WO2001044821A1 - Sonde pour aeronef - Google Patents

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WO2001044821A1
WO2001044821A1 PCT/FR2000/003489 FR0003489W WO0144821A1 WO 2001044821 A1 WO2001044821 A1 WO 2001044821A1 FR 0003489 W FR0003489 W FR 0003489W WO 0144821 A1 WO0144821 A1 WO 0144821A1
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aircraft
measuring
channel
air flow
pallet
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Lionel Collot
Joël CHOISNET
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Thales Avionics S.A.
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    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/028—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow for use in total air temperature [TAT] probes
    • G—PHYSICS
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/025—Indicating direction only, e.g. by weather vane indicating air data, i.e. flight variables of an aircraft, e.g. angle of attack, side slip, shear, yaw
    • G—PHYSICS
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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid
    • G01P5/16—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid using Pitot tubes, e.g. Machmeter
    • G01P5/165—Arrangements or constructions of Pitot tubes

Definitions

  • the subject of the invention is a probe for aircraft, making it possible in particular to measure the total temperature of the air flow surrounding the aircraft.
  • Measuring the total temperature is useful for determining the actual speed of the aircraft.
  • other sensors belonging to the aircraft make it possible to measure the total pressure Pt and the static pressure Ps of the aircraft.
  • Knowledge of these two pressures Pt and Ps make it possible to determine the number of mach M of the aircraft by the following formula
  • the number of mach M represents the ratio between the actual speed of the aircraft and the speed of sound Or the speed of sound Vs depends on the temperature Ts of the air surrounding the aircraft
  • Vs VT r Ts (2)
  • Ts is the static air temperature, expressed in degrees Kelvin
  • the static temperature Ts is the air temperature at zero speed. This temperature is very difficult to measure on board an aircraft.
  • a temperature sensor should be placed at the bottom of a hole substantially perpendicular to the skin of the aircraft in an area where the skin is substantially parallel to the flow d 'air This temperature sensor would be particularly disturbed by the temperature of the skin which could alter the static temperature measurement
  • Tt (l + 0.2 M 2 ) Ts (3)
  • Total temperature measurement probes are known which are fixed to the skin of the aircraft. These probes predict that part of the air flow surrounding the aircraft licks a temperature sensor. When the incidence of the aircraft relative to the surrounding air flow is modified, the part of the air flow licking the temperature sensor is disturbed, which alters the total temperature measurement Tt. This becomes all the more important since it is when the aircraft has a significant incidence that one needs to know its speed with precision.
  • the object of the invention is to improve the accuracy of the total temperature measurement Tt in particular when the incidence of the aircraft with respect to the surrounding air flow is high.
  • the invention relates to an aircraft probe, characterized in that it comprises a movable pallet intended to orient itself in the axis of an air flow surrounding the movable pallet and fixed to the mobile pallet, means for measuring the total temperature of the air flow.
  • FIG. 1 shows a probe comprising:
  • the probe represented in FIG. 1 comprises a movable pallet 1 rotating around an axis 2.
  • the pallet 1 comprises a wing 3 having a plane of symmetry, parallel to the plane of the figure and separating the lower surface from the upper surface.
  • the profile of the wing 3 perpendicular to its leading edge 4 is for example of the OOZT type of the N.A.C.A.
  • the leading edge 4 is substantially rectilinear and inclined relative to the axis 2. It is understood that other shapes of wings can be used to implement the invention.
  • the pallet 1 also comprises a shaft 5 with an axis 2 which penetrates inside the skin 6 of an aircraft.
  • the shaft 5 is movable in rotation relative to the aircraft for example by means of a rolling bearing 7.
  • the pallet 1 Due to the shape of the wing 3, the pallet 1 is naturally oriented in the axis of the air flow surrounding the movable pallet 1.
  • the axis of the flow is materialized by the arrow 8 represented on the figure 1.
  • the movable pallet 1 further comprises means for measuring the total temperature of the air flow.
  • these means comprise two channels including a first channel 10 comprising an inlet orifice 11 substantially facing the air flow of axis 8 when the movable pallet 1 is oriented in the axis 8 of the flow of air.
  • the first channel 10 also includes an outlet orifice 12 allowing air in the first channel 10 to escape in the direction of the axis 8. Particles liable to circulate in the first channel 10 ' escape without coming in contact with a temperature sensor whose position will be described later. These particles are for example formed by drops of water or dust.
  • the second channel 13 comprising means for measuring the total temperature of the air flow has an inlet orifice 14 opening into the first channel 10.
  • the second channel 13 is for example substantially perpendicular to the first channel 10.
  • a part of the air circulating in the first channel 10 enters the second channel 13 through the inlet port 14 and escapes from the second channel 13 through an outlet port 15 opening towards the outside towards the rear of the movable pallet 1.
  • the means for measuring the total temperature of the air flow further comprise a temperature sensor 16 situated inside the second channel 13.
  • the temperature sensor 16 comprises for example a wire base of wound platinum forming an electrical resistance whose value is variable depending on its temperature.
  • the temperature sensor 16 is fixed in the second channel 13 so as to avoid as much as possible any heat transfer between the structure of the second channel 13 and the temperature sensor 16.
  • the two channels 10 and 13 are arranged so that air from the axis flow 8 flows in the second channel 13 at low speed. This speed must be much lower than the speed of sound in the flow while being non-zero in order to prevent the temperature sensor 16 from taking the temperature of the structure of the movable pallet 1 and in particular the temperature of the structure of the two channels 10 and 13.
  • the temperature of the air flow can be well below zero degrees Celsius, which gives rise to a risk of frost forming on the movable pallet 1.
  • the frost can in particular obstruct these channels 10 and 13 and therefore prevent any correct temperature measurement.
  • the movable pallet 1 includes defrosting means comprising for example an electric heating resistor arranged in the structure of the pallet. These defrosting means heat the movable pallet 1 and consequently the air which circulates in the two channels 10 and 13.
  • defrosting means heat the movable pallet 1 and consequently the air which circulates in the two channels 10 and 13.
  • orifices 17 are provided for evacuating the boundary layer of the air circulating in the two channels 10 and 13.
  • the probe further comprises means for measuring the total pressure and the static pressure of the air flow as well as the incidence of the aircraft.
  • the means for measuring the total pressure * comprise for example a total pressure tap Pt comprising a third channel 20 opening, like the first channel 10, through an orifice 21 substantially facing the air flow of axis 8
  • This third channel 20 is better known as the Pitot tube.
  • the means for measuring the static pressure Ps comprise for example two static pressure taps 22 and 23, each located on one of the faces of the movable pallet 1. In FIG. 1 only the pressure tap 22 is visible.
  • the pressure tap 23 is placed on the invisible face of the movable pallet 1, in a manner substantially symmetrical to the pressure tap 22 with respect to the plane of symmetry of the wing 3. This plane of symmetry is parallel to the plane of the figure 1.
  • Each pressure tap 22 and 23 may have several orifices, three are shown in FIG. 1, in particular in order to limit the section of each orifice so as to less disturb the air flow surrounding the movable pallet 1 or even to be able to carry out the pressure measurement even if one of the orifices were to be blocked.
  • the two static pressure taps 22 and 23 are in communication with a chamber located inside the pallet in order to average the pressure between the two taps 22 and 23.
  • the means for measuring the incidence of the aircraft comprise for example two incidence pressure taps 24 and 25 situated, as for the static pressure taps 22 and 23, on one of the faces of the pallet also in a substantially symmetrical manner by relative to the plane of symmetry of the wing 3.
  • the incidence pressure taps 24 and 25 are not in communication and it is the difference between the pressures prevailing at each tap 24 and 25 which makes it possible to determine the exact incidence of the movable pallet 1 and therefore that of the aircraft
  • the pressure tappings 24 and 25 can be placed in the immediate vicinity of the leading edge 4 of the pallet mobile 1.

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Abstract

L'invention a pour objet une sonde pour aéronef, permettant de mesurer notamment la température totale de l'écoulement d'air entourant l'aéronef. La sonde comporte une palette mobile (1) destinée à s'orienter dans l'axe (8) d'un écoulement d'air entourant la palette mobile (1) et, fixé à la palette mobile, des moyens (10, 13, 16) pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air.

