CN107543898B - 由多孔罩和硬钎焊材料形成大气数据探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由多孔罩和硬钎焊材料形成大气数据探针。提供大气数据探针的探针部分。探针部分包括：具有外表面的内骨架结构；沿着内骨架结构的外表面布置的加热缆；多孔罩，其围绕内骨架结构和加热缆；和钎焊填料，其大致填充加热缆与内骨架结构之间的间隙且大致填充多孔金属罩中的间隙。

Description

由多孔罩和硬钎焊材料形成大气数据探针

背景技术

常规上，大气数据探针通过将部件硬钎焊在一起以组装具有给定的空气动力学形状的探针而制成。这些大气数据探针包括用以产生热以在不利天气条件下运行时除冰并维持无冰状况的机构。防冰和除冰要求是大量航空航天标准和航空航天建议操作规程的主题。在2014年，交通运输部和联邦航空管理局发布了新规定，以便通过处理过冷大液滴结冰状况、混合相和冰晶结冰状况来改进探针安全性。由于这些新的规章，满足对于大气数据探针的防冰和除冰要求的挑战变得更加苛刻许多。

满足这些新要求的一种方法是：将加热源（例如，加热缆）放得更靠近于大气数据探针的探针部分的外表面。不幸的是，在当前的制作技术条件下，探针主体会逐渐形成围绕热源的间隙，导致减小的机械强度以及加热缆内的热点和探针外表面上的冷点。缆中的热点将导致加热缆老化加速，并且，在工作期间，外表面的冷点将作为用于冰形成的成核位置。

出于以上陈述的原因和出于以下陈述的其它原因，这些原因对本领域技术人员而言在阅读并理解说明书之后将变得显而易见，在本领域中存在对于用于制作使热在大气数据探针的探针部分的外表面上更加均匀分布的大气数据探针的改进的系统和方法的需求。

发明内容

本发明的实施例提供用于由多孔罩和硬钎焊材料成形用于大气数据探针的探针部分的方法和系统，并且通过阅读和学习以下说明书将理解本发明的实施例。

在一个实施例中，提供大气数据探针的探针部分。探针部分包括：具有外表面的内骨架结构；沿着内骨架结构的外表面布置的加热缆；多孔罩，其包围内骨架结构和加热缆；和钎焊填料，其大致填充加热缆与内骨架结构之间的间隙且大致填充多孔金属罩中的间隙。

附图说明

当从优选实施例的描述和以下附图的视角考虑时，本发明的实施例会更加容易理解，且其另外的优点和用途更加容易显见，在图中：

图1是大气数据探针的一个实施例的透视图，其中探针由多孔罩和硬钎焊材料构成，所述硬钎焊材料使加热元件嵌入多孔罩与内骨架结构之间；

图2是用于包括内骨架结构和多孔罩的大气数据探针的探针的一个实施例的透视图；

图3是用于大气数据探针的探针的一个实施例的截面图；

图4是用于大气数据探针的探针的一个实施例的截面图；

图5是用于大气数据探针的探针的内骨架结构的另一个实施例的透视图；

图6是用于大气数据探针的探针的另一个实施例的截面图；

图7是用于大气数据探针的探针的另一个实施例的截面图；

图8A到8E是对于大气数据探针的探针的多孔罩的不同实施例的透视图；以及

图9是用于制造大气数据探针的过程的实施例的流程图。

根据常规做法，各种描述的特征未成比例绘制，而是绘制以突出与本发明相关的特征。贯穿附图和文本，附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

在以下的详细描述中，对形成本文一部分的附图作出参考，并且其中以特定的图示实施例的方式示出了可实施本发明的方法。以充足的细节描述了这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且将理解的是，可利用其它的实施例，并且在不偏离本发明范围的条件下可作出逻辑的、机械的和电气的变化。因此，不应从限制的角度来看待以下的详细描述。

