KR20000070569A - 동체 피토-정적 튜브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전압(2)·정압(3)과 영입각(6, 7)을 측정하기 위한 세 그룹의 오리피스들, 및 그 사이에 배치된 한편 공기통로(10)와 전기가열 요소(8)가 구비된 항동결 시스템을 장착하기 위한 축대칭 본체(1)와 지주(5)로 이루어진 동체 피토-정적 튜브에 관한 것이다. 영입각을 측정하기 위한 오리피스들은 그 단면이 둥근 노즈나 경사진 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽 형태로 구성된 지주상에 배치되는 한편 상기 윤곽의 노즈와 그 최대 두께 위치 사이에 배치된다.
Description
비행변수의 측정은 비행체(flying vehicles, FVs)에 대한 기체역학과 기체동력학의 가장 중요한 임무들중 하나이다. 현재 비행(유동)변수를 측정하기 위해서 자주 항공기의 동체상이나 다른 비행체의 본체상에 직접 장착되는 피토-정적 튜브(Pitot-static tubes, PSTs)가 사용되고 있으며, 이 피토-정적 튜브들은 실질적으로 층류에 가까운 국부 유동의 변수들을 측정한다.
대체로 몇개의 그러한 피토-정적 튜브들이 비행체상에 장착되며, 또한 국부적 유동 변수들을 측정한다. 진정한 비행변수들은 예비계산에 기초해서 결정된다.
비행체의 본체나 동체에 장착된 피토-정적 튜브는 WO 94/02858에 공지되어 있다. 공지된 피토-정적 튜브는 지주상에 장착된 원통형 튜브를 구비하고 있으며, 상기 지주는 상기 지주의 바닥으로부터 상기 튜브에 가까워짐에 따라 서로 접근하는 구부러진 전연(前緣, leading edge)과 후연(後緣, trailing edge)을 가지고 있다. 상기 지주의 전연은 둥글게 성형될 수 있다.
상기 피토-정적 튜브는, 전압(全壓)을 감지하기 위해 상기 튜브의 노즈 부위에 형성되어 있는 하나의 오리피스와 정압을 감지하기 위해 상기 튜브의 노즈로부터 일정 거리 만큼 떨어져 있는 하나의 오리피스를 구비하고 있다.
상기 튜브는 얼음형성을 방지하기 위한 히터를 가지고 있다. 그러나, 영입각(迎入角, angle of attack)을 측정할 수 있는 압력 감지용 오리피스들이 부족하기 때문에, 상기 피토-정적 튜브는 상기 영입각을 측정하기 위해 활용될 수 없다.
사실상, 전술한 특허에서 알 수 있는 바와 같이 상기 튜브는 이러한 것을 목적으로 하는 것은 아니다. 더욱이, 상기 튜브가 접근됨에 따라서, 측방에서 관찰한 상기 지주의 경사형성은 공기통로들과 히터들을 설치하기 위해 소요되는 내부 체적을 유지하는 것과 관련해서 상기 지주의 횡단면의 외관에 대한 윤곽의 상대 두께를 현저하게 증대시킨다.
이것은 높은 아음속(마하수 M = 0.8-0.9)의 경우에 있어서 국부적 압력 쇼크의 조기 출현과 상기 피토-정적 튜브의 쇼크 항력 증대를 가져온다.
비행(유동)변수(영입각, 전압 Po, 및 정압 Ps)와 그에 따른 마하수를 결정하기 위한 미합중국 특허 제 4,615,213호에 따른 동체 피토-정적 튜브가 공지되었으며; 그것은 측정의 도움을 받아 비행(유동)변수가 결정되는 압력들을 측정하기 위해서 축대칭 본체상에 여러 그룹의 오리피스를 가진 반구형의 헤드부를 가지는 가늘고 긴 축대칭 본체이다.
동시에, 전압과 영입각을 결정할 압력을 측정하기 위한 오리피스들은 반구형의 헤드부상에 배열되어 있으며, 반면에 정압들을 측정하기 위한 오리피스들은 축대칭 본체의 측(원통) 표면상에 배열되어 있다.
비행체의 동체나 본체상에 장착할 목적으로 상기 피토-정적 튜브는 지주를 구비하며, 상기 지주의 윤곽은 렌즈 형상의 횡단면을 가지고 있다.
상기한 피토-정적 튜브는 다음의 약점들을 가지고 있다.
- 복잡한 설계 ;
- 축대칭 본체의 증대된 전체 크기 ;
- 아음속 비행 영역내에서의 증대된 기체동력학적 항력 ;
- 항동결 시스템의 히터를 위한 증대된 소요 동력 ;
- 증대된 설계 중량 ;
- 구형 헤드부상의 중심 오리피스의 도움으로 측정된 전압의 영입각 변화에 대한 증대된 민감성, 그 증대된 민감성은 전압 측정상의 추가적인 에러를 일으킴; 일정 범위의 비행체에 있어서 그러한 영입각에 대한 전압의 의존성은 용인할 수 없음.
비행(유동)변수(영입각, 전압 Po, 및 정압 Ps)와 그에 따른 마하수 M를 결정하기 위한 공지된 기술적 해결책중 가장 유사한 것이 미합중국 특허 제 4,378,696호에 개시되어 있으며, 그것은 전압을 감지하도록 오리피스가 배열된 원추형 내지 첨두홍예 헤드를 가진 가늘고 긴 축대칭 본체인 한편 그 표면 오리피스들이 정압을 감지하도록 배열된 원통이 된다.
그 후, 상기 원통면은 영입각이 대응해서 형성된 한편 압력측정용 오리피스들이 배치된 원추면으로 흡수되며, 그 후에 상기 원추면은 다시 원통면으로 흡수된다. 비행체의 동체나 본체에 장착할 목적으로, 상기 튜브는 그 단면적이 렌즈 형상의 윤곽을 갖는 지주를 구비한다.
상기 피토-정적 튜브는 다음 결함들을 가지고 있다.
- 복잡한 설계;
- 증대된 전체 크기;
- 아음속 비행 영역내에서의 증대된 기체동력학적 항력;
- 항동결 시스템의 히터를 위한 증대된 소요 동력;
- 증대된 설계 중량;
- 원추부에 배열된 오리피스에서 측정된(α를 결정하도록 의도된) 압력의 영입각에 대한 낮은 민감성, 그 낮은 민감성은 영입각 결정에 있어 많은 에러를 일으킴; 이것은 다음 인자들에 의해 유발된다.
1. 전술한 경우에서와 같이, 상기 피토-정적 튜브는 축대칭 본체의 증대된 중간 단면을 가지고 있다. 더욱이, 상기 중간 단면의 크기가 증대되는 것은 주어진 경우 두가지 환경에 의해 유발된다.
첫째는, 상기 축대칭 본체의 원통형 부분이, 영입각을 결정할 압력을 감지하기 위해 오리피스들이 배열되는 원추형 부분으로 흡수된다는 점이다.
상기 영입각의 오리피스들에 의해 감지된 압력의 민감성을 약간 증대시키기 위해서, 경사의 각도는 주어진 원추형 부위를 넘어서 축대칭 본체의 직경을 크게 증대시킬 필요에 이를 만큼 커야만 한다.
두번째 환경은, 전압·정압 및 영입각을 결정하기 위해 사용되는 압력 측정용 오리피스 그룹들이 주어진 형상내에 분포되어 있음에도 불구하고 그 오리피스 그룹들은 모두 같은 축대칭 본체상에 위치되어 있다는 사실과 밀접한 관련이 있다. 모든 표시된 그룹의 오리피스들로부터 나오는 뒤쪽의 공기 통로들의 내부에 정압 체임버와 항동결 시스템용 관상 전기히터(tubular electric heats, TEHS)들을 배치할 필요가 있다.
상기 공기통로들과 관상 전기히터들의 직경은, 공기통로들에 대해서는 수력학적 지체량에 의해 결정되는 최소치 보다, 그리고 관상 전기히터들에 대해서는 열유량 밀도와 히터면의 온도의 제한값들에 의해 결정되는 최소치 보다 작을 수 없다.
그 결과는, 높은 설계 집중, 즉 피토-정적 튜브의 축대칭 본체에 대한 복잡한 설계로 귀결된다.
전술한 환경들은 중간 단면 영역의 증대를 가져오며, 그 결과 설계 중량·기체역학적 항력 및 항동결 시스템 동력에 있어서의 증대를 가져온다.
원통부에서 원추부로 이전해서 다시 원통부로 이전하는 것은, 상기 원추부의 후방에서 유동이 분리되도록 해서 국부적 압력 쇼크의 조기 발생(마하수의 면에서)을 유발시킬 수 있다는 점이 지적되어야 한다. 이것은 다시 기체동력학적 항력의 증대를 가져온다.