Description

SONDE POUR AERONEF
L'invention a pour objet une sonde pour aéronef, permettant de mesurer notamment la température totale de l'écoulement d'air entourant l'aéronef
La mesure de la température totale trouve son utilité pour déterminer la vitesse réelle de l'aéronef En effet d'autres capteurs appartenant à l'aéronef permettent de mesurer la pression totale Pt et la pression statique Ps de l'aéronef La connaissance de ces deux pressions Pt et Ps permettent de déterminer le nombre de mach M de l'aéronef par la formule suivante
Figure imgf000003_0001
Par ailleurs le nombre de mach M représente le rapport entre la vitesse réelle de l'aéronef et la vitesse du son Or la vitesse du son Vs dépend de la température Ts de l'air entourant l'aéronef
Vs = VT r Ts (2)
où γ est une constante voisine de 1 ,4 r est la constante des gaz parfaits
Ts est la température statique de l'air, exprimée en degrés Kelvin La température statique Ts est la température de l'air à vitesse nulle. Cette température est très difficile à mesurer à bord d'un aéronef II faudrait placer un capteur de température placé au fond d'un trou sensiblement perpendiculaire à la peau de l'aéronef dans une zone ou la peau est sensiblement parallèle à l'écoulement d'air Ce capteur de température serait notamment perturbé par la température de la peau qui risquerait d'altérer la mesure de température statique On préfère donc mesurer la température totale Tt de l'écoulement d'air en plaçant le capteur de température dans l'écoulement d'air Par l'équation (3) on peut retrouver la température statique Ts Tt = (l + 0,2 M2) Ts (3)
Tout ceci permet de déterminer la vitesse réelle de l'aéronef en fonction de la température totale Tt, de la pression totale Pt et de la pression statique Ps de l'écoulement d'air entourant l'aéronef.
On connaît des sondes de mesure de température totale fixées sur la peau de l'aéronef. Ces sondes prévoient qu'une partie de l'écoulement d'air entourant l'aéronef lèche un capteur de température. Lorsque l'incidence de l'aéronef par rapport à l'écoulement d'air l'entourant est modifiée, la partie de l'écoulement d'air léchant le capteur de température est perturbée ce qui altère la mesure de température totale Tt. Ceci prend d'autant plus d'importance que, c'est lorsque l'aéronef a une incidence importante qu'on a besoin de connaître sa vitesse avec précision.
L'invention a pour but d'améliorer la précision de la mesure de température totale Tt notamment lorsque l'incidence de l'aéronef par rapport à l'écoulement d'air l'entourant est forte.
Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet une sonde pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte une palette mobile destinée à s'orienter dans l'axe d'un écoulement d'air entourant la palette mobile et fixée à la palette mobile, des moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention dans une même sonde, fixés à une palette mobile de la sonde on regroupe :
- des moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air
- des moyens pour mesurer la pression totale de l'écoulement d'air
- des moyens pour mesurer la pression statique de l'écoulement d'air ; - des moyens pour mesurer l'incidence de l'aéronef.
Le regroupement de ces différents moyens de mesure permet de déterminer de façon complète le module et la direction du vecteur vitesse de l'aéronef au moyen d'une seule sonde. Ce regroupement permet en outre de réduire le nombre d'ouvertures réalisées dans la peau de l'aéronef. L'invention sera mieux décrite et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation particulier de l'invention illustré par le dessin joint dans lequel :
- la figure 1 représente une sonde comportant :
- des moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air ;
- des moyens pour mesurer la pression totale de l'écoulement d'air ;
- des moyens pour mesurer la pression statique de l'écoulement d'air ;
- des moyens pour mesurer l'incidence de l'aéronef.
La sonde représentée figure 1 comporte une palette mobile 1 en rotation autour d'un axe 2. La palette 1 comporte une aile 3 possédant un plan de symétrie, parallèle au plan de la figure et séparant l'intrados de l'extrados. Le profil de l'aile 3 perpendiculairement à son bord d'attaque 4 est par exemple du type OOZT du N.A.C.A. Dans l'exemple représenté, le bord d'attaque 4 est sensiblement rectiligne et incliné par rapport à l'axe 2. Il est bien entendu que d'autres formes d'ailes peuvent être utilisées pour mettre en œuvre l'invention. La palette 1 comporte également un arbre 5 d'axe 2 qui pénètre à l'intérieur de la peau 6 d'un aéronef. L'arbre 5 est mobile en rotation par rapport à l'aéronef par exemple au moyen d'un palier 7 à roulement.
Du fait la forme de l'aile 3, la palette 1 s'oriente naturellement dans l'axe de l'écoulement d'air entourant la palette mobile 1. L'axe de l'écoulement est matérialisé par la flèche 8 représenté sur la figure 1.
La palette mobile 1 comporte en outre des moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air.
Avantageusement ces moyens comportent deux canaux dont un premier canal 10 comprenant un orifice d'entrée 11 faisant sensiblement face à l'écoulement d'air d'axe 8 lorsque la palette mobile 1 est orientée dans l'axe 8 de l'écoulement d'air. Le premier canal 10 comprend également un orifice de sortie 12 permettant à de l'air se trouvant dans le premier canal 10 de s'échapper en suivant la direction de l'axe 8. Des particules susceptibles de circuler dans le premier canal 10 s'échappent sans venir en contact avec un capteur de température dont la position sera décrite ultérieurement. Ces particules sont par exemple formées de gouttes d'eau ou de poussières.
