JP2004519696A - 流体中の物体の流れデータ測定用センサ構造およびセンサ配列 - Google Patents

Abstract

流体を測定開口部（５）から圧力変換器システム（１３）へ流れ状態の検出のために導く伝達ライン（７）が結合されている少なくとも２つの測定開口部（５）を備えた構造部（１）を有する流れ状態を測定するための、流れ中に突出する物体のセンサ構造において、構造部（１）の外殻（３）が、流れ方向に見て相前後に配設された領域（２１、２２）を有し、前記領域の第１領域（２１）が第２領域（２２）より大きい熱伝導率を有し、第１領域（２１）の内部に、制御量として第１領域（２１）の表面の温度を有する温度制御回路に接続された加熱要素（３１）が構造部（１）に配設されている。
（図１）

Description

【０００１】
本発明は、航空機または一般の飛行装置または翼のように流体中にさらされる任意の物体で、流体中に突出する物体外部表面における、たとえば圧力等のような、空気（気体）データまたは流れデータを測定するためのセンサ構造、ならびにこのセンサ構造を備える飛行装置に関する。
【０００２】
従来、航空機内の空気データ測定は、通常、特にコスト的に有利かつ構造的に簡単な手段で組込み可能である外部探触子を用いて行われていた。該探触子は、該探触子を航空機胴体に適切に配列する際に、空気流の局所的影響の補償のための労力を比較的ほとんど要求されない、という長所も有する。しかし、このような外部探触子は、多くの場合、将来の航空機において特に重要となる欠点を有する。つまり超音速領域では、この外部探触子の熱負荷能力が充分でない。通常の飛行領域および軍事用途範囲において、熱制御性、ＥＭＣ強度および落雷強度、ならびに外部探触子がレーダ装置に対して有する識別特性に関する問題が発生する。また、外部探触子には常に航空機の安全性を妨げる凍結の危険がある。さらに、外部探触子が信号予備処理および信号処理ならびに探触子の加熱のための構成要素も必要とするため、該外部探触子が比較的多くの所要空間を必要とする。さらに、制限された領域以外の仰角（入射角）は、外部探触子によって測定不可能となる。たとえば、離陸時および着陸時または空中戦の際に大きい仰角で飛行可能な航空機の場合、外部探触子は空気力学的な飛行状態を充分正確に検出できない。
【０００３】
したがって、本発明の課題は、上記欠点を克服することができる流体中の物体用のセンサ構造ならびにその物体内の配列を提供することにある。
【０００４】
この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。その他の実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００５】
以下、本発明は添付の図面を利用して説明する。
図１は、特に航空機の胴体先端部、たとえばレードームの前部に設けられるような本発明による航空機のセンサ構造２の構造部１である。ここで構造部１は、特に空気流（気流）中に突出する航空機の他の構造部であってもよい。一般に構造部は、流体中の物体の一部、つまり流れにさらされ、流れデータまたは空気データの測定が行われる任意に適用される物体の一部としてよい。流体は、一般に、たとえば空気のような気体状の属性状態、またはたとえば水または油のような液体状の属性状態を有してよい。
【０００６】
相前後して配設された領域２１および２２を有する構造部１は、通常、たとえば円錐体または不規則な物体、すなわち自由成形表面を有する物体、またはこれらから構成された物体などの通常物体から選択的に外部表面に形成することができる。
【０００７】
構造部１は、複数の軸線方向および半径方向の双方に分布された複数の測定開口部（測定オリフィス）５を備えた外殻３を有する。この測定開口部５は精密孔である。１つの伝達ライン７が、各測定開口部５から夫々たとえば毛管状に形成されて出ているため、構造部１内に多数の伝達ライン７が延びている。該伝達ライン７は構造部１の内部で支持要素９中で結合し、該結合部で伝達ライン７が支持要素９の端部と圧密に接続されている。支持要素９から少なくとも１つの対応する空気圧力伝達ライン１１が圧力変換器システム１３まで延び、その中で伝達ライン７によって伝達された圧力が電気量に変換される。
【０００８】
圧力変換器システム１３から、各測定開口部５にそれぞれ発生する局所的な圧力、またはその他の流れ値が被検出空気データに換算されるデータ処理システム１５へ回線が延びる。回線（図示せず）はアナログ回線またはデータ伝送回線として形成してよい。後者の場合は、対応する送信機および受信機が設けられる。その場合、データ伝送は、要求される高走査速度を実現するため、光導波管を利用してもよい。高走査速度が高解像度を確実なものとするため、要求された圧力測定の精度が達成される。