더욱이, 축대칭 본체의 증대된 직경 및 지주와 관련해 최적화되지 못한 꼬리부의 형태는, 상기 지주의 렌즈 형상를 가진 기체동력학적 외관의 최대 두께 라인 후방에서의 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 접촉하는 꼬리부의 결합 영역에서 바람직하지 않은 기체동력학적 간섭(유동의 분리와 압력 쇼크의 조기 발생)을 일으킨다. 이것은 또한 그러한 피토-정적 튜브의 기체동력학적 항력을 증대시킨다.
피토-정적 튜브의 축대칭 본체상에 원추부가 존재하면 정압 측정용 오리피스가 배열된 원통부상에 추가적인 지지부가 형성된다는 것을 알 수 있다.
이 결과, 정압의 정밀한 측정(수정없는)을 위해서는 감지용 오리피스들이 상기 원추부에서 충분히 멀리 떨어져 있어야 한다.
이 점은, 축대칭 본체의 길이를 증가시킬 필요를 야기하는 한편 설계 중량을 추가적으로 증대시킬 필요를 야기하며 또한 전기가열 항동결 시스템에 있어서 추가 동력을 필요로 하게 한다.
2. 상기 지주의 렌즈 형상의 외관이 아음속 비행영역에서의 기체동력학적 항력의 관점에서 최적의 것은 아니다. 이것은 아음속 비행영역에서 피토-정적 튜브 지주의 기체동력학적 항력을 증대시킨다.
더욱이, 매우 낮은 마하수에서 기체동력학적 항력의 증대되는 것은 렌즈 형상의 외관을 가진 지주의 예리한 전연으로부터 분리되는 것에 기인하며, 이것은 상기 전연이 예리하기 때문에 0 이외의 국부적 영입각에서 항상 발생된다.
상기 렌즈 형상의 외관이 쇼크 항력의 관점에서 최적의 것이 아니기 때문에, 높은 아음속 속도(M = 0.8-0.9)에서 그러한 피토-정적 튜브의 기체동력학적 항력은 매우 크게 증가한다.
피토-정적 튜브 지주의 전연과 후연을 젖혀주는 것은 쇼크 항력의 급격한 증대를 지연시킨다 할지라도, 상기 동체에 관한 축대칭 피토-정적 튜브의 동요, 즉 주어진 같은 지주 높이·전체 치수·설계 중량과 체적 및 그에 따른 항동결 시스템의 소요동력이 주어진다면 그것은 항력의 증대로 귀결된다.
3. 그 전연상에서의 얼음형성을 방지해서 축대칭 본체에서의 압력측정에 대한 얼음의 영향을 배제하기 위해서 피토-정적 튜브 지주 내부에 배열되는 전기히터들은, 오리피스들이 압력 측정을 위해 배열되지 않은 지주를 가열한다는 의미에서 사용상 비효율적이다. 이것은 중량과 소요 전기동력의 증대를 가져온다.
4. 상기 지주의 렌즈 형상 외관은 다음 관점에서 최적의 것이 아니다.
- 얼음 형성의 경향
- 항동결 시스템의 설계
이것은 상기 피토-정적 튜브의 지주에 사용되는 항동결 시스템에서 소요되는 동력을 상당히 증대시키며, 이것은 다음 환경들에 의해서 유발된다.
공지된 바와 같이(예를 들어 다음을 참조하라. 제이. 항공기, 볼륨 23, 번호 1의 동결조건에서의 날개 기체동력학. 1986년 출판. 브래그 엠. 비., 크리고렉 지. 엠., 리 제이. 디. 저), 대기에서 비행중에 비행체상에 얼음이 형성되는 현상은 유동이 감속되는 지점들과 인접한 영역 및 전연으로부터 유동이 분리되는 영역(예를 들어, 날개)에서 처음으로 그리고 주요하게 발생된다.
동시에, 상기 날개의 예리한 전연에서는 둥근 전연들에서 보다 자주 더 강하게 얼음이 형성되며, 이것은 0 이외의 영입각의 경우에 분리 유동을 가진 흐름이 항상 형성되기 때문이다.
피토-정적 튜브의 지주에 존재하는 그러한 영역은 그 전연과 인접한 영역이다. 상기 지주의 렌즈 형상의 외관은 예리한 전연을 가지고 있기 때문에, 상기 전연으로부터의 분리 유동을 가진 흐름은 심지어 작은 영입각의 경우에도 형성될 수 있으며, 또한 이것은 강력하게 얼음이 형성되게 해준다.
상기 항동결 시스템의 관상 전기히터들은 상당히 크며 상당한 부피를 차지하기 때문에, 렌즈 형상의 외관을 가진 상기 지주의 예리한 가장자리 인근에 있는 지주내에 배치될 수 없다.
결과적으로, 그러한 지주상의 관상 전기히터들은 상기 지주 외관의 최대 두께 근처에 배치되며, 반면에 얼음이 실질적으로 형성되는 임계영역(상기 피토-정적 튜브의 지주의 전연)의 가열은 상기 지주 구조의 위로 향한(최대 두께 선으로부터 상기 전연으로 향한) 직접적인 열전달에 기인한다.
현대적인 피토-정적 튜브의 지주들이 열을 매우 잘 전달하는 한편 매우 비싼(예를 들어, 니켈 합금) 재료로 제조된다고 할 지라도, 약 50%에 이르는 매우 크며 비효율적인 열손실이 그러한 설계에서 본질적으로 발생하게 된다.
이와 같이, 상기 전기히터에 공급되는 에너지의 낮은 이용율은 그와 같은 피토-정적 튜브의 설계에 있어 특징적인 것이다.
그러나, 상기 전기히터들은 매우 부피가 크기 때문에 설계 중량의 증대를 가져온다.
5. 상기 피토-정적 튜브의 원추부에서 측정된 압력의 변화는 영입각의 변화에 대해 비교적 약한 민감성을 가지고 있으며, 또한 이것은 상기 영입각의 측정에 있어서 에러를 증대시킨다.
상기 원추 구멍의 증가는 어느 정도 상기 민감성을 능가하며, 그러나 이것은 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 중간 단면의 직경을 증대시켜서 설계 중량·기체동력학적 항력 및 항동결 시스템의 소요동력의 증대가 필요하게 한다. 이러한 민감성이 상당히 높은 본체들이 있다.
피토-정적 튜브의 지주상에서 사용하기 적합한 공지된 대칭의 기체동력학적 윤곽중 가장 근접한 것은 NACA-OOXX 시리즈의 윤곽이며(여기에서 XX는 백분율로 표시된 상기 윤곽의 두께이다). 이러한 윤곽의 결점은 높은 천음속 수(transonic number) M에서 쇼크 항력이 급속히 증대되는 것이다.
이것은 상기 윤곽의 최대 두께 후방에 위치된 영역내에서의 높은 정도의 윤곽 분산 효과에 의해 유발되며, 이것은 그 강도의 증가 뿐만아니라 압력 쇼크의 조기 발생을 유발시킨다.
본 발명의 목적은 ;
- 설계의 단순화,
- 전체 크기의 감소,
- 피토-정적 튜브의 축대칭 본체에 대한 기체동력학적 항력의 감소,
- 상대두께의 동일한 체적에 대한 공지된 대칭의 기체동력학적 윤곽, 특히 렌즈 형상의 윤곽(원주로 이루어진)이나 NACA-OOXX 시리즈의 윤곽과 비교해서 M = 0-0.85의 동작범위에서 높은 임계 마하수를 가지는 피토-정적 튜브의 지주용 대칭 기체동력학적 윤곽의 외곽선을 개발함에 따른 피토-정적 튜브의 지주에 대한 기체동력학적 항력의 감소,
- 항동결 시스템에서의 소요 동력의 감소,
- 설계 중량의 감소,
- 아음속 비기동 비행체에 대한 피토-정적 튜브상의 영입각에 관한 측정의 정확도 증가.
