BR102014005095A2

BR102014005095A2 - sondas de dados de ar

Info

Publication number: BR102014005095A2
Application number: BR102014005095A
Authority: BR
Inventors: Daniel Matheis Brian; Jae Doolittle Charles; Duane Foster Roger
Original assignee: Rosemount Aerospace
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2019-12-10
Also published as: US9341533B2; US20140251000A1; BR102014005095B8; BR102014005095B1; CA2844549C; EP2775310B1; EP2775310A1; CA2844549A1

Abstract

sondas de dados de ar uma sonda de dados de ar inclui uma cabeça de sonda definindo um eixo longitudinal com uma ponta dianteira e uma superfície de indução de turbulência definida na cabeça de sonda a ré da ponta dianteira. a superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda para transição de laminar para turbulento para controlar ou reduzir a separação da camada limite resultando em leituras consistentes a altas altitudes.

Description

SONDAS DE DADOS DE AR

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisional US 61/772.994, depositado em 5 de março de 2013, o qual é incorporado por referência neste documento em sua totalidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção se refere a sondas de dados de ar e, mais particularmente, a sondas de dados de ar para aplicações aeroespaciais.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[003] Uma variedade de dispositivos de sonda de dados de ar é conhecida na técnica para controle de vôo de aeronave. Desses dispositivos, muitos são dirigidos a medir pressão de Pitot, pressão estática, pressões de ângulo de ataque locais e ângulo de pressões de derrapagem lateral como parâmetros para calcular altitude de pressão, taxa de altitude, velocidade do ar, número de Mach, ângulo de ataque e ângulo de derrapagem lateral. A sonda de dados de ar tipicamente inclui uma ou mais aberturas de pressão estática localizadas no lado da cabeça de sonda integral com a superfície da sonda as quais detectam a pressão atmosférica fora da aeronave. Quando estas aberturas de pressão estática tiram medições de pressão consistentes, elas podem fornecer cálculos precisos e consistentes dos parâmetros mencionados acima.

[004 ] Durante períodos em que uma sonda de dados de ar está a uma altitude, ângulo de ataque e/ou número de Mach altos, é possível que a sonda de dados de ar tenha erros de medição inconsistentes nas aberturas estáticas a ré. Pode haver variações consideráveis de uma sonda para outra, sugerindo que há uma sensibilidade a uma variável de fabricação desconhecida nas condições descritas acima.

[005] Esses métodos e sistemas convencionais geralmente foram considerados satisfatórios para a sua finalidade pretendida. Entretanto, permanece uma necessidade sempre presente de avançar no estado da técnica reduzindo inconsistências de dados em sondas de dados de ar altitude, Mach e/ou ângulo de ataque alto. Também permanece uma necessidade na técnica de tais métodos e sistemas que sejam fáceis de fazer e usar. A presente invenção fornece uma solução para esses problemas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] A invenção em questão é dirigida a uma sonda de dados de ar nova e útil. A sonda de dados de ar inclui uma cabeça de sonda definindo um eixo longitudinal com uma ponta dianteira e uma superfície de indução de turbulência definida na cabeça de sonda a ré da ponta dianteira. A superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda para transição de laminar para turbulento para controlar ou reduzir a separação da camada limite resultando em leituras consistentes a altas altitudes.

[007] Em uma modalidade da invenção em questão, a superfície de indução de turbulência pode ser definida próxima è ponta dianteira. Também é contemplado que a sonda de dados de ar pode incluir uma primeira abertura estática, ou aberturas, próxima à ponta dianteira e uma segunda abertura estática, ou aberturas, a ré da primeira abertura estática, ou aberturas. A superfície de indução de turbulência pode ser definida entre o local da primeira e da segunda aberturas estáticas e pode ser uma depressão anular em torno da cabeça de sonda. A superfície de indução de turbulência pode ser configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido, como um exemplo, a uma altitude de aproximadamente 45.000 pés (13.716 metros} a uma velocidade de aproximadamente Mach 0,9 e/ou a um ângulo de ataque de aproximadamente 10 graus. A depressão anular pode ser definida em um plano lateral, em que o plano lateral é perpendicular ao eixo longitudinal. A depressão anular pode ter uma geometria geralmente constante em torno da cabeça de sonda. Aqueles versados na técnica apreciarão prontamente que estas características também podem ser benéficas em outras condições de vôo.

