CN106052722A - 耐腐蚀加热大气数据探针 - Google Patents

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Abstract

公开一种大气数据探针。所述大气数据探针可包括探针主体，所述探针主体具有内腔并且被保护壳覆盖。感测端口可被安置在所述大气数据探针中并且可延伸穿过所述探针主体。所述感测端口也可由所述保护壳内衬。所述保护壳可由奥氏体镍铬合金或不锈钢或任何相对耐腐蚀材料制成。所述探针主体可由镍或镍合金或任何相对导热材料制成。所述保护壳可通过增材制造(诸如激光熔覆)结合至所述探针主体。以此方式，公开一种能够承受高温而不被腐蚀并且也相对导热的大气数据探针。

Description

耐腐蚀加热大气数据探针
技术领域
本公开涉及数据感测的领域。更具体地，本公开涉及耐腐蚀大气数据探针。
发明背景
典型的大气数据探针(诸如用在飞机上的大气数据探针)在多种温度下运行。例如，大气数据探针(诸如飞机上的皮托静压(pitot-static)探针)在海平面温度以及极高高度温度(诸如海平面沙漠环境中的大约华氏120度(大约49摄氏度)至巡航高度下的大约华氏-70度(大约-57摄氏度))下运行。为了防止大气数据探针上的非期望冻结和/或覆冰，将加热器并入探针中。但是，这些加热器可能导致大气数据探针在海平面温度中运行时(尤其在低气流或静止空气条件期间)变得非常热。尤其在暴露于污染物(诸如含硫、氯、二氧化硫和/或类似物的化合物)时，这种热可能加速大气数据探针的腐蚀和磨损。解决这个挑战的现有努力包括由耐高温腐蚀的材料制造大气数据探针；但是这些材料通常展现差的导热性且易于结冰。
发明概要
根据本发明的不同方面，公开一种大气数据探针。大气数据探针可包括保护壳，所述保护壳包括：材料涂层，其施敷至探针主体且隔离探针主体的表面而不与环境流体连通；和第一感测端口，其由探针主体界定且定位在探针主体的最外端且与环境流体连通。大气数据探针也可包括第一内腔，其具有由探针主体界定且安置在探针主体内部的体积，第一内腔与第一感测端口流体连通。大气数据探针还可包括第一内腔内的加热元件，由此加热探针主体和保护壳的至少一个。
大气数据探针也可包括由探针主体界定且定位在探针主体的一侧上且与环境流体连通的第二感测端口。大气数据探针可包括第二内腔，所述第二内腔包括由探针主体界定且安置在探针主体内部的体积。第二内腔可与第二感测端口流体连通。
公开一种制作大气数据探针的方法。方法可包括形成探针主体，使内腔形成至探针主体中，通过增材制造技术将保护壳施敷至探针主体，且将加热元件插入至内腔中。方法还可包括加工大气数据探针的最终轮廓并且形成感测端口，所述感测端口具有穿透探针主体界定且由保护壳的一部分内衬的端口通道。
附图简述
可通过参考结合附图考虑时的详细描述和权利要求而得到本公开的更全面理解，其中在图内，相同参考数字指的是类似元件，且：
图1描绘根据各种实施方案的大气数据探针的各种方面的框图；
图2描绘根据各种实施方案的大气数据探针的各种方面的框图，其具有包括感测端口凹部的感测端口；
图3描绘根据各种实施方案的示例性大气数据探针；
图4描绘根据各种实施方案的大气数据探针的示例性感测端口；
图5A至图5C描绘根据各种实施方案的各包括感测端口凹部的大气数据端口的示例性感测端口；
图6A至图6B描绘根据各种实施方案的大气数据探针的示例性保护壳和大气数据探针的示例性排气孔；和
图7描绘根据各种实施方案的制作大气数据探针的方法。
具体实施方式
下文描述仅是各种示例性实施方案，且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。而是，下文描述旨在提供用于实施各种实施方案(包括最佳模式)的方便图示。如将了解，可对这些实施方案中描述的元件的功能和布置进行各种改变，而不脱离随附权利要求的范围。此外，对单数的任何提及包括多个实施方案，且对超过一个组件或步骤的任何提及可包括单数实施方案或步骤。在图内可使用表面阴影线来指示不同部分，但未必指示相同或不同材料。
为简明起见，本文中可能不详细描述用于制造和构建的传统技术。此外，本文中所含的各种图中所示的连接线旨在代表各种元件之间的示例性功能关系和/或实体耦合。应注意，许多替代或额外功能关系或实体连接可存在于实际构建方法中。此外，对附着、固定、连接或类似物的任何提及可包括永久、可移除、临时、部分、完全和/或任何其它可能的附着选项。此外，对无接触(或类似短语)的任何提及也可包括减小的接触或最小接触。
飞机通常结合压力传感器利用大气数据探针来感测外部空气压力。感测静压或动压两者。例如，可通过皮托静压系统感测静压以确定压力高度，而可通过空速指示系统感测动压来确定空速。频繁地测量额外压力，使得也可确定飞机迎角和/或侧滑角。大气数据探针可具有与内部腔室关联的感测端口以量测各种压力(诸如静压)和/或确定迎角(AOA)。排气孔也可与内部腔室关联，诸如以排出收集的湿气。各种飞行和地面条件(诸如高温、低温、高湿度、结冰、降水、暴露于除冰化学物和其它刺激性化学物和类似物)期间，外部空气在空气压力进口端口处增压。因而，参考图1，可能期望大气数据探针1被加热并且是大致导热的，诸如以防止覆冰，并且也能期望它在极高温下提供耐腐蚀性和耐用性。例如，加热器可被设定为足以融化高高度、低温环境下的覆冰的能量输出，然而这样一种设置或通常，甚至低得多的设置可能导致大气数据探针1变得在低高度、更高温环境下(诸如在地面上或在存在较小气流或无气流时)变得非常热。
此外，抵抗耐高温腐蚀材料的材料通常相对不导热并且通常是不容易电镀至更导热材料上，诸如以提供耐腐蚀涂层的合金材料或其它材料。相应地，尤其在本文中提出解决这些考量的各种系统。
参考图1至图2，大气数据探针1可在环境2中运行。大气数据探针1可包括从安装结构20(诸如与飞机相关的支柱21(图3))延伸至环境2中的结构，借此可对环境2的特性进行取样。因此，大气数据探针1可与环境2流体连通。例如，大气数据探针1可对流体压力进行取样，诸如空气压力和诸如高度指示系统的静压或空速指示系统的皮托压力。
环境2可包括期望被测试的区域，诸如邻近安装结构20的气流区域。在进一步实施方案中，环境2可包括测试腔室、炉、半导体处理容器、窑和/或其中可期望对诸如压力的特性进行取样的任何其它区域。
大气数据探针1可连接至传感器11。传感器11可与大气数据探针1的内腔10流体连通，由此可确定待被取样环境2的特性。例如，传感器11可包括被构造来确定通过大气数据探针1进行取样的空气压力的空气压力传感器。
参考图1至图6B，大气数据探针1可包括探针主体4。探针主体4可包括可从安装结构20(例如，飞机)延伸至环境2中的大致中空圆柱形构件。探针主体4可包括任何机构，由此环境2可被取样且压力可被传送至探针主体4，由此它被传导至传感器11。探针主体4根据期望可包括叶片结构、平坦化气缸(诸如椭圆形)和/或机翼或任何形状。探针主体4可包括非圆柱形感测头探针或齐平静压端口探针或半齐平大气数据探针。在各种实施方案中，探针主体4可由相对导热的材料(诸如金属)制成。金属可包括镍。例如，金属可为镍合金，诸如镍211，其根据由ASTM国际制定的相应标准定义。在各种实施方案中，金属包括低合金和/或商用纯镍，诸如镍200或镍201，其各根据由ASTM国际制定的相应标准定义。
大气数据探针1可包括保护壳5。保护壳5可包括施敷在探针主体4的表面上方且将表面隔离而不与环境2流体连通的金属涂层。例如，保护壳5可包括相对耐腐蚀材料，诸如不锈钢、钴铬或各种奥氏体镍铬基合金。在进一步实施方案中，保护壳5包括镍铬合金，例如奥氏体镍铬基合金，诸如可从美国纽约New Hartford的Special MetalsCorporation购得的在各种实施方案中，保护壳5包括625或类似物。