본 발명은, 비행체의 비행변수 결정에 관한 것이거나 액체나 기체 유동을 다루는 다른 과학기술 분야에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 목적들 및 장점들과 아울러 본 발명의 구성은 첨부도면들과 관련시켜 읽어볼때 특정 실시예들에 대한 다음 설명들로부터 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 제안된 피토-정적 튜브의 변형예중 하나에 대한 측면도이고,
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이고,
도 3은 도 1에 따른 피토-정적 튜브의 평면도이고,
도 4는 지주가 바닥 절단부를 가지는 한편 M=0.8-0.9에서 사용되는 기체동력학 윤곽을 포함하는 피토-정적 튜브의 예를 도시하고,
도 5는 도 4의 A-A선 단면도이고,
도 6과 도 7은 축대칭 본체가 꼬리부에 경사부와 바닥 절단부를 가지도록 되어 있는 제안된 피토-정적 튜브의 변형예들을 도시하고,
도 8은 그 꼬리부가 그 최대 상대 두께 영역내에서 지주의 기체동력학적 윤곽에서 종료되거나 그 윤곽과 부드럽게 결합되는 축대칭 본체를 가진 본 발명의 또 다른 실시예에 대한 측면도이고,
도 9는 도 8의 A-A선 단면도이고,
도 10은 도 8의 B-B선 단면도이고,
도 11은 도 8의 C-C선 단면도이고,
도 12는 축대칭 기체동력학적 윤곽의 지주를 가진 제안된 피토-정적 튜브에 대한 변형예를 도시하는 측면도이고,
도 13은 도 13의 A-A선 단면도이고,
도 14는 도 12에 따른 피토-정적 튜브의 평면도이고,
도 15는 원통부상에 있는 축대칭 본체가 정압 측정을 위해 배치된 융기부를 구비하는 본 발명에 따른 피토-정적 튜브의 또 다른 변형예에 대한 측면도이고,
도 16은 도 15에 따른 피토-정적 튜브의 평면도이고,
도 17은 지주의 전연을 향해 이동된 항동결 시스템의 전기 가열 요소들을 구비하는 본 발명에 따른 피토-정적 튜브의 변형예를 도시하는 측면도이고,
도 18의 A-A선 단면도이고,
도 19는 마하수 M = 0.8에 대한 영입각의 함수로서, 제안된 피토-정적 튜브와 구형 헤드부를 가진 피토-정적 튜브의 진정한 전압 Po에 대한 오리피스(2)에 의해 측정된 전압 P2의 비에 있어서의 변화를 도시하는 다이어그램이고,
도 20-23은 다른 값의 영입각·마하수 M 및 윤곽 C/B의 최대 상대두께에 대한 렌즈 형상 및 바닥 절단부를 가지지 않는 아음속 기체동력학적 윤곽과 바닥 절단부를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽의 항력 계수 Cd의 의존상태의 예들을 도시하는 다이어그램들이고,
도 24는 단면의 내부 체적이 유지될 때 어떻게 상기 전연에서 지주의 후퇴각이 상기 지주의 단면의 양에 영향을 미치는 지를 보여주는 도면이다.
다음 표시가 설명하면 다음과 같다.
ABCD는 후퇴각 χ1과 단면 현 b1을 가진 지주의 측방 돌출부이고, S1은 그 면적이다. AB1C1D1은 후퇴각 χ2>χ1과 현 b2 = b1을 가진 지주의 측방 돌출부이고, 그 면적은 SAB1C1D1>SABCD이다. ABC1D2는 후퇴각 χ2을 가진 지주의 측방 돌출부이고, 그 면적은 SABC1D2 = SABCD이며, 이에 반해 그 현은 b3<b1이며; V는 유동률이며, 또한 V┴와 V∥는 상기 전연에 수직한 한편 이에 따라 그 전연에 평행한 속도성분들이다.
도 25는 제안된 피토-정적 튜브와 또한 피토-정적 튜브의 전형예에 대한 영입각을 결정하기 위한 각도 계산 계수 æα= (P6-P7)/(P2-P3)의 의존상태를 보여주는 다이어그램이고, 거기에서 영입각을 측정하기 위한 오리피스들은 축대칭 본체의 원추부상에 배치되고, 거기에서 Pi는 대응하는 i 오리피스에서 측정된 압력이고; 2, 3은 제안된 피토-정적 튜브와 피토-정적 튜브의 전형예상에서 노즈부내와 축대칭 본체의 원통부에 대응해서 배치된 오리피스들을 지시하고, 숫자 6, 7은 제안된 피토-정적 튜브내의 지주상이나 피토-정적 튜브의 전형예의 경우에 축대칭 본체의 원추부상에 있는 오리피스들을 지시한다.
도 26은 지주의 대칭 윤곽과 비대칭 윤곽에 대한 의존도를 비교하는 다이어그램이고,
도 27과 도 28은 본 발명에 대한 윤곽의 기본 요소들과 본 발명에 따른 윤곽과 정반대인 NACA-0015 윤곽과의 비교를 보여주는 다이어그램이고,
도 29는 본 발명에 따라 설계된 윤곽 현을 위한 곡선 K(곡률반경과 역인 량)의 윤곽 현에 따른 분포를 보여주는 도면이고,
도 30은 본 발명에 따른 윤곽과 윤곽의 전형예에 대한 쇼크-항력 계수 Cdw의 계산량을 비교해서 보여주는 다이어그램이며,
또한 도 31a-31g는 지주의 변형예에 대한 개략적인 단면들을 도시하는 도면이다.
기술적 결과는, 전압·정압과 영입각을 측정하기 위한 세 그룹의 오리피스들, 및 공기통로와 전기가열 요소들을 구비하는 한편 그들 사이에 배치되는 항동결 시스템 장착용 축대칭 본체와 지주로 이루어진 동체 피토-정적 튜브가, 상기 영입각 측정용 오리피스들이 둥근 노즈나 경사진 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽 형태의 단면을 가지는 지주상에 배치되며, 또한 상기 오리피스들이 상기 윤곽의 노즈로부터 그 최대 두께에 이르기까지 약간의 거리 만큼 떨어져 놓여진다는 사실에 의해 달성된다.
동체 센서의 기체동력학적 항력을 좀더 감소시킬 목적으로 상기 축대칭 본체의 꼬리부가 그 최대 상대 두께 영역에 있는 상기 지주의 기체동력학적 윤곽에서 끝날 수 있는 한편 그 윤곽과 부드럽게 결합할 수 있으며, 반면에 높은 아음속에서의 기체동력학적 항력을 감소시킬 목적으로는 상기 축대칭 본체의 꼬리부가 경사부와 바닥 절단부를 가질 수 있는 한편 상기 지주의 기체동력학적 윤곽의 후연이 또한 바닥 절단부를 가질 수 있다.
측정된 정압에 대한 동체나 지주 지지부의 영향을 보상하기 위해서는, 상기 축대칭 본체가 정압 측정용 오리피스들이 배치되는 융기부를 상기 원통부상에 구비할 수 있다.
상기 지주의 기체동력학적 윤곽은, 영입각에 대한 압력변화의 민감성과 영입각 범위의 확장에 대한 민감성을 추가적으로 증대시킬 목적으로 비대칭적으로 구성될 수 있다.
항동결 시스템의 소요동력을 대폭적으로 감소시킬 목적으로 상기 항동결 시스템의 전기가열 요소가 상기 지주의 전연을 향해 옮겨질 수 있다.
축대칭 본체의 설계 단순화와 그 직경의 상당한 감소는 영입각을 측정하기 위해 사용되는 압력 측정용 오리피스들이 축대칭 본체상이 아니라 피토-정적 튜브의 지주상에 배치된다는 사실에 의해 달성된다.
상기 설계중량은 그 선형 치수의 세제곱에 비례하기 때문에, 같은 길이의 축대칭 본체가 주어진다면 그 중량의 감소는 특정한 계수와 피토-정적 튜브의 전형예의 축대칭 본체와 제안된 피토-정적 튜브의 직경의 제곱들의 차를 곱해서 측정될 수 있을 것이다.
상기 피토-정적 튜브의 영입각이 0 이라면 축대칭 본체의 기체동력학적 항력이 그 중간 단면의 영역에 비례하기 때문에, 제안된 피토-정적 튜브가 피토-정적 튜브의 전형예와 동일한 형태를 가진다면 상기 피토-정적 튜브의 기체동력학적 항력의 감소는 또한 피토-정적 튜브의 전형예와 제안된 피토-정적 튜브의 직경의 제곱들의 차에 비례할 것이다.
그러나, 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체는 피토-정적 튜브의 전형예에서와 같은 추가적인 계단부(이어지는 융기부를 가진 원추 계단부)를 가지지 않기 때문에, 그 위에서 유동이 분리되지 않는 한편 상기 원추 계단부뒤에서의 압력 쇼크의 발생도 없다. 따라서, 기체동력학적 항력의 감소는 훨씬 클 것이다.
축대칭 본체를 가열하기 위해 소요되는 동력은 상기 축대칭 본체의 회전면에 비례하기 때문에, 피토-정적 튜브의 전형예(같은 표면온도가 주어지면)와 비교하면 제안된 피토-정적 튜브를 가열하기 위한 동력의 감소는 피토-정적 튜브의 전형예와 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 직경들 사이의 차에 비례한다.
더욱이, 가열 시스템의 소요동력 감소는 관상 전기히터들의 중량감소를 가져온다.