【０００９】
測定開口部５は円形断面またはその他の平面形状を有するが、断面において互いにほぼ近似した同じ面積を有する。円形断面を用いる際の断面積は、０．０３から３０ｍｍ^２の領域にある。円直径は、好ましくは１ｍｍから１．８ｍｍの間の領域にある。別の平面形状の場合、断面積は、好ましくは０．８から２．６ｍｍ^２である。開口縁部には、最大０．１ｍｍ半径の隅部形状が供されている。つまり、開口幅もしくは開口長または開口径の公差は０．１ｍｍを超えてはならない。
【００１０】
外殻３は、異なる構造ゾーンにわたって要求された出力レベルにしたがって温度分布を調整することができるよう、構造部１の先端部２０から流れ方向に見た（外部流れ）外殻３の区間ごとに調整された熱伝導率レベルを達成するために、複数の異なる材料から構成されている。先端部２０または流れ中に突出する構造部におかれる第１領域即ち正面領域２１は、落雷によって許容不可能な表面変化（たとえば孔の局所的な溶融もしくは溶解）の発生を確実に防ぐ金属合金から製造されている。本発明による第１領域２１の機能は、特に表面の合金技術の蒸発冷却または好適な強磁性材料の使用による磁気的電光干渉によって達成される。合金技術の蒸発冷却の場合の第１領域２１の担体構造としては、好ましくは銅、ニッケル、鉄、コバルトのような合金添加物を有するタングステン基材が充分な量でかつ担体構造中の好適な分布で使用される。合金添加物は落雷時に蒸発するため、担体構造中の極度の高温度上昇が回避され、それによって孔および全構造の形状安定性が保持される。耐落雷性に加え、領域２１用の材料は良好な熱伝導率を有することが要求される。構造部１が胴体先端部である場合は、好ましくは５〜２０個の測定開口部５が第１領域２１に位置付けられており、該測定開口部が軸線方向および円周方向に配置（図２および３）されている。
【００１１】
流れ方向に見て軸線方向に第１領域２１の後部に位置付けられた外殻３の第２領域２２で、外殻３のさらに低い熱伝導率が達成される。第２領域２２は、たとえばステンレス鋼などの錆びない鋼（非錆鋼）またはニッケル基合金またはコバルト基合金のような材料から製造されており、領域２２の熱膨張係数が同時に領域２１の熱膨張係数よりも低い熱伝導率で、領域２１および２２の間に極度に大きい構造応力が発生しないように考慮されている。
【００１２】
続いて流れ方向に見て第３領域２３が、たとえば構造部１が固定された航空機胴体内に、航空機部材への接続構造を形成する。第３領域２３は、充分な強度と耐食性とを有する材料から製造されている。好適なのは、たとえばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖのようなチタン合金またはステンレス鋼またはニッケル基合金である。第３領域２３は、第２領域２２より高いか、または低い熱伝導率を有する。第３領域の機能は、排熱が主ではなく、第３領域が第２領域から航空機胴体への構造的に強固な移行を確実なものとすることにある。
【００１３】
第１領域２１から第２領域２２へ流れ方向に低下する熱伝導率によって、可能な限り有効な熱効率の利用と、同時にセンサ／圧力変換器の可能な限り低い熱負荷とが実現される。本発明によれば、航行中の正面領域に対して９５℃または１００℃の最小温度が調整可能であり、それによってセンサ構造の外部表面または測定開口部の流入領域に発生する水分を蒸発させる。第１領域から第２領域２２を介した圧力変換器領域への熱伝達は、領域２１、２２の熱伝導率によって、第２領域２２で与えられた最大温度を超えないように低減される。第２領域２２の最大温度は、それぞれの実施形態に応じて決定され、好ましくは７０℃から１２０℃の範囲にあるとよい。
【００１４】
正面領域２１については、外部表面に好ましくは１６０℃の最大温度が与えられる。本発明による第１領域２１または第２領域２２への分割によって、所定の温度低下が達成されることとなる。好ましい実施形態としては、高性能航空機の場合は第１領域（２１）から第２領域（２２）へ最小３０℃から最大９０℃まで低下させるとよい。それによって、測定システム１３およびデータ処理システム１５の温度感度測定部およびコンピュータ部の保護が保証されている。
【００１５】
実現された熱的伝導率は、１００Ｗ／ｍＫから２０５Ｗ／ｍＫの間の範囲（領域２１用）と、９０Ｗ／ｍＫから１５Ｗ／ｍＫの間の範囲（領域２２用）とから選択された。
【００１６】
ＥＭＣ（電磁場適合性）および落雷に対する保護を保証するために、第１領域２１、第２領域２２および第３領域２３が導電性を有するように形成されている。この場合、従来技術に比べると、本発明によれば外殻３自体が導電性に形成されているため、導電性材料を付加的に外殻中に組み込む必要がないという利点がある。
