JPH0778505B2 - 静止または移動点における空気速度と入射流角の少くともいずれかを測定する方法と測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、静止または移動点における空気速度と入射流
角の測定方法および測定装置に関する。測定点は、例え
ば乗物上であり、測定角は、例えば航空機の横滑り角で
ある。

従来の技術 航空機の横滑り角を測定する装置として、米国特許第25
38003号のものが知られている。この従来装置は管を備
えており、この管の先端に２つのボアが設けられてい
る。両ボアは管の長軸に対し傾いて配置され、また通路
を介して選択弁の両側部に接続されている。これら弁側
部は、パイロツトヘルメツトに通じる接続部を有する。
パイロツトヘルメツトには開口部が形成され、開口部は
パイロツトの頬の位置にある。開口部は、管のボアに対
応して左右に一つずつ設けられている。したがつて、管
先端の左側ボアに流入した空気はパイロツトの左頬に作
用し、管先端の右側ボアに流入した空気はパイロツトの
右頬に作用する。

上記選択弁の他の入口には、航空機外面から導入される
ラム圧が作用する。この入口は常態で弁体により閉じら
れている。管先端の一方のボアに進入した空気の圧力
が、選択弁内のばねにより設定される所定値を上回る
と、弁体が動き、選択弁のラム圧入口と対応したパイロ
ツトの接続部とが連通し、これによりラム圧が対応する
パイロツトの頬に作用する。

この簡単な従来の入射流角測定装置は、あらい計測にの
み適する。高精度での計測は、この従来装置では困難で
ある。しかしながら、乗物の走行抵抗、例えば航空機の
空気抵抗を最小にしたり、空気乱流の形成を避けるため
に、高精度で迎え角を測定することは必須である。空気
力学上好ましい形に設定された乗物は、この周囲を流れ
る流体に対して理想的位置に保持しなければならない。

発明が解決しようとする問題点 本発明は上記従来技術の欠点にかんがみなされたもの
で、その目的は、例えば乗物上の静止および移動点にお
いて、迎え角を高精度で測定し得る方法と装置の提供に
ある。

問題点を解決するための手段（含む方法）とその作用 本発明では、球形もしくは部分球形の本体の両側の互い
に対称な少くとも２点において、入射流の圧力を測定す
る。そして、主たる入射角に関連する球形もしくは部分
球形の本体の表面上の圧力分布曲線を、測定した圧力か
ら求める。所望の座標系、過去に求めた圧力分布曲線、
もしくは所定入射角に関連した圧力分布曲線に対する、
（現在の）測定圧力分布曲線の相対的な変位角から、入
射角を求める。一方、空気速度を測定するために、入射
流圧力の最大値が静圧の総和および動圧として検出され
る。そして、静圧に対応し基準圧を示す値が、前記最大
値から差引かれ、この結果から空気速度が算出される。

本発明により、乗物、例えば航空機上の静止もしくは移
動点において、迎え角を約±0.1゜の精度で測定でき
る。この高精度での測定は、球形の部分で入射流角の圧
力を計測していることに基づく。即ち、球の周囲では、
流れはどの方向からも同じになつている。本発明では、
測定された圧力分布を既知の圧力分布と比較するという
非常に簡単な方法で、迎え角を求めることができる。こ
こで、測定圧力分布は特定の入射角を示し、また既知圧
力分布は既知の入射角、例えば乗物の縦軸に平行な入射
角を示す。前記の比較は次のように行われる。即ち、測
定分布が所定分布に一致するまで球もしくは部分球を機
械的に回わす。あるいは、球もしくは部分球が乗物に固
定されている場合には、まず圧力分布の対称線を算出す
る。そして、過去に測定した対称線、所定の対称線、も
しくは対応対称線（好ましくは球座標上の）と前記算出
した対称線とを比較する。

対称線両側での少くとも２点における測定により、個々
の圧力測定に対して正確な統計評価を行うことができ、
したがつて、全体的な測定における精度を上げることが
できる。対称線に関して圧力測定手段が対称に配置され
ている場合、各圧力測定手段の固有誤差は互いに等し
く、これら固有誤差が測定に与える悪影響を排除するこ
とができる。