상기 피토-정적 튜브의 지주는, 그 단면이 윤곽 외곽선의 상하부의 부드러운 선들에 의해 서로 연결되어 있는 윤곽길이 B의 현·둥근 전연 및 날카롭거나 무딘 후연을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 윤곽의 외곽선의 하부는 상기 윤곽 현과 관련해서 상부에 대해 대칭적이다. 상기 윤곽선의 전연은 Rc = 0.030*B-0.034*B의 범위에 있는 곡률반경 Rc을 갖고, 이때 윤곽 C의 최대 상대두께는 C = 0.146-0.156 범위에 있는 한편 그 현을 따라 상기 윤곽의 전연으로부터 측정할 때 거리 X = 0.3*B-0.6*B 만큼 떨어져 배치되어 있다.
상기 윤곽 외곽선의 상부의 곡률은 둥근 전연으로부터 값 X = (0.3-0.6)*B에 이르는 증가 거리 X를 가진 윤곽 현을 따라 부드럽게 증가하는 한편 상기 외곽선의 일부분은 값 R = 5.5*B-15.*B에 이르는 사실상의 직선형태를 가지고 있고, 상기 수직선을 따라 그 윤곽 현으로부터 상기 윤곽 외곽선의 상부까지 위를 향해 측정된 거리 Yu는 그 최대치 Yumax = 0.074*B-0.078*B까지 부드럽게 증가한다.
거리 Yu는 또한 상기 후연을 향한 방향을 따라 부드럽게 감소하고, 곡률반경은 처음에 X = 0.82*B-0.95*B에 대해 값 R = 0.6*B-1.*B까지 부드럽게 감소한 후에 값 X = 0.92*B-0.95*B까지 증가하고, 이때 상기 외곽선의 볼록부는 그 오목부와 부드럽게 결합되는 한편 상기 외곽선의 오목부의 곡률반경은 부드럽게 감소해서 윤곽치 R = 0.05*B-0.5*B의 후연에 도달하며, 또한 윤곽 외곽선의 접선과 그 후연(17)에 있는 윤곽 현 사이의 각은 X = B에 대해서 3-6˚이다.
제시된 계산 결과와 같이, 선택된 형태의 외곽선과 그 현을 따른 곡률분포는 피토-정적 튜브의 전형예의 윤곽(렌즈 형상) 및 윤곽 전형예(NACA 0015)와 비교해서 윤곽의 쇼크 항력에 있어 상당한 감소를 가져온다.
비행체를 제조할 때 이론적인 것들로부터 윤곽 외곽선의 점들의 실제 좌표들의 총편이에 의해 결정되는 일정한 제한된 정밀도를 가진 윤곽 외곽선의 이론적인 좌표들을 구현하는 것은 실제 설계에서 가능하고, 그 편이는 모든 설계와 제조 단계에서 축적되며, 또한 본 발명에 따른 윤곽 외곽선의 좌표들은 표 1에 의해 주어지는 값의 범위내에 있어야 한다.
| X/B | Yu/B | -Yl/B |
| 0.0000 | 0.000 | 0.000 |
| 0.0333 | 0.0346-0.0376 | 0.0346-0.0376 |
| 0.0640 | 0.0477-0.0507 | 0.0477-0.0507 |
| 0.1044 | 0.0570-0.0600 | 0.0570-0.0600 |
| 0.2171 | 0.0690-0.0730 | 0.0690-0.0730 |
| 0.3242 | 0.0725-0.0765 | 0.0725-0.0765 |
| 0.4013 | 0.0739-0.0779 | 0.0739-0.0779 |
| 0.5204 | 0.0736-0.0776 | 0.0736-0.0776 |
| 0.5992 | 0.0721-0.0761 | 0.0721-0.0761 |
| 0.7105 | 0.0681-0.0721 | 0.0681-0.0721 |
| 0.8067 | 0.0602-0.0642 | 0.0602-0.0642 |
| 0.8603 | 0.0501-0.0550 | 0.0501-0.0550 |
| 0.9464 | 0.0248-0.0288 | 0.0248-0.0288 |
| 1.0000 | 0.0000-0.0160 | 0.0000-0.0160 |
사실상, 추가적인 설계와 기체동력학적 요구사항들이 자주 발생하고, 그 요구사항들은 상기 윤곽의 상대두께에 있어서 비교적 작은 두께에 해당하는 한편 그 상부 Yu/B 면과 그 하부 Yl/B 면의 외관에 대한 그 현을 참조한 치수없는 좌표들은 원래 상대두께의 바닥 윤곽에 대한 치수없는 대응 좌표들과 일정한 동일 수치인자 만큼 차이가 난다.
본 발명에 의해 상기 윤곽을 위한 다른 상대 두께로 이전하는 것은 윤곽선의 상면에 대한 일정한 동일 수치인자 Ku와 윤곽선의 하면에 대한 일정한 동일 수치인자 Kl를 외곽선의 좌표에 곱해줌으로써 가능해지고, 그 상하면에 대한 윤곽 전연의 곡률은 상기 계수의 제곱에 비례하는 방식으로 변화하는 한편 상기 인자들의 수치는 0.8 < Ku < 1.07 및 0.8 < Kl < 1.07의 범위내에 있어야 한다.
상기 피토-정적 튜브의 지주는, 그 단면이 피토-정적 튜브의 전형예에서와 같이 렌즈 형상의 윤곽형태가 아니라 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽의 형태를 가지는 방식으로 구성된다는 사실때문에, 계산에 의해 제시되는 바와 같이 그 기체동력학적 항력은 M = 0.8-0.9의 경우에 2-2.5배 만큼 감소될 수 있다.
대기에서 비행중에 얼음이 형성되는 것은 유동 분리가 형성되는 영역에서의 유동 감속에 영향을 준다. 흐름들에 대해 유동분리가 발생되기 때문에, 둥근 전연보다 날까로운 전연에서 더 자주 얼음이 형성되게 된다.
심지어 작은 영입각에서도 흐름이 유동분리를 형성하는 렌즈 형상의 윤곽과 비교하면 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽에 있어 작은 각에서 유동분리가 없기 때문에, 제안된 피토-정적 튜브의 지주는 피토-정적 튜브의 전형예의 지주보다 얼음 형성이 덜하다.
더욱이, 피토-정적 튜브의 전형예의 지주의 경우에 그 지주는 렌즈 형상의 윤곽 형태로된 단면을 가진다는 사실때문에 상기 윤곽 노즈의 바로 다음에 항동결 시스템의 전기히터를 배치하는 것은 어렵거나 불가능하며, 이것은 이를 위한 체적이 내부에 존재하지 않기 때문이다.
따라서, 그러한 피토-정적 튜브를 위한 전기히터는 노즈 자체(얼음 형성이 쉬운)가 아니라 상기 윤곽의 중심에 가까이에 배치된다.
결과적으로, 상기 노즈의 가열은 상기 지주를 따른 열전달에 기인하며 또한 이것은 높은 동력손실을 가져온다(50%에 이르는 것으로 추산된다).
제안된 피토-정적 튜브에 있어서, 아음속 기체동력학적 윤곽의 노즈반경은, 상기 전기히터가 상기 지주의 노즈내에 바로 배치됨으로써 동력손실을 25-30% 줄여주기에 충분할 만큼 크게 제작될 수 있다.
둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽, 특히 본 발명에 따른 윤곽에 있어서의 임계 마하수(그곳에서 압력 쇼크가 발생하는)는 렌즈 형상의 것보다 상당히 낮을 수 있기 때문에, M = 0.8-0.9의 비행을 위해 설계된 피토-정적 튜브의 지주의 후퇴각(angle of sweep)은 피토-정적 튜브의 전형예에 대해서 보다 제안된 피토-정적 튜브에 대해서 상당히 작게 만들어 질 수 있다.
추정이 제시하는 바와 같이, 같은 높이의 지주와 윤곽 현에 대해서 10-15% 정도의 상기 피토-정적 튜브 길이 감소와 설계중량 이득이 생긴다.
둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽에서 측정된 압력의 영입각 변화에 대한 민감성은 원추에서 보다 상당히 높기 때문에, 영입각 측정상의 에러는 피토-정적 튜브의 전형예에 있어서 보다 제안된 피토-정적 튜브에 있어서상당히 낮다.
상기 지주 단면의 기체동력학적 윤곽의 후연은 M = 0.8-0.9에서 쇼크 항력을 추가적으로 감소시킬 목적으로 바닥 절단부를 가지도록 구성될 수 있으며, 한편 상기 쇼크 항력은, 마하수의 관점에서, 그 최대두께 지점 후방에 있어서의 윤곽의 작은 디퓨져 효과에 의해서 압력쇼크 및 윤곽 꼬리로의 이동을 수반한다.