因此，保护壳5提供除在保护壳5与探针主体4的界面上展现相对较小电偶腐蚀外，具有期望韧性、硬度和高温耐腐蚀特性的涂层。例如，探针主体4可为镍，且保护壳5可包括镍铬合金，使得材料在电位序表上靠近/邻近。此外，因为保护壳5包括大体上比探针主体4小的热质量，所以探针主体4的期望导热特性相对不受妨碍。因为保护壳5比探针主体(例如，包括与探针主体4相比相对较短的朝向周围环境的导热路径)相对较薄，所以探针主体4的期望导热特性进一步相对不受妨碍。因此，探针主体4的期望导热特性可与可容易制造(诸如通过增材制造)的大气数据探针1中的保护壳5的期望耐腐蚀特性组合。可实施各种制造技术，诸如增材制造和/或其它制造方法，由此可维持包括保护壳5的合金的完整性。此外，具体参考图6A至图6B，保护壳5和/或探针主体4的厚度可局部变化。保护壳5可包括增大/减小厚度的区域(诸如局部保护壳厚度变化15)，且探针主体4可包括增大/减小厚度的区域(诸如局部探针主体厚度变化16)。使局部保护壳厚度变化15变厚可对应于使局部探针主体厚度变化16变薄，使得大气数据探针1的总体轮廓不变化。响应于局部保护壳厚度变化15和/或局部探针主体厚度变化16，热13可被传导穿过探针主体4和保护壳5。以此方式，热能的分布可根据期望集中或分散。例如，保护壳5和/或探针主体4的厚度的局部变化可被实施来将热从加热元件朝向特别易结冰的区域引导或将热从加热元件引导远离加热元件以增强热的均匀分布和/或类似情况。
重新参考图1至图2和图4至图6B，大气数据探针1可包括内腔10。暂时参考图5A至图5C，大气数据探针可包括多个内腔，诸如第一内腔10-1、第二内腔10-2、第三内腔10-3和第四内腔10-4。各种内腔可通过隔板(诸如第一隔板14-1和第二隔板14-2)分开。返回参考图1至图2和图4至图6B，且额外参考图5A至图5C，内腔10可包括由探针主体4和可选地隔板(诸如第一隔板14-1和/或第二隔板14-2)界定的体积。在各种实施方案中，保护壳5延伸至内腔10中，且覆盖内腔10的表面。体积可被构造来提供空间以容纳大气数据探针1的其它组件并且可被构造为与环境2和传感器11流体连通。在各种实施方案中，加热元件9被安置在内腔10内。因此，内腔10可接收来自加热元件9的热能，并且可促进至探针主体4和/或保护壳5的热能转移(诸如通过传导、对流和/或辐射)，由此可减轻大气数据探针1上的覆冰。
大气数据探针1可包括加热元件9。加热元件9可包括电热丝，但是加热元件9可包括用于热流体的循环的流体通道或可包括任何装置，由此可加热大气数据探针1。在各种实施方案中，保护壳5延伸至内腔10中，且覆盖加热元件9的表面。
大气数据探针1可包括感测端口3。感测端口3可提供穿透探针主体4界定的将内腔10与环境2流体连接的孔隙。虽然参考图1和图4，感测端口3可提供穿透探针主体4界定的孔隙，但是参考图2和图5，感测端口3可包括进一步特征。例如，感测端口3可包括感测端口凹部6。感测端口凹部6可包括探针主体4中的凹口。凹口可包括浅凹或圆柱形槽或梯形印记，或探针主体4的任何形状区域，其中安置探针主体4的表面中的至少一个不连续和/或拐点。感测端口凹部6可被安置在探针主体4相对于环境2的最外末端处(例如，距离安装结构20(图1)最远的部分)。在进一步实施方案中，感测端口凹部6安置在探针主体4(图3)的一侧上或探针主体4上的期望对环境2进行取样的任何点处。
感测端口3可包括端口保护壳区段7。端口保护壳区段7可包括具有增大厚度的保护壳5的部分(例如，横穿沿着垂直于探针主体4的相邻表面的切平面且从其中向外延伸的路径测量的更大距离)，诸如以封闭感测端口凹部6并且也循着探针主体4的表面。换句话说，端口保护壳区段7可包括覆盖凹口(包括感测端口凹部6)的保护壳的部分，使得保护壳5形成大体上连续涂层(例如，拐点被移除)。换句话说，凹口可被称作被平滑化。
