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Die
Erfindung betrifft eine multifunktionale Sonde für ein Luftfahrzeug, die dazu
bestimmt ist, die aerodynamischen Parameter einer das Luftfahrzeug
umgebenden Luftströmung
zu bestimmen.
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Die
Steuerung jedes Luftfahrzeugs setzt voraus, dass die relative Geschwindigkeit
des Luftfahrzeugs in Bezug auf die dieses umgebende Luftströmung, d.h.
den relativen Wind, bekannt ist. Diese Geschwindigkeit wird mit
Hilfe von Fühlern
für den
statischen Druck Ps, den Totaldruck Pt und den Anstellwinkel α bestimmt. α liefert
die Richtung des Geschwindigkeitsvektors in einem mit dem Luftfahrzeug
verbundenen Referenzsystem und Pt – Ps liefert das Modul dieses
Vektors. Die drei aerodynamischen Parameter ermöglichen es somit, den Geschwindigkeitsvektor
eines Flugszeugs und zusätzlich
eines Luftfahrzeugs mit Kipprotor zu bestimmen.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Sonde, die eine bewegliche
Palette umfasst, die dazu bestimmt ist, sich in der Achse der Strömung auszurichten.
Auf bekannte Weise, beispielsweise aus dem Dokument US-A-4 672 846,
umfasst die bewegliche Palette mehrere Druckanschlüsse, die
an die Messung jedes Parameters angepasst sind. Die Palette umfasst
insbesondere einen ersten Totaldruckanschluss Pt in Form einer Öffnung,
die sich senkrecht zur Strömung öffnet. Diese Öffnung kann
am Ende eines Rohrs angeordnet sein, dessen Achse im Wesentlichen
parallel zur Strömung
ist. Dieses Rohr ist besser unter dem Namen Pitot-Rohr bekannt.
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Die
Palette umfasst auch einen zweiten statischen Druckanschluss Ps. Üblicherweise
umfasst dieser zweite Anschluss zwei Öffnungen, die sich jeweils
auf einer der Seiten der Palette befinden. Diese beiden Öffnungen
stehen mit einer Kammer, die sich im Inneren der Palette befindet,
in Verbindung. Die Kammer ermöglicht
es, den Druck zwischen den beiden Öffnungen des zweiten Druckanschlusses
auf einen Mittelwert einzustellen.
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Die
Palette umfasst auch einen dritten Druckanschluss, der es ermöglicht,
den Anstellwinkel α der
Palette in Bezug auf die Strömung
der Umgebungsluft zu bestimmen. Dieser dritte Druckanschluss umfasst
wie der statische Druckanschluss zwei Öffnungen, die sich jeweils
auf einer der Seiten der Palette befinden. Aber im Unterschied zum
statischen Druckanschluss Ps stehen die beiden Öffnungen des Anstelldruckanschlusses α nicht miteinander
in Verbindung, und der Druckunterschied zwischen den beiden Öffnungen
ermöglicht
es, den Anstellwinkel α der
Palette zu bestimmen. Um die Messempfindlichkeit für den Anstellwinkel α zu verbessern,
befinden sich diese beiden Öffnungen
in der Nähe
des Angriffsrandes der Palette.
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Die
vorher beschriebene Palette umfasst einen Druckanschluss für jeden
zu messenden Parameter. Jeder Druckanschluss umfasst eine oder mehrere Öffnungen,
die durch Kanäle
mit jedem der Druckmessfühler,
die sich meistens im Sockel der Sonde befinden, verbunden sind.
Da dieser Sockel feststehend ist, ist es notwendig, einen drehbaren
Druckluftkollektor vorzusehen, um jede in der beweglichen Palette
befindliche Öffnung
mit dem Druckmessfühler,
der ihr zugeordnet ist, in dem feststehenden Teil der Sonde zu verbinden.
