CN111649836B - 大气数据探针 - Google Patents

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Abstract

一种大气数据探针包括在前向末端与后基座之间界定纵轴的探针头。所述探针包括在所述前向末端中具有感测端以测量所述前向末端中的温度的热电偶。所述探针包括在所述探针头一侧中界定且相对于所述纵轴成一定角度开口的端口开口。所述探针在所述探针头内包括隔板。所述隔板具有与所述端口开口流体相通的腔室。所述腔室包括具有细长横截面形状的单个腔室入口。所述单个细长腔室入口与两个下游压力导管流体相通以便在所述两个压力导管之一被阻塞的情况下提供冗余性。

Description

大气数据探针
技术领域
本发明涉及大气数据探针，并且更具体地来说涉及抗湿耐湿大气数据探针。本申请为分案申请，其母案申请号为201610164248.0，申请日为2016年03月22日，发明名称为“大气数据探针”。
背景技术
在飞机飞行控制领域，公知有多种大气数据探针装置。此类装置中，许多是针对测量皮托压力、静态压力、局部迎角压力和侧滑角压力作为用于计算压力高度、高度变化率、空速、马赫数、迎角和侧滑角的参数。大气数据探针还能够提供用于辅助目的的数据，包括引擎控制、人工感觉、座舱压力差等等。
在大气水汽状况期间，大气数据探针可能由于大气数据探针的腔室和导管内存在水汽而有压力传感测量误差或尖峰。此类水汽包含固态和液态水汽。在地面操作和飞行期间，大气水汽可能累积在压力测量端口、导管和腔室周围以及其中，并因此影响所确定的空速、高度或其他测量的流体动力学特征的精确度。
此类常规方法和系统对于其预期目的来说一般被认为是令人满意的。但是，随着雨区和冰区规范逐渐变得严苛，以及数量越来越多的具有电传飞行控制的飞机被使用，对吸入的水汽时而导致的间隙性压力尖峰的耐受性正在下降。因此，一直存在改进现有技术以降低水汽吸入导致的误差并同时减少大气数据探针内的水汽吸入的需要。本发明提供针对这些需要的解决方案。
发明内容
一种大气数据探针包括在前向末端与后基座之间界定纵轴的探针头。该探针包括在前向末端中具有感测端以测量前向末端中的温度的热电偶。
可设想该探针能够包括探针头的前向末端内用于固定热电偶的感测端的隔板。一个支柱可以从探针头的后基座延伸。热电偶可以从探针头的前向末端延伸到支柱的基座，并且能够端接于热电偶连接器中。
在另一个实施例中，组装加热器和大气数据探针的热电偶的方法包括将热丝加热器围绕第一芯棒缠绕以形成绕制加热器线圈。该方法包括从绕制加热器线圈中移除第一芯棒，并在该绕制加热器线圈内插入第二芯棒。该第二芯棒包括用于将该绕制加热器线圈定位的引导件。该方法包括围绕该第二芯棒在该绕制加热器线圈的线圈之间缠绕热电偶以形成绕制热电偶线圈，以及从绕制加热器线圈和绕制热电偶线圈中移除第二芯棒。
一种大气数据探针包括在前向末端与后基座之间界定纵轴的探针头。在该前向末端中界定端口开口。第一导管与端口开口流体相通以引导从端口开口到第一腔室的流体流。第一腔室位于端口开口下游。第二导管在径向和环向上与第一导管错位，所述第二导管与第一腔室流体相通以引导从第一腔室到第二腔室的流体流。第二腔室位于第一腔室的下游。第一与第二导管之间的错位被构造成防止从端口开口吸入颗粒进入第二导管。
根据一些实施方案，静态导管与静态腔室流体相通。所述静态腔室可以位于第一腔室的上游。所述静态导管能够经第一腔室从静态腔室引流。所述静态导管可以在第一腔室内第一导管的出口与第二导管的入口之间成S形构型，以便阻止第一导管的出口与第二导管的入口之间的直接通路。
在另一个实施方案中，一种大气数据探针包括在前向末端与后基座之间界定纵轴的探针头。所述探针包括在所述探针头一侧中界定且相对于所述纵轴成一定角度开口的端口开口。所述探针在所述探针头内包括隔板。所述隔板具有与所述端口开口流体相通的腔室。所述腔室包括具有细长横截面形状的单个腔室入口。所述单个细长腔室入口与两个下游压力导管流体相通以便在所述两个压力导管之一被阻塞的情况下提供冗余性。