此外，感测端口3可包括端口通道8。端口通道8可包括由端口保护壳区段7和探针主体4的至少一个界定并且延伸穿过端口保护壳区段7和探针主体4的孔隙，使得内腔10与环境2流体连通。在各种实施方案中，端口通道8与感测端口凹部6的几何中心重合对准。但是，在各种实施方案中，端口通道8可根据期望具有任何形状或位置。因此，可了解端口通道8的至少一部分延伸穿过保护壳5。因此，保护壳5的端口保护壳区段7可内衬端口通道8并且减轻邻近端口通道8的大气数据探针1的腐蚀。在各种实施方案中，端口保护壳区段7完整界定端口通道8，使得从环境2流动穿过端口通道8的流体在经过端口通道8时不接触探针主体4。换句话说，端口通道8可穿透探针主体4界定，并且可由保护壳5的端口保护壳区段7的至少一部分内衬。因此，以此方式，保护壳5的耐腐蚀特征可扩展至端口通道8，由此减轻沿着端口通道8的腐蚀。
具体参考图3和图6B，大气数据探针1也可包括排气孔12。排气孔12可为穿透保护壳5和探针主体4界定并且允许积累的湿气从大气数据探针排出的孔隙。
已讨论大气数据探针1的各种方面，关注图3以讨论具有多个内腔10和感测端口3的大气数据探针的各种示例性实施方案。例如，大气数据探针可具有第一感测端口3-1。第一感测端口3-1可与第一内腔10-1流体连通。第一感测端口3-1可由探针主体界定并且定位在探针主体的最外端处并且与环境流体连通。以此方式，第一感测端口3-1可接收将由空速指示系统感测以确定空速的动压。
大气数据探针可具有第二感测端口3-2和第三感测端口3-3。第二感测端口3-2可与第二内腔10-2流体连通，且第三感测端口3-3可与第三内腔10-3流体连通。第二感测端口3-2和第三感测端口3-3可被安置在大气数据探针1的径向相对锥形侧上。以此方式，第二感测端口3-2和第三感测端口3-3可接收将由迎角指示系统感测以确定相对于气流的迎角(AOA)的共模和压差分量两者。
最后，大气数据探针可具有第四感测端口3-4和第五感测端口3-5。第四感测端口3-4和第五感测端口3-5可与第四内腔10-4流体连通。第四感测端口3-4和第五感测端口3-5可各安置在大气数据探针1的侧面上。以此方式，第四感测端口3-4和第五感测端口3-5都可接收将由高度指示系统感测以确定压力高度的静压。
隔板可被安置在大气数据探针1中以将内腔彼此隔离，并且将内腔与其它大气数据探针1特征(诸如排气孔12)隔离。例如，第一隔板14-1可隔离第一内腔10-1和第四内腔10-4。第二隔板14-2可密封第四内腔10-4，诸如以防止与排气孔12的流体连通。
感测端口3-1、3-2、3-3、3-4和3-5的每个可包括本文中讨论的各种特征，诸如以减轻结冰和/或冻结并且进一步减轻腐蚀。
已讨论大气数据探针1的各种方面，提供制作大气数据探针1的各种方法。参考图1至图6B和图7，制作大气数据探针1的方法500可包括形成探针主体4(步骤501)。探针主体4可相对于大气数据探针1的期望最终尺寸按过小尺寸形成，诸如以允许后续添加保护壳5的厚度。在各种实施方案中，诸如通过钻孔和/或作为步骤501的形成的同时部分，形成内腔10(步骤503)。内腔10可被钻孔至最终尺寸，或在进一步实施方案中可被钻孔为过小尺寸，诸如以允许后续精加工或可钻孔为过大尺寸，诸如以允许保护壳5的厚度后续添加至内腔10。保护壳5可被添加至探针主体4(步骤505)。在各种实施方案中，保护壳5额外添加至内腔10和加热元件9的至少一个。大气数据探针1组件可被插入至内腔10中(诸如加热元件9、隔板、压力管线等)，并且在各种实施方案中，被真空钎焊或另外紧固在适当位置中(步骤507)。此时，倾向于导致大气数据探针1的弯曲的各种高温处理步骤已完成。因此，可加工大气数据探针1的最终轮廓(步骤509)。可形成感测端口3(步骤511)。例如，可钻出端口通道8以及大气数据探针1中的任何其它孔隙，诸如排气孔、静压端口和类似孔隙。端口通道8可穿透探针主体4界定，并且可由保护壳5的端口保护壳区段7的至少一部分内衬。因此，可制造具有标准大气数据探针的尺寸但进一步具有增强的耐腐蚀特征的大气数据探针1。在各种实施方案中，可同时执行这些步骤的至少一些和/或步骤顺序可改变。例如，步骤507可在时间上早于步骤505执行。