[008] Em certas modalidades, a superfície de indução de turbulência inclui uma superfície serrilhada definida na cabeça de sonda a ré da ponta dianteira. A superfície serrilhada é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido, como descrito acima com referência à superfície de indução de turbulência.

[009] Em outro aspecto, a superfície serrilhada pode incluir pelo menos um de picos, características elevadas e vales os quais juntos são representativos de elementos de rugosidade distribuída. A superfície serrilhada pode incluir serrilhados em ângulos opostos, em que os serrilhados podem ter uma geometria geralmente constante. A superfície serrilhada pode ser disposta circunferencialmente em torno da cabeça de sonda, em uma tira e/ou em tiras opostas. A tira também pode ser definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda em uma direção axial. A tira também pode ser definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda em uma direção axial a 90 graus das aberturas estáticas circunferencialmente e/ou a superfície serrilhada pode se estender desde próxima à ponta dianteira até um local axial próximo daquele da segunda abertura estática.

[010] Estas e outras características dos sistemas e métodos da invenção em questão se tornarão mais prontamente aparentes para aqueles versados na técnica a partir da descrição detalhada a seguir das modalidades tomada em conjunto com os desenhos, BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[011] De modo que aqueles versados na técnica à qual a invenção em questão pertence prontamente compreendam como fazer e usar os dispositivos e os métodos da invenção em questão sem experimentação indevida, modalidades da mesma serão descritas em detalhes abaixo com referência a certas figuras, em que: [012] Fig. 1 é uma vista em perspectiva de uma modalidade exemplar de uma sonda de dados de ar construída de acordo com a presente invenção, mostrando uma superfície serrilhada e uma representação esquemática do fluxo de ar sobre a sonda de dados de ar.

[013] Fig. 2 é uma vista em perspectiva ampliada de uma porção da sonda de dados de ar da Fig. 1, mostrando a superfície serrilhada incluindo serrilhados em ângulos opostos.

[014] Fig. 3 é uma vista em perspectiva ampliada de uma porção da sonda de dados de ar da Fig. 1, mostrando características dos serrilhados, incluindo picos, características elevadas e vales.

[015] Fig. 4 é uma vista em perspectiva de outra modalidade exemplar de uma sonda de dados de ar construída de acordo com a presente invenção, mostrando uma depressão anular em torno da cabeça de sonda e uma representação esquemática do fluxo de ar sobre a sonda de dados de ar; e [016] Fig. 5 é uma vista plana ampliada de uma porção da sonda de dados de ar da Fig. 4, mostrando a depressão anular e uma abertura estática dianteira.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[017] Agora será feita referência aos desenhos em que numerais de referência semelhantes identificam características ou aspectos estruturais similares da invenção em questão. Para fins de explicação e ilustração, e não limitação, uma vista parcial de uma modalidade exemplar da sonda de dados de ar de acordo com a invenção é mostrada na Fig. 1 e é designada geralmente pelo caracteres de referência 100. Outras modalidades de sondas de dados de ar de acordo com a invenção, ou aspectos da mesma, são fornecidas nas Figs. 2-5 como será descrito.

[018] Com referência agora à Fig. 1, a sonda de dados de ar 100 inclui uma cabeça de sonda 102 definindo um eixo longitudinal A com uma ponta dianteira 104 e uma superfície de indução de turbulência mostrada na Fig. 1 como uma superfície serrilhada 106 definida na cabeça de sonda 102 a ré da ponta dianteira 104. A superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda 102 para transição de laminar para turbulento para reduzir ou controlar a separação da camada limite para leituras consistentes em condições de voo de baixo número de Reynolds (Re), altitudes, ângulo de ataque e/ou número de Mach altos.

[019] Ainda com referência à Fig. 1, a extremidade dianteira da superfície serrilhada 106 é definida próxima à ponta dianteira 104. A sonda de dados de ar 100 incluí uma primeira abertura estática 108 próxima e a ré da ponta dianteira 104 e uma segunda abertura estática 110 a ré da primeira abertura estática 108. A superfície serrilhada 106 é configurada e adaptada para abrir turbulência em uma camada limite de fluido em condições de vôo de baixo Re, da ordem de 105 e a uma velocidade de aproximadamente Mach 0,9. Em ângulo estas condições criam um fluxo transversal como representado esquematicamente pelas setas de fluxo na Fig. 1. A superfície serrilhada 106 abre a turbulência na camada limite do fluxo cruzando a mesma nestas condições para reduzir a separação da camada limite na vizinhança das aberturas estáticas 108 e 110. Embora a sonda de dados de ar 100 seja ilustrada com apenas uma primeira e uma segunda aberturas estáticas 108, 110, respectivamente, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que aberturas estáticas adicionais podem ser dispostas na cabeça de sonda 102 em qualquer posição adequada para uma dada aplicação.

[020] Com referência agora às Figs. 1 e 2, a superfície serrilhada 106 é disposta em uma única tira e inclui serrilhados 113 em ângulos opostos, em que os serrilhados 113 têm uma geometria geralmente constante. A tira é definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda 102 em uma direção axial em relação ao eixo A. Na direção circunferencial, a superfície serrilhada 106 está a 90 graus das aberturas estáticas 108 e 110. A superfície serrilhada 106 se estende desde próxima à ponta dianteira 104 a ré até uma posição axial próxima àquela da segunda abertura estática 110. Embora a superfície serrilhada 106, como mostrada nas Figs. 1 e 2, seja mostrada como uma única tira, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que uma superfície serrilhada oposta pode ser definida ao longo de uma superfície da sonda 102 no lado oposto a partir da superfície serrilhada 106. Aqueles versados na técnica também apreciarão prontamente que as superfícies serrilhadas podem ser dispostas circunferencialmente em torno da cabeça de sonda 102, ou em qualquer posição adequada para uma dada aplicação.

[021] Com referência agora à Fig. 3, a superfície serrilhada 106 inclui picos 107, características elevadas 109 e vales 111, os quais combinados são representativos de elementos de rugosidade distribuída e semelhantes. Aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que os picos 107 são diretamente representativos de geradores de vórtice, o que pode fazer com que camadas limite divergentes aumentem signíficativamente a vorticidade no sentido da corrente, um catalisador conhecido para transição de laminar para turbulento. Além disso, regiões do campo de fluxo que não interagem imediatamente com os picos 107 seguirão para a região de cruzamento de cortes opostos onde as características elevadas 109 são imediatamente atendidas a jusante.

[022] Características periódicas, por exemplo elementos de rugosidade distribuída, produzidas alternando picos 107 e vales 111, são desenvolvidas mantendo parâmetros constantes definindo os cortes. Aqueles versados na técnica também apreciarão prontamente que uma superfície serrilhada, por exemplo, a superfície serrilhada 106, pode ser fabricada em um processo de usinagem secundário no qual uma ferramenta de de fresa de extremidade de esfera é usada para produzir cortes transversais ao longo da superfície curva definindo um perfil de cabeça de sonda, por exemplo, cabeça de sonda 102. A fabricação da superfície serrilhada apenas remove material, assim ela não requer mudança do processo de usinagem primária da cabeça de sonda.