所定入射角に関連した圧力分布曲線を予め定めることな
く、球上の入射流角の方向を求めることができる。具体
的には、球中心を起点とする所望の半径ベクトルに関す
る少くとも２つの等しい数学的近似を、半数または一
部、ただし少くとも２つの測定値に適用する。圧力分布
対称線上では前記近似値は互いに等しくなければなら
ず、また圧力分布および近似の最大値がこの線上で生じ
なければならないという事実を考慮すると、任意に選定
した座標系に関して対称線を規定する半径ベクトルの位
置を求めることができる。このような数学的近似には、
例えばテーラー展開の手法が用いられる。

上記と同い方法で入射流角を測定すると共に、複雑な構
成を付加することなく空気速度を測定する装置は有用で
ある。この装置では、圧力測定器を用い、この測定結果
に基づき入射流の最大圧力が算出される。静圧および動
圧の総和に等しい最大圧力から静圧値が差引かれ、これ
に基づき空気速度が算出される。流体的結合を介して周
囲大気に連通する装置本体内の室に生じている基準圧力
に、ここでの静圧は対応している。

実施例 第１図に示すように、流体の流れ２が、半球または球状
部３の表面４に入射している。流れ２は表面４上に圧力
を生じせしめ、この圧力は表面４上の異なる位置５にて
測定される。この圧力測定により表面４上の圧力分布が
検出される。この圧力分布は、入射流の主たる角度、す
なわち迎え角の特性を示す。

測定された圧力分布は既知の圧力分布と比較される。こ
こで、既知の圧力分布は、既知の入射流角、例えば０゜
に関連する。前記比較に基づいて、入射流角（β）が求
められる。

第１図の入射流角測定装置は半球状の装置本体１を備え
る。半球３の表面４は非常になめらかでありしかも良質
であって、流れ抵抗は低くまた表面状での乱流の発生は
防がれている。

第１図は断面を示したもので、２つのグループ10,11に
分けられたボアが、装置本体１に形成されている。ボア
は半球３の表面４を貫通しており、装置本体１の中心軸
をなす対称線９の両側に配置されている。圧力測定器５
がこれらのボアに収められている。圧力測定器５の外面
は、半球３の表面４となめらかにつながるように、構成
されている。対称線９に近接した第１のグループ10のボ
アは４つであり、このうち対称線に最も近いボアは、半
球曲中心12に関し角_１＝５゜にある。ボア間は2.5゜
の角であり、したがつて対称線から最も遠いボアは_４
＝12.5゜の角にある。第２のグループ11内の対称線に最
も近いボアは、同様の位置表示で_５＝30゜の角にあ
る。同様にボア間は2.5゜の角である。第２のグループ
のボアは３つである。

同一グループ内のボア間隔は、圧力測定器５の外径に応
じて定められ、これは2.5゜よりも小さくてもよい。

圧力測定器５をグループ分けした構成により、測定位置
を期待圧力分布曲線に適合することができる。ここで、
期待圧力分布曲線は、圧力測定器が設けられる面のコー
スに応じて変化する。圧力測定器の各グループは、面コ
ース上における個々の測定圧ピックアップの期待圧力差
が非常に小となる位置に配される。圧力測定器がうず形
成に影響されることなく、信頼性の高い統計的な評価が
可能なように、個々の測定圧ピックアップ間の距離は十
分に設定されている。

半球面４と反対の装置本体１の側部に段付ボア29が形成
されている。この段付ボア29は装置本体の中心軸と同軸
であり、曲内壁20により構成される盲部材により一端が
画成されている。曲壁20は表面４と同じ曲中心12をもつ
ており、これと平行である。装置本体１の半球３の壁
は、表面４と内壁20の間に位置しており、圧力測定器５
を収めるボアがこの壁を貫通している。