【００１７】
本発明によって、さらに領域２１の内側にかつそれに沿って該領域の軸線方向にも半径方向にも取り付けられる加熱要素３１が設けられている。加熱要素３１は高温接着法またははんだ付け法によって領域２１の内部構造中に組込まれている（図２参照）。
【００１８】
孔と毛管７の接続のために、接着接合、はんだ接合および／またはねじ接合が用いられる。好ましくは、特殊接合技術が使用される。特に、毛管７は高温はんだを付けを用いて外殻３の孔５と接続されている（図２参照）。
【００１９】
実施形態としての組込構造方式、接合方法（たとえば高温はんだ付け）および内部成形、断面配分ならびに、たとえば流体中の物体の主構造への結合によって、構造部１がたとえば飛行負荷などの動作条件に耐えることが可能となる。
【００２０】
本発明によるセンサ構造および、たとえば１２個の測定開口部の開口数の領域ごとの構造方式により、このような小型化センサ構造が、たとえば円錐形を有する高性能航空機のレードームの場合で、２００ｍｍから８０ｍｍの間の範囲の長さと、１５０ｍｍから６０ｍｍの間の範囲の底面直径とで実現することができる。５００ｍｍから３０００ｍｍの間の範囲のレードーム全長と、５００ｍｍから１５００ｍｍの間の範囲の底面直径のレードームに対する組込みは、それゆえ機能的に構成することができる。それにより、小型化したセンサ構造の組込みならびに残りのレーダ透過性のレードーム表面の近似的な最大化が可能になる。それにより、この場合のレーダレードームシステムおよび空気データシステムのような２つの主機能は、流体中の物体前部の極点にそれらを位置決めすることにより、同時かつ平行に最適化することができる。小型化センサ構造との前記のような組込みのもう１つの長所は、流体中の物体外部のセンサよりもレーダ後方散乱面が低減されることである。領域２１は、好ましくは領域２１および２２からなる全長の１５％から６０％の間の範囲で形成されるとよい。別の実施形態としては、たとえば測定開口部５の増減により、または、流れデータ測定に有利かつレーダなどの他のセンサと互換性のある組込みに有利となる測定部／圧力変換器システム部１３および／またはデータ処理システム部１５等のさらなる小型化により、前記のような本発明による分割構造シーケンス２１、２２、２３の構成が可能である。
【００２１】
本発明によるセンサ配列を有するセンサ構造は、特に敏捷な高性能航空機への導入およびそこでの流れ値の測定のために提供されている；該測定は、ここでは圧力として測定および解析され、もしくは被測定仰角αおよびβとして相関付けられる。温度補償を含むアナログーデジタル変換用の信号処理ユニットも、本発明のセンサ構造中に組込まれる。
【００２２】
閉じた温度制御回路は、加熱された正面領域２１、そこに組込まれた加熱要素および温度センサを介して、ならびに電流源および制御ユニットを介して形成されている。被制御量は、流動媒体への境界層での領域２１の表面温度であり、かつさらに必要な場合は、圧力変換器システムおよびデータ処理システムの組込み空間２２および２３内の温度である。調整量は供給された電気出力である。その他の制御要素類としては、組込まれた温度センサならびに外部の調整電子機器である。
【００２３】
制御コンセプトとして、種々の他の実施形態が想到可能であり、それらの中から以下に２例を挙げる：
【００２４】
第１の他の実施形態において、温度が正面領域で制御され、その際に温度差が流動媒体の隣接する周辺条件で領域２１および２２の好適な材料の選択によって生じる。
【００２５】
さらなる他の実施形態では、温度が正面領域２１と領域９とで制御され、その際に温度差が領域２１および２２の好適な材料の選択によって生じ、流体の隣接する周辺条件で領域２１および９の制御されるべき最大温度および最小温度によって生じる。その場合、第２領域２２の支持要素９の領域で７０℃の最大温度を超えないように制御がなされる。そのために、好ましくは第１領域２１の内部に温度センサ３５が配設されているとよい。
【００２６】
構造部１および外殻３では、たとえばニッケル−クロム−リンまたは金−ニッケルはんだ材料を用いる場合のように、高温において有利かつ充分なはんだ付け強度があり、それにより達成可能な低い自重により構造断面が横方向および縦方向への飛行負荷発生に対しても充分であるため、それによって構造システムと構造強度とが特に達成される。
【００２７】
上記特徴との関連において以下の利点が生じる：