Le deuxième canal 13 comprenant des moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air comporte un orifice d'entrée 14 s'ouvrant dans le premier canal 10. Le deuxième canal 13 est par exemple sensiblement perpendiculaire au premier canal 10. Une partie de l'air circulant dans le premier canal 10, pénètre dans le second canal 13 par l'orifice d'entrée 14 et s'échappe du second canal 13 par un orifice de sortie 15 s'ouvrant sur l'extérieur vers l'arrière de la palette mobile 1. Les moyens pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air comportent en outre un capteur de température 16 situé à l'intérieur du deuxième canal 13. Le capteur de température 16 comporte par exemple un fil à base de platine bobiné formant une résistance électrique dont la valeur est variable en fonction de sa température. Le capteur de température 16 est fixé dans le deuxième canal 13 de façon à éviter au maximum tous transferts thermiques entre la structure du deuxième canal 13 et le capteur de température 16.
Les deux canaux 10 et 13 sont agencés de façon à ce que de l'air provenant de l'écoulement d'axe 8 circule dans le second canal 13 à faible vitesse. Cette vitesse doit être très inférieure à la vitesse du son dans l'écoulement tout en étant non nulle afin d'éviter que le capteur de température 16 ne prenne la température de la structure de la palette mobile 1 et notamment la température de la structure des deux canaux 10 et 13.
En effet lorsque l'aéronef vole en haute altitude la température de l'écoulement d'air peut être bien inférieure à zéro degrés Celsius ce qui entraîne un risque de formation de givre sur la palette mobile 1. Le givre peut notamment obstruer ces canaux 10 et 13 et donc empêcher toute mesure correcte de température.
Pour éviter la formation de givre, la palette mobile 1 comporte des moyens de dégivrage comprenant par exemple une résistance électrique chauffante disposée dans la structure de la palette. Ces moyens de dégivrage réchauffent la palette mobile 1 et par conséquent l'air qui circule dans les deux canaux 10 et 13. Pour éviter que le réchauffement d'air ne perturbe la mesure de température, on prévoit des orifices 17 d'évacuation de la couche limite de l'air circulant dans les deux canaux 10 et 13. Avantageusement la sonde comporte en outre des moyens pour mesurer la pression totale et la pression statique de l'écoulement d'air ainsi que l'incidence de l'aéronef
Les moyens pour mesurer la pression* totale comportent par exemple une prise de pression totale Pt comprenant un troisième canal 20 s'ouvrant, comme le premier canal 10, par un orifice 21 faisant sensiblement face à l'écoulement d'air d'axe 8. Ce troisième canal 20 est mieux connu sous le nom de tube de Pitot.
Les moyens pour mesurer la pression statique Ps comportent par exemple deux prises de pression statique 22 et 23, située chacune sur une des faces de la palette mobile 1. Sur la figure 1 seule la prise de pression 22 est visible. La prise de pression 23 est placée sur la face invisible de la palette mobile 1 , de façon sensiblement symétrique à la prise de pression 22 par rapport au plan de symétrie de l'aile 3. Ce plan de symétrie est parallèle au plan de la figure 1. Chaque prise de pression 22 et 23 peut comporter plusieurs orifices, trois sont représentés sur la figure 1 , afin notamment de limiter la section de chaque orifice pour moins perturber l'écoulement d'air entourant la palette mobile 1 ou encore d'être en mesure de réaliser la mesure de pression même si l'un des orifices venait à être obstrué. Les deux prises de pression statiques 22 et 23 sont en communication avec une chambre située à l'intérieur de la palette afin de moyenner la pression entre les deux prises 22 et 23.
Les moyens pour mesurer l'incidence de l'aéronef comportent par exemple deux prises de pression d'incidence 24 et 25 situées, comme pour les prises de pression statique 22 et 23, sur une des faces de la palette également de façon sensiblement symétrique par rapport au plan de symétrie de l'aile 3. Les prises de pression d'incidence 24 et 25 ne sont pas en communication et c'est la différence entre les pressions régnant au niveau de chaque prise 24 et 25 qui permet de déterminer l'incidence exacte de la palette mobile 1 et par conséquent celle de l'aéronef Afin d'améliorer la sensibilité de la mesure d'incidence, on peut placer les prises de pression 24 et 25 au voisinage immédiat du bord d'attaque 4 de la palette mobile 1.
L'utilisation des informations issues des différentes prises de pression totale, statique et d'incidence est par exemple décrite dans le brevet français FR 2 665 539 déposé le 3 août 1990 au nom de la Demanderesse. Ce brevet décrit notamment l'asservissement de la position angulaire de la palette mobile 1 autour de son axe 2 afin que l'aile 3 de la palette mobile 1 soit alignée au mieux dans l'axe 8 de l'écoulement d'air. L'orientation, ainsi améliorée, de la palette mobile 1 permet notamment de maîtriser encore mieux la circulation des flux d'air dans les canaux 10 et 13.