在各种实施方案中，通过增材制造技术将保护壳5添加至探针主体4、内腔10和加热元件9的至少一个。例如，可通过激光熔覆添加保护壳5。在进一步实施方案中，可通过等离子喷镀，例如冷喷镀(例如，气体动态冷喷镀)添加保护壳5。
在各种实施方案中，大气数据探针1可包括多种材料或适于在经历飞机运行环境中的磨损时增强或强化系统的弹性和/或支撑，或满足其它期望的电磁、化学、物理或材料性质(例如重量、耐热性、导热性、雷达标记、铁磁性质、延性、强度、耐用性和其它性质)的任何材料构造。
虽然已在飞机应用的背景下描述本文中描述的系统，但是，将了解鉴于本公开，本文中描述的系统可用在各种其它应用中，例如，不同的交通工具(诸如汽车、卡车、公共汽车、火车、轮船和潜水交通工具、太空交通工具(包括载人和无人轨道和亚轨道交通工具)或任何其它交通工具或装置)，或结合工业程序或推进系统或需在极端温度环境和/或湿润环境中进行压力感测的任何其它系统或程序使用。
本文中已参考特定实施方案描述好处、其它优点和问题解决方案。此外，本文中所含的各种图中所示的连接线旨在代表各种元件之间的示例性功能关系和/或实体耦合。应注意，许多替代或额外功能关系或实体连接可存在于实际系统中。但是，好处、优点、问题解决方案和可导致任何好处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何元件不应被解释为本发明的关键、必要或本质特征或元件。本发明的范围相应地将仅受限于随附权利要求，其中提及单数的元件不旨在意指“一个和仅一个”，除非明确地如此规定，而是意指“一个或更多个”。此外，在类似于“A、B或C的至少一个”的短语用在权利要求中的情况下，短语旨在被解释为意指A可单独存在于一个实施方案中，B可单独存在于一个实施方案中，C可单独存在于一个实施方案中，或元件A、B和C的任何组合可存在于单个实施方案中；例如，A和B、A和C、B和C或A和B和C。
本文中提供系统、方法和设备。在本文的详细描述中，提及“各种实施方案”、“一个实施方案”、“一实施方案”、“一示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可包括特定特征、结构或特性，但每个实施方案可能未必包括特定特征、结构或特性。此外，这些短语未必指的是相同实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，主张本领域技术人员了解如何结合明确描述或未明确描述的其它实施方案实现这种特征、结构或特性。在阅读描述后，相关领域技术人员将了解如何在替代实施方案中实施本公开。
此外，本公开中的元件、组件或方法步骤不旨在贡献给公众，而不管元件、组件或方法步骤是否在权利要求中明确叙述。本文中的权利要求元件将不依据35U.S.C.112(f)的条款解释，除非元件使用短语“用于……的构件”明确叙述。如本文中使用，术语“包括(comprise、comprising)”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性包括，使得包括一系列元件的过程、方法、物件或设备不仅仅包括所述元件，而且可包括未明确列出或这些过程、方法、物件或设备所固有的其它元件。

Claims (15)

1.一种大气数据探针，其包括：