[023] Aqueles versados na técnica ainda apreciarão que corte em ângulos grandes com respeito à linha de centro da sonda permite um aumento gradual na profundidade de corte lateralmente através da cabeça de sonda. A camada limite entrante, portanto, permanece razoavelmente não perturbada até alcançar as saliências, por exemplo, características elevadas 109 formadas pelos cortes transversais iniciais, ou picos 107, formados por cortes transversais com uma fresa de extremidade de esfera em uma orientação oposta, onde os cortes opostos se fundem juntos.

As saliências interagem com regimes de velocidade mais alta da camada limite, algo que simples cortes de superfície não podem alcançar.

[024] Parâmetros afetando os cortes incluem o diâmetro da fresa de extremidade de esfera, ângulo de corte, desvio de corte consecutivo, desvio de corte oposto e profundidade de corte com respeito ao perfil de cabeça de sonda. Aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que ao sistematicamente variar estes parâmetros as características discutidas acima podem ser analisadas e otimizadas para aplicações específicas. Por exemplo, a largura lateral da superfície serrilhada e a periodicidade e a altura efetiva, h, mostradas na Fig. 3, dos picos 107 são três parâmetros que podem ser ajustados para otimizar desempenho. Aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que a altura efetiva, h, é a distância radial da base do vale 111 até o pico adjacente 107 na mesma indicando o vale de profundidade máxima 111 que pode chegar com respeito à superfície de cabeça de sonda original.

[025] Com referência às Figs. 4 e 5, outra modalidade exemplar de uma sonda de dados de ar 200 inclui superfície de indução de turbulência na forma de uma depressão anular 206 em torno de uma cabeça de sonda 202. A depressão anular 206 é definida na cabeça de sonda 202, ponta dianteira a ré 204 entre a primeira e a segunda aberturas estáticas 208 e 210, respectivamente. A depressão anular 206 é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido, muito como descrito acima. A depressão anular 206 é mostrada definida em um plano lateral. O plano lateral é perpendicular ao eixo longitudinal A e a depressão anular 206 tem uma geometria geralmente constante em torno da cabeça de sonda 202. A depressão anular 206 é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido em condições de altitude, velocidade e ângulo de ataque como descrito acima com referência à superfície serrilhada 106. Aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que embora a depressão anular 206 se estenda por todo o caminho em torno da circunferência da cabeça de sonda 202, também é possível usar uma depressão anular que se estende apenas parcialmente em torno de uma cabeça de sonda.

[026] Ainda com referência às Figs. 4 e 5, quando o ar flui sobre a cabeça de sonda 202, mostrada esquematicamente da esquerda para a direita na Fig. 4, uma camada limite laminar se desenvolve ao longo do diâmetro crescente da cabeça de sonda 202. Ao atingir uma característica, por exemplo, uma depressão anular 206, um gradiente de pressão adverso é experimentado pela camada limite laminar em cuja ocasião se espera a transição para um estado turbulento. Uma vez que uma camada limite turbulenta totalmente desenvolvida é formada ela continua ao longo da superfície da sonda até alcançar uma abertura estática a ré, por exemplo, segunda abertura estática 210. Embora mostrado e descrito neste documento com referência a uma abertura estática, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que qualquer número adequado de aberturas estáticas a ré pode ser utilizado em uma cabeça de sonda, por exemplo, a cabeça de sonda 202.

[027] Aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que uma depressão anular, por exemplo, a depressão anular 206, pode ser produzida durante um processo de torneamento de contorno de sonda. A depressão anular apenas ligeiramente modifica o perfil padrão e, portanto, não requer grandes mudanças nos métodos de produção da sonda.

[028] Embora a superfície de indução de turbulência seja mostrada e descrita abaixo como a superfície serrilhada 106 e/ou uma depressão anular 206, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que quaisquer combinações ou variações adequadas destes dois tipos de superfícies de indução de turbulência, ou qualquer outro tipo adequado de superfície de indução de turbulência, podem ser usados sem se afastar do espírito e escopo da invenção. Além disso, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que a depressão anular 206 e a superfície serrilhada 106 não dependem de hardware de montagem ou adesivos, como é o caso com aberturas de fita e geradores de vórtice conhecidos.