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Die
Erfindung soll die Sonde vereinfachen, wobei die Anzahl von Druckanschlüssen, die
Anzahl von Kanälen
und folglich die Bildung des drehbaren Druckluftkollektors vereinfach
werden und gleichzeitig die Bestimmung der aerodynamischen Parameter
Pt, Ps und α gewährleistet
bleibt.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, betrifft die Erfindung eine multifunktionale
Sonde für
ein Luftfahrzeug, die dazu bestimmt ist, insbesondere den statischen
Druck und den Totaldruck einer Luftströmung, die sich in der Nähe des Luftfahrzeugs
befindet, und den Anstellwinkel des Luftfahrzeugs in Bezug auf die
Strömung
zu bestimmen, wobei die Sonde eine bewegliche Palette umfasst, die
dazu bestimmt ist, sich in der Achse der Luftströmung auszurichten, wobei die
bewegliche Palette mindestens eine Anschlussöffnung für statischen Druck, die sich
auf einer Seite der Palette befindet, und einen Druckanschluss umfasst,
der dazu bestimmt ist, den Anstellwinkel der Palette in Bezug auf
die Strömung
zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde ferner Druckmessmittel,
die jedem Druckanschluss zugeordnet sind, und Mittel zur Berechnung
des Totaldrucks der Strömung
in Abhängigkeit
von den durch die verschiedenen Messhilfsmittel der Sonde durchgeführten Messungen
umfasst.
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Die
Tatsache, dass kein Totaldruckanschluss in der erfindungsgemäßen Palette
vorhanden ist, ermöglicht
es, weitere Bestandteile der Sonde zu vereinfachen, wie insbesondere
die Enteisungsschaltung, die erforderlich ist, um die Bildung von
Eis auf der Palette zu verhindern, wenn das Luftfahrzeug in großer Höhe fliegt und
Temperaturen deutlich unter Null Grad Celsius ausgesetzt ist. Das
Eis kann die aerodynamische Form der Palette verändern und die Öffnungen
der Druckanschlüsse
verlegen, was zu falschen Messungen der aerodynamischen Parameter
führt.
Die Enteisungsschaltung ist üblicherweise
in Form eines elektrischen Widerstandes, der. den Palettenkörper erhitzt,
ausgeführt.
Ein Pitot-Rohr, das als Totaldruckanschluss Pt verwendet wird, ist
relativ voluminös
in Bezug auf die Gesamtheit der Palette, und die ihm zugeordnete
Enteisungsschaltung verbraucht ungefähr ein Drittel der für die Enteisung
der gesamten Palette erforderlichen elektrischen Leistung. Es ist
leicht zu sehen, dass das Weglassen des Pitot-Rohrs eine Vereinfachung
der Enteisungsschaltung ermöglicht.
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Die
Erfindung ist auch von Interesse, wenn das Pitot- Rohr oder ganz allgemein der Totaldruckanschluss
Pt in einer Entfernung zu einer Palette ausgeführt ist, die nur einen statischen
Druckanschluss Ps und einen Anstelldruckanschluss α umfasst.
Die Erfindung ermöglicht
es folglich, das Pitot-Rohr und die entsprechende Öffnung in
der Außenhaut
des Luftfahrzeugs wegzulassen.
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Die
Erfindung wird durch Studie der detaillierten Beschreibung einer
Ausführungsart
der Erfindung besser verständlich
und weitere Vorteile gehen daraus hervor, wobei die Beschreibung
durch die beiliegende Zeichnung dargestellt ist, wobei:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Sonde
darstellt.
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Die
in 1 dargestellte multifunktionale Sonde umfasst
eine um eine Achse 2 drehbewegliche Palette 1.
Die Palette 1 umfasst einen Flügel 3, der eine Symmetrieebene
besitzt, die zur Ebene der Figur parallel ist und die Unterseite
von der Oberseite trennt. Das Profil des Flügels 3 senkrecht zu
seinem Angriffsrand 4 ist beispielsweise vom Typ OOZT des
N.A.C.A. In dem dargestellten Beispiel ist der Angriffsrand 4 im
Wesentlichen gerade und in Bezug auf die Achse 2 geneigt.
