CN106466713B - 探针和用于提供空气数据感测的装置 - Google Patents

Abstract

提供用于空气数据探针的增材制造的系统和方法。在至少一个实施例中，探针包括：支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，所述支撑结构包括具有用于接纳流体的开口的内骨骼芯轴；以及包围内骨骼芯轴的外表面加热电缆。探针还包括：添加涂层，其熔合到内骨骼芯轴的外表面和加热电缆的外表面；以及支撑结构内侧的内部组件，其用于将来自一个或多个端口的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

Description

探针和用于提供空气数据感测的装置

背景技术

在多个应用中，皮托管探针用来通过测量空气压力的差异以计算通过流体的车辆的速度。在至少一个主要的应用中，皮托管探针起作用以收集用来确定航空器的速度的测量值。当航空器在高的高度行进时，位于航空器的外表面上的皮托管、皮托管静态或其它的空气数据探针暴露于环境中冷的空气温度，这可促使冰积聚在皮托管探针的外表面上。如果允许冰积聚，则冰可干扰进入皮托管探针中的开口的流体流动。因此，皮托管探针可加热以防止冰积聚在皮托管的表面上。在至少一个实施方式中，可将加热线圈围绕皮托管探针的外表面放置。经常地，加热线圈通过钎焊接合到皮托管。但是，由于与钎焊工艺相关联的挑战，可能不规则地施加钎焊填料。不规则地施加的钎焊通常在制造期间是可识别的，并且导致正确地施加钎焊的另外成本，使得加热器线圈能够将热量适当地传导到皮托管探针。

发明内容

提供用于空气数据探针的增材制造的系统和方法。在至少一个实施例中，探针包括：支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，所述支撑结构包括具有用于接收流体的开口的内骨骼芯轴（endoskeleton mandrel）；以及加热电缆，其包围内骨骼芯轴的外表面。探针还包括：添加涂层，其熔合到内骨骼芯轴的外表面和加热电缆的外表面；以及支撑结构内侧的内部组件，其用于将来自一个或多个端口的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

附图说明

应当理解，附图仅仅示出示例性实施例，因此不认为限制范围，通过使用附图以附加的特征和细节来描述示例性实施例，在附图中：

图1是根据本公开中所描述的一个实施例的皮托管探针的侧视图；

图2A-图2C是示出用于根据本公开中所描述的至少一个实施例的皮托管探针的增材制造的一系列剖视图；

图3A-3B示出用于制造通过根据本公开中所描述的至少一个实施例的皮托管探针的通道的不同的实施方式；

图4示出用于围绕用于根据本公开中所描述的至少一个实施例的皮托管探针的芯轴卷绕加热电缆的实施方式；以及

图5示出用于在根据本公开中所描述的一个实施例的皮托管探针制造中使用添加工艺的方法。

根据惯例，所描述的各种特征未按比例绘制，而是绘制成强调与示例性实施例有关的具体特征。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考了构成该描述的一部分的附图，并且在附图中以例示说明的方式示出了具体的例示性实施例。但是，应当理解，可利用其它的实施例，并且可做出逻辑的、机械的和电气上的变化。此外，附图和说明书中呈现的方法不解释为限制可执行各个步骤的顺序。因此，下面的详细描述不应视为具有限制意义。

本公开内所述实施例提供用于在制造皮托管时使用增材制造的系统和方法。特别地，皮托管的主体可通过使用增材制造围绕皮托管的内骨骼芯轴制造。使用定向能量沉积方法可执行增材制造，从而使用激光、电子束或等离子弧能量源熔化以粉末或导线形式提供的材料。通过冷喷涂工艺也可执行增材制造。与使用热量以将材料熔合在一起的定向能量沉积方法不同，冷喷涂是增材制造工艺，其使金属粉末加速到超音速，从而将该材料添加到基底。增材制造的使用积聚导热材料的层，其封装围绕芯轴缠绕的同轴电缆加热器。由于增材制造的本质，芯轴变成探针主体的部分，并且封装的加热器电缆能够将热量有效地联接到探针主体。当与通过钎焊工艺的材料的添加相比较，通过使用增材制造方法，可更有效地控制添加到皮托管探针的材料。因此，使用增材制造技术的制造的成本减少制造时间，并且提高成品收率，这都是减少总的制造成本的益处。

