtdruck wird durch die folgende Beziehung angegeben: Pt = (Pt – Ps) + Ps(15)

Indem man in den Gleichungen (13), (14) und (15) die Druckkoeffizienten kPe, kPi und kPr1 durch ihren Wert ersetzt, ermöglicht dies die Bestimmung des dynamischen Drucks, des statischen Drucks Ps und des Gesamtdrucks. Die Drücke Pe und Pi werden erhalten, indem P1 + P3 bzw. P2 + P3 berechnet wird.

Wenn man einen Sensor C3 mit einem Messbereich von 0 bis 1100 hPa und mit einer Präzision von ± 0,25 hPa nimmt, werden die Präzisionen der für eine Geschwindigkeit von 51 m/s, was im üblicherweise in der Luftfahrt verwendeten Meßsystem 100 kt entspricht, berechneten Werte:

  • • für den berechneten dynamischen Druck

    0,18 hPa für &agr;=0°

    0,28 hPa für &agr;=± 40°
  • • für den berechneten statischen Druck Ps

    0,14 hPa für &agr;=0°

    0,25 hPa für a=± 40°

5 stellt schematisch in einem Diagramm eine besondere Anordnung der Druckmessstellen der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde dar. Die Sonde weist zusätzlich zu den bereits in der ersten Ausführungsform beschriebenen Druckmessstellen eine vierte Druckmessstelle PPr2 auf, die den Druckmesseinrichtungen zugeordnet ist. Im beschriebenen Beispiel weisen die Druckmesseinrichtungen einen vierten Drucksensor C4 auf. Der vierte Drucksensor C4 wird von gleicher Art wie der dritte Sensor C3 gewählt.

Die Druckmessstelle PPr2 weist wie die Messstelle PPr1 einen Kranz von miteinander in Verbindung stehenden Löchern auf, die sich in einem gleichen Teilabschnitt 9 befinden. Die Löcher der Messstelle PPr2 befinden sich auf einer anderen Abszisse als die Löcher der Messstelle PPr1. Die Abszisse der Löcher der Messstelle PPr2 wird so gewählt, dass der Druckkoeffizient kPr2 sich für den Anströmwinkel-Nutzbereich so weit wie möglich vom Druckkoeffizienten kPr1 unterscheidet. Die vom Sensor C4 gelieferten Daten ermöglichen es, eine Überwachung der Gültigkeit der Informationen durchzuführen. Diese Überwachung läuft folgendermaßen ab.

  • • ein erster Wert von &agr;, von (Pt–Ps) und von Ps, sowie der Wert der Drücke Pe und Pi werden wie oben beschrieben ausgehend von den von den Sensoren C1, C2 und C3 gelieferten Informationen berechnet. &agr;·r·Ts
  • • ein zweiter Wert von &agr;, von (Pt–Ps) und von Ps wird ausgehend von den berechneten Werten von Pe und Pi und ausgehend vom vom Sensor C4 gemessenen Druck berechnet. Diese zweiten Werte werden mit den ersten Werten von &agr;, von (Pt–Ps) und von Ps verglichen.

Das Ergebnis des Vergleichs ermöglicht es, eine Fehlfunktion in einem der Messkanäle zu erfassen.

Wenn die Sonde vier Druckmessstellen im ersten Teilabschnitt aufweist, ermöglichen es die beiden zusätzlichen Messstellen, das Abströmen der Luftströmung zu berechnen. Diese Berechnung wird in ähnlicher Weise wie die Berechnung des Anströmwinkels &agr; durchgeführt.

Die oben beschriebene Multifunktionssonde ermöglicht es, die Geschwindigkeit und den Anströmwinkel der Luftströmung ausgehend von mehreren Druckmessstellen zu bestimmen.