Es versteht sich, dass weitere Flügelformen für den Einsatz der Erfindung
verwendet werden können.
Die Palette 1 umfasst auch eine Welle 5 mit einer
Achse 2, die in das Innere der Haut 6 des Luftfahrzeugs
eindringt. Die Welle 5 ist in Bezug auf das Luftfahrzeug
beispielsweise mit Hilfe eines Wälzlagers 7 drehbeweglich.
Die Welle 5 ist fest mit Mitteln 8 zum Messen
ihrer Winkelposition um die Achse 2 verbunden. Diese Messhilfsmittel 8 umfassen
beispielsweise einen optischen Winkelcodierer.
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Auf
Grund der Form des Flügels 3 richtet
sich die Palette 1 auf natürliche Weise in der Achse des
die Palette umgebenden Luftstroms aus. Folglich ist die Messung
der Winkelposition der Welle 5, die am Ausgang der Messhilfsmittel 8 verfügbar ist,
für den
Anstellwinkel α des
Luftfahrzeugs repräsentativ.
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Vorzugsweise
kann die Zuverlässigkeit
der Messung des Anstellwinkels α dadurch
verbessert werden, dass die Winkelposition der Palette
1 durch
eine Messung eines möglichen
Versatzes der Symmetrieebene des Flügels
3 in Bezug auf
die Richtung der die Palette
1 umgebenden Luftströmung gesteuert
wird. Diese Steuerung neigt dazu, diesen Versatz zu beseitigen.
Die Vorteile und der Einsatz einer solchen Steuerung sind besser
in dem französischen
Patent
FR 2 665 539 beschrieben,
das am 3. August 1990 im Namen der Anmelderin angemeldet wurde.
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Die
Messung des Versatzes der Symmetrieebene des Flügels 3 in Bezug auf
die Richtung der die Palette 1 umgebenden Luftströmung, mit
anderen Worten des Anstellwinkels der Palette 1, erfolgt
mit Hilfe eines Anstelldruckanschlusses, der zwei Öffnungen 9 und 10 umfasst,
die sich jeweils beiderseits der Symmetrieebene des Flügels 3 in
der Nähe
des Angriffsrandes 4 befinden.
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In 1 ist
nur die Öffnung 9 zu
sehen. Die beiden Öffnungen 9 und 10 befinden
sich im Wesentlichen in gleichem Abstand zum Angriffsrand 4 einerseits
auf der Unterseite und andererseits auf der Oberseite des Flügels 3.
Jede Öffnung
kann in der Praxis mit Hilfe von mehreren Löchern ausgeführt sein,
die sich auf der betreffenden Seite des Flügels 3 befinden, wobei
die verschiedenen Löcher
einer selben Öffnung
mit einer im Inneren der Palette 1 befindlichen Kammer
in Verbindung stehen.
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Mit
jeder Öffnung 9 oder 10 oder
mit jeder Kammer ist über
einen nicht in 1 dargestellten Kanal ein drehbarer
Druckluftkollektor 11 verbunden. Der drehbare Druckluftkollektor 11 liefert
an Bearbeitungsmittel 12 den im Bereich der Öffnungen 9 und 10 erhobenen
Luftdruck. Die Bearbeitungsmittel 12 vergleichen den jeweiligen
im Bereich der Öffnungen 9 und 10 erhobenen
Luftdruck. Der Vergleich erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines
Durchflussmessers, der eine Abweichung in Bezug auf eine Luftmenge
gleich Null zwischen den beiden Öffnungen 9 und 10 erfasst.
Ganz allgemein ist die Luftmenge im Wesentlichen gleich Null auf
Grund der Ausrichtung der Palette in der Achse der sie umgebenden
Luftströmung.
Wie allerdings vorher zu sehen war, kann zur Verbesserung dieser
Ausrichtung die Ausrichtung der Palette 1 um die Achse 2 derart
gesteuert werden, dass die vom Durchflussmesser durchgeführte Messung
der Durchflussmenge annulliert wird.
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Die
Palette umfasst ferner einen statischen Druckanschluss Ps, umfassend
zwei Öffnungen 13 und 14,
die sich jeweils auf einer der Seiten des Flügels 3 befinden und
im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrieebene des Flügels 3 angeordnet
sind. Die Öffnungen 13 und 14 sind
im Wesentlichen vom Angriffsrand 4 des Flügels entfernt,
um weniger für
die Änderungen
des Anstellwinkels der Palette 1 empfindlich zu sein. Je näher die Öffnungen
dem Angriffsrand der Palette 1 sind, umso größer ist
der Druck zwischen den beiden Öffnungen
für einen
gegebenen Anstellwinkel. Die beiden Öffnungen 13 und 14 stehen
in direkter Verbindung mit einer Kammer, in der der im Bereich jeder Öffnung 13 und 14 vorhandene
durchschnittliche Druck herrscht.
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Diese
Kammer ist mit dem drehbaren Druckluftkollektor 11 durch
einen nicht in 1 dargestellten Kanal verbunden.
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Der
drehbare Druckluftkollektor 11 liefert an die Bearbeitungsmittel 12 den
durchschnittlichen Luftdruck der Öffnungen 13 und 14.
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Vorzugsweise
ist es möglich,
nur eine einzige Öffnung
zu bewahren, die auf einer der Seiten der Palette 1 angeordnet
ist. Wenn sich nämlich
die Palette 1 in der Achse der Luftströmung entweder auf natürliche Weise
oder mit Hilfe einer Steuerung, wie vorher beschrieben, ausrichtet,
sind die auf den beiden Seiten der Palette 1 symmetrisch
zur Symmetrieebene der Palette 1 erhobenen Druckwerte im
Wesentlichen gleich, und somit kann eine Öffnung auf einer der Seiten
und folglich die Kammer, die die beiden auf einer der Seiten der Palette 1 befindlichen Öffnungen
verbindet, weggelassen werden.
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Wie
für den
Anstelldruckanschluss kann die einzige Öffnung oder können die
beiden Öffnungen
des statischen Druckanschlusses jeweils mehrere Löcher umfassen,
die sich auf der betreffenden Seite der Palette 1 befindet,
wobei die verschiedenen Löcher
einer selben Öffnung
mit einer im Inneren der Palette 1 befindlichen Kammer
in Verbindung stehen.
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Jede Öffnung ist
durch einen Druckkoeffizienten Kp im Wesentlichen in Abhängigkeit
von der Form der Palette, der Position der Öffnung auf der Palette und
dem Versatz der Symmetrieebene 3 in Bezug auf die Richtung
der die Palette 1 umgebenden Luftströmung gekennzeichnet, wobei
der Versatz auch Fehlausrichtung der Palette genannt wird.
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Diese
Fehlausrichtung kann durch natürliche
Ausrichtung der Palette in der Achse der sie umgebenden Luftströmung oder
besser durch Verwendung der vorher beschriebenen Steuerung beseitigt
werden. Folglich ist der Druckkoeffizient Kpi der Öffnungen
9 und
10 derselbe
und hängt
nicht mehr von der Fehlausrichtung der Palette
1 ab und
ist mit Kpi bezeichnet. Ebenso hängt
der Druckkoeffizient Kps in Bezug auf die Öffnungen
13 und
14 auch
nicht mehr von der Fehlausrichtung der Palette
1 ab. Für den Anstelldruckanschluss
wird Kpi folgendermaßen
ausgedrückt:
wobei Pi den Luftdruck im
Bereich der Öffnungen
9 und
10 (es
ist zu erwähnen,
dass der Luftdruck im Bereich der beiden Öffnungen
9 und
10 im
Wesentlichen gleich ist), Pt den Totaldruck im Bereich der Palette
1 und
Ps∞ den
unendlichen statischen Druck stromaufwärts zur Palette
1 darstellen.
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Auf
dieselbe Weise wird für
den statischen Druck Kps folgendermaßen ausgedrückt:
wobei Ps den Luftdruck im
Bereich der Öffnungen
13 und
14 ausdrückt.
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Die
beiden Druckkoeffizienten Kpi und Kps hängen im Wesentlichen von den
geometrischen Eigenschaften der Palette 1 (Form der Palette 1 und
Position der Öffnungen 9, 10, 13 und 14)
ab und sind somit in einer ersten Annäherung für die betreffende Palette 1 konstant.
Es ist beispielsweise möglich,
sie experimentell in einem Gebläse
zu bestimmen.
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Aus
den Gleichungen (1) und (2) kann abgeleitet werden, dass:
und dass
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Es
ist somit zu sehen, dass durch Messen der Druckwerte Ps und Pi die
Druckwerte Ps∞ und
Pt der Luftströmung
bestimmt werden können.
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Genauer
hängt der
Druckkoeffizient Kp einer Öffnung
auch von der Geschwindigkeit der Luftströmung in der Nähe dieser Öffnung ab,
wobei Kp nun folgendermaßen
ausgedrückt
wird: Kp = 1 – V2 (5)wobei
V die Geschwindigkeit der Luftströmung im Bereich der betreffenden Öffnung für eine unendliche
Geschwindigkeit stromaufwärts
zur Palette 1 gleich Eins ist.
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Eine
Modellierung der Koeffizienten Kpi und Kps in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit ist
experimentell mit einem Gebläse
durchführbar.
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Um
somit die Berechnung von Ps∞ und
Pt zu verfeinern, können
zuerst diese Druckwerte in Abhängigkeit
von den Werten der Druckkoeffizienten Kps und Kpi berechnet werden,
Werte, die für
eine Geschwindigkeit gleich Null der Luftströmung angenommen werden. Dann
wird die Strömungsgeschwindigkeit
beispielsweise durch Bestimmung ihrer Mach-Zahl M berechnet, die
folgendermaßen
ausgedrückt
werden kann:
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Aus
der so berechneten Mach-Zahl können
neue Werte von Kps und Kpi in Abhängigkeit von der Modellierung,
die von ihnen durchgeführt
wurde, berechnet werden, und mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4)
werden die Druckwerte Ps∞ und
Pt neu berechnet.
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Durch
aufeinander folgende Iterationen können die Geschwindigkeit der
Luftströmung
durch die Gleichung (6), dann der Wert der Druckkoeffizienten Kps
und Kpi bei dieser Geschwindigkeit und neue Werte von Ps∞ und Pt
berechnet werden. Die Iterationen werden eingestellt, wenn die Genauigkeit
hinsichtlich der Druckwerte Ps∞ und
Pt ausreichend ist, d.h. wenn das Verhältnis zwischen zwei aufeinander
folgenden Berechnungsergebnissen kleiner als ein vordefinierter
Sollwert ist. Die endgültigen
Werte von Ps∞ und
Pt, von der Mach-Zahl M sowie der Anstellwinkel der Palette 1 ermöglichen
es, die Richtung und das Modul des Geschwindigkeitsvektors des Luftfahrzeugs
zu definieren.
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Es
ist festzustellen, dass dank der Erfindung nur zwei Druckmessungen
ausreichen, um den Totaldruck Pt und somit das Modul des Geschwindigkeitsvektors
des Luftfahrzeugs zu bestimmen. Durch Verwendung einer beweglichen
Palette, die sich in der Achse der Luftströmung ausrichtet, hängen die
Koeffizienten Kpi und Kps nämlich
nur von der Strömungsgeschwindigkeit
und nicht von der Ausrichtung der Palette ab.