图1是使用增材制造工艺制造的皮托管探针100的截面视图。也称为皮托管的皮托管探针是熟知的仪器，其测量流体流动速度。例如，在一个具体的实施方式中，皮托管探针用来有助于航空器的空速的确定。为了确定流体流动速度，管放置在流体中，使得探针100的进口102直接地指向流动的流体中。如本领域技术人员已知的，皮托管气动地将压力运送到压力传感器，其测量由于流动的流体通过进口102进入而产生的压力。驱动皮托管加热器的电力通过连接器104运送到一个或多个仪器，其基于通过气动端口106感测的压力，提供电信号。来自皮托管100的压力信息的获得对本领域技术人员来说是已知的。此外，通过将凸缘110固定到航空器主体的紧固件108，皮托管100可附接到车辆。此外，支柱112将皮托管探针100的管部分连接到凸缘110，管和支柱112也可认为是用于皮托管探针100的进口102的单个支撑结构。用于将进口102定位在流动的流体中，同时将皮托管探针100附接到车辆的其它附接设备也被考虑。

由于皮托管探针100可连接到在高海拔行进的航空器，皮托管探针100可暴露于冷冻的空气温度。暴露于冷冻的空气温度可促使冰积聚在航空器的表面上，包括在皮托管探针100的暴露的表面上，其附接到航空器的表面。冰在皮托管探针100上的积聚具有影响在皮托管探针100的管部分内产生的压力的可能性。特别地，冰可抑制流体流入探针的进口102，这随后影响管内的压力。为了防止冰在皮托管100的表面上积聚，加热电缆114可放置在皮托管100的主体内。在某些实施方式中，为了将加热电缆114放置在皮托管探针100的主体内，加热电缆114围绕皮托管的芯轴（芯轴在后续的图2A-2C，图3和图4中更好的示出，并且在下面描述）的部分而缠绕，然后添加材料添加到皮托管芯轴和加热电缆114的表面，从而围绕加热电缆114积聚熔合到芯轴的添加涂层118，使得由加热电缆114产生的热量贯穿皮托管探针100均匀地辐射，特别地，热量围绕皮托管探针100的管部分均匀地分布，使得由于通过进口102进入的空气而产生的在皮托管探针内产生的滞止压力可用来提供附接的航空器的空气速度合理精确的确定。在至少一个其它实施方式中，添加涂层118围绕包括支柱112和芯轴的支撑结构积聚。

图2A-图2C示出在制造的不同阶段的皮托管静态探针的截面视图，其中使用增材制造过程制造添加涂层。图2A示出已经形成内部芯轴216之后的内部芯轴216的部分。如所示的内部芯轴216表示内部芯轴216的一个侧面的截面。在某些实施方式中，通过使截面围绕轴线220旋转可表示完整的芯轴216。如所示，在某些实施例中，芯轴可具有通过芯轴的一个或多个通道222。通道222允许空气进入皮托管用于静压的测量，其可与由通过进口202进入的流体获得的总压的测量一起使用。由于冰在芯轴上的形成可能潜在地干扰压力测量，芯轴216可以以这种方式形成，即使用加热电缆214来有助于芯轴216的加热。

图2B示出具有围绕芯轴216缠绕的加热电缆214的芯轴216的部分的截面视图。如所示，在一个实施方式中，芯轴216形成为具有凹进部分224。凹进部分224用来促进加热电缆214的放置以及随后通过如图2C中示出的增材工艺的添加涂层218的积聚。在某些实施方式中，加热电缆214可以是同轴电缆加热器，其围绕凹进部分224内的芯轴216卷绕。在图2A-图2B中示出的一个特定的示例中，似乎存在三个分开的凹进部分224。三个分开的凹进部分224可以是分开的凹进部分，或者可以是单个连续的凹进部分的一部分。例如，通过围绕芯轴216缠绕的延伸的芯轴材料的环，凹进部分可彼此分开，其中通道222存在，其中凹槽延伸通过环以允许加热电缆214从一个凹进部分经过到下一个凹进部分。替代地，由于通道仅仅由延伸远离芯轴216的材料的支柱立即围绕，所以凹进部分是连续的。图3A和图3B示出用于通过芯轴216的通道的不同的实施方式。在至少一个实施方式中，在加热电缆214围绕芯轴216缠绕后，加热电缆214可点焊在适当位置，从而防止加热电缆214在后续处理期间移动。

图3A示出具有围绕芯轴316的圆周延伸的通道环326的芯轴316的一部分的视图。在通道环326内，通道322从芯轴316的外表面延伸到芯轴316的内部。在通道环326的两个侧面上，凹进部分324在芯轴316上形成。凹进部分324允许加热电缆、诸如加热电缆214围绕芯轴316的卷绕。由于加热电缆从芯轴316的一个端部到芯轴316的另一个端部卷绕，加热电缆通过通道环326中的凹槽328。凹槽、诸如凹槽328允许单个加热电缆穿过多个凹进部分324跨越芯轴316的长度围绕芯轴316卷绕。

与图3A中描述的实施例相比，图3B示出具有通道支柱330的芯轴316的一部分的视图，所述通道支柱330围绕通道322从芯轴316的表面延伸。通道322从芯轴316的外表面延伸通过通道支柱330到芯轴316的内部。凹进部分324沿芯轴316的长度连续地延伸，从而允许单个加热电缆围绕单个连续的凹进部分内的芯轴316的长度缠绕。

图4示出替代的芯轴416，其不具有上面结合图2A-图2C和图3A-图3B所描述的大的凹进部分。与凹进部分相比，芯轴416具有围绕芯轴416缠绕的凹槽432，使得在添加涂层施加到凹槽芯轴416之前，加热电缆可直接地放置在凹槽432中。单个凹槽432的使用可提供对加热电缆在芯轴416的长度上方的间距的更多控制。

转向图2C，在本文所述实施例中，在加热电缆214围绕芯轴216卷绕之后，添加涂层218添加到芯轴216的外部。在某些实施方式中，在添加涂层218添加之前，冷却的芯轴支撑件可制造，以在添加涂层218的添加期间支撑芯轴，从而防止芯轴免受高温损坏，并且促进添加涂层218的冷却。添加涂层218通过沉积技术来添加，使得添加材料熔合到用来制造芯轴216的材料，并且围绕加热电缆214。加热电缆214封装在通过添加涂层218熔合到芯轴216形成的皮托管探针的主体内。此外，添加涂层218可熔合到围绕加热电缆214的护套。在一个实施方式中，添加涂层218通过定向能量沉积方法积聚，该定向能量沉积方法使用激光、电子束或等离子弧能量源熔化以粉末或导线形式提供的材料。在替代的实施方式中，添加涂层218通过冷喷涂熔合技术来积聚。此外，在添加涂层218积聚之后，添加涂层218可机加工成期望的形状。

在添加涂层218通过激光粉末熔合技术而积聚的实施方式中，金属粉末可通过控制很好的热量输入熔合到加热电缆214的外部。例如，激光束用来控制在加热电缆214和芯轴216的外部的组合上的位置上形成的金属的局部熔池。送粉器将金属粉末送到熔池中，其中粉末熔化且并入到熔池中，其中金属熔合到芯轴216的外部和加热电缆214的外部。由于激光束用来熔化金属，工艺允许低的热量输入和精确的束传送，这减少部件破裂、变形，以及由热量影响的区域。工艺可以是自动化的，并且因此可以潜在地提供比其它技术，诸如钎焊更高的产出。此外，激光粉末熔合工艺允许比其它工艺更高的沉积速率，并且由于工艺的精确性，材料浪费也有减少的可能性。这些因素可允许产品产出的提高和部件成本的减小。