保护壳，其包括施敷至探针主体并且将所述探针主体的表面隔离而不与环境流体连通的材料涂层；
第一感测端口，其由所述探针主体界定并且定位在所述探针主体的最外端处并且与所述环境流体连通；
第一内腔，其包括由所述探针主体界定且安置在所述探针主体内部的体积，所述第一内腔与所述第一感测端口流体连通；和
所述第一内腔内的加热元件，由此加热所述探针主体和所述保护壳的至少一个。
2.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述保护壳包括局部保护壳厚度变化，所述局部保护壳厚度变化包括所述保护壳的变厚，且其中所述探针主体包括局部探针主体厚度变化，所述局部保护壳厚度变化包括对应于所述局部保护壳厚度变化的所述探针主体的变薄。
3.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述探针主体从包括飞机的安装结构延伸。
4.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述探针主体包括镍，且所述保护壳包括奥氏体镍铬合金和不锈钢的至少一个。
5.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述保护壳还包括施敷至所述第一感测端口并且将所述第一感测端口的表面隔离而不与所述环境流体连通的材料涂层。
6.根据权利要求5所述的大气数据探针，其中所述保护壳还包括施敷至所述加热元件并且将所述加热元件的表面隔离而不与所述环境流体连通的材料涂层。
7.根据权利要求1所述的大气数据探针，其还包括：
第二感测端口，其由所述探针主体界定并且定位在所述探针主体的一侧处并且与所述环境流体连通；
第二内腔，其包括由所述探针主体界定且安置在所述探针主体内部的体积，所述第二内腔与所述第二感测端口流体连通。
8.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述第一感测端口包括：
感测端口凹部，其包括形成在所述探针主体中的凹口；
端口保护壳区段，其包括安置在所述感测端口凹部上方并且在所述凹口上方形成大体上连续表面的所述保护壳的一部分；和
端口通道，其包括由所述端口保护壳区段界定且与所述环境和所述第一内腔流体连通的孔隙，且由此所述端口保护壳的一部分内衬所述端口通道。
9.根据权利要求8所述的大气数据探针，其中所述端口通道与所述感测端口凹部的几何中心重合对准。
10.根据权利要求8所述的大气数据探针，其中所述凹口包括浅凹。
11.根据权利要求8所述的大气数据探针，其中所述凹口包括至少一个拐点。
12.根据权利要求8所述的大气数据探针，其中所述探针主体和所述保护壳包括在电位序表上邻近的材料。
13.一种制作大气数据探针的方法，其包括：
形成探针主体；
使内腔形成至所述探针主体中；
通过增材制造技术将保护壳施敷至所述探针主体；
将加热元件插入至所述内腔中；
加工所述大气数据探针的最终轮廓；和
形成感测端口，所述感测端口包括穿透所述探针主体界定且由所述保护壳的一部分内衬的端口通道。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述感测端口还包括：
形成感测端口凹部，所述感测端口凹部包括形成在所述探针主体中的凹口；和
施敷安置在所述感测端口凹部上方并且在所述凹口上方形成大体上连续表面的所述保护壳的所述部分，
其中所述端口通道包括孔隙，所述孔隙由所述保护壳的所述部分界定并且与环境和所述内腔流体连通。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述端口通道与所述感测端口凹部的几何中心重合对准。
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