DE2640087C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Vorteil aerodynamisch kompensierter Meßsonden zur Ermittlung statischer Drücke ebenso wie der Einbau einer Einrichtung zur Ermittlung des Pitot-Drucks und zwei Einrichtungen zur Ermittlung statischer Drücke in der gleichen Sonde ist bekannt. Es wurden verschiedene Vorrichtungen entwickelt, die unter vielen Bedingungen zufriedenstellende Ergebnisse liefern.
Z. B. ist aus der US-PS 34 82 445 eine aerodynamisch kompensierte statische Doppelmeßsonde bekannt. Diese Meßsonde hat eine Diskontinuität bzw. Oberflächenunregelmäßigkeit, die eine Änderung des gemessenen statischen Drucks hervorruft, so daß andere Unregelmäßigkeiten wie benachbarte Teile eines Flugzeugs kompensiert und eine tatsächliche doppelte kompensierte statische Messung durch richtige Anordnung zweier Sätze von Öffnungen an der Sonde erreicht werden kann.
In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, den örtlichen Anströmwinkel an oder vor dem Flugzeugrumpf zu messen. Bei der vorliegenden Meßsonde ist ein zweiter Satz Drucköffnungen seitlich an der Sonde ausgebildet, so daß sich der ermittelte Druck in bekannter Beziehung zu einem ersten statischen Druck ändert, der an einem ersten Satz Öffnungen ermittelt wird, und aus dieser Änderung der örtliche Anströmwinkel bestimmt werden kann.
Statische Pitot-Rohre und Anströmwinkel-Sensoren wurden bisher in starkem Umfang verwendet, jedoch ist jede Einheit im allgemeinen an einer anderen Stelle installiert, so daß das Gewicht, der Luftwiderstand und die Kosten ebenso wie die Kompliziertheit der Anlage erhöht werden.
Insoweit die Anordnung der statischen Drucköffnungen betroffen ist, zeigt die US-PS 31 20 123 eine Meßsonde zur Ermittlung des statischen Drucks, die Öffnungen hat, die an verschiedenen Stellen liegen, nämlich Öffnungen, die an der Seite der Sonde liegen, und auch eine Ausführungsform, die statische Öffnungen hat, die an gegenüberliegenden Seiten der vertikalen Mittellinie nach unten gerichtet sind. Diese Anordnung ist in Fig. 15 der US-PS 31 20 123 gezeigt.
Die Möglichkeit, verschiedene Druckmeßöffnungen an dem halbkugelförmigen Ende einer Meßsonde zu verwenden, ist in der US-PS 33 18 146 beschrieben. In dieser Druckschrift wird die Verwendung von Signalen, die von den Druckmeßöffnungen abgeleitet werden, durch deren Kombination in einem Luftwerterechner beschrieben, um die Anströmwinkel und den Seitenrutsch zu ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, die es ermöglicht, Druckmeßwerte zur Anzeige der Änderung des Winkels der Längsachse der Sonde bezüglich einer Bezugslage zu kombinieren, die nur einen geringen Luftwiderstand hat und die eine leichte Enteisung ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zusätzlich kann die Sonde in bekannter Weise mit einer Öffnung zur Ermittlung des Pitot-Drucks an ihrem vorderen Ende versehen sein, um den Pitot-Druck-Meßwert direkt mit der gleichen Sonde zu liefern.
Jeder Satz Drucköffnungen ist in bekannter Beziehung am Umfang einer gesonderten diametralen Ebene senkrecht zur Sondenachse angeordnet, und der andere Satz Öffnungen ist längs der Sonde in axialem Abstand angeordnet und liegt nicht auf der gleichen diametralen Ebene. Durch Änderung des Druckschemas längs der Sonde, das nun bekannt ist, und durch Anordnung der statischen Drucköffnungen an bestimmten Stellen hat der zweite Satz Öffnungen eine bekannte Beziehung zu den ersten statischen Druckmeßöffnungen.
Somit läßt sich eine Änderung des Winkels der Längsachse der langgestreckten Meßsonde bezüglich eines Strömungsmittels wie Luft bestimmen, wobei die Meßsonde eine Außenwand hat, deren Längsachse etwa parallel zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels gerichtet ist.
Ferner läßt sich der Anströmwinkel bestimmen, indem mit der Sonde der Pitot-Druck ermittelt und ein Signal q c erzeugt wird, das aus dem ermittelten Pitot-Druck minus dem statischen Druck an der Sonde besteht, sodann ein zweiter Strömungsdruck an einer Stelle der Sonde axial entfernt von dem Ende der Sonde ermittelt wird, wo sich der Druck mit dem sich ändernden Anströmwinkel der Sonde ändert, und die Funktion des Pitot- Drucks, des zweiten Drucks und von q c zur Bestimmung des Anströmwinkels kombiniert werden.