在又一个实施方案中，一种大气数据探针包括在前向末端与后基座之间界定纵轴的探针头。所述探针头包括在所述探针头的一侧界定且相对于所述纵轴成一定角度开口的端口开口，以及位于所述探针头的所述前向末端内的隔板。所述隔板包括与所述端口开口流体相通的腔室入口。所述腔室入口可操作地连接到下游压力导管，所述下游压力导管具有细长横截面形状，以便阻止所述下游压力导管中形成弯液面。
根据一些实施方案，所述腔室入口和所述下游压力导管是作为所述隔板的一部分整体形成的。所述探针可以包括嵌套在所述下游压力导管内且邻接所述下游压力导管的内表面以便收集进入所述端口开口的水汽的毛细管。所述毛细管可以是作为所述隔板的一部分与所述腔室入口和所述下游压力导管整体形成的。所述下游压力导管的内表面可以包含突起特征和/或凹进特征以便收集进入所述端口开口的水汽。
一种用于大气数据探针的整体形成的隔板包括界定纵轴的隔板体。所述隔板体包括第一腔室入口和第一腔室。第一腔室位于所述隔板体内且与所述第一腔室入口流体相通。第一腔室入口和第一腔室的内壁大致平滑且无间断。所述隔板体的外表面包括加热器沟槽和热电偶沟槽。所述隔板体将第一和第二腔室与所述加热器和热电偶沟槽分离。
从下文对结合附图的优选实施例的详细描述，本领域技术人员将更容易地显见到本发明的系统和方法的这些和其他特征。
附图说明
为使本发明所属领域的技术人员容易地理解如何实施和使用本发明的装置和方法而无需过多试验，下文将参考某些附图详细地描述其优选实施例，其中：
图1是根据本发明构造的大气数据探针的示范性实施例的侧视图，其示出探针头和支柱；
图2是图1的大气数据探针去除探针外壳部分后的侧视图，其示出热电偶和加热器线圈；
图3是图1的大气数据探针从支柱下侧观看的透视图，其示出具有热电偶连接器的支柱底座；
图4是以示意图形式说明一种根据本发明的用于组装加热器和热电偶线圈的方法的流程图；
图5是图1的大气数据探针去除探针外壳部分以及去除热电偶和加热器线圈后的透视图，其示出在环向和径向上彼此错位的第一和第二压力导管；
图6是图5的压力导管和隔板的放大侧视图，其示出S形静态压力导管；
图7A是根据本发明构造的大气数据探针的另一个示范性实施例的透视图，其示出探针外壳；
图7B是根据本发明构造的图7A的大气数据探针去除探针外壳部分后的部分的透视图，其示出具有冗余压力导管的隔板；
图8是图7A的隔板的放大透视图，其示出与两个压力导管压力相通的单个细长腔室入口；
图9A是根据本发明构造的大气数据探针的另一个示范性实施例的透视图，其示出探针外壳；
图9B是图9A的大气数据探针去除探针外壳部分后的部分的透视图，其示出细长压力导管；
图10是图9A的隔板的放大透视图，其示出细长腔室出口，这些细长腔室出口各连接到相应的细长压力导管；
图11是图9A的大气数据探针的一部分的透视图，其示出细长压力导管内的毛细管；
图12是根据本发明构造的大气数据探针的另一个示范性实施例去除探针外壳部分后的部分的透视图，其示出整体形成的隔板；
图13是图12沿着纵轴截取的整体形成的隔板的截面图，其示出加热器和热电偶沟槽；
图14A是图12垂直于纵轴截取的整体形成的隔板的后向截面图，其示出与该隔板整体形成的毛细管和细长压力导管；以及
图14B是图12垂直于纵轴截取的整体形成的隔板的后向截面图，其示出与该隔板整体形成的毛细管和细长压力导管。
具体实施方式
现在将参考附图，其中相似参考数字标识本发明的相似结构特征或方面。出于解释和说明的目的而非限制，图1中示出根据本发明的一种大气数据探针的示范性实施例的局部视图，并且由参考字符100来一般性地指代。图2-14B中提供根据本发明或其多个方面的大气数据探针的其他实施例，如下文描述。
如图1所示，大气数据探针100包括在前向末端104与后基座108之间界定纵轴A的探针头102。支柱118从探针头的后基座108延伸。探针100包括热电偶线圈110，热电偶线圈110在前向末端104中具有感测端112以测量前向末端104附近的温度，以用于提供能够在探针头102的前向末端104处持续进行而无需考虑加热器线圈124的开/关状态的高精确和响应的温度测量。探针壳114围绕着热电偶线圈110。探针100包括探针头102的前向末端104内用于固定热电偶线圈110的感测端112的隔板116。热电偶线圈110从探针头102的前向末端104延伸到支柱118的基座120，并与加热器线圈124交错。热电偶线圈110端接于密封罐123中热电偶连接器122下方。也可设想，可以使用热电偶线圈110的专用管，以便能够在完成批量制造过程之后添加该专用管。