[029] Os métodos e sistemas da presente invenção, como descritos acima e mostrados nos desenhos, fornecem sondas de dados de ar com propriedades superiores incluindo reduzir ou controlar separação da camada limite para leituras consistentes em condições de baixo Re tipicamente consistindo em altitudes, número de Mach e ângulo de ataque altos. Embora o aparelho e os métodos da invenção em questão tenham sido descritos com referência a certas modalidades, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que mudanças e/ou modificações podem ser feitas na mesma sem se afastar do espírito e escopo da invenção em questão.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. SONDA DE DADOS DE AR, caracterizada em que compreende: uma cabeça de sonda, a cabeça de sonda definindo um eixo longitudinal com uma ponta dianteira; e uma superfície de indução de turbulência definida na cabeça de sonda a ré da ponta dianteira, em que a superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda para transição de laminar para turbulento para reduzir a separação da camada limite para leituras consistentes a altas altitudes.

2. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada em que a superfície de indução de turbulência é definida próxima à ponta dianteira.

3. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada em que compreende uma primeira abertura estática próxima da ponta dianteira e uma segunda abertura estática na primeira abertura estática, em que a superfície de indução de turbulência é definida entre as mesmas e em que a superfície de indução de turbulência é uma depressão anular em torno da cabeça de sonda.

4. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação I, caracterizada em que a superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido em baixos números de Reynolds da ordem de 105.

5. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada em que a superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido a uma velocidade de aproximadamente Mach 0,9.

6. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada em que a superfície de indução de turbulência é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido a um ângulo de ataque.

7. SONDA DE DADOS DE AR, caracterizada em que compreende: uma cabeça de sonda, a cabeça de sonda definindo um eixo longitudinal com uma ponta dianteira; e uma superfície serrilhada definida na cabeça de sonda a ré da ponta dianteira, em que a superfície serrilhada é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda para transição de laminar para turbulento para reduzir a separação da camada limite para leituras consistentes a altas altitudes.

8. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada inclui pelo menos um de picos, caracter!sticas elevadas e vales.

9. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada inclui serrilhados em ângulos opostos, em que os serrilhados têm uma geometria geralmente constante.

10. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é disposta em uma tira definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda em uma direção axial.

11. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é disposta em tiras opostas, cada uma definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda em uma direção axial.

12. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que ainda compreende uma primeira abertura estática a ré da ponta dianteira e uma segunda abertura estática a ré da primeira abertura estática, em que a superfície serrilhada é disposta em uma tira definida ao longo de uma superfície da cabeça de sonda em uma direção axial a 90 graus das aberturas estáticas.

13. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que compreende uma primeira abertura estática a ré da ponta dianteira e uma segunda abertura estática a ré primeira abertura estática, em que a superfície serrilhada se estende desde próxima à ponta dianteira até próxima à segunda abertura estática.

14. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido em baixos números de Reynolds da ordem de 105.

15. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido a uma velocidade de aproximadamente Mach 0,9.

16. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido a um ângulo de ataque.

17. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada em que a superfície serrilhada é disposta circunferencialmente em torno da cabeça de sonda.

18. SONDA DE DADOS DE AR, caracterizada em que compreende: uma cabeça de sonda, a cabeça de sonda definindo um eixo longitudinal com uma ponta dianteira; e uma depressão anular definida em torno da cabeça de sonda a ré da ponta dianteira, em que a depressão anular é configurada e adaptada para abrir uma camada limite de fluido passando sobre a cabeça de sonda para transição de laminar para turbulento para reduzir a separação da camada limite para leituras consistentes a altas altitudes.

19. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação IS, caracterizada em que a depressão anular é definida em um plano lateral, em que o plano lateral é perpendicular ao eixo longitudinal.

20. SONDA DE DADOS DE AR, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada em que a depressão anular tem uma geometria geralmente constante em torno da cabeça de sonda.