曲内面20を含む盲ボアの部分は、短い円柱状部に続いて
いる。この円柱状部はステツプを介して大径の円柱状部
に続いている。そして、この大円柱状部は盲ボアの開口
部まで延びている。

装置本体１は中心軸と同軸の円柱外面を有する。この円
柱外面は、盲ボアの開口部が形成された装置本体１の端
部から延び、そして曲中心12を通りかつ中心軸に直角な
仮想面のレベルまで達している。それから、この仮想面
に沿つて環状段部が外方に延び、そして表面４と交わ
る。半球３の表面４と、中心軸に直交する環状段部との
交差線は、分離縁を形成し、これにより半球３周囲の流
れの良質化が図られている。装置本体１の壁は、装置本
体１の円柱外面28と盲ボアの大径部29の間にあり、そし
て、その終端31は環状であつて盲ボアの開口端に位置す
る。中心軸と直交する別の環状段部32が、盲ボアの円柱
状部29,30の間に形成されている。

ドーム状部材34が環状フランジ33とドーム部35を備えて
いる。ドーム部35は均一厚の壁からなり、断面は円形リ
ング状弓形である。ドーム部35の凸外面36が内面20と対
抗するように、ドーム状部材34の環状フランジ33が環状
段部32に当接している。環状フランジ33と環状段部32が
当接した状態で、ドーム部35およびその凸外面36の曲中
心は、半球３表面４の曲中心12と一致する。

環状段部32と反対の位置にて、環状フランジ33に円形環
状面37が形成されている。内蓋39の内面がこの円形環状
面37に気密に接触している。かくして、閉室６がドーム
状部材34と内蓋39の間に形成される。内蓋39、環状フラ
ンジ33、および環状段部32は、いずれも、それらの外周
に位置した複数のボアを備えている。内蓋39、環状フラ
ンジ33、および環状段部32の関連するボア同志は互いに
揃つている。内蓋39と環状フランジ33の互いに揃つたボ
アをボルト40が貫通しており、ボルト40は環状団部32内
のねじ山41と係合する。閉室６への流体接続部７が小管
42により構成されている。この小管は曲中心12を通る半
径線に沿つて設けられており、中心軸９とは40゜の角を
なしている。ドーム部、内面20とドーム部の凸外面36と
の間の空間、および半球の外壁21を貫通してこの小管は
延びており、そして小管は表面４上に開口する。

外蓋43はその外周縁に環状シート部44を有する。環状シ
ート部44は平坦であり、環状端面31に圧接している。外
蓋の外周面は装置本体１の円柱外面28と同一平面にあ
り、またこの外面28と揃つている。

中心軸と平行なボアが外蓋43の外周縁に設けられてお
り、これらのボアは、装置本体１の環状端面31に形成さ
れたねじ山付ボア45と揃つている。外蓋43のボアを貫通
したボルト46がねじ山付ボア45内に延びこれと係合し、
装置本体１に外蓋43を固定している。

第２図に示されるように、切欠48が環状段部32に設けら
れている。圧力測定器５が存する平面に対して22.5゜の
角をなしかつ対称中心９を通る線に沿つて切欠48は配置
されている。第３図に示されるように、この切欠は開口
47と揃つている。開口47は接続部24の通路23を形成す
る。内ハウジング部22を構成する環状フランジ33と内蓋
39を、この通路23は貫通する。

第４図は圧力測定器５の構成を示す。圧力測定器５は、
圧抵抗性の圧力ピツクアツプ25を備えている。この種の
圧力ピツクアツプは表面に統合（表面と一体化）するこ
とが可能であつて、表面の構造をわずかに変えるだけで
よく、精度の高い圧力測定ができる。圧抵抗性圧力ピツ
クアツプ25はボア49に収められ、固定手段50によりボア
49に保持されている。半球３表面４に近接する圧力ピツ
クアツプ25の表面51は、この表面４となめらかにつなが
り、両者の間にいかなる段差も形成されていない。