本发明的实施例提供使热更加均匀地分布在大气数据探针的探针部分的外表面上的大气数据探针。本发明的实施例使用内骨架设计连同钎焊填料一起来产生大气数据探针的探针部分。在一个实施例中，内骨架结构与宽间隙硬钎焊材料结合使用，以利用除火焰硬钎焊之外的硬钎焊技术将加热缆安装在内骨架结构的外表面/外侧上。在其它的实施例中，大气数据探针的探针部分利用多孔罩制造，所述多孔罩被放置在内骨架结构之上以在硬钎焊过程正在进行以形成不带有围绕加热缆的间隙的探针部分时提供钎焊填料材料的供给。在其它的实施例中，使用成层的两种或多种钎焊填料配方以同时满足填充小裂隙和空隙的需求、使钎焊填料在硬钎焊周期期间保持在位，和提供钎焊填料的储藏以占据由于收缩而产生的空间。

图1是根据本公开的一个实施例的大气数据探针100的透视图。大气数据探针100包括探针部分102和将探针部分102连接到交通工具的支柱部分104。在示范的实施例中，探针部分102是皮托管、皮托静压管、或类似物。探针部分102定位成使得大气通过入口106进入探针部分102。在一个实施方案中，大气数据探针100被用来确定飞行器的空速。为了防止冰形成，大气数据探针100包括形成在探针部分102和支柱部分104两者的结构内的加热元件108。

图2和图3图示了用于例如在图1的大气数据探针100中使用的探针部分102a的一个实施例。在该实施例中，探针部分102a包括用以满足关于防冰和除冰的新要求的内骨架设计和制造方法。该实施例的内骨架设计使用带槽的探针主体，以将加热缆缠绕并定位在探针部分102a中。

内骨架设计包括内骨架结构（探针主体）110和多孔罩112。内骨架结构110具有近端122和远端124。内骨架结构110的近端122联接到例如图1的支柱104。内骨架结构110包括外表面113和相反的内表面126，其在内骨架结构110的近端122与远端124之间限定内部通道114。内部通道114在内骨架结构110的远端124处具有用于接收流体的开口。

内骨架结构110还包括形成在内骨架结构110的外表面113中的通道111。加热缆108a在通道111中绕着内骨架结构110缠绕。在一些实施例中，钎焊膏涂覆于该被缠绕的组件。多孔罩112在内骨架结构110之上滑动就位。多孔罩112的不同实施例通过例子的方式且不是通过限制的方式被示出在图8A到图8E中，以下更加详细描述。钎焊材料层116涂覆于多孔罩112的外表面。在许多实施例中，多孔罩112是具有间隙的金属网，所述间隙允许钎焊材料在硬钎焊过程期间流动通过多孔罩112进入间隙，如以下更加详细描述的。

多孔罩112是用来将钎焊膏捕集在形成在内骨架结构110与多孔罩112之间的腔内。在一些实施例中，钎焊材料以由雾化金属粉末、焊剂（当需要时）和粘结剂组成的膏体形式涂覆，以在悬置中将部件保持在一起。膏体可利用合适的分配设备控制，并因此可在生产环境中对材料使用维持严格的控制。然而，通常与填料金属以相等份量混合的凝胶粘结剂由于燃烧/钎焊过程被消耗。当钎焊材料作为干粉末涂覆时，粉末的填充因子也引起干粉末与最终钎焊状态之间的体积收缩。因此，在钎焊操作期间，涂覆的钎焊材料的体积收缩。除非可获得钎焊材料的额外的供给以代替失去的体积，否则，在密封体积内的钎焊材料量缩减并且空隙是不可避免的。为了避免这种情况，钎焊材料层116涂覆于多孔罩112的表面118。

一旦涂覆了钎焊材料层116，就将内骨架结构110、加热缆108a、多孔罩112、和钎焊材料层116加热到熔化钎焊材料116的点。有利的是，钎焊材料填充多孔罩112中的孔以及在加热缆108a与通道111之间的任何间隙。

探针部分102的外表面120被机加工以提供对应于探针部分102的期望形状的最终的精加工表面，如图4中以截面图所示。

对于给定的输入功率，将加热缆108放置得更靠近于探针部分102a的外表面120改进了探针部分的防冰和除冰能力。探针部分102a的设计还允许加热缆108a与较紧的盘绕线相比更加充裕的弯曲，这会是使加热缆滑入探针主体的内部，例如，在槽111中所需的。这些特征都是有利的。