Claims

REVENDICATIONS
1. Sonde pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte une palette mobile (1 ) destinée à s'orienter dans l'axe (8) d'un écoulement d'air entourant la palette mobile (1 ) et, fixé à la palette mobile, des moyens (10, 13, 16) pour mesurer la température totale de l'écoulement d'air.
2. Sonde selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les moyens pour mesurer la température totale comportent :
- un premier canal (10) comprenant un orifice d'entrée (11 ) d'air faisant sensiblement face à l'écoulement d'air et un orifice de sortie (12) d'air ;
- un second canal (13) dont l'entrée (14) d'air est située dans le premier canal (10) ;
- un capteur de température (16) fixé dans le second canal (13).
3. Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que le second canal (13) est sensiblement perpendiculaire au premier canal (10).
4. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les deux canaux (10, 13) comportent une pluralité d'orifices (17) permettant d'évacuer vers l'extérieur de la sonde, la couche limite de l'air circulant dans les canaux (10, 13).
5. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, fixé à la palette mobile (1 ) : - des moyens (20) pour mesurer la pression totale de l'écoulement d'air ;
- des moyens (22, 23) pour mesurer la pression statique de l'écoulement d'air ;
- des moyens (24, 25) pour mesurer l'incidence de l'aéronef.
6. Sonde selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens pour mesurer l'incidence de l'aéronef comportent deux prises de pression d'incidence (24, 25) située chacune sur une des faces de la palette mobile (1) sensiblement de façon symétrique par rapport à un plan de symétrie de la palette mobile (1), et en ce que l'orientation de la palette mobile par rapport à la direction de l'écoulement est asservie en rendant sensiblement égales les pressions relevées au niveau des deux prises de pression d'incidence (24, 25).
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