在替代的实施方式中，添加涂层218可通过冷喷涂技术工艺积聚。在冷喷涂技术工艺中，原料颗粒喷射到空气流中。在某些实施方式中，颗粒可以是金属粉末，或者陶瓷和金属的粉末状的组合物。然后，气流/原料颗粒组合物被加速，使得其在高的速度下离开喷嘴。在一些示例性实施方式中，喷嘴是超音速喷嘴，其压缩气体的流动，使得气体/颗粒混合物在超音速速度下喷射。喷嘴目的也在于颗粒在高速度下朝基底移动，其中颗粒碰撞在基底上且熔合到基底。例如，颗粒碰撞在芯轴216和加热电缆214上，使得颗粒熔合到芯轴215的外表面和加热电缆214的外护套。然后，颗粒积聚在彼此上，以形成添加涂层218。由于工艺的低温度，冷喷涂工艺提供益处。特别地，对于喷涂的颗粒或对于基底，没有相变化。而且，低温限制颗粒和基底的氧化。

图500示出方法500，其用于使用增材制造工艺制造皮托管探针。例如，方法500在502处前进，其中机加工包括内骨骼芯轴的支撑结构。在至少一个示例性实施方式中，当机加工包括内骨骼芯轴的支撑结构时，芯轴制造成具有从芯轴外表面延伸到内表面中的通道，使得也可测量静压力。此外，可机加工芯轴的外表面的部分，以促进加热电缆围绕芯轴的卷绕。例如，芯轴的外表面的一个或多个部段可以是凹进的，以促进加热电缆的卷绕。在某些实施方式中，凹进部分是单个连续的凹进部分或凹槽，其通过芯轴的外表面卷绕。

此外，方法500在504处前进，其中加热电缆围绕内骨骼芯轴的外表面而卷绕。在某些实施方式中，为了将加热电缆保持在芯轴上的正确位置，加热电缆可点焊到芯轴。此外，冷却的芯轴支撑件可制造成在可处于升高的温度的后续处理期间支撑和冷却芯轴。方法500在506处前进，其中添加涂层沿支撑结构的外表面和加热电缆的外表面的部分积聚。在某些实施方式中，使用定向能量沉积工艺，来积聚添加涂层。替代地，添加涂层可使用冷喷涂技术工艺积聚。在另外的实施方式中，当添加涂层已经添加时，添加涂层可机加工成期望的形状。

示例性实施例

示例1包括空气数据感测探针，所述探针包括：支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，所述支撑结构包括具有用于接纳流体的开口的内骨骼芯轴；加热电缆，其包围内骨骼芯轴的外表面；添加涂层，其熔合到内骨骼芯轴的外表面和加热电缆的外表面；以及支撑结构内侧的内部组件，其用于将来自一个或多个端口的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

示例2包括示例1的探针，其中添加涂层通过下列各项中的至少一个添加：定向能量沉积工艺；以及冷喷涂技术工艺。

示例3包括示例2的探针，其中通过冷喷涂技术工艺添加的添加涂层包括下列各项中的至少一个：金属；一个或多个金属的层；以及一个或多个金属和一个或多个陶瓷的组合物。

示例4包括示例1-3中任何一个的探针，其中内骨骼芯轴包括在内骨骼芯轴的外表面上的一个或多个凹进部分，其中加热电缆包围一个或多个凹进部分内的内骨骼芯轴，并且添加涂层添加到凹进部分内和/或上方的内骨骼芯轴。