间隙尺寸是可被用来实现好的钎焊的参数。间隙尺寸通常选择成匹配被用于钎焊操作的合金。例如，银钎焊的焊剂钎焊应用要求0.002到0.005英寸的接合间隙。已知该间隙提供充分的毛细作用来将在钎焊温度下形成的液态金属吸入间隙和裂隙中。对于小体积的材料，表面张力和附着力的组合促使液体克服任何的重力吸引而移动到狭窄的空间中。然而，该毛细作用有其极限，并且当间隙过大时，重力占主导地位，液态钎焊流动到熔池中。钎焊材料的这些熔池可导致空隙。例如，如果使用传统的罩来代替多孔罩112（和钎焊材料层116），对于填充加热缆108与通道111之间的空隙所需的毛细作用，通道111中的间隙可能过大，从而在探针部分102中留下空隙。

为了克服该潜在的问题，在该实施例中，利用提供钎焊材料的供给的内骨架硬钎焊方法制作探针部分102a。钎焊材料的供给是在多孔罩112上的钎焊材料层116。该钎焊材料层116与多孔罩112一起适应收缩并抑制钎焊材料的流出使得在加热时它们不会流走。

此外，在一些实施例中，使用宽间隙硬钎焊方法。宽间隙硬钎焊方法认识到：某些复杂的硬钎焊应用可能无法在整个界面/几何形状上保持所需的间隙容差。存在至少两种特别开发来处理这些情况的宽间隙钎焊粉末。首先，有合金，这些合金具有导致在其“熔点”下运动缓慢的糊状合金的化学组成。由这些合金制成的钎焊膏可被用来桥接比标准钎焊膏更宽的间隙。第二种类型的宽间隙膏是钎焊合金加填料粉末的掺和物。填料金属在比钎焊合金更高的温度下熔化并因此在钎焊温度下形成不那么糊状的液态钎焊。可通过掺混不同比例的填料粉末与钎焊合金来制作特定的宽间隙钎焊膏。粉末的大小也是可允许宽间隙钎焊膏被调节到给定间隙大小的考虑因素。在一些实施例中，在放置多孔罩112之前将宽间隙钎焊膏涂覆于内骨架结构110的表面113和槽111。

通过控制多孔罩112的孔大小和孔隙度分数，多孔罩112可用作为钎焊材料层116中的附加的外部涂覆的“额外的”钎焊合金提供地方以进给钎焊接头的结构。当由于有机粘结剂被燃尽而发生体积收缩或干粉末体积收缩时，这将提供额外的钎焊材料。多孔网络用于提供连接的表面区域的网，其帮助糊状的运动缓慢的宽间隙钎焊膏进一步抵抗搅炼作用。

如提及的，在钎焊过程之后，多孔罩112被机加工成用于探针部分102的最终轮廓形状。为了有助于机加工，应使用可延展的网材料，比如关于图8A到8E在以下示出并描述的材料。在一些实施例中，成形的探针部分102a的镀镍被用作最后步骤。

应理解的是，在热钎焊合金的粘度（填料与合金的比、填料的粒度）、多孔罩112的表面面积、网眼大小、钎焊材料内的内聚力和横穿钎焊区存在的间隙之间存在相互作用。并且将要钎焊的区域具有不同的间隙大小。从槽111处开始，在此处加热缆108碰到通道111的底部，间隙可以是小的。朝着内骨架结构110的表面113工作，间隙大小将增加，因为如图3所示加热缆108具有圆截面并且槽是大致正方形或矩形截面的。最终在多孔罩112与内骨架结构110之间的界面处，相邻金属材料之间的间隙处于其最大。

图8A到8E图示了多种廉价的多孔金属罩，其可考虑用作外大气数据探针的外金属网或多孔罩使用，比如用作图2-7的多孔罩112使用。这些金属形式中的大多数可利用多种材料制成，比如：不锈钢、钛、镍钛诺、镍合金、铂合金、镁合金、铌等。图8A图示了形成为可展开的笼或支架的多孔罩。多孔罩可利用其它技术形成，例如针织金属丝网（图8D）、编织金属网（图8B）、多孔管（图8C）、和烧结网或滤管（图8E）。多孔罩的开口区域可从高度多孔的（图8B）变化到比如用于图8E中示出的烧结滤管的微米级孔。考虑到这些形式中的每个可以以各种构造制成，对于金属网罩显然存在许多选择。