再者，本领域技术人员将容易地认识到，热电偶线圈110包含在大气数据探针100中，而不消减例如下文描述的压力导管128、132、138和331的内部压力导管的任何横截面面积，应该将其最大化以防止进水期间弯液面的形成。它也不消减专为了防止制造过程中形成铜焊桥的任何大面积的横截面面积。
大气数据探针100提供优于传统加热机构的改进型加热器控制。传统加热机构基于类似于加热器线圈124的加热器元件的电阻来设定探针温度。一般来说，加热器元件的电阻并不与前向末端的温度很好地对应。而是更多指示沿着加热器的补偿部分的平均温度。其也滞后于瞬变状况中的末端温度，因为支柱具有大的热质量以及低功率密度。探针头的前向部分经受作用于该大气数据探针的任何面积的最高对流和水汽撞击。保持此区域无冰对于空气动力性能是一个主要因素。因此，探针头的前部必须具有非常高的加热器功率密度，尽管此区域具有低的热质量。这些因素导致瞬变状况期间沿着探针头的前部温度变化非常快速，在末端处尤其如此。传统大气数据探针中这种大幅滞后和精确度有限的温度测量导致探针末端附近的工作温度频繁地远远超过期望的工作温度，从而导致加速腐蚀。
通过热电偶线圈110感测前向末端104附近的温度，大气数据探针100提供更精确的温度读数，促成加热器线圈124控制改善并且避免不必要的极端温度尖峰。改善的加热器线圈124控制能够促成改善加热器使用寿命，降低某些类型铜焊材料的剥落，并减少探针头和加热器护套的腐蚀。由于减少了探针头100的腐蚀，所以空气动力性能损失、由于内部脱落导致的排放孔阻塞、由于护套穿孔导致的加热器故障、美观方面的问题以及除冰性能不佳都能够得以减少。可设想，改善的加热器线圈124控制由于降低了最大探针温度而能够提供维护人员安全性方面的裨益。
再者，可设想，大气数据探针100的热电偶线圈110能够实现更高级的加热器控制算法，这能够提高加热器使用寿命，降低许多环境中的电功率要求或能够在严重状况中启用升压模式。精确的探针末端温度连同其他大气数据参数能使大气数据探针100感测何时探针在有雨或积冰状况中工作，和/或确定何时探针100因意外严重积冰或加热器线圈124的问题面临崩溃。大气数据探针100的探针温度测量不受探针加热器故障影响，不像传统基于电阻的温度测量那样受影响。这样能检测误报的加热器故障指示。
现在参考图4，分别组装用于大气数据探针100的加热器和热电偶线圈124和110的一种方法200包括，将加热器导线绕着第一芯棒缠绕以形成绕制加热器线圈，如框202所示。方法200包括从绕制加热器线圈中移除第一芯棒，并在该绕制加热器线圈内插入第二较小芯棒，如框204和206所示。第二芯棒包括用于将绕制加热器线圈定位并将其固定在正确位置中的引导件。方法200包括围绕该第二芯棒在该绕制加热器线圈的线圈之间缠绕热电偶以形成绕制热电偶线圈，以及从绕制加热器线圈和绕制热电偶线圈中移除第二芯棒，如框208和210所示。移除第二芯棒之后，可以插入隔板和压力管线。然后将最终的内部组件铜焊到探针壳中，例如探针壳114中。本领域技术人员将容易地认识到，使用两个芯棒使得对于加热器和热电偶能够具有不同的直径，所以它们都能够处于其最优直径。
如图5所示，大气数据探针100包括在前向末端104中界定的端口开口125，如图1所示。第一导管128与端口开口125流体相通，以便引导从端口开口125(例如，皮托管端口开口125和皮托管腔室103)到第一腔室130(例如，在两个后隔板109之间界定的排放室)的流体流。排放室130位于端口开口125的下游。第二导管132在径向和环向上与第一导管128错位，第二导管132与排放室130流体相通以引导从排放室130到第二腔室134的流体流。第二腔室134位于排放室130的下游。