内面20に近接する端部52において、圧力ピツクアツプ25
に小管53が設けられている。小管53は圧力ピツクアツプ
25から遠方に延び、ドーム状部材34の球状部35のボバ54
を貫通している。閉室６内でこの小管53は圧力測定器５
の基準圧ピツクアツプ部８を構成する。

温度測定器27が圧力ピツクアツプ25近傍の内面20に設け
られ、これにより圧力ピツクアツプ25の温度もしくは圧
力ピツクアツプ25周囲のハウジング部21の温度が計測さ
れる。圧力測定精度を上げるために圧力制御器もしくは
その周辺の温度が計測されるのであり、そしてこの計測
温度は評価器に入力され、温度変化に伴う圧力測定の誤
差を補償している。

圧力ピツクアツプ25と圧力測定器27から延びた接続部24
は、内面20とドーム状部材35の間の空間内に進入してい
る。さらに接続部24は、この空間から切欠48および通路
23を経て、そして筒部29と、内蓋39と、外蓋43により画
成された空間を通り抜け、外蓋43に設けた図示しない開
口に入る。接続部24はこの開口を通り抜けて外部に出
て、そして評価器に達している。

半球３表面４の保護器19の構成が第６図に示されてい
る。保護器19は中空球部を有しており、この中空球部の
内径は半球３表面４の曲半径よりも大きく設定されてい
る。保護器は軸55を中心として回転可能に構成されてい
る。軸55は圧力測定器５と曲中心12を通る平面にあり、
曲中心12と交差している。

半球３表面４をカバーしない引込位置19′に保護器19を
移動してもよい。また、外的作用により圧力測定器が破
壊される恐れがある場合には、保護器19を位置19″に動
かし、少くとも圧力測定器のある半球３表面４の部分を
保護器19によりカバーするようにしてもよい。保護器19
の移動は、図示しない駆動手段、例えばサーボモータに
より行うようにしてもよく、この移動は通常乗物の作動
中に行う。

本発明の装置を乗物に取付ける手段56が、引込位置19′
の保護器19によりカバーされない外蓋43の部分に設けら
れている。取付手段56は接続部24を収容しており、接続
部24は取付手段56を貫通できるようになつている。

第７図と第８図は、本発明の装置を航空機57に取付けた
状態を示す。取付手段56はラダーユニツト59前縁58から
飛行方向に延び、保護器19を備えた装置本体１を支持し
ている。

ここに示す航空機ラダーユニツトに設けた本発明装置の
構成では、航空機57胴体の上縁の胴体境界層の上方に本
発明装置があり、淫れのない横滑り角の測定が可能であ
り、また本発明装置による流れ抵抗を最小にできる。本
発明装置のラダーユニツトへの取付けは、流れ抵抗の増
加にはほとんどつながらない。

測定された圧力分布は評価器13で既知の圧力分布と比較
される。第５図に示すように、評価器13は好ましくは、
測定信号増幅器61、増幅器61に接続されたアナログ−デ
ジタル変換器62、および変換器62に接続されたデジタル
コンピユータ63を備える。

好ましくは差圧信号である、圧力測定器５からの信号
は、増幅された後、デジタル信号に変換される。これら
の信号処理は順序を逆にしてもよい。差圧測定では、個
々の測定点での測定範囲を小さくでき、したがつて測定
誤差を小さくできる。

表面上の圧力測定点における測定圧力分布曲線は前記デ
ジタル信号により与えられ、このデジタル信号はデジタ
ルコンピユータ63に入力される。測定圧力分布曲線か
ら、圧力測定器５の配置構成に応じた曲線が得られる。
例えば、圧力測定器が半円形配置の場合、この曲線は下
式に比例する。

ｙ＝sin² ここで、圧力測定点と圧力測定器５配意の対称線との角
がで示され、この角は表面４の曲中心12を頂点として
定義されている。

次に、最小圧力値と最大圧力値の間に位置する、測定圧
力分布曲線のブランチを座標変換により線状化（線型
化、直線分割化）する。

曲線のこれら両ブランチの各勾配は、曲線の各ブランチ
に属する測定圧力値からの２乗誤差を最小にする方法で
求められる。求めた両勾配は互いに比較される。

両勾配が実質的に異なる場合には、圧力分布に対応する
式中の角が所定角Δだけ変更される。ここで所定角
Δは、曲線の線状化（線型化、直線化）ブランチの勾
配が実質的に互いに等しくなる値である。この均等化を
もたらす変化分Δ（Δ^※）は、入射流βの測定角に
対応する。