由于间隙大小在钎焊区内变化，因此可能需要具有两种钎焊配方。较低粘度的钎焊材料可被用在槽区域中，较高粘度的钎焊材料，例如由于钎焊填料混合，可被装载到探针的外金属多孔覆盖物上。

图5-7图示了用于大气数据探针，比如图1的大气数据探针100，的探针部分102b的替代实施例，其中内骨架主体110b不具有外表面113中的通道。替代地，加热缆108b在表面113上绕内骨架结构110b缠绕。除此之外，图5-7中的附图标号对应于图2-4中的相同结构。在该实施例中，除了涂覆于多孔罩112的钎焊材料层116之外，钎焊材料可涂覆于内骨架结构的表面113。

图9图示用于制造大气数据探针的过程的实施例。尤其是，用于形成大气数据探针的探针部分，比如以上描述的探针部分102a或102b的过程。方法在方块902处以绕内骨架结构缠绕加热缆开始。加热缆可如图2-4中缠绕在内骨架结构110的表面113中的槽111中，或者如图4-7中所示绕内骨架结构110b的表面113缠绕。另外，如以上讨论的，可在缠绕加热缆之前将较低粘度的钎焊填料涂覆在通道区域中或涂覆在内骨架结构的表面之上。另外，较低粘度的钎焊填料可酌情被涂覆以填充缆与通道之间的任何剩余空间。

在方块904处，内骨架结构的至少一部分插入到多孔金属罩中。另外，在方块906处，将钎焊材料涂覆于多孔罩。例如，使被覆盖的组件在较高粘度的钎焊填料中滚动以使多孔罩装载有钎焊材料，使得多孔罩表现得像金属海绵一样以保持一定量的钎焊填料。在方块908处，组件被送去经过真空炉循环。然后，多孔罩可被机加工以提供用于大气数据探针的探针部分的期望形状。另外，在一些实施例中，在机加工之后，使外表面镀有镍材料。

在替代的实施例中，在方块902处，填料粉末可被用在加热缆与内骨架结构之间，而在方块906处，较低粘度的钎焊膏可装载到多孔罩上。钎焊合金将依靠毛细作用从外部的被缠绕并装载的多孔罩（例如，金属海绵）吸入内部区域中。

多孔金属覆盖物方法比目前的设计方法还有一些固有的优势。金属海绵方法可适应多步骤的钎焊方法，以通过反复的涂覆来逐渐增加外表面厚度。或者在出错的情况下它可被修理并再钎焊，而实心的金属罩不利于容易的修理或多个钎焊步骤。

示例实施例

示例1包括大气数据探针的探针部分，探针部分包含：具有外表面的内骨架结构；沿着内骨架结构的外表面布置的加热缆；多孔罩，包围内骨架结构和加热缆；和钎焊填料，其大致填充加热缆与内骨架结构之间的间隙并大致填充多孔金属罩中的间隙。

示例2包括示例1的探针部分，其中内骨架的外表面含有槽并且其中加热缆布置在槽内。

示例3包括示例1-2中任何一个的探针部分，其中多孔罩包含由不锈钢、钛、镍钛诺、镍合金、铂合金、镁合金或铌中的一种或多种制成的网。

示例4包括示例1-3中任何一个的探针部分，其中多孔罩包含可展开的金属支架、针织金属丝网、编织金属网、多孔管或烧结网管中的一个。

示例5包括示例1-4中任何一个的探针部分，其中钎焊填料包含宽间隙钎焊膏。

示例6包括示例1-5中任何一个的探针部分，其中钎焊填料包含填料粉末与钎焊合金的掺和物。

示例7包括示例1-6中任何一个的探针部分，其中钎焊填料包含具有不同粘度的第一和第二钎焊材料，其中第一钎焊材料的粘度高于第二钎焊材料的粘度。

示例8包括大气数据探针，包含：支柱，其构造成附接到交通工具；和联接到支柱的探针，该探针包括：具有近端和远端的内骨架结构，内骨架结构的近端联接到支柱，内骨架结构包括在内骨架结构的近端与远端之间限定内部通道的外表面和相反的内表面，其中内部通道在内骨架结构的远端处具有用于接收流体的开口，并且其中内骨架结构的外表面具有形成在其中的第二通道；在第二通道中沿着内骨架结构的外表面布置的加热缆；多孔金属罩，包围内骨架结构和加热缆；和钎焊填料，其大致填充加热缆与第二通道之间的间隙且大致填充多孔金属罩中的间隙以给探针提供大致光滑的外表面。