축대칭 본체의 꼬리부를 경사부와 바닥 절단부를 가지도록 구성하는 것은 기체동력학적 윤곽에 대해서와 마찬가지로 상기 피토-정적 튜브의 쇼크 항력이 감소되도록 한다.
만일 축대칭 본체의 꼬리부가 상기 지주 윤곽의 최대 두께 영역에서 경사지기 시작한다면, 국부적 압력 쇼크의 조기 발생과 기체동력학적 항력의 증가에 이르는 강한 디퓨져가 본체의 꼬리부와 지주의 결합영역에서 형성된다.
축대칭 본체의 꼬리부가 최대 상대 두께 영역에 존재하는 지주의 기체동력학적 윤곽에서 종료되는 한편 상기 윤곽과 부드럽게 결합되는 방식으로 축대칭 본체가 구성되는 경우에, 기체동력학적 본체와 지주의 간섭이 증가되며, 또한 추가적인 디퓨져의 부재 때문에 피토-정적 튜브의 기체동력학적 항력이 추가적으로 상당히 감소된다.
상기 지주의 기체동력학적 윤곽이 비대칭적으로 구성될 수 있기 때문에, 영입각에 대한 압력의 민감성이 증대되며, 또한 그것에 의해 영입각 측정의 정확도를 증대시키는 것이 추가적으로 가능하다. 더욱이 영입각의 범위는 상기 윤곽의 비대칭성으로 인해 넓어질 수 있다.
정압 측정상에서 상기 지주로부터의 감속 효과를 보상하기 위해서 상기 비대칭 본체는 원통부상에 정압 측정용 오리피스들이 배치되는 융기부를 가질 수 있다. 이 융기부상에서의 유동의 감속으로 인하여, 상기 지주로부터의 감속이 이 가속에 의해 보상되는 영역을 발견하는 것이 가능하며, 결과적으로 정확한 정압이 표시된 오리피스들로부터 선정될 수 있다.
전기가열 요소의 지주의 전연으로 향한 이동때문에 피토-정적 튜브의 전형예에 비해 비효율적인 열손실의 감소와 가열에 필요한 동력의 감소가 있게 된다.
상기 동체 피토-정적 튜브(도 1)는 축대칭 본체(1)를 포함하며, 그 노즈부에는 전압을 측정하기 위한 오리피스(2)가 배치되어 있다. 정압을 측정하기 위한 오리피스(3)는 측방 표면에 배치되어 있다.
항동결 시스템의 관상 전기히터들은 축대칭 본체(1)의 내부에 위치되어 있다. 상기 축대칭 본체(1)는 상기 지주(5)상에 배치되어 있으며, 상기 본체(1)는 둥근 노즈부를 가진 아음속의 기체동력학적 윤곽 형태를 가지는 한편 상기 본체에는 상기 노즈부로부터 최대 두께에 이르는 거리 만큼 떨어져서 영입각을 측정하기 위한 오리피스들(6, 7)이 배치되며, 반면에 관상 전기히터 6, 7들은 상기 지주내에 배치된다. 오리피스들을 보류하기 위해서, 몇몇 오리피스(6, 7)들이 각 경우에 상기 윤곽의 상면과 하면상에 배치될 수 있다.
상기 피토-정적 튜브는 플랜지(9)에 의해 동체상에 장착된다. 상기 오리피스들(2, 3 및 6)로부터의 압력은 공기통로(10)과 노즐(11)에 의해 상기 피토-정적 튜브의 밖으로 배출되며, 반면에 상기 피토-정적 튜브의 본체와 지주의 가열은 전기 연결부(12)에 접속된 전기히터들(4, 8)에 의해 수행된다.
상기 동체 피토-정적 튜브는 다음과 같은 방식으로 작동된다. 상기 오리피스들(2, 3, 6, 및 7)에 의해 감지된 압력들은 노즐들(11)을 통해서 압력을 전기신호로 바꾸어주는 변환기 블록으로 보내진다.
이러한 전기 신호들은, 유동(비행)변수 Po·Ps와 α가 측정 의존도에 일치하도록 결정되는 정보처리 블록으로 보내진다. 전기 에너지가 얼음 형성을 방지하도록 상기 전기 연결부(12)를 통해서 관상 전기히터들(4와 8)로 공급되며, 이것은 측정결과를 상당히 왜곡시키거나 오리피스의 기능장애와 피토-정적 튜브의 측정 실패를 유발시킬 수 있다.
상기 관상 전기히터(4와 8)는 축대칭 본체(1)와 지주(5)의 외피 및 공기통로(10)를 가열하며, 그것들은 일반적으로 열전도성이 높은 재료(예를 들어, 니켈)로 제조된다. 관상 전기히터들과 공급되는 에너지의 동력은 상기 축대칭 본체(1)와 지주(5)의 표면위 및 오리피스(2, 3, 6 및 7)내에 얼음이 형성되는 것을 방지하도록 선정된다.
상기 지주(5)의 기체동력학적 윤곽은 M=0.8-0.9에서 기체동력학적 항력을 줄여주기 위해서 바닥 절단부(13)를 가진다(도 5).
상기 축대칭 본체(1)의 꼬리부는 상기 축대칭 항력을 줄여주기 위해서 경사부와 바닥 절단부(14)를 가지도록 구성된다(도 6과 도 7).
상기 축대칭 본체의 꼬리부는, 상기 축대칭 본체(1)와 상기 지주(5)간의 간섭을 증대시킴에 의해서 추가적으로 동력학적 항력을 감소시킬 목적으로 기체동력학적 윤곽(C)의 최대 상대 두께 영역과 부드럽게 연결되는 한편 그 영역에서 종료된다.
상기 지주의 비대칭 기체동력학적 윤곽은, 추가적으로 영입각의 변화에 대한 민감성을 증대시켜서 측정의 정밀도를 증대시키는 동시에 영입각의 측정범위를 증대시킬 목적으로 활용된다(도 12-14).
측정된 정압에 대한 상기 지주로부터의 감속 효과를 보상하기 위해서, 상기 축대칭 본체(1)는 원통부상에 정압 측정용 오리피스들(3)이 배열된 융기부(15, 도 15 및 도 17)를 갖는다.
항동결 시스템의 소요 동력을 감소시킬 목적으로 상기 전기히터들(8)은 상기 지주(5)의 전연을 향해 옮겨질 수 있다(도 17 및 도 18).
최대두께의 단면축에 수직인 윤곽을 가진 피토-정적 튜브의 지주를 이용하는 것이 바람직하며, 그것은 전연에서부터 거리 X = 0.3*B-0.6*B 만큼 떨어져 배치되며, 또한 그 윤곽은 가능한한 부푼 선단부와 중간부를 가지는 한편 주어진 범위의 윤곽의 허용가능한 상대두께 및 α = 18-20%의 한계내에 있는 적당한 범위의 동작 영입각에 대한 최대 임계 마하수를 가지고 있다.
본 발명에 따른 기체동력학적 윤곽은 이러한 요건들을 충족시킨다.
도 27과 도 28은 본 발명에 따른 기체동력학적 윤곽을 도시하며, 상기 윤곽은 상면(18)과 하면(19)의 부드러운 윤곽선에 의해 서로 연결된 둥근 전연(16)과 날카롭거나 무딘 후연(17)을 가지고 있다.
그 전연(16)은 그 현 Rc/B가 참조되는 윤곽 상하면의 곡률반경을 갖도록 형성되며, 그 곡률반경은 0.03-0.034 범위내에 있게 된다. 상기 윤곽의 최대 상대 두께는 거의 0.15와 동일한 한편 그 전연에서 0.3*B-0.6*B 거리 만큼 떨어져 배치되며, 반면에 X/B의 전연으로부터 윤곽 현을 참조한 거리 만큼 떨어져 있는 상부 Yu/B 면과 하부 Yl/B 면의 상기 윤곽 현을 참조한 한편 그 수직선을 따라 놓여진 외곽선의 종좌표는 표 1에 제시된 범위내에 배치된다.
상기 윤곽의 상면과 하면의 좌표에 대해 테이블 1에 제시된 범위는 그 이론치들로부터 허용될 수 있는 설계/기술적 이탈에 해당된다.
본 발명에 따른 윤곽의 부드러움은 그 윤곽 곡률의 연속적이며 부드러운 변화를 보장한다. 상기 윤곽현에 따른 상기 윤곽 곡률의 분포(크기, 역 곡률반경)는 도 14에 상기 윤곽의 상부(곡선 20)와 상기 윤곽의 하부(윤곽 21)에 대해 제시되어 있다.