如图6所示，静态导管138与静态腔室136流体相通。静态腔室136位于第一腔室130上游。静态导管138可以经第一腔室130从静态腔室136引流。静态导管138在第一腔室130内第一导管140的出口140与第二导管132的入口142之间成S形构型，以便阻止第一导管140的出口140与第二导管132的入口142之间的直接通路，并代之以使得冰晶体达到第二导管132(例如后皮托管线)的入口142之前惯性分离的几何形状。第一导管128与第二导管132各自之间的错位以及S形构型的静态导管138被构造成防止从端口开口125吸入颗粒进入第二导管132。颗粒的惯性使得它们散布到排放室130的外壁，在其中可以将它们溶化并经排放孔移除。
当遇到有雨状况时，大气数据探针还可能经由迎角(AOA)端口(类似于下文描述的端口126、326、426和526)吸入少量水。这种吸入雨水可能由于内部通路的窄几何形状而导致传统AOA端口、腔室和/或压力管线内形成弯液面。一旦弯液面形成，可能由于探针因雨情变冷时AOA压力管线内空气收缩而将水更深地抽入端口中以及对应的压力管线中。这可能导致压力管线内显著的水汽。当雨情结束时，探针温度快速地升高，并导致压力管线中的空气膨胀。膨胀空气则可能经AOA端口往复推送弯液面。随着水从端口排出，可能出现一系列压力尖峰。
现在参考图7A和图7B，与大气数据探针100相似，大气数据探针300的另一个实施例具有探针头302，探针头302具有前向末端304和后基座(未示出)。探针300包括在探针头302一侧界定且与纵轴A成一定角度开口的端口开口326。探针300在探针头302内包括隔板316，其不同于隔板116。隔板316具有与端口开口326流体相通的腔室315。
如图8所示，腔室315包括具有椭圆形横截面形状的单个腔室入口317。腔室入口317可以具有多种适合的细长形状。单个椭圆形腔室入口317与两个下游压力导管331(例如，AOA压力管线)流体相通以便在两个压力导管331之一被阻塞的情况下提供冗余性。为了适应从腔室315到导管331的连接，隔板316包括腔室315的两个出口319。通过将压力导管331之一的进入口放置得更靠近端口入口326，并将压力导管331设为使得重力也趋向于将水汽抽向更靠近端口开口326的压力导管331，更远离端口开口326的另一个压力导管331从而更可能保持无水。本领域技术人员将容易地认识到在一个压力导管331打开的情况下，没有闭合系统以在雨情期间探针300变冷时抽入额外的水，或在雨情后再次变热时将水逼出探针300。压力导管331中所含的水汽逐渐被加热器移除，而非一次性全部移除，从而消除传统探针情况下所见到的压力尖峰。
现在参考图9A和图9B，与大气数据探针100相似，大气数据探针400的另一个实施例具有探针头402，探针头402具有前向末端404和后基座(未示出)。探针400包括在探针头402一侧界定且与纵轴A成一定角度开口的端口开口426。探针400在探针头402的前向末端404内包括隔板416，其不同于隔板116。隔板416具有经腔室入口417与端口开口426流体相通的腔室415。
如图10所示，腔室415包括具有椭圆形横截面形状的单个腔室入口417。腔室入口417可以具有多种适合的细长形状。腔室入口417与单个下游压力导管431流体相通，单个下游压力导管431具有椭圆形横截面形状以阻止下游压力导管431中形成弯液面。下游压力导管431可以具有多种适合的细长横截面形状，如椭圆形、D形或楔形。下游压力导管431比传统圆形压力导管所能更好地使用大气数据探针内的现有空间，从而允许使用更大的压力管线，减少弯液面的形成。一个方向上的细长形也减少弯液面的形成。具有“D”形或类似形状的压力导管也由于毛细管作用趋向于让水在锐角中伸展而非即刻形成弯液面。压力导管431的尺寸最优地设为在保持必要间隙的同时最大地贴合在探针头内部。为了适应从腔室415到导管431的连接，隔板416包括腔室415的细长椭圆形出口419。
现在参考图11，探针400包括嵌套在下游压力导管431内且邻接下游压力导管的内表面以便收集进入图9A所示的端口开口426的水汽的毛细管421。通过临时性地诱捕水，毛细管421防止水汽横跨压力导管431形成弯液面。毛细管421可以稍微凹进到较大压力导管431的开口中，与下文描述的图13中的凹进相似。