示例5包括示例4的探针，其中内骨骼芯轴包括从内骨骼芯轴的外表面延伸到内骨骼芯轴的内表面的通道，其中通道允许流体从设备的外表面通过至内骨骼芯轴的内表面。

示例6包括示例5的探针，其中通道环围绕内骨骼芯轴的外表面延伸，其中通道环将一个或多个凹进部分中的第一凹进部分与一个或多个凹进部分中的第二凹进部分分开，其中加热电缆从第一凹进部分通过通道环中的凹槽到第二凹进部分。

示例7包括示例5-6中任何一个的探针，其中通道支柱从围绕通道的内骨骼芯轴的外表面延伸，其中一个或多个凹进部分包括单个连续的凹进部分。

示例8包括示例1-7中任何一个的探针，其中加热电缆围绕通过凹槽的内骨骼芯轴缠绕，所述凹槽围绕内骨骼芯轴的外表面延伸。

示例9包括一种用于制造空气数据感测探针的方法，所述方法包括：机加工包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口的支撑结构，所述支撑结构包括内骨骼芯轴，所述内骨骼芯轴具有用于接纳流体的开口；将加热电缆围绕沿内骨骼芯轴的外表面的区域中的内骨骼芯轴的外表面卷绕，该区域设计成接纳加热电缆；以及沿支撑结构的外表面和加热电缆的外表面的部分积聚添加涂层，其中添加涂层熔合到支撑结构的外表面和加热电缆的外表面的部分。

示例10包括示例9的方法，其中添加涂层的积聚包括下列各项中的至少一个：通过定向能量沉积工艺积聚添加涂层；以及通过冷喷涂技术工艺积聚添加涂层。

示例11包括示例10的方法，其中通过冷喷涂技术工艺积聚的添加涂层包括下列各项中的至少一个：金属；一个或多个金属的层；以及一个或多个金属和一个或多个陶瓷的组合物。

示例12包括示例9-11中任何一个的方法，其还包括构造冷却的芯轴支撑件，其中冷却的芯轴支撑件在添加涂层的积聚期间冷却内骨骼芯轴。

示例13包括示例9-12中任何一个的方法，其还包括在添加涂层的积聚之前将加热电缆的一部分点焊到内骨骼芯轴的外表面。

示例14包括示例9-13中任何一个的方法，其还包括将添加涂层机加工成期望的形状。

示例15包括示例9-14中任何一个的方法，其中机加工内骨骼芯轴还包括在内骨骼芯轴的外表面上形成一个或多个凹进部分，其中加热电缆围绕一个或多个凹进部分内的内骨骼芯轴来卷绕，并且添加涂层添加到凹进部分内和/或上方的内骨骼芯轴。

示例16包括示例1-15中任何一个的方法，其中机加工内骨骼芯轴包括形成从内骨骼芯轴的外表面延伸到内骨骼芯轴的内表面的通道。

示例17包括示例9-16中任何一个的方法，其中围绕内骨骼芯轴的外表面卷绕加热电缆包括卷绕凹槽内的加热电缆，所述凹槽围绕内骨骼芯轴的外表面延伸。

示例18包括一种用于提供空气数据感测的装置，所述装置包括：支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，其中支撑结构包括具有在管的第一端部上的进口的管，其中进口是一个或多个端口中的端口；附接设备，其用于将支撑结构安装到车辆；加热电缆，其从附接设备延伸通过支撑结构且围绕管缠绕，其中加热电缆封装在熔合到加热电缆的外表面和支撑结构的外表面的一部分的添加材料内；以及附接设备内侧的内部组件，其用于将一个或多个流体的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

示例19包括示例18的装置，其中添加涂层通过下列各项中的至少一个添加：定向能量沉积工艺；以及冷喷涂技术工艺。

示例20包括示例18-19中任何一个的装置，其中内骨骼芯轴包括在内骨骼芯轴的外表面上的一个或多个凹进部分，其中加热电缆包围一个或多个凹进部分内的内骨骼芯轴，并且添加涂层熔合到一个或多个凹进部分内和/或上方的内骨骼芯轴。