毛管７は短くかつ直接形成することができ、それによって測定時のより大きな時間遅れならびに伝達影響が回避される：測定開口部５での流入位置と、測定変換器システム１３との間の温度変動を小さく保持することができる；温度は、測定領域／圧力変換器領域／データ処理領域１３及び１５で高温ゾーン２１よりも低く調整することができる；領域２１の高温ゾーンと領域２２の平均温度ゾーンとによって、凝結問題が大幅に低減される；加熱要素によって、伝達ラインと測定表面の予備乾燥を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明によるセンサ構造の実施形態の航空機の胴体先端部および航空機構造または構造部内への該センサ構造の組込みのための構造要素の概略縦断面図である。
【図２】
図２は、本発明によるセンサ構造の一実施形態の詳細縦断面図である。
【図３】
図３は、本発明によるセンサ構造の一実施形態の正面図である。

Claims (14)

1. 流動状態の検出のために測定開口部（５）から圧力変換器システム（１３）へ流動媒体を案内する伝達ライン（７）が結合された少なくとも２つの測定開口部（５）を備えた構造部（１）を有し、流れ状態を測定するための、流れ中に突出する物体のセンサ構造であって、
   構造部（１）の外殻（３）が、流れ方向に見て相前後に配設された領域（２１、２２）を有し、前記領域の第１領域（２１）が第２領域（２２）より大きい熱伝導率を有し、
   第１領域（２１）の内部に、制御量として第１領域（２１）の表面の温度を有する温度制御回路に接続された加熱要素（３１）が構造部（１）に配設されていることを特徴とする流れ状態測定用センサ構造。
2. 測定開口部（５）が、最大０．１ｍｍの開口縁部となる半径を有する０．０３ｍｍ^２から３０ｍｍ^２の間の範囲の断面積を有することを特徴とする、請求項１に記載の流れ状態測定用センサ構造。
3. 測定開口部（５）が１ｍｍから１．８ｍｍの間の範囲の円直径を有する円形断面を有することを特徴とする、請求項２に記載の流れ状態測定用センサ構造。
4. 第１領域（２１）の表面で９５℃の温度を下回らず、第２領域（２２）の支持要素（９）の領域で７０℃の最大温度を超えないように温度制御が調整されていることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流れ状態測定用センサ構造。
5. 第１領域（２１）における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫから２０５Ｗ／ｍＫの間にあり、第２領域（２２）で９０Ｗ／ｍＫから１５Ｗ／ｍＫの間にあることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流れ状態測定用センサ構造。
6. 伝達ライン（７）がはんだ付け接合または接着接合またはねじ接合によって測定開口部（５）に接続されていることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流れ状態測定用センサ構造。
7. 第１領域（２１）が強磁性材料から形成されていることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流れ状態測定用センサ構造。
8. 第１領域（２１）がタングステン−銅合金を有することを特徴とする、請求項７に記載の流れ状態測定用センサ構造。
9. 第２領域（２２）の表面が錆びない鋼（非錆鋼）またはニッケル基合金またはコバルト基合金から形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流れ状態測定用センサ構造。
10. 構造部（１）が６０ｍｍおよび１５０ｍｍの間の範囲の底面直径（３３）を有する飛行装置のレードーム先端部を有し、第１領域（２１）の長さが、流れ方向に第１領域および第２領域からなる長手方向伸長の最大６０％かつ最小１５％の長さとなることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の流動状態測定用センサ構造。
11. ５から２０個の測定開口部（５）が設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の流れ状態測定用センサ構造。
12. 第１領域（２１）（の表面で）最大１６０℃の温度となるように温度制御が調整されていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の流れ状態測定用センサ構造。
13. 第１領域（２１）および第２領域（２２）の長手方向伸長ならびに該領域の表面の材料が、第１領域（２１）から第２領域（２２）へ最小３０℃かつ最大９０℃の温度低下が達成されるように選択されていることを特徴とする、請求項１１に記載の流れ状態測定用センサ構造。
14. 請求項９から１１のいずれか一項に記載のセンサ構造部を備えた飛行装置。