如图12和图13所示，与大气数据探针100相似，大气数据探针500的另一个实施例具有探针头502，探针头502具有前向末端504和后基座508。取代隔板116、316或416，大气数据探针500包括整体形成的隔板516。整体形成的隔板516包括界定隔板纵轴X的隔板体533，隔板纵轴X与大气数据探针500的纵轴A大致同轴。隔板体的外表面529包括加热器和热电偶沟槽535。
接着参考图13，整体形成的隔板516界定三个完整的腔室，皮托腔室503和两个AOA腔室515，其典型地在两个分离的隔板(例如探针头302内的隔板116和后隔板109)之间界定。每个AOA腔室515包括腔室入口517，经腔室入口517，端口开口526之间流体相通，类似于端口开口326和426。第一腔室(例如皮托腔室503)在隔板体内，且与第一腔室入口525流体相通。隔板体533将腔室(例如皮托腔室503和AOA腔室515)与加热器和热电偶沟槽535分隔。第一腔室入口517和第一腔室503的内壁527因为加热器和热电偶沟槽535在隔板体533的外表面529上的取向而大致平滑且无间断。可设想，整体形成的隔板516可以使用增材制造工艺(例如，直接金属激光烧结(DMLS))来制造。
还可设想，整体形成的隔板516使得AOA腔室可以比典型探针头中的AOA腔室更大，从而使得AOA腔室515也包含被设计成临时性诱捕和包含少量水的结构。如图14A所示，每个腔室入口517和下游压力导管531是作为隔板的一部分整体形成的。毛细管521，类似于毛细管421，也在相应导管531内整体形成。毛细管521少许凹进到较大压力导管531的开口中，从而提供增大的水汽诱捕。
参考图14B，作为毛细管521的附加或替代，下游压力导管531的内表面523可以包括突起特征550，例如翅片式壁体，和/或凹进特征552，以便收集进入端口开口的水汽。本领域技术人员将容易地认识到，突起特征550和凹进特征523可以通过增材制造工艺来实现。还可设想，内表面523或腔室515的内表面上可以有多孔材料层551。一旦水汽被捕获，水汽能够在雨情过后被加热器线圈逐渐蒸发。滑行期间地面加热器工作的短暂时间也足够清除任何水汽。
本文公开的实施方案可以独立地使用或彼此组合来使用。相对于现有大气数据探针，大气数据探针100、300、400和500促成了吸入减少和/或耐水汽性的增强。
本发明的方法和系统，如上文描述和附图所示，提供一种具有更优异特性的大气数据探针，包括减少和阻止了水汽和弯液面的形成，以及减少了与之关联的压力传感器误差。虽然本发明的装置和方法是参考优选实施方案来示出和描述的，但是本领域技术人员将容易地认识到，可以对其进行更改和/或修改而不背离本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种大气数据探针，其包括：
探针头，所述探针头在前向末端与后基座之间界定纵轴；
端口开口，所述端口开口是在所述前向末端中界定的；
第一导管，所述第一导管与所述端口开口流体相通以引导从所述端口开口到第一腔室的流体流，其中所述第一腔室位于所述端口开口下游；以及
第二导管，所述第二导管在径向和环向上与所述第一导管错位，所述第二导管与所述第一腔室流体相通以引导从所述第一腔室到第二腔室的流体流，其中所述第二腔室位于所述第一腔室下游，其中所述第一与第二导管之间的错位被构造成防止从所述端口开口吸入颗粒进入所述第二导管。
2.如权利要求1所述的大气数据探针，其还包括与静态腔室流体相通的静态导管，其中所述静态腔室位于所述第一腔室的上游。
3.如权利要求2所述的大气数据探针，其中所述静态导管经所述第一腔室从所述静态腔室引流，其中所述静态导管在所述第一腔室内所述第一导管的出口与所述第二导管的入口之间成S形构型，以便阻止所述第一导管的出口与所述第二导管的入口之间的直接通路。
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