Es ist außerdem bekannt, dass die tatsächliche Geschwindigkeit des Flugzeugs von der statischen Temperatur Ts der Luftströmung abhängt. Da diese Temperatur schwierig zu messen ist, misst man üblicherweise die Gesamttemperatur Tt der Luftströmung, von der man die statische Temperatur Ts durch die folgende Gleichung ableitet: Tt = (1 + 0,2 M2) Ts wobei M die Machzahl darstellt. Die Machzahl ist das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Flugzeugs und der Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit Vs ist aber abhängig von der statischen Temperatur Ts der Luftströmung:

Gleichung, in der:

&ggr; eine Konstante nahe 1,4 ist

r die Konstante der idealen Gase ist.

Die Machzahl berechnet sich ihrerseits ausgehend vom statischen Druck Ps und vom Gesamtdruck Pt, die vorher bestimmt wurden:

So kann man die tatsächliche Geschwindigkeit des Flugzeugs ausgehend vom Gesamtdruck Pt, vom statischen Druck Ps, sowie von der Gesamttemperatur Tt bestimmen.

Üblicherweise werden getrennte Sonden hergestellt, wobei eine Sonde die Druckmessstellen und eine andere Mittel zum Messen der Gesamttemperatur Tt aufweist.

Erfindungsgemäß ist es bei der Herstellung einer Multifunktionssonde ohne Pitot-Messstelle vorteilhaft, Messeinrichtungen für die Gesamttemperatur Tt hinzuzufügen. Ein Beispiel einer solchen Sonde wird anhand von 6 beschrieben.

In dieser Figur weist die Multifunktionssonde den Körper 1 auf, der mit einem Sockel 8 verbunden ist, der sich von der Achse X entfernt und dessen Funktion es ist, die Position des Körpers 1 bezüglich einer Flugzeughaut 9 beizubehalten. Um die Figur zu vereinfachen, wurden die Druckmessstellen PPr1, PPr2 und PPe nicht dargestellt.

Die Multifunktionssonde weist außerdem Mittel zum Messen der Gesamttemperatur der Luftströmung auf.

Vorteilhafterweise besitzen diese Mittel zwei Kanäle, von denen ein erster Kanal 10 eine Eingangsöffnung 11 besitzt, die im Wesentlichen gegenüber der Luftströmung liegt, wenn diese in Richtung der Achse X ausgerichtet ist. Der erste Kanal 10 weist weiter eine Ausgangsöffnung 12 auf, die es der sich im ersten Kanal 10 befindlichen Luft ermöglicht, aus diesem auszutreten, indem sie der Richtung der Achse X folgt. Teilchen, die möglicherweise im ersten Kanal 10 zirkulieren, treten aus diesem aus, ohne mit einem Temperaturfühler in Kontakt zu gelangen, dessen Position später beschrieben wird. Diese Teilchen bestehen zum Beispiel aus Wassertropfen oder aus Staub.

Der zweite Kanal 13, der Mittel aufweist, um die Gesamttemperatur der Luftströmung zu messen, weist eine Eingangsöffnung 14 auf, die sich in den ersten Kanal 10 öffnet. Der zweite Kanal 13 ist zum Beispiel im Wesentlichen senkrecht zum ersten Kanal 10. Ein Teil der im ersten Kanal 10 strömenden Luft dringt in den zweiten Kanal 13 über die Eingangsöffnung 14 ein und tritt aus dem zweiten Kanal 13 durch eine Ausgangsöffnung 15 aus, die sich nach außen zur Rückseite des Sockels 8 öffnet.

Die Mittel zum Messen der Gesamttemperatur der Luftströmung weisen außerdem einen Temperatursensor 16 auf, der sich im Inneren des zweiten Kanals 13 befindet. Der Temperatursensor 16 weist zum Beispiel einen Draht auf der Basis von Platin auf, der einen elektrischen Widerstand bildet, dessen Wert in Abhängigkeit von seiner Temperatur variabel ist. Der Temperatursensor 16 ist im zweiten Kanal 13 so befestigt, dass alle Wärmeübertragungen zwischen dem Aufbau des zweiten Kanals 13 und dem Temperaturfühler 16 weitgehend vermieden werden.