球に入射する流れの方向は、所定の入射流角に対応した
圧力分布曲線を予め定めなくても、測定できる。具体的
には、球中心を起点とする所望の半径ベクトルに関する
互い等しい少くとも２つの数学的近似を測定値総数の半
分もしくは対応する一部に適用し、ただし少くとも２つ
の測定値に適用する。予め任意に選定できる座標系で対
称線を示す半径ベクトルの位置は、次の条件の下に算出
することができる。すなわち、測定圧力分布の対称線上
で両近似値は互いに等しく、また圧力分布の最大値、つ
まり近似の最大値はこの線上の点で生じる。この数学的
近似はテーラー展開の手法で行える。

入射流角に比例した信号により、特に有利な方法、例え
ば乗物の操舵を行つて、進行方向を補正することができ
る。例えば航空機の場合、飛行進路や期間出力を補正し
て、計画データ（飛行進路、飛行高度、迎え角、横滑り
角、速度）を自動的に維持することができる。また、表
示器を用いてこの信号に基づき入射流角を表示してもよ
く、この場合はパイロツトが対応する補正を進路に行う
ことができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、入射流角と空気
速度の少くともいずれかを精度よく測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の断面図である。第２図は本発明装
置の後部平面図であり、入射流の方向とは逆方向から見
た図である。第３図は本発明装置の第２図III−III線に
沿つての断面図である。第４図は本発明装置内の圧力ピ
ツクアツプを示す断面図である。第５図は本発明装置に
おける信号処理の順序を示す略図である。第６図は本発
明装置の保護器を示す側面図である。第７図は本発明装
置を航空機に取付けた状態を示す側面図である。第８図
は第７図VIII部の拡大図である。 １……装置本体、３……半球、５……圧力測定器、34…
…ドーム状部材、39……内蓋。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−96081（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−56576（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−38299（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−46169（ＪＰ，Ｕ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】乗物周囲を流れる流体の入射流圧力が乗物
   に設けられた中心対称本体の表面上の本体対称線の両側
   で測定される方法において、球形もしくは部分球形の本
   体の球対称線の各側方における少くとも２つの位置で入
   射流の圧力値を測定し、主たる入射角に関連する球もし
   くは部分球表面上の圧力分布曲線を測定した圧力値から
   決定し、所望の座標系、同じ方法で過去に測定した圧力
   分布曲線、もしくは所定の入射角に関連する圧力分布曲
   線からのこの決定した圧力分布曲線の変位角を求めるこ
   とにより入射角を検知する一方、入射流の圧力最大値を
   静圧および動圧の総和として求め、静圧に対応し基準値
   を示す値をこの圧力最大値から差引き、処理装置内での
   座標変換により最大値両側の線型部分に変換され、各線
   型部分は圧力分布曲線の最大と最小の間にあり、線型部
   分の勾配が求められ、各勾配が等しくない場合に表面上
   で測定分布曲線を所定補正角（Δ）だけ変位させ、各
   勾配が等しくなるまで上記工程を繰返し、各勾配の均等
   化をもたらす総計補正角（Δ※）を入射流角（β）に
   対応するものとして求め、この結果から空気速度を算出
   する静止または移動点における空気速度と入射流角の少
   くともいずれかを測定する方法。
2. 【請求項２】乗物周囲を流れる流体の入射流圧力が乗物
   に設けられた中心対称本体の表面上の本体対称線の両側
   で測定される方法において、球形もしくは部分球形の本