본 발명에 따른 피토-정적 튜브의 지주에 적용되는 주어진 윤곽의 설계적 장점은 그 노즈부와 중간부의 적정한 충만성을 보장해주는 것이며, 이것은 윤곽 외관에 있어서의 피토-정적 튜브의 공기 통로들과 가열 요소의 배치를 상당히 용이하게 해주는 것이다.
도 29와 도 30은 또한 제안된 윤곽(22)과 전형예(23)의 윤곽에 대한 쇼크 항력량의 계산된 추산치를 보여주며, 이 도면들은 제안된 윤곽의 현저한 장점들을 도시한다.
본 발명에 따른 피토-정적 튜브의 지주상에서 사용하는 경우에 있어서 근사한 상대 두께의 공지된 윤곽 등가물과 비교해서 주어진 윤곽의 기초적인 기체동력학적 장점은 임계적 마하수가 증가된 값을 갖는 것이며, 그것은 피토-정적 튜브 지주의 적정한 후퇴각과 관련해서 아음속의 민간항공기에 특징적인 비행속도의 동작범위내에서 그 아임계치로 동작하는 것이 가능하게 해준다.
본 발명에 따른 상기 윤곽의 높은 기체동력학적 효율은 그 외관의 부드러움과 기초 기하학적 변수들(그 현으로부터 윤곽 외관의 각점들까지의 거리들에 대한 표시양들, 그 곡률반경들, 및 상기 외관의 접선에 대한 경사각들)에 대한 합리적인 조합에 의해서 야기된다.
본 발명에 따른 윤곽 외곽선의 형태는 M = 0.2-0.5범위, 따라서 큰 범위의 비분리 윤곽 유동에서 최대 윤곽 상승이 일어나는 경우에 동일한 영입각이 주어진다면 낮은 유동의 일정 수준의 희박량을 상기 윤곽의 선단에서 달성하도록 결정될 수 있다. 이 경우에 있어서, "완만하게 경사진" 분포에 가까운 압력 분포가 천음속 범위에서 실현되는 한편, 덜 강력한(모범예에 비하여) 압력 쇼크를 가지는 결과로 1.5-3 배 낮은 쇼크 항력값을 가진다.
다음 사항들은 아음속 비기동 항공기에 대해 본 발명을 사용해서 달성될 수 있다.
- 설계 단순화,
- 전체 크기의 감소,
- 기체동력학적 항력의 감소,
- 피토-정적 튜브의 항동결 시스템에서의 소요 동력의 감소,
- 중량 감소,
- 영입각에 관한 측정의 정확도 증가.
이것을 설명하기로 한다.
1. 설계 단순화는, 압력을 배출하는 한편 그 기초에서 영입각이 측정되는 오리피스들이 피토-정적 튜브의 축대칭 본체상에 배치되지 않으며, 거기에서 전압과 정압들을 배출하기 위한 오리피스들은 여전히 배치되지만 피토-정적 튜브의 지주상에 배치되지는 않는다(도 1-3)는 사실에 의해서 달성된다.
표시된 그룹의 오리피스중 각각으로부터 시작되는 공기 통로들이 존재하는 한편 상기 축대칭 본체와 지주내부에 항동결 시스템의 전기 가열 요소들을 설치하는 것이 필요하기 때문에, 피토-정적 튜브의 설계 집중도는 매우 높다.
영입각 측정용 오리피스들이 축대칭 본체로부터 지주로 이동하는 결과, 상기 설계 집중도가 감소되며, 축대칭 본체와 지주를 갖는 제안된 전체 피토-정적 튜브의 구성은 상당히 단순해진다.
2. 영입각을 결정하기 위해 압력 배출용 오리피스들이 축대칭 본체로부터 지주로 이동하는 결과, 축대칭 본체의 직경 d가 상당히 감소된다(도 1-3). 수행된 설계에 대한 연구는, 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 직경이 피토-정적 튜브의 전형적인 예와 비교해서 약 25% 감소될 수 있다는 사실을 알려준다(같은 직경의 내부 공기통로와 전기 가열 요소에 관해서; 단지 축대칭 본체상에 원추부가 존재하지 않기 때문에).
더욱이, 제안된 피토-정적 튜브의 본체상에 원추부가 존재하지 않는 결과, 정압측정용 오리피스들의 배치 영역에서 피토-정적 튜브의 전형예에 구현되는 추가적인 지지가 부족하게 된다.
결과적으로, 정압 측정에 대해 같은 정밀도라면(수정없이), 상기 지주에 이르는 축대칭 본체의 길이(도 1-3)가 상기 피토-정적 튜브의 전형예 보다 더 짧아지도록 상기 제안된 피토-정적 튜브상에 구현될 수 있다. 이 길이의 감소가 약 20%에 달함을 추정할 수 있다.
전체 치수(피토-정적 튜브의 길이)의 감소를 증대시키는 또 하나의 요인은 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학 윤곽의 지주에 적용한다는 점이며, 이 결과로 상기 지주 전연의 후퇴각(도 24)이 상당히 감소될 수 있다(상세한 것은 3항을 참조하라).
그 결과, 상기 지주를 같은 높이로 하는 한편 같은 마하수로 상기 피토-정적 튜브를 조정된다면, 상기 지주의 길이는 5-7% 감소될 수 있으며, 상기 피토-정적 튜브(지주를 가진 축대칭 본체)의 전체 길이가 25-27% 감소되는 것이 가능하다.
3. 상기 축대칭 본체의 기체동력학적 항력은 식 D = Cd·q·S으로 나타낼 수 있으며, 여기에서 Cd는 항력 계수를 나타내고, q는 동적 압력을 나타내며 또한 S는 특징영역을 나타낸다.
상기 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 특성 치수는 그 중간 단면의 면적 S = πd2/4으로 볼 수 있으며, 여기에서 d는 중간 단면의 직경이 된다. 따라서, 만일 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체가 상기 피토-정적 튜브의 전형예와 기하학적으로 유사하다면(즉, 같은 양의 Cd가 유지되다면), 같은 동적 압력인 경우에 직경 d가 25% 감소한 결과로서 상기 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 항력이 약 45% 감소할 것이다(상기 2항을 보라).
그러나, 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 형태는 추가적인 계단(상기 피토-정적 튜브의 전형예의 경우와 같이 직경이 연속적으로 증대되는 원추부)을 가지지 않기 때문에, 그것은 어떠한 유동의 분리나 원추부 후방의 압력 쇼크를 나타내지 않는다. 따라서, 추산이 제시하는 바와 같이, 제안된 피토-정적 튜브의 상기 축대칭 본체에 대한 항력 계수의 양은 약 7-10% 감소될 수 있다.
그 결과, 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체 X의 항력은 상기 피토-정적 튜브의 약 50% 만큼 감소된다.
제안된 피토-정적 튜브의 지주가 상기 전연에 수직한 단면(도 1-3)이 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학 윤곽 형태, 특히 본 발명에 따른 기체동력학 윤곽이지만 피토-정적 튜브의 전형예에서와 같은 렌즈 형상의 윤곽은 아닌 형태를 가진다는 사실로 인해서, M = 0.8-0.9에 대한 윤곽의 기체동력학적 항력은 계산에 의해 제시되는 바와 같이(도 20) 2-2.5배 감소될 수 있다.
상기 지주는 마하수의 관점에서 위기의 개시(압력 쇼크의 발생)를 지연시키기 위해 전연과 후연에 후퇴각을 갖도록 구성될 수 있어서 그 결과 쇼크 항력의 감소를 지연시킨다.
그러나, 압력 쇼크가 발생되는 임계 마하수 M는 렌즈 형상의 윤곽에 대해서 보다 둥근 노즈를 가진 특수화된 아음속 기체동력학적 윤곽에 대해서 상당히 크다는 사실의 결과로서, 아음속 기체동력학적 윤곽을 가진 지주의 후퇴각은 렌즈 형상의 윤곽을 가진 지주에 대해서 보다 상당히 작아질 수 있다.
M = 0.9에 대해서 상기 피토-정적 튜브의 전형예와 비교해서 제안된 피토-정적 튜브에 있어 상기 지주의 후퇴각을 전연에서 7-10˚감소시키는 것이 가능하다는 사실을 계산은 보여준다. 가스의 압축 흐름이 상기 지주 주위를 흐를 때, 상기 후연에 수직인 속도 V┴의 성분은 상기 쇼크 항력에 영향을 줄 수 있다(도 24).
결과적으로, 공기 통로들과 전기가열 항동결 시스템의 설치에 필요한 지주 단면의 내부 체적 및 주로 위기의 발생(도 21, 쇼크 항력의 급격한 증대)에 강하게 영향을 주는 윤곽 C의 동일한 상대두께가 유지된다면, 상기 지주의 측표면의 면적이 감소될 수 있어서 중량의 상당한 이득을 준다.