Die beiden Kanäle 10 und 13 sind so ausgebildet, dass von der Luftströmung kommende Luft im zweiten Kanal 13 mit geringer Geschwindigkeit strömt. Diese Geschwindigkeit muss sehr viel niedriger als die Schallgeschwindigkeit in der Strömung und gleichzeitig ungleich Null sein, um zu vermeiden, dass der Temperatursensor 16 die Temperatur des Aufbaus des Sockels 8 und insbesondere die Temperatur des Aufbaus der beiden Kanäle 10 und 13 annimmt.

Wenn nämlich das Luftfahrzeug auf großer Höhe fliegt, kann die Temperatur der Luftströmung sehr wohl unter Null Grad Celsius liegen, was die Gefahr einer Reifbildung auf der Multifunktionssonde nach sich zieht. Der Reif kann insbesondere diese Kanäle 10 und 13 verstopfen und somit jede korrekte Temperaturmessung verhindern.

Um die Bildung von Reif zu verhindern, weist die bewegliche Palette 1 Enteisungsmittel auf, die zum Beispiel einen elektrischen Heizwiderstand enthalten, der im Aufbau der Palette angeordnet ist. Diese Enteisungsmittel erwärmen die Multifunktionssonde und folglich die in den beiden Kanälen 10 und 13 strömende Luft. Um zu verhindern, dass die Lufterwärmung die Temperaturmessung stört, werden Abfuhröffnungen 17 für die Grenzschicht der in den beiden Kanälen 10 und 13 strömenden Luft vorgesehen.


Anspruch[de]
  1. Feste Multifunktionssonde für ein Luftfahrzeug zur Messung der Strömungsparameter des bezüglich der Sonde in Bewegung befindlichen Fluids, die aufweist:

    – einen um eine Längsachse (X) drehsymmetrischen Körper (1), der von einer abgerundeten Kappe (5) verschlossen wird, wobei der Körper in der Strömung angeordnet ist,

    – mindestens drei Druckmessstellen (2), die sich an bestimmten Punkten des Körpers (1) befinden und auf unterschiedliche Teilabschnitte (7, 8, 9) verteilt sind, um einen ersten (Pe), einen zweiten (Pi) und einen dritten Druckwert (Pr) zu erfassen,

    – Druckmesseinrichtungen (3), die den Druckmessstellen (2) zugeordnet sind, um zumindest so viele Drücke P1, .... Pn zu messen, wie Druckmessstellen (2) vorhanden sind,

    – Rechenmittel (4), um den Gesamtdruck Pt der Strömung in Höhe der Sonde, den statischen Druck Ps im Unendlichen stromaufwärts vor der Sonde und den dynamischen Druck Pt–Ps ausgehend von Druckkoeffizienten kP der Druckmessstellen zu berechnen,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel (4) es ermöglichen, den lokalen Anströmwinkel &agr; der Strömung zu berechnen, indem ein bestimmtes Verhältnis gemessener Drücke in Abhängigkeit vom lokalen Anströmwinkel &agr; in folgender Form ausgedrückt wird:
    wobei A, B, C, D, E, F Konstanten sind, die nur von den Koordinaten (xe, xi, xn, ϕe, ϕi, ϕn) der Druckmessstellen abhängen, wobei die bestimmte Position der Druckmessstellen so ist, dass der Ausdruck des Verhältnisses in Abhängigkeit vom lokalen Anströmwinkel &agr; praktisch linear ist.
  2. Feste Multifunktionssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilabschnitt (7, 8, 9) senkrecht zur Längsachse (X) des Körpers (1) der Sonde liegt.
  3. Feste Multifunktionssonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