Durch Verwendung eines Anströmwinkel-Rechners, der ein Ausgangssignal proportional einer bekannten Beziehung zwischen dem Differenzdruck, dem statischen Druck und dem Pitot-Druck erzeugt, kann der Anströmwinkel direkt geliefert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 9 beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer an einem Flugzeugrumpf befestigten Meßsonde,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer mittels einer Strebe befestigten Meßsonde,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 4,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der durch die Meßsonde gemessenen Ausgangsdrücke als Funktion des Anströmwinkels eines Flugzeugs,
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Druckverhältnisses zwischen zwei Sätzen Öffnungen zur Ermittlung von statischen Drücken, in bekannter Weise normiert, in Abhängigkeit von dem Anströmwinkel und der Geschwindigkeit eines Flugzeugs, und
Fig. 9 eine schematische Darstellung, aus der die Verwendung von Meßsonden an gegenüberliegenden Seiten eines Flugzeugrumpfes zur Beseitigung der Wirkungen eines Seitenrutsches hervorgeht.
Fig. 1 zeigt eine mittels einer Strebe befestigte Meßsonde 10 in kurzer Ausführungsform mit einer Tragstrebe 11 und einer Befestigungsplatte 12, die im allgemeinen an dem Rumpf 13 eines Flugzeugs befestigt ist. Die Sonde 10 besteht aus einem Rohr 14, dessen Längsachse in einer bestimmten Beziehung zu dem Rumpf 13 des Flugzeugs gerichtet ist. Wie gezeigt ist, hat das Rohr 14 ein vorderes Ende 15, einen ersten Bereich 16, der einen zylindrischen Querschnitt und einen Durchmesser D₁ hat, einen zweiten Bereich 17 mit einem konischen Abschnitt 18, der den ersten Bereich 16 und einen zylindrischen Abschnitt mit einem Durchmesser D₂, der größer als D₁ ist, verbindet. Das vordere Ende 15 ist ebenfalls konisch und hat vorne eine Pitot-Drucköffnung 15 A zur Ermittlung des Pitot- Drucks. Wie gezeigt ist, kann außerdem ein elektrisches Heizelement 21 innerhalb der Meßsonde zur Enteisung angeordnet sein.
Das Innere des Rohrs 14 ist in einzelne Abschnitte unterteilt, von denen Druckmeßrohre ausgehen. Zwischenwände unterteilen die Meßsonde, um innerhalb der Meßsonde Druckmeßkammern zu bilden. Wie Fig. 2 zeigt, bildet eine Zwischenwand 24 das vordere Ende der ersten statischen Druckmeßkammer. Ein erster Satz Öffnungen 22 ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, an gegenüberliegenden Seiten an der Unterseite der Sonde unter dem gleichen Winkel R₁ zur vertikalen Mittelebene angeordnet. Die ersten Öffnungen liegen in dem Bereich 16 und beaufschlagen eine Kammer der Sonde mit Druck. Das Drucksignal wird durch ein Rohr 23 zu entfernt angeordneten Instrumenten übertragen. Diese Instrumente werden später näher erläutert. Ein Pitot-Druckmeßrohr 25 erstreckt sich durch die Zwischenwand 24. Weitere Zwischenwände sind verwendet, um eine Druckmeßkammer für einen Satz Öffnungen 27 zu schaffen, z. B. eine Zwischenwand 26, die Fig. 3 zeigt.
Der Satz Druckmeßöffnungen 27 ist in dem Rohrabschnitt 18 angeordnet. Wie gezeigt ist, liegen die Öffnungen 27 diametral gegenüber längs der etwa horizontalen Ebene. Ein Rohr 28 ist verwendet, um den zweiten Druck, der durch die Öffnungen 27 gemessen wird, zu entfernt angeordneten Instrumenten zu übertragen. Die Öffnungen 27 liegen in dem Bereich 17.
Wie gezeigt ist, ist der Druck, der an den Öffnungen 22 gemessen wird, der normale statische Druck, der zu einem Höhenmesser 29 zur Höhenmessung übertragen wird. Der Pitot-Druck, der über die Leitung 25 übertragen wird, wird zur Geschwindigkeitsanzeige verwendet, und ein Geschwindigkeitsanzeigegerät 32 ist mit diesem Pitot-Druck und auch mit dem Rohr 23 verbunden.