示例9包括示例8的大气数据探针，其中多孔金属罩包含由不锈钢、钛、镍钛诺、镍合金、铂合金、镁合金或铌中的一种或多种制成的网。

示例10包括示例8-9中任何一个的大气数据探针，其中多孔金属罩包含可展开的金属支架、针织金属丝网、编织金属网、多孔管、或烧结网管中的一个。

示例11包括示例8-10中任何一个的大气数据探针，其中钎焊填料包含宽间隙钎焊膏。

示例12包括示例8-11中任何一个的大气数据探针，其中钎焊填料包含填料粉末和钎焊合金的掺和物。

示例13包括示例8-12中任何一个的大气数据探针，其中钎焊填料包含具有不同粘度的第一和第二钎焊材料，其中第一钎焊材料的粘度高于第二钎焊材料的粘度。

示例14包括用于形成用于大气数据探针的探针的方法，方法包含：绕着内骨架结构缠绕加热缆；将内骨架结构的至少一部分和加热缆插入到多孔金属罩中；涂覆钎焊填料于多孔金属罩；以及加热多孔金属罩、钎焊填料和内骨架结构。

示例15包括示例14的方法，其中绕着内骨架结构缠绕加热缆包含将加热缆缠绕在内骨架结构的外表面上的通道中。

示例16包括示例14-15中任何一个的方法，其中绕着内骨架结构缠绕加热缆包含在内骨架结构的外表面上缠绕加热缆。

示例17包括示例15-16中任何一个的方法，其中涂覆钎焊填料包含将具有第一较低粘度的第一钎焊填料涂覆在通道中，和将具有第二较高粘度的第二钎焊填料涂覆于多孔金属罩。

示例18包括示例14-17中任何一个的方法，其中插入内骨架结构的至少一部分包含将内骨架结构的至少一部分插入到可展开的金属支架、针织金属丝网、编织金属网、多孔管或烧结网管中的一个中。

示例19包括示例14-18中任何一个的方法，且进一步包含在加热多孔金属罩、钎焊填料和内骨架结构之后机加工多孔金属罩的外表面。

示例20包括示例19的方法，且进一步包含电镀多孔金属罩的机加工的外表面。

尽管本文中已图示并描述了特定的实施例，本领域普通技术人员将理解的是，打算来实现相同目的的任何布置可替代示出的特定实施例。本申请意图覆盖本发明的任何改型或变型。因此，明示的意图是，本发明仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (2)

1.一种大气数据探针（100）的探针部分（102），所述探针部分包含：

具有外表面（113）的内骨架结构（110）；

沿着所述内骨架结构的所述外表面布置的加热缆（108, 108a）；

多孔金属罩（112），其包围所述内骨架结构和加热缆，其中所述多孔金属罩包括多个孔；和

钎焊材料，所述钎焊材料填充所述加热缆与所述内骨架结构之间的间隙且填充所述多孔金属罩中的所述孔，其中所述钎焊材料包括宽间隙钎焊膏或填料粉末和钎焊合金的掺和物中的至少一种，

其中，所述钎焊材料包含具有不同粘度的第一钎焊材料和第二钎焊材料，其中所述第一钎焊材料的粘度高于所述第二钎焊材料的粘度，并且其中，所述第一钎焊材料被涂覆于所述多孔金属罩上，并且所述第二钎焊材料被涂覆在所述内骨架结构的所述外表面之上。

2.一种用于形成用于大气数据探针的探针的方法，所述方法包含：

绕着内骨架结构缠绕加热缆（902）；

将所述内骨架结构的至少一部分和加热缆插入到多孔金属罩中（904）；

将钎焊填料涂覆于所述多孔金属罩（906）；以及

加热所述多孔金属罩、钎焊填料和内骨架结构（908），使得钎焊填料填充所述加热缆与所述内骨架结构之间的间隙且填充所述多孔金属罩中的间隙，

其中，涂覆钎焊填料包含将具有第一较低粘度的第一钎焊填料涂覆在所述内骨架结构的表面之上，以及将具有第二较高粘度的第二钎焊填料涂覆于所述多孔金属罩。

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