    – drei Druckmessstellen (2), die aufgeteilt sind in

    – zwei Druckmessstellen (PPe, PPi), die in einem ersten Teilabschnitt (7) und in der Anströmebene und einander diametral entgegengesetzt angeordnet sind, um einen ersten Pe und einen zweiten Druckwert Pi zu erfassen,

    – eine Bezugs-Druckmessstelle (PPr1), die in einem zweiten Teilabschnitt (8) angeordnet ist und aus einem Kranz von Löchern besteht, die vorzugsweise regelmäßig beabstandet sind und miteinander in Verbindung stehen, um einen mittleren Druck Pr1 zu aufzubauen.
  4. Feste Multifunktionssonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

    – eine vierte Druckmessstelle (PPr2), die in einem dritten Teilabschnitt (9) getrennt vom ersten (7) und vom zweiten Teilabschnitt (8) angeordnet ist und aus einem Kranz von Löchern besteht, die vorzugsweise regelmäßig beabstandet sind und miteinander in Verbindung stehen, um einen mittleren Druck Pr2 aufzubauen,

    und dass die Rechenmittel (4) einen zweiten Wert des lokalen Anströmwinkels &agr;, des dynamischen Drucks Pt–Ps und des statischen Drucks Ps berechnen, um durch Vergleich die berechneten Werte zu bewerten.
  5. Feste Multifunktionssonde nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im zweiten Teilabschnitt (8) angeordnete Druckmessstelle (PPr1) acht Löcher aufweist, die voneinander um einen Winkel von 45° getrennt sind.
  6. Feste Multifunktionssonde nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Druckmessstelle (PPr2) acht Löcher aufweist, die voneinander um einen Winkel von 45° getrennt sind.
  7. Feste Multifunktionssonde nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtungen (3) einen ersten Differenzdruck P1 = Pe – Pr1 und einen zweiten Differenzdruck P2 = Pi – Pr1 zwischen dem ersten (7) und dem zweiten Teilabschnitt (8) und einen Absolutdruck P3=Pr1 in Höhe der Bezugs-Messstelle (PPr1) messen.
  8. Feste Multifunktionssonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel (4) die Strömungsparameter ausgehend von den folgenden Beziehungen berechnen:

    • (P1 – P2)/(P1 + P2) = (a·sin(2&agr;))/(b + c·cos(2&agr;)), in der a, b und c Konstanten sind, die nur von der Position der Druckmessstellen auf der Sonde abhängen,

    • (Pt – Ps) = (P1 + P2)/(kPe + kPi – 2kPr1), in der kPe = 1 – (V1cos&agr; + V2sin&agr;)2, kPi = 1 – (V1cos&agr; – V2sin&agr;)2, kPr1 = 1 – (V'1cos&agr;)2 – 0,5(V'2sin&agr;)2 – 0,5(V'3sin&agr;)2, und V1, V2 und V3 die Komponenten der Geschwindigkeit der Strömung in Höhe des ersten Teilabschnitts, und V'1, V'2 und V'3 die Komponenten der Geschwindigkeit der Strömung in Höhe des zweiten Teilabschnitts sind,

    • Ps = P3 – kPr1(Pt – Ps) und

    • Pt = (Pt – Ps) + Ps.
  9. Feste Multifunktionssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Mittel (10, 13, 16) aufweist, um die Gesamttemperatur der Luftströmung zu messen.
  10. Sonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung der Gesamttemperatur aufweisen:

    – einen ersten Kanal (10) mit einer Lufteingangsöffnung (11), die im Wesentlichen gegenüber der Luftströmung liegt, und mit einer Luftaustrittsöffnung (12);

    – einen zweiten Kanal (13), dessen Lufteingang (14) im ersten Kanal (10) liegt;

    – einen Temperatursensor (16), der im zweiten Kanal (13) befestigt ist.
  11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanäle (10, 13) mehrere Öffnungen (17) aufweisen, die es ermöglichen, die Grenzschicht der in den Kanälen (10, 13) zirkulierenden Luft nach außerhalb der Sonde abzuführen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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