상기 지주의 중량 감소가 피토-정적 튜브의 전형예와 비교하면 제안된 피토-정적 튜브에 대해 약 20% 정도임을 계산과 설계연구는 보여준다.
영입각이 주어진다면, 둥근 노즈를 구비한 아음속 기체동력학적 윤곽 형태를 갖는 단면의 지주를 구비하는 제안된 피토-정적 튜브는 또한 렌즈 형상의 윤곽 형태의 지주 단면을 갖는 피토-정적 튜브의 전형예와 비교해서 항력면에서 상당한 이득이 있다.
영입각이 주어지면 유동이 렌즈 형상의 윤곽상에서 실현되어 예리한 전연으로부터의 유동분리가 일어나기 때문에, 그러한 윤곽의 항력 계수가 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽에 대해서 보다 상당히 높아지며, 거기에서 비분리 유동이 상당히 큰 영입각에 이르기까지 실현되는 한편 Cd는 상당히 낮아진다(도 22를 보라, 거기에서 그러한 윤곽의 Cd(α)가 예로서 M = 0.1에 대해 주어진다).
표시된 항력의 감소는 매우 낮은 마하수와 매우 높은 마하수의 두 경우에 있어서 여기에서 일어난다.
상기 제안된 피토-정적 튜브에서의 지주의 아음속 동력학 윤곽은 마하수의 면에서 쇼크 항력이 급격하게 상승되는 것을 상당히 지연시키기 위해서 바닥 절단부를 가지도록 구성된다(도 4, 5).
상기 윤곽상에 바닥 절단부가 존재하는 결과, 더 작은 디퓨져가 최대 상대 두께와 그 윤곽의 꼬리부 사이의 영역에서 구현된다. 바닥 항력의 크지 않은 상승과 관련해서, 이것은 상기 윤곽에 대한 임계 마하수의 상당한 증대 및 높은 마하수에서의 쇼크 항력의 급격한 증대의 지연을 허용해서 큰 수의 M에 대한 쇼크 항력의 감소를 가져온다.
의존도 Cd(M)는 바닥 절단부를 가지거나 바닥 절단부를 가지지 않는 기체동력학적 윤곽에 대해서 도 9d에 일예로서 제시되어 있다. 바닥 압력의 작은 상승에도 불구하고(예를 들어, M = 0에 대한 Cd를 보라), M = 0.9를 계산하는 경우에 있어서 바닥 절단부를 갖는 기체동력학적 윤곽은 상기 바닥 절단부를 갖지 않는 기체동력학적 윤곽에 비해 상당히 낮은 항력 계수를 갖는다.
전술한 바와 같은 방식에서, 제안된 피토-정적 튜브의 지주는 그위에서 바닥 절단부를 갖는 기체동력학적 윤곽을 활용하는 결과로서 렌즈 형상의 윤곽을 갖는 피토-정적 튜브의 지주보다 3-5˚작은 후연상의 후퇴각을 가지므로 수행된 계산과 설계 연구가 나타내는 바와 같이 설계 중량을 10% 감소시킨다.
수행된 계산에 의해 표시되는 바와 같이, M = 0.8-0.9에서의 기체동력학적 항력 계수의 추가적인 감소는, 축대칭 본체의 꼬리부가 경사부와 바닥 절단부를 갖도록 구성함에 의해서 달성될 수 있다.
상기 축대칭 본체의 꼬리부에서 발생되는 확산 효과의 감소로 인해서, 10-15%에 이르는 축대칭 본체의 항력 계수 감소라는 긍정적 효과가 바닥 절단부를 갖는 기체동력학적 윤곽에 대해 전술한 경우와 같이 이 경우에도 달성될 수 있다.
축대칭 본체의 꼬리부가 최대 상대 두께 영역에 존재하는 지주의 기체동력학적 윤곽에서 끝나는 한편 상기 윤곽과 부드럽게 결합되는 사실에 의해서, 제안된 피토-정적 튜브상의 기체동력학적 항력의 추가적인 감소가 보장될 수 있다.
이 경우에 있어서 피토-정적 튜브의 축대칭 본체 꼬리부와 지주의 기초적인 간섭이 형성됨에 따라서 긍정적인 효과가 달성된다. 이 경우 상기 축대칭 본체의 경사진 꼬리부와 지주 윤곽의 꼬리부간의 결합 영역에 추가적인 디퓨져가 없기 때문에, 유동의 분리 발생과 국부적 압력 쇼크를 회피할 수 있게 된다.
추산에 의해 표시되는 바와 같이, 전체 피토-정적 튜브의 항력이 추가적으로 10-15% 정도 감소되는 결과를 가져온다.
4. 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 항동결 시스템을 가열하는 데에 소요되는 동력은 피토-정적 튜브의 전형예의 축대칭 본체에 비해서 상당히 감소될 수 있다.
축대칭 본체의 열방출과 표면온도가 같다면 상기 소요동력은 측표면의 면적 πdl에 비례하며, 다시 말해서 상기 동력은 피토-정적 튜브의 직경 d와 길이 l에 비례한다.
2항에 따라 제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체의 직경 d가 25% 감소되며 또한 그 길이가 20% 감소되기 때문에, 항동결 시스템의 소요동력 감소는 피토-정적 튜브의 전형예의 축대칭 본체와 비교해서 약 40%이다.
제안된 피토-정적 튜브의 축대칭 본체에 존재하는 항동결 시스템의 소요동력 감소와 아울러, 상기 지주를 가열하기 위해 소요되는 동력의 상당한 감소가 있다. 이것은 두개의 환경과 관련이 있다.
첫번째는, 피토-정적 튜브 지주의 아음속 기체동력학적 윤곽에 구비된 노즈의 주위에서 발생되는 비분리 유동은 제안된 피토-정적 튜브상에서 실현되며, 그 결과 제안된 피토-정적 튜브의 지주의 전연은 렌즈 형상의 윤곽을 가진 피토-정적 튜브의 전형예의 지주보다 덜 동결된다.
이러한 이유로 상기 지주를 가열하기 위해 소요되는 동력이 15-20% 감소될 수 있다는 사실이 추정에 의해 표시된다.
두번째 환경은, 둥근 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽의 제안된 피토-정적 튜브의 지주상에서 내부 체적이 상기 전기가열 요소들을 기체동력학적 윤곽의 동결되기 쉬운 노즈(도 17, 18)에 직접 배치되도록 해주는 사실과 관련이 있다.
결과적으로 비효율적인 열량 손실을 대폭 줄여준다. 이러한 이유로 상기 지주를 가열하기 위해 소요되는 동력을 약 20-25% 추가적으로 줄여줄 수 있다는 사실을 수행된 계산과 설계 연구가 나타내준다.
더욱이, 3항에 표시된 제안된 피토-정적 튜브 지주의 전연상에 존재하는 후퇴각의 감소로 인해서, 그 바닥에서 축대칭 본체에 이르는 앞 지주의 길이가 일정 정도 감소해서 가열이 필요한 면적이 감소된다. 항동결 시스템의 소요 동력에서도 약 5%가 감소되는 결과가 나타난다.
요약하면, 제안된 피토-정적 튜브의 항동결 시스템에 소요되는 동력이 피토-정적 튜브에 비해서 40-45% 감소된다.
5. 제안된 피토-정적 튜브의 중량 감소는, 지주에 대해 작은 후퇴각을 주는 결과 2항과 3항에 표시된 바와 같은 축대칭 본체의 중간단면 감소와 지주의 측표면적 감소가 일어나는 것에 기인한다.
더욱이, 전기가열 요소의 소요동력을 감소시키는 것(4항을 보라)은 전기가열 요소의 크기와 질량을 감소시키게 된다. 수행된 계산과 설계 연구에 의해 표시된 바와 같이, 제안된 피토-정적 튜브의 설계 중량이 표시된 환경에 따라서 전형예와 비교해서 25-30% 감소될 수 있다.
6. 피토-정적 튜브의 전형예와 비교해서 제안된 피토-정적 튜브상에서 영입각 측정의 정확도가 증대되는 것은, 영입각을 측정하는 압력 방출용 오리피스들이 지주상에 배치되며 또한 그 지주는 축대칭 본체의 원추부상이 아니라 상기 윤곽의 노즈로부터 최대 두께에 이르는 거리에 아음속 기체동력학적 윤곽의 형태를 가진 단면을 가지는 사실에 기인한다.
α = 0-20%의 영입각 범위에서의 축대칭 윤곽상의 오리피스에 대한 도함수 ∂æα/∂α는 피토-정적 튜브의 전형예에 대한 축대칭 본체의 원추면에 배치된 오리피스들에 대해서 보다 상당히 높다(8배).
