Sensorstruktur und Sensoranordnung zur Strömungsdatenmessung an einem Strömungskörper
Die Erfindung betrifft eine Sensorstruktur zur Messung von Luft- oder Strömungsdaten, wie z.B. Drücke, an einer in eine Strömung hineinragenden Aussenoberfläche eines Strömungskörpers, der ein Flugzeug oder allgemein ein Fluggerät oder ein beliebiger angeströmter Körper wie ein Flügel sein kann, sowie ein Fluggerät mit der Sensorstruktur.
Bisher wurden zur Luftdatenmessung in Flugzeugen üblicherweise externe Sonden verwendet, die besonders kostengünstig und strukturell einfach integrierbar sind. Sie haben auch den Vorteil, daß sie bei entsprechender Anordnung am Flugzeug-Rumpf nur einen verhältnismäßig geringen Aufwand zur Kompensation von lokalen Beeinflussungen der Luftströmung erforderlich machen. Derartige externe Sonden haben jedoch in vielen Fällen Nachteile, die bei zukünftigen Flugzeugen von besonderer Bedeutung sind. So ist im Hyperschall-Bereich die thermische Belastbarkeit dieser externen Sonden nicht ausreichend. Im normalen Flugbereich und bei militärischen Anwendungsgebieten entstehen Probleme hinsichtlich der thermischen Regelbarkeit, der EMC- und Blitzschlagsfestigkeit sowie der Signatur, die externe Sonden gegenüber Radargeräten haben. Auch besteht bei externen Sonden immer ein Vereisungsrisiko, das die Sicherheit des Flugzeugs beeinträchtigt. Externe Sonden benötigen außerdem einen verhältnismäßig großen Raumbedarf, da diese noch Komponenten zur Signalvorverarbeitung und Signalverarbeitung sowie zur Heizung der Sonden benötigen. Weiterhin kann der Anstellwinkel nur in einem beschränkten Bereich mittels externer Sonden gemessen werden. Für Flugzeuge, mit denen zum Beispiel beim Starten und Landen oder im Luftkampf große Anstellwinkel geflogen werden
können, können externe Sonden daher den aerodynamischen Flugzustand nicht genau genug ermitteln.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Sensorstruktur für einen Strömungskörper sowie eine Anordnung derselben in dem Strömungskörper zu schaffen, mit der die genannten Nachteile überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch die Rumpfspitze eines Flugzeugs mit einer schematischen Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorstruktur und den Bauelementen zur Integration derselben in die Flugzeugstruktur oder das Strukturteil,
Figur 2 einen Längsschnitt mit Detaildarstellung für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorstruktur,
Figur 3 eine Frontansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorstruktur.
Figur 1 zeigt ein Strukturteil 1 der erfindungsgemäßen Sensorstruktur 2 eines Flugzeugs, das insbesondere der vordere Teil der Rumpfspitze eines Flugzeugs z. B. eines Radoms ist. Es kann sich bei dem Strukturteil 1 jedoch auch um andere Strukturteile eines Flugzeugs handeln, die insbesondere in die Luftströmung hineinragen. Allgemein kann das Strukturteil ein Teil eines
Strömungskörpers, also eines einer Strömung ausgesetzten Körpers beliebiger Anwendung sein, in dem eine Messung der Strömungs- oder Luftdaten vorzunehmen ist. Das Strömungsmedium kann allgemein einen gasförmigen, wie z.B. Luft, oder flüssigen Aggregatszustand, wie z.B. Wasser oder Öl, haben.
Das Strukturteil 1 mit den hintereinander angeordneten Bereichen 21 und 22 kann in den Aussenoberflächen wahlweise aus Regelkörpern, z.B. Konus, oder aus unregelmäßigen Körpern, d.h. Körpern mit Freiformoberflächen, oder aus Körpern, die aus diesen zusammengesetzt sind, gebildet werden.
Das Strukturteil 1 weist eine Außenhülle 3 mit mehreren sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verteilten Messöffnungen 5 auf. Es handelt sich bei den Messöffnungen 5 um Präzisionsbohrungen. Von jeder Messöffnung 5 geht jeweils eine Transferstrecke 7 beispielsweise in Form von Kapillaren aus, so daß im Strukturteil 1 eine Mehrzahl von Transferstrecken 7 verlaufen. Diese laufen in einem Auflagerelement 9 im Inneren des Strukturteils 1 zusammen, wobei die Transferstrecken 7 mit einem Ende am Auflagerelement 9 druckdicht angeschlossen sind. Von dem Auflagerelement 9 aus verläuft zumindest eine entsprechende pneumatische Druckübertragungsstrecke 11 zu einem Druckwandlersystem 13, in dem eine Wandlung der mittels der Transferstrecken 7 übertragenen Drücke in elektrische Größen erfolgt.
Von dem Druckwandlersystem 13 aus verlaufen Leitungen zu einem Datenverar-beitungssystem 15, in denen die lokalen, an den Messöffnungen 5 jeweils auftretenden Drücke oder andere Strömungsgrössen in die zu ermittelnden Luftdaten umgerechnet werden. Die -Leitungen ( nicht dargestellt ) können als Analog-Leitungen oder auch als Datenübertragungs-Leitungen ausgeführt sein. Im letzteren Fall sind entsprechende Sender und Empfänger
vorzusehen. Dabei kann die Datenübertragung auch mittels Lichtwellenleiter wegen der hohen erforderlichen Abtastraten realisiert sein. Hohe Abtastraten gewährleisten eine große Auflösung, so daß die geforderte Genauigkeit der Druckmessung erreicht wird.
Die Messöffnungen 5 haben einen Kreisquerschnitt oder andere Flächenformen, jedoch mit zueinander annähernd gleichem Flächeninhalt im Querschnitt. Die Querschnittsfläche liegt in dem Bereich von 0,03 bis 30 mm2, bei Verwendung eines Kreisquerschnitts. Die Kreisdurchmesser liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 1 ,8 mm. Bei anderen Flächenformen liegen die Querschnittsflächen vorzugsweise bei 0,8 bis 2,6 mm2. Es ist eine Eckengeometrie am Öffnungsrand von maximal 0,1 mm Radius vorgesehen; die Tolerehz der Öffnungsbreite bzw. der Öffnungslänge oder des Öffnungsdurchmessers soll 0,1mm nicht überschreiten.
Die Außenhülle 3 ist aus mehreren verschiedenen Materialien aufgebaut, um von der Spitze 20 des Strukturteils 1 aus in Strömungsrichtung gesehen (externe Strömung ) eine abschnittsweise angepasste Wärmeleitfähigkeit der Außenhülle 3 zu erreichen, um die Temperaturverteilung entsprechend den notwendigen und über die Strukturzonen unterschiedlichen Leistungen einzustellen. Ein erster Bereich oder Frontbereich 21, der an der Spitze 20 oder an dem in die Strömung hineinragenden Strukturteil gelegen ist, ist aus einer metallischen Legierung gefertigt, die gewährleistet, daß durch Blitzschlag keine unzulässige Oberflächenveränderungen (z.B. lokales Aufschmelzen bzw. Zuschmelzen von Bohrungen) auftreten. Die erfindungsgemässe Funktionalität des ersten Bereichs 21 wird unter anderem durch eine legierungstechnische Verdunstungskühlung der Oberfläche oder magnetische Blitzbeeinflussung durch Verwendung geeigneter ferromagnetischer Werkstoffe erreicht. Bei der legierungstechnischen Verdunstungskühlung
werden für den ersten Bereich 21 als Trägerