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Die
Erfindung betrifft eine Multifunktionssonde für ein Luftfahrzeug. Das Lenken
eines Luftfahrzeugs erfordert die Kenntnis seiner relativen Geschwindigkeit
im Vergleich zur Luft, das heißt
zum relativen Wind. Diese Geschwindigkeit wird mit Hilfe von Sensoren
für den
statischen Druck Ps, den Gesamtdruck Pt und den Einfallswinkel α bestimmt. α liefert
die Richtung des Geschwindigkeitsvektors in einem Referenzsystem,
oder Referenzwerk in Zusammenhang mit dem Luftfahrzeug, und (Pt – Ps) liefert
das Modul dieses Geschwindigkeitsvektors. Die drei aerodynamischen
Parameter erlauben es daher, den Geschwindigkeitsvektor eines Flugzeugs
und nebenbei eines Luftfahrzeugs mit Kipprotor, konvertibel genannt,
zu bestimmen.
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Die
verschiedenen Sensoren zum Messen des statischen Drucks, des Gesamtdrucks
und des Einfalls können
in einer so genannten Multifunktionssonde zusammengefasst werden.
Diese Sonde kann beweglich sein, wie die in dem französischen
Patent
FR 2 665 539 beschriebene.
Sie weist daher eine bewegliche Schaufel auf, die um eine Achse
senkrecht zu dem Mantel des Luftfahrzeugs, auf das die Sonde montiert
ist, beweglich ist. Die bewegliche Schaufel richtet sich naturgemäß in der
Achse der Luftströmung
aus, die das Luftfahrzeug umgibt, und die Winkelposition der Schaufel
um die Rotationsachse gibt den lokalen Einfallswinkel α
loc der
Sonde. Ferner besteht der Gesamtdrucksensor Pt zum Beispiel aus
einem Rohr, Pitotrohr genannt, das fest mit der Schaufel verbunden
ist und sich an einem Ende des Rohrs der Strömung gegenüber öffnet. Das andere Ende des
Rohrs ist im Wesentlichen geschlossen. Ein Drucksensor misst den
Luftdruck auf dem Grund des Rohrs in der Nähe seines geschlossenen Endes.
Damit der von diesem Sensor gemessene Druck den Gesamtdruck Pt der
Luftströmung, die
das Luftfahrzeug umgibt, bestens darstellt, ist es wichtig, dass
sich das Pitotrohr außerhalb
einer Grenzschicht befindet, die sich in der Luftströmung in
der unmittelbaren Nähe
des Mantels des Luftfahrzeugs entwickelt. Im Inneren der Grenzschicht
und je näher
man dem Mantel des Luftfahrzeugs kommt, desto mehr würde sich
ein Messwert des Gesamtdrucks, den man dort erzielt, dem Wert des statischen
Drucks nähern
und umso weniger ist es möglich,
mit Präzision
das Modul des Geschwindigkeitsvektors des Luftfahrzeugs zu bestimmen.
Die Stärke
der Grenzschicht hängt
von der Form des Mantels des Luftfahrzeugs und insbesondere von
der Entfernung zwischen der Nase des Luftfahrzeugs und der Sonde
ab. An den üblichen
Stellen, an welchen man eine Multifunktionssonde platziert, beträgt die Stärke der
Grenzschicht auf einem Großraumflugzeug
zum Beispiel in der Größenordnung
von 7 bis 8 cm. Eine optimale Position des Pitotrohrs liegt daher
in der Größenordnung
von 10 cm vorstehend in Bezug auf den Mantel des Luftfahrzeugs.
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Ferner
weist die Multifunktionssonde auf den seitlichen Flächen der
beweglichen Schaufel angeordnet Druckabgriffe auf, die es erlauben,
den statischen Druck der Luftströmung,
die das Luftfahrzeug umgibt, zu messen. Anders als das Pitotrohr
können
die Druckabgriffe, die es erlauben, den statischen Druck zu messen, Druckabgriffe
für statischen
Druck genannt, sich im Inneren der Grenzschicht befinden. Der von
diesen Druckabgriffen gemessene Druck, Ps genannt, ist jedoch von
dem lokalen statischen Druck mit der Bezeichnung Psloc, der auf
der Ebene des Mantels des Luftfahrzeugs an der Stelle herrschen
würde,
an der die Sonde befestigt ist, bei Fehlen der Sonde, das heißt ohne
Störung,
unterschiedlich. Der lokale statische Druck Psloc kann dennoch ausgehend
von einem Druckkoeffizienten Kp der Sonde berechnet werden. Genauer
genommen hängt
Kp von der Form der Schaufel und der Position der Druckabgriffe
auf der Schaufel ab. Der Koeffizient Kp kann wie folgt definiert
werden:
wobei Ptloc den Gesamtdruck
darstellt, der auf der Ebene der Abgriffe des statischen Drucks
gemessen wurde.
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Um
den lokalen statischen Druck Psloc zu berechnen, ist es daher erforderlich,
den Druckkoeffizienten Kp der Sonde zu kennen sowie den lokalen
Gesamtdruck Ptloc. Der Druckkoeffizient Kp wird durch Eichen im Windkanal
bestimmt. Im Laufe dieses Eichens ist die entlang der Zunge des
Windkanals entwickelte Grenzschicht ausreichend dünn, so dass
die Abgriffe des statischen Drucks außerhalb der Grenzschicht liegen.
In diesem Fall ist der Gesamtdruck Ptloc, der auf der Ebene der
Abgriffe des statischen Drucks herrscht, der gleiche wie der Druck
Pt, der von dem Pitotrohr gemessen wird.
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Wenn
die Abgriffe des statischen Drucks hingegen in der Grenzschicht
liegen, ist der Gesamtdruck Ptloc auf der Ebene der Abgriffe des
statischen Drucks nicht gleich dem, den man auf der Ebene des Pitotrohrs beobachtet,
und die in dem Windkanal durchgeführten Eichungen können nicht
mehr verwendet werden.
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Um
diesem Problem abzuhelfen, besteht eine Lösung darin, den Druckkoeffizienten
Kp gleich Null zu machen. Der gemessene Druck ergibt daher direkt
den lokalen statischen Druck Psloc unabhängig von dem Wert des Gesamtdrucks
Ptloc auf der Ebene der Abgriffe des statischen Drucks.
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Ein
effizientes Mittel zum Reduzieren des Druckkoeffizienten Kp auf
einen Wert nahe Null besteht darin, die Pfeilung der Schaufel zu
steigern. Man definiert die Pfeilung λ der Schaufel als den Winkel,
den die Vorderkante der Schaufel mit einer Richtung senkrecht zu
dem Mantel des Luftfahrzeugs bildet, mit anderen Worten mit der
Rotationsachse der Schaufel. Indem man nämlich das Strömen als
unverdichtbar und das Fluid, das das Strömen bildet, als perfekt annimmt,
kann der Druckkoeffizient Kp durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
wobei V die Strömungsgeschwindigkeit
auf der Ebene der Druckabgriffe darstellt und wobei V∞ die Strömungsgeschwindigkeit
stromaufwärts
der Sonde darstellt. Die oben stehende Gleichung definiert den Druckkoeffizienten
Kp für
eine Pfeilung gleich Null. Wenn die Vorderkante der Schaufel um
eine Pfeilung λ geneigt
ist, wird der Koeffizient Kp wie folgt ausgedrückt:
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Man
leitet daraus ab, dass der Druckkoeffizient Kp umso näher an Null
liegt, je größer die
Pfeilung λ ist.
Mit anderen Worten, je mehr die Vorderkante der Schaufel in Bezug
auf ihre Rotationsachse geneigt ist, desto weniger stört die Schaufel
das Strömen.
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Wenn
man jedoch die andere oben genannte Auf lage betrachtet, nämlich ein
ausreichendes Vorstehen der Schaufel, um das Pitotrohr außerhalb
der Grenzschicht zu tragen, läuft
man Gefahr, eine Schaufel zu erzielen, deren Vorderkantenlänge sehr
groß ist.
Daraus ergäbe
sich eine Schaufel mit großem
Platzbedarf.
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Das
Dokument
WO 0 167 115A offenbart
eine Multifunktionssonde für
Luftfahrzeug, die eine bewegliche Schaufel aufweist, die dazu bestimmt
ist, sich in der Achse einer Luftströmung, die die Sonde umgibt,
auszurichten, wobei die bewegliche Schaufel Mittel zum Messen des
Gesamtdrucks (Pt) der Strömung
und Mittel zum Messen des statischen Drucks (PS) der Strömung aufweist,
wobei die bewegliche Schaufel ein Profil aufweist, dessen Pfeilung
der Vorderkante stromaufwärts
und in der Nähe
der Abgriffe des statischen Drucks variabel ist. Das Dokument
WO 9 961 923A offenbart
eine Multifunktionssonde für
Luftfahrzeug, die eine statische Schaufel aufweist, die ein Profil
besitzt, dessen Pfeilung einen ersten konstanten Wert auf einem
ersten Teil und einen zweiten konstanten Wert auf einem zweiten
Teil hat, und dessen Pfeilung einen Bruch stromaufwärts und
in der Nähe
der Abgriffe des statischen Drucks hat.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine Sonde vorzuschlagen, deren Vorstehen
ausreicht, deren Druckkoeffizient Kp der Abgriffe des statischen
Drucks nahe Null ist, und deren Platzbedarf gering ist.
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Um
dieses Ziel zu verwirklichen, betrifft die Erfindung eine Multifunktionssonde
für Luftfahrzeug,
die eine bewegliche Schaufel aufweist, die dazu bestimmt ist, sich
in der Achse einer Luftströmung,
die die Sonde umgibt, auszurichten, wobei die bewegliche Schaufel
erste Mittel zum Druckabgreifen aufweist, um den Gesamtdruck der
Strömung
zu messen, zweite Mittel zum Druckabgreifen, um den statischen Druck
der Strömung
zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Schaufel
ein Profil aufweist, dessen Pfeilung variabel ist.
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Die
Multifunktionssonden, die auf ein Luftfahrzeug montiert werden,
müssen
unter extremen Klimabedingungen funktionieren und, um das Bilden
von Frost auf den Außenwänden der
Sonde oder sogar im Inneren von Öffnungen,
wie zum Beispiel dem Pitotrohr oder den Abgriffen des statischen
Drucks zu vermeiden, weist die Sonde Mittel zum Erhitzen auf, Mittel,
die zum Beispiel aus einem Heizwiderstand bestehen, der im Inneren der
Sonde angeordnet ist. Es ist klar, dass die elektrische Leistung,
die in den Heizwiderstand abgeleitet werden kann, umso größer sein
muss als der Platzbedarf der Sonde groß ist. Indem man den Platzbedarf
der Sonde verringert, verringert man auch die Aufwärmleistung,
die zum Entfrosten der Sonde aufgebracht werden muss.
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Ein
weiterer Vorteil in Zusammenhang mit der Platzbedarfverringerung
einer erfindungsgemäßen Sonde
besteht in der Verringerung der Trägheit der Schaufel in ihrer
Rotationsbewegung, um sich mit der Achse der Luftströmung, die
sie umgibt, auszurichten. Diese geringere Trägheit erlaubt eine bessere
Empfindlichkeit in der Messung des lokalen Einfalls, den die Winkelposition
der Schaufel gibt. Wenn man ferner zum Verbessern der Einfallsmessung
die Rotationsbewegung der Schaufel um ihre Achse in Abhängigkeit
von der Messung des einfallenden Drucks, die in der Nähe der Vorderkante
der Schaufel ausgeführt
wird, steuert, erlaubt das Verringern der Trägheit der Schaufel das Verringern
der Leistung, die für
das Antreiben zum Steuern der Sonde erforderlich ist. Einzelheiten
in Zusammenhang mit dem Steuern der Rotationsbewegung der Schaufel findet
man in dem französischen
Patent, das unter der Nr.
FR
2 665 539 veröffentlicht
wurde.
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Die
Erfindung wird besser verstanden und weitere Vorteile ergeben sich
bei der Lektüre
der ausführ lichen
Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Beschreibung durch die anliegende Zeichnung
veranschaulicht wird, in der:
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1 eine
Multifunktionssonde darstellt, deren Pfeilung in der Nähe des Pitotrohrs
groß ist,
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2 eine
Multifunktionssonde darstellt, deren Pfeilung in der Nähe des Mantels
des Luftfahrzeugs, auf das sie montiert ist, groß ist.
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Die
in den 1 und 2 dargestellten Sonden weisen
eine in Drehung um eine Achse 2 bewegliche Schaufel 1 auf.
Die Schaufel 1 weist einen Flügel 3 auf, der eine
Symmetrieebene parallel zur Ebene der Figur besitzt und die Flügelunterseite
von der Flügeloberseite
trennt. Das Profil des Flügels 3 senkrecht
zu seiner Vorderkante 4 gehört zum Beispiel zum Typ OOZT
des N.A.C.A. Es ist klar, dass andere Flügelformen zum Umsetzen der
Erfindung verwendet werden können.
Die Schaufel 1 weist auch eine Welle 5 mit der
Achse 2 auf, die in das Innere des Mantels 6 eines
Luftfahrzeugs eindringt. Die Welle 5 ist in Drehung zu
dem Luftfahrzeug zum Beispiel mittels eines Kugellagers 7 beweglich.
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Aufgrund
der Form des Flügels 3 richtet
sich die Schaufel 1 naturgemäß in der Achse der Luftströmung, die
die bewegliche Schaufel 1 umgibt, aus. Die Achse der Strömung ist
durch den Pfeil 8, der in 1 dargestellt
ist, veranschaulicht.
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Die
Sonden weisen ferner Mittel zum Messen des Gesamtdrucks Pt und des
statischen Drucks Ps der Luftströmung
sowie des Einfalls i des Luftfahrzeugs auf.
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Die
Mittel zum Messen des Gesamtdrucks weisen zum Beispiel einen Abgriff
des Gesamtdrucks Pt auf, der einen Kanal 20 aufweist, der
sich durch eine Öffnung 21 öffnet, die
im Wesentlichen der Luftströmung mit
der Achse 8 gegenüber
liegt. Der Kanal 20 ist besser unter der Bezeichnung Pitotrohr
bekannt.
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Die
Mittel zum Messen des statischen Drucks PS weisen zum Beispiel zwei
Abgriffe des statischen Drucks 22 und 23 auf,
jeweils einer auf einer der Seiten der beweglichen Schaufel 1.
Auf 1 ist nur der Druckabgriff 22 sichtbar.
Der Druckabgriff 23 befindet sich auf der nicht sichtbaren
Seite der beweglichen Schaufel 1, im Wesentlichen symmetrisch
zu dem Druckabgriff 22 in Bezug zu der Symmetrieebene des
Flügels 3.
Diese Symmetrieebene ist zu der Ebene der 1 parallel.
Jeder Druckabgriff 22 und 23 kann mehrere Öffnungen
aufweisen, in 1 sind drei dargestellt, um
insbesondere den Querschnitt jeder Öffnung einzuschränken, um
den Luftstrom, der die bewegliche Schaufel 1 umgibt, möglichst
wenig zu stören,
oder auch um die Druckmessung ausführen zu können, auch wenn eine der Öffnungen
verstopft werden sollte. Die zwei Abgriffe des statischen Drucks 22 und 23 kommunizieren
mit einer Kammer, die sich im Inneren der Schaufel befindet, um
den Druck zwischen den zwei Abgriffen 22 und 23 zu
mitteln.
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Die
Mittel zum Messen des Einfalls α des
Luftfahrzeugs weisen zum Beispiel zwei Einfallsdruckabgriffe 24 und 25 auf,
die sich wie die Abgriffe des statischen Drucks 22 und 23 auf
einer der Seiten der Schaufel befinden, ebenfalls im Wesentlichen
zu der Symmetrieebene des Flügels 3 symmetrisch.
Die Einfallsdruckabgriffe 24 und 25 kommunizieren
nicht, und es ist der Unterschied zwischen den Drücken, die
auf der Ebene jedes Abgriffs 24 und 25 herrschen,
der es erlaubt, den genauen Einfall der beweglichen Schaufel 1 und
daher den des Luftfahrzeugs zu bestimmen. Um schließlich die
Empfindlichkeit der Einfallsmessung zu verbessern, kann man Druckabgriffe 24 und 25 in
unmittelbarer Nähe
der Vorderkante 4 der beweglichen Schaufel 1 anbringen.
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Die
Nutzung der aus den verschiedenen Abgriffen für Gesamtdruck, statischen Druck
und Einfallsdruck erhaltenen Informationen ist zum Beispiel in dem
französischen
Patent
FR 2 665 539 beschrieben.
Dieses Patent beschreibt insbesondere das Steuern der Winkelposition
der beweglichen Schaufel
1 um ihre Achse
2, so
dass der Flügel
3 der
beweglichen Schaufel
1 bestens mit der Achse
8 der
Luftströmung
ausgerichtet ist.
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In
den zwei Ausführungsformen
der Erfindung, die auf den 1 und 2 dargestellt
sind, hat das Profil der beweglichen Schaufel eine variable Pfeilung.
Man definiert die Pfeilung der beweglichen Schaufel als den Winkel,
den die Vorderkante der beweglichen Schaufel zu der Rotationsachse 2 der
beweglichen Schaufel bildet. Genauer genommen hat die Pfeilung einen
ersten Wert auf einem ersten Teil des Profils und einen zweiten
Wert auf einem zweiten Teil des Profils. Mit anderen Worten bildet
die Vorderkante der Schaufel eine gebrochene Linie. In dem ersten
Teil des Profils, das heißt
in der Nähe
der Einfallsdruckabgriffe ist der Wert λ1 der Pfeilung kleiner als der
Wert λ2
der Pfeilung in dem zweiten Teil des Profils in der Nähe der Abgriffe
des statischen Drucks 22 und 23. Genauer genommen
hat die Pfeilung stromaufwärts
der Einfallsdruckabgriffe einen konstanten Wert λ2 und stromaufwärts der
Abgriffe für
statischen Druck hat die Pfeilung einen konstanten Wert λ1. Man versteht
unter stromaufwärts
von den Einfallsdruckabgriffen oder Abgriffen für statischen Druck den Teil
des Profils der beweglichen Schaufel, der die Abgriffe für Einfallsdruck
bzw. statischen Druck aerodynamisch beeinflussen kann, wenn die
bewegliche Schaufel einer Luftströmung ausgesetzt wird, deren
Richtung im Wesentlichen zur Achse 2 senkrecht ist.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, die in 1 dargestellt ist, liegt der
erste Teil 26 des Profils dem Mantel 6 des Luftfahrzeugs
näher als
der zweite Teil 27 des Profils. Diese Variante erlaubt
es, die Abgriffe für
statischen Druck 22 und 23 von dem Mantel 6 des
Luftfahrzeugs maximal zu beabstanden. Der lokale Gesamtdruck Ptloc
auf der Ebene der Abgriffe des statischen Drucks 22 und 23 ist
daher so nahe wie möglich
am Gesamtdruck Pt, der von dem Pitotrohr 20 gemessen wird.
Diese Anordnung weist einen Vorteil auf, denn der Druckkoeffizient
Kp der Abgriffe für
statischen Druck 22 und 23 hängt auch von der Geschwindigkeit
des Luftfahrzeugs ab. In der Praxis erlaubt es die Pfeilung λ2, die Amplitude
der Entwicklung des Druckkoeffizienten Kp in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
des Luftfahrzeugs zu verringern. Wenn daher Ptloc gleich oder im
Wesentlichen gleich Pt ist, erlaubt es die Druckmessung Ps, die
auf der Ebene der Abgriffe des statischen Drucks 22 und 23 ausgeführt wird,
den lokalen statischen Druck Psloc an der Stelle, an der die Sonde
auf dem Mantel 6 des Luftfahrzeugs positioniert ist, leicht
zu berechnen.
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Vorteilhafterweise
wird der Pfeilungswert λ2
derart definiert, dass ein Wert Kp des Druckkoeffizienten der Abgriffe
für statischen
Druck für
einen gegebenen Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung im
Wesentlichen gleich Null ist, wobei der Bereich insbesondere die
Dauergeschwindigkeit des Luftfahrzeugs enthält.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, die in 2 dargestellt ist, ist der erste
Teil 28 des Profils von dem Mantel 6 des Luftfahrzeugs
weiter entfernt als der zweite Teil 29 des Profils. Diese
Variante erlaubt es, die Trägheit
der Schaufel noch zu verringern.