영입각의 측정에 있어서의 에러는 δα = ∂α/∂æα·δp/q의 형태로 기술될 수 있으며, 여기에서 q는 동적 압력이 되는 한편 δp는 압력하강 P7-P6의 측정상 에러이다.
따라서, M = 0.2에 대해서 p = 0.15 mm 수은주의 실제 압력 변환기내에서 에러가 있다면, 제안된 피토-정적 튜브상의 영입각의 측정상 에러는 표시된 범위의 영입각에 있어서 크기 0.05˚를 갖는 반면에, 피토-정적 튜브의 전형예에 대한 값은 0.4˚이다.
따라서, 제안된 피토-정적 튜브에 대한 영입각 측정의 정밀도에 대한 추가적인 감소는 상기 지주의 축대칭 기체동력학적 윤곡을 활용함에 의해서 달성된다(도 26).
도 31a 내지 도 31g는 피토-정적 튜브의 지주에 대한 변형예를 도시하는 단면도이다. 도시된 바와 같이 도 31a-31c는 경사진 노즈를 가진 다각형 지주 윤곽을 보여주며, 그것은 초음속 공기 유동에 양호하게 적용될 수 있다. 도 31d는 경사진 노즈를 갖지만 구부러진 외관을 갖지 않는 지주를 도시한다.
도 31e 내지 31g는 둥근 노즈를 갖는 지주에 대한 단면들을 도시한다.
도 31f는 NACA 0015 윤곽을 보여준다.
도 31g는 도 5에 따른 최적화된 지주의 단면을 도시한다.
따라서, 여기에 제시된 컴퓨터 리서치·실험 리서치 및 설계 연구의 결과는 피토-정적 튜브의 전형예와 비교해서 제안된 피토-정적 튜브가 전술한 모든 변수와 성질면에서 장점이 있음을 명확히 보여준다.
대체로 항공기에는 몇개의 그러한 피토-정적 튜브들이 존재하기 때문에, 이것은 영입각 측정 정확도의 동시적 증가와 관련해서 중량과 기체동력학적 항력의 상당한 감소와 소요 전기동력의 절감을 가져온다. 이 모든 것은 제안된 동체 피토-정적 튜브의 경쟁력을 상당한 증대시켜 준다.
Claims (10)
- 전압·정압과 영입각을 측정하기 위한 세 그룹의 오리피스들(2; 3; 6, 7), 및 공기통로(10)와 전기가열 요소들(4, 8)을 구비한 한편 그들 사이에 배치된 항동결 시스템 장착하기 위한 축대칭 본체(1)와 지주(5)로 이루어진 동체 피토-정적 튜브에 있어서, 상기 영입각 측정용 오리피스들(6, 7)이 둥근 노즈(16)나 경사진 노즈를 가진 아음속 기체동력학적 윤곽 형태의 단면을 가지는 지주(5)상에 배치되며, 또한 상기 오리피스들(6, 7)이 상기 윤곽의 노즈(16)와 그 최대 두께 위치 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지주(5)의 단면의 기체동력학적 윤곽의 후연(17)이 바닥 절단부(13)를 가지는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 축대칭 본체(1)의 꼬리부가 경사부와 바닥 절단부(14)를 가지는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 축대칭 본체(1)의 꼬리부가 그 최대 상대 두께 영역에 있는 상기 지주의 기체동력학적 윤곽에서 끝나는 한편 그 윤곽과 부드럽게 결합되는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지주(5)의 기체동력학적 윤곽이 비대칭적인 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 축대칭 본체(1)가 상기 원통부상에 정압 측정용 오리피스들이 배치된 융기부(15)를 가지는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 항동결 시스템의 전기가열 요소(8)가 상기 지주(5)의 전연을 향해 옮겨져 있는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브.
- 상기 윤곽 현의 단부들상에 배치되어 있음과 아울러 윤곽 외곽선(18, 19)의 상하부의 부드러운 선들에 의해 서로 연결되어 있는 길이 B의 현·둥근 전연(16) 및 날카롭거나 무딘 후연(17)을 가지는 한편, 상기 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한항에 따라서 구성되는 동체 피토-정적 튜브용 기체동력학적 윤곽에 있어서, 상기 전연(16)은 Rc = 0.03*B-0.034B의 범위에 있는 상기 외곽선(18, 19)의 상하부(18, 19)의 점들에 대한 곡률반경 Rc을 갖고, 윤곽 C의 최대 상대두께는 C = 0.146-0.156 범위에 있는 한편 그 현을 따라 상기 윤곽의 전연(16)으로부터 측정할 때 거리 X = 0.3*B-0.6*B의 거리 만큼 떨어져 배치되며, 또한 그 현을 따라 상기 윤곽의 전연(16)으로부터 측정할 때 거리 X/B 만큼 떨어져 배치된 한편 외곽선 Yu/B의 상부(18)과 윤곽선 Yl/B의 하부(19)의 점들에 대해 상기 윤곽 현의 길이를 참조한 좌표들은 다음 테이블에 나열된 범위에 있는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브용 기체동력학적 윤곽.
X/B Yu/B -Yl/B 0.0000 0.000 0.000 0.0333 0.0346-0.0376 0.0346-0.0376 0.0640 0.0477-0.0507 0.0477-0.0507 0.1044 0.0570-0.0600 0.0570-0.0600 0.2171 0.0690-0.0730 0.0690-0.0730 0.3242 0.0725-0.0765 0.0725-0.0765 0.4013 0.0739-0.0779 0.0739-0.0779 0.5204 0.0736-0.0776 0.0736-0.0776 0.5992 0.0721-0.0761 0.0721-0.0761 0.7105 0.0681-0.0721 0.0681-0.0721 0.8067 0.0602-0.0642 0.0602-0.0642 0.8603 0.0501-0.0550 0.0501-0.0550 0.9464 0.0248-0.0288 0.0248-0.0288 1.0000 0.0000-0.0160 0.0000-0.0160 - 제 8 항에 있어서, 상기 윤곽이 부드럽게 변화하는 곡선을 가진 외곽선으로 형성되어 있고, 상기 윤곽 외곽선의 상부와 하부(18, 19)의 곡률이 둥근 전연(16)으로부터 값 X = 0.3*B-0.6*B에 이르는 증가 거리 X를 가진 윤곽 현을 따라 부드럽게 증가하는 한편 상기 외곽선의 일부분은 값 R = 5.5*B-15.*B에 이르는 사실상의 직선형태를 가지고 있고, 상기 수직선을 따라 그 윤곽 현으로부터 상기 윤곽 외곽선의 상부(18)까지 위를 향해 측정된 거리 Yu는 그 최대치 Yumax = 0.074*B-0.078*B까지 부드럽게 증가하고, 거리 Yu는 또한 상기 후연(17)을 향한 방향을 따라 부드럽게 감소하고, 곡률반경은 처음에 X = 0.82*B-0.9*B에 대해 값 R = 0.6*B-1.*B까지 부드럽게 감소한 후에 값 X = 0.92*B-0.95*B까지 증가하고, 이때 상기 외곽선의 볼록부는 그 오목부와 부드럽게 결합되는 한편, 상기 외곽선의 오목부의 곡률반경은 부드럽게 감소해서 윤곽치 R = 0.05*B-0.5*B의 후연에 도달하며, 또한 윤곽 외곽선의 접선과 그 후연(17)에 있는 윤곽 현 사이의 각은 X = B에 대해서 3-6。인 한편 그 윤곽선의 하부(19)는 상기 윤곽 현과 관련해서 상기 상부에 대칭인 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브용 기체동력학적 윤곽.
- 제 8 항에 있어서, 그 상부 Yu/B 면과 그 하부 Yl/B 면(18, 19)의 외관에 대한 그 현을 참조한 치수없는 좌표들은 제 8 항에 따른 상기 외관에 대한 치수없는 대응 좌표들과 상면(18)에 대한 일정한 동일 수치인자 Ku와 하면(19)에 대한 일정한 동일 수치인자 Kl 만큼 차이가 나고, 그 상부 Ru/B 면과 그 하부 Rl/B 면(18, 19)에 대한 외관의 전연(16)에 대한 외관의 현을 참조한 치수없는 곡률들은 제 8 항에 따른 상기 외관의 상면과 하면(18, 19)에 대한 전연의 치수없는 대응 곡률반경들과 상기 일정한 동일 수치인자들의 제곱들 만큼 차이가 나며, 또한 상기 일정한 동일 수치인자들의 수치는 0.8 < Ku < 1.07 및 0.8 < Kl < 1.07의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 동체 피토-정적 튜브용 기체동력학적 윤곽.
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