Ein Anströmwinkel-Rechner 33, der ein Verhältnisinstrument ist, gibt über eine Leitung 34 zu einem Anströmwinkel- Anzeigegerät 35 ein Ausgangssignal ab, empfängt Signale von der Pitot-Drucköffnung 15 A und von den beiden Sätzen Druckmeßöffnungen 22 und 27. Die Signale des Anströmwinkel- Rechners können elektrische Signale sein, die als Funktion der gemessenen Drücke erzeugt werden. Diese elektrischen Signale werden als Ausgangssignale von Drucksensoren erzeugt, die ein elektrisches Ausgangssignal als Funktion eines Druckes erzeugen. Diese Drucksensoren sind bekannt und können einen Teil des Anströmwinkel-Rechners oder gesonderte Sensoren bilden, die verwendet werden, um andere Anzeigegeräte oder Instrumente mit elektrischen Signalen zu versorgen.
Der Anströmwinkel-Rechner ist ein Verhältnisinstrument bekannter Art, das so programmiert ist, daß es Ausgangssignale erzeugt, die bestimmte Funktionen der Druckmessungen sind, die dem Rechner zugeführt werden, wie weiter erläutert wird.
Bezugnehmend auf die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist "p tm " das Signal, das den Pitot-Druck an der Öffnung 15 A angibt, "p m 1" das Signal, das den Druck an dem ersten Satz Öffnungen 22 angibt und "p m 2" das Signal, das den Druck an dem zweiten Satz 27 angibt.
In Fig. 2 beträgt der Winkel R₁ allgemein etwa 37,5°. Die Anordnung erzeugt ein statisches Druckausgangssignal, das sich mit dem Flugzeuganströmwinkel im wesentlichen nicht ändert. Der an den Öffnungen 27 gemessene Druck p m 2 ist gleich dem Druck p m 1, der an dem Satz Öffnungen 22 gemessen wird, wenn der Anströmwinkel R oder irgendein anderer gewählter Bezugswinkel ist. Jedoch ändert sich der statische Druck p m 2, der an den Öffnungen 27 gemessen wird, mit dem Anströmwinkel. Wenn die Öffnungen 27 angeordnet sind, wie gezeigt ist, nimmt der Druck ab, wenn der Anströmwinkel zunimmt.
Bei der Behandlung von ermittelten Druckgrößen ist ein üblicher verwendeter Ausdruck eine normierte Druckfunktion
Diese normierte Druckfunktion ist der Pitot-Druck minus dem gemessenen statischen Druck, geteilt durch den Staudruck q c . Die Größe q c ist der Pitot-Druck minus dem statischen Druck. Die Bezeichnung p m bedeutet gemessener Druck und somit sind p m 1 und p m 2 die gemessenen Drücke an den Öffnungen 22 bzw. 27 und p tm ist der gemessene Pitot- Druck an der Öffnung 15 A. Diese Bezeichnungen sind in den Kurven der Fig. 7 verwendet.
In ähnlicher Weise ist q cm 1, das in Fig. 7 verwendet ist, der gemessene Pitot-Druck minus dem gemessenen Druck an den Öffnungen 22, d. h. q cm 1 = p tm - p m 1. In Fig. 7 nimmt die Funktion, bei der der an den Öffnungen 27 gemessene Druck verwendet wird, der in Fig. 1 p m 2 ist, zu, wenn der Anströmwinkel zunimmt, wie die Kurve 39 zeigt. Diese Darstellung von
zeigt eine kontinuierlich zunehmende positive Zunahme mit dem Anströmwinkel des Flugzeugs bei der Anordnung der Fig. 1.
Fig. 8 zeigt die Kurve 40, die eine Darstellung von
in Abhängigkeit von der angezeigten Geschwindigkeit ist, sowie eine zweite Darstellung in der gleichen Figur in Abhändigkeit von dem Anströmwinkel. Dieses Verhältnis
wird von dem Flugzeug-Anströmwinkel-Rechner verwendet, um ein Ausgangssignal proportional dem Anströmwinkel zu erzeugen. In einem kritischen Bereich der Kurve 40 in Fig. 8, d. h. nahe dem Abkippen bzw. Überziehen, ändert sich die Empfindlichkeit des Signals zwischen 0,01 q cm 1 und 0,04 q cm 1 pro Grad in Abhängigkeit von der Detailkonstruktion. Typischerweise werden die Drücke p tm , p m 1 und p m 2 zwei verschiedenen Drucksensoren 45 und 46 in Fig. 1 zugeführt, die elektrische Ausgangssignale proportional den gewünschten Differenzen p m 1 - p m 2 und p tm - p m 1 sind.
Fig. 4 zeigt eine Meßsonde 50, die am Bug 51 eines Flugzeugs befestigt ist und, wie gezeigt ist, einen Rohrabschnitt 52 mit verringertem Durchmesser und einen sich nach hinten erweiternden vorderen Abschnitt 53 hat. Ein Übergangsabschnitt 56, der das hintere Ende des vorderen Abschnitts 53 und den Abschnitt 52 mit verringertem Durchmesser verbindet, ist ebenfalls gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform liegt eine Pitotdrucköffnung in dem vorderen Ende der Meßsonde. Die ersten Öffnungen zur Messung des statischen Drucks liegen in diesem besonderen Falle hinter den zweiten Meßöffnungen. Wie Fig. 6 zeigt sind vier erste Öffnungen 54 zur Messung des statischen Drucks vorhanden, die über den Umfang der Sonde unter gleichen Winkeln R₁ zur vertikalen Mittelebene liegen. R₁ beträgt in diesem Falle etwa 26°.
Die zweiten Öffnungen liegen in diesem Falle vorne an der Sonde und sind in Fig. 5 gezeigt. Die Öffnungen 55 liegen winkelgleich auf gegenüberliegenden Seiten der vertikalen Mittelebene und sind um den Winkel R₂ versetzt. R₂ beträgt in diesem Falle etwa 10°, so daß die Öffnungen 55 nahezu am Boden der Sonde liegen.
Bei einem Bezugs-Anströmwinkel von z. B. Null ist der an jedem Satz Drucköffnungen gemessene Druck im wesentlichen der gleiche oder kann ein gewünschtes bekanntes Verhältnis haben. Bei einem positiven Anströmwinkel jedoch mißt der Satz Öffnungen 55 einen zunehmenden Druck relativ zu dem ersten Satz Öffnungen 54, und die Druckfunktion
(Fig. 4) folgt dem Verlauf der Kurve 58 in Fig. 7. Dies bedeutet, daß die Druckfunktion abnimmt, wenn der Anströmwinkel zunimmt. Für die Darstellung der Kurve 58 ist q cm 1 p tm (gemessener Pitot-Druck) minus dem statischen Druck, gemessen an den Öffnungen 54, und p m 2 ist der an dem zweiten Satz Öffnungen 55 gemessene Druck.
Bei der zweiten Ausführungsform der Meßsonde (Fig. 4-6) haben die absoluten Werte der Funktion
(p m 2 ist der gemessene Druck an dem Satz Öffnungen 55 und p m 1 ist der gemessene Druck an dem Satz Öffnungen 54) den gleichen allgemeinen Verlauf wie die Kurve 40 nach Fig. 8, jedoch ist das Vorzeichen von p m 1 - p m 2 für diese Ausführungsform negativ, da p m 2 größer als p m 1 ist.
Es ist zu beachten, daß bei der Darstellung in Fig. 8 die Ausgangsfunktion im wesentlichen linear ist und eine hohe Steigung in dem Bereich hat, wo der Anströmwinkel am größten ist, d. h. in dem Bereich fortschreitenden Überziehens bzw. Abkippens. Im allgemeinen reicht dieser lineare Bereich von der Abkippgeschwindigkeit bis zur 1,4-fachen Abkippgeschwindigkeit für die meisten Flugzeuge.
Die Drücke p m 1 und p m 2 können auch von zwei gleichen Meßsonden 60 und 61 gesammelt werden, die in der zuvor beschriebenen Weise aufgebaut sind, wobei eine auf der rechten und linken Seite des Rumpfes (Fig. 9) angeordnet ist, und das berechnete Verhältnis das mittlere Verhältnis bzw. der mittlere Anströmwinkel ist. Dies ist wichtig, da bei einem Flugzeugrumpf bei einem kombinierten Anströmwinkel und Seitenrutsch der örtliche Winkel, der an beiden Seiten des Rumpfes gemessen wird, durch den Seitenrutsch geändert wird. Die örtlichen Winkeländerungen infolge des Seitenrutsches sind nahezu gleich und von entgegengesetztem Vorzeichen, so daß der mittlere Meßwert der beiden Proben an gegenüberliegenden Seiten des Flugzeugs der gewünschte Meßwert ist.
Bei einer vereinfachten Vorrichtung, bei der ein Auftriebsreservesignal ausreichend ist, kann der Absolutwert der Druckdifferenz (p m 1 - p m 2) zu einem Instrument mit direkter Anzeige übertragen werden, wie in der US-PS 34 70 740 beschrieben ist.
Es ist offensichtlich, daß entweder die vorderen oder die hinteren Sätze Öffnungen diejenigen sein könnten, bei denen sich der gemessene Druck bei Änderungen des Anströmwinkels wesentlich ändert.

Claims (9)

1. Meßsonde zur Ermittlung von Luftströmungsdaten mit einem eine Längsachse aufweisenden Rohr (14, 15, 16, 18),
mit einem in eine vorgegebene Richtung weisenden, stromauf gelegenen vorderen Ende (15) des Rohres (14, 15, 16, 18) und einem zweiten, stromab gelegenen Ende des Rohres (14, 15, 16, 18), das eine Befestigungsvorrichtung (12) für die Befestigung des zweiten Endes des Rohres (14, 15, 16, 18) an einem Flugobjekt aufweist,
mit einer ersten Druckmeß-Öffnungsanordnung (22), welche in einem ersten Abschnitt (16) des Rohres (14, 15, 16, 18) im Abstand von dessen beiden Enden ausgebildet ist und mit welcher der statische Druck der das Rohr (14, 15, 16, 18) umgebenden Luft bei einer Relativbewegung der Luft zu dem Rohr (14, 15, 16, 18) erfaßbar ist, und
mit einer zweiten Druckmeß-Öffnungsanordnung (27), die in dem Rohr (14, 15, 16, 18) ausgebildet ist, um einen Druck an der Oberfläche des Rohres (14, 15, 16, 18) unabhängig zu erfassen, wobei die zweite Druckmeß-Öffnungsanordnung (27) an einer Stelle (18) axial entfernt von der ersten Druckmeß-Öffnungsanordnung (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Druckmeß-Öffnungsanordnung (27) derart angeordnet ist, daß sich der Druck an der ersten (22) gegenüber dem Druck an der zweiten Druckmeß-Öffnungsanordnung (27) ändert, wenn die Längsachse des Rohres (14, 15, 16, 18) von einer Bezugslage abweicht, und
daß eine Vergleichseinrichtung (33) vorgesehen ist, der die an der ersten und zweiten Druckmeß-Öffnungsanordnung (22, 27) erfaßten Drücke zugeführt sind und mit der eine Anzeige der Änderung des Winkels der Längsachse des Rohres (14, 15, 16, 18) gegenüber der Bezugslage erzeugbar ist.
2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckmeß-Öffnungsanordnung (22) und die zweite Druckmeß- Öffnungsanordnung (27) jeweils Druckmeß-Öffnungen gleicher axialer, jedoch unterschiedlicher azimutaler Lage in bezug auf das Rohr (14, 15, 16, 18) aufweisen.
3. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15 A) zur Messung des Pitot-Druckes und dadurch, daß der Vergleichseinrichtung (33) neben den an der ersten und zweiten Druckmeß-Öffnungsanordnung (22, 27) erfaßten Drücken auch der Pitot-Druck zugeführt wird, um den Anströmwinkel des Rohres bezüglich der Bezugslage anzuzeigen.
4. Meßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anzeige des Anströmwinkels zur Ermittlung des Staudrucks q cm , bestehend aus dem Pitot-Druck minus dem statischen Druck, und zur Erzeugung einer Funktion ausgebildet ist, wobei p tm der Pitot-Druck und p m ₂ der gemessene Druck der zweiten Druckmeß-Öffnungsanordnung (27) ist.
5. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnungsanordnung aus mehreren Öffnungen (27) in dem Rohr (14, 15, 16, 18) besteht, die symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten einer Axialebene des Sondenrohrs liegen und in denen der Anströmwinkel gemessen wird.
6. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (14, 15, 16, 18) einen Abschnitt (18) hat, dessen Außendurchmesser sich in Richtung der Längsachse ändert, und daß die zweite Druckmeß-Öffnungsanordnung (27) auf einem anderen Durchmesser als die erste Öffnungsanordnung (22) liegt.
7. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckmeß-Öffnungsanordnung (22) gegenüber Druckänderungen an dem Rohr infolge von Änderungen des Winkels der Längsachse bezüglich der Bezugslage im wesentlichen unempfindlich ist.
8. Meßsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (33) Mittel (45, 46) zur Erzeugung eines Signals aufweist, das eine Funktion der Differenz zwischen den Drücken an der ersten und zweiten Öffnungsanordnung (22, 27) ist.
9. Meßsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (45, 46) zur Differenzbildung ein Signal erzeugen, das eine Funktion von ist, wobei p m 1 und p m 2 die gemessenen Drücke an der ersten und zweiten Öffnungsanordnung (22, 27) und q cm 1 der Staudruck ist, bestehend aus dem Pitot-Druck minus dem gemessenen statischen Druck an der Sonde.
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