   体の球対称線の各側方における少くとも２つの位置で入
   射流の圧力値を測定し、主たる入射角に関連する球もし
   くは部分球表面上の圧力分布曲線を測定した圧力値から
   決定し、所望の座標系、同じ方法で過去に測定した圧力
   分布曲線、もしくは球中心を起点とする所望の半径ベク
   トルに関する少くとも２つの等しい数学的近似を、半数
   または一部、ただし少くとも２つの測定値に適用し、圧
   力分布対称線上で前記近似値は互いに等しくなければな
   らず、かつ圧力分布および近似の最大値がこの線上で生
   じなければならないという条件の下に、任意に選定した
   座標系に関して対称線を規定する半径ベクトルの位置を
   求め、これらから前記決定した圧力分布曲線の変位角を
   求めることにより入射角を検知する一方、入射流の圧力
   最大値を静圧および動圧の総和として求め、静圧に対応
   し基準値を示す値をこの圧力最大値から差引き、この結
   果から空気速度を算出する静止または移動点における空
   気速度と入射流角の少くともいずれかを測定する方法。
3. 【請求項３】乗物周囲を流れる流体の入射流圧力が乗物
   に設けられた中心対称本体の表面上の本体対称線の両側
   で測定される方法において、本体が球形もしくは部分球
   形であり、球形もしくは部分球形の本体の球対称線の各
   側方における少くとも２つの位置に圧力測定器を設け、
   閉室を本体の内部に設け、流体連絡部を介して閉室を周
   囲大気に接続するとともに、閉室を圧力測定器の基準圧
   力ピックアップ部に接続し、基準圧力ピックアップ部を
   差圧ピックアップで構成し、前記圧力測定器を評価器に
   接続し、評価器は圧力測定器からの信号に基づいて実際
   の圧力分布曲線を求め、所望の座標系、同じ方法で過去
   に求めた圧力分布曲線、もしくは所定入射角に関連する
   圧力分布曲線からのこの求めた圧力分布曲線の変位角を
   評価器が算出する静止または移動点における空気速度と
   入射流角の少くともいずれかを測定する装置。
4. 【請求項４】入射流方向と反対側に向く端部にて、分離
   縁を部分球に形成した特許請求の範囲第（３）項に記載
   の静止または移動点における空気速度と入射流角の少く
   ともいずれかを測定する装置。
5. 【請求項５】球半径、入射流速の範囲、測定器の数に関
   して、最良の測定精度が得られるよう測定器を配置した
   特許請求の範囲第（３）項に記載の静止または移動点に
   おける空気速度と入射流角の少くともいずれかを測定す
   る装置。
6. 【請求項６】測定器が、グループ分けされている特許請
   求の範囲第（３）項又は第（４）項又は第（５）項に記
   載の静止または移動点における空気速度と入射流角の少
   くともいずれかを測定する装置。
7. 【請求項７】対称線の各側方にて、第１グループの圧延
   力測定器が対称線から０゜ないし15゜の角度に配置さ
   れ、第２グループの圧力測定器が対称線から30゜を越え
   る角度に配置され、ここで前記角度は球もしくは部分球
   の曲中心を頂角として定義される特許請求の範囲第
   （６）項に記載の静止または移動点における空気速度と
   入射流角の少くともいずれかを測定する装置。
8. 【請求項８】本体が可動保護器を備え、保護器は球もし
   くは部分球と同様の形であり、少くとも圧力測定器を備
   えた表面の一部をカバーする位置と、表面をカバーしな
   い位置との間で、保護器が可動である特許請求の範囲第
   （３）項又は第（４）項又は第（５）項又は第（６）項
   又は第（７）項に記載の静止または移動点における空気
   速度と入射流角の少くともいずれかを測定する装置。
9. 【請求項９】圧力測定器の部分の温度を測定する少くと
   も一つの手段を設け、温度測定手段を評価器に接続し、
   これにより温度変器による圧力測定器の測定誤差を補償
   するようにした特許請求の範囲第（３）項又は第（４）
   項又は第（５）項又は第（６）項又は第（７）項又は第
   （８）項に記載の静止または移動点における空気速度と
   入射流角の少くともいずれかを測定する装置。