尽管本文已经说明和描述具体实施例，但是本领域技术人员应当理解，经计算以实现相同目的的任何布置可代替所示具体实施例。因此，很明显，本发明旨在仅由权利要求书及其等效方案限定。

Claims (11)

1.一种探针，所述探针包括：

支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，所述支撑结构包括内骨骼芯轴，其具有用于接纳流体的开口；

加热电缆，其包围所述内骨骼芯轴的外表面；

添加涂层，其包括熔合到所述内骨骼芯轴的所述外表面和所述加热电缆的外表面的导热材料的层，使得所述添加涂层覆盖所述内骨骼芯轴的所述外表面以形成探针的主体，并且其中由所述加热电缆产生的热量贯穿所述探针的主体的添加涂层辐射；以及

在支撑结构内侧的内部组件，其用于将来自一个或多个端口的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

2.根据权利要求1所述的探针，其中所述添加涂层通过下列各项中的至少一个添加：

定向能量沉积工艺；以及

冷喷涂技术工艺。

3.根据权利要求2所述的探针，其中通过冷喷涂技术工艺添加的添加涂层包括下列各项中的至少一个：

金属；

一个或多个金属的层；以及

一个或多个金属和一个或多个陶瓷的组合物。

4.根据权利要求1所述的探针，其中内骨骼芯轴包括在内骨骼芯轴的外表面上的一个或多个凹进部分，其中加热电缆包围一个或多个凹进部分内的内骨骼芯轴，并且添加涂层添加到凹进部分内和/或上方的内骨骼芯轴。

5.根据权利要求4所述的探针，其中内骨骼芯轴包括从内骨骼芯轴的外表面延伸到内骨骼芯轴的内表面的通道，其中通道允许流体从设备的外表面通过至内骨骼芯轴的内表面。

6.根据权利要求5所述的探针，其中通道环围绕内骨骼芯轴的外表面延伸，其中通道环将一个或多个凹进部分中的第一凹进部分与一个或多个凹进部分中的第二凹进部分分开，其中加热电缆从第一凹进部分通过通道环中的凹槽到第二凹进部分。

7.根据权利要求5所述的探针，其中通道支柱从围绕通道的内骨骼芯轴的外表面延伸，其中一个或多个凹进部分包括单个连续的凹进部分。

8.根据权利要求1所述的探针，其中加热电缆围绕通过凹槽的内骨骼芯轴缠绕，所述凹槽围绕内骨骼芯轴的外表面延伸。

9.一种用于提供空气数据感测的装置，所述装置包括：

支撑结构，其包括用于接纳一个或多个流体的一个或多个端口，其中所述支撑结构包括管，该管具有在该管的第一端部上的进口，其中该进口是一个或多个端口中的端口；

附接设备，其用于将支撑结构安装到车辆；

加热电缆，其从所述附接设备延伸通过所述支撑结构且围绕所述管缠绕，其中加热电缆封装在添加材料内，该添加材料包括熔合到所述加热电缆的外表面和所述支撑结构的外表面的一部分的导热材料的层，使得所述添加材料覆盖所述支撑结构的外表面的所述一部分和所述加热电缆的外表面以形成所述管的主体，并且其中由所述加热电缆产生的热量贯穿所述管的主体的添加材料辐射；以及

在附接设备内侧的内部组件，其用于将一个或多个流体的压力运送到响应于一个或多个流体的一个或多个仪器，以提供测量。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述添加材料通过下列各项中的至少一个添加：

定向能量沉积工艺；以及

冷喷涂技术工艺。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述管包括在所述管的外表面上的一个或多个凹进部分，其中加热电缆包围一个或多个凹进部分内的所述管，并且所述添加材料熔合到一个或多个凹进部分内和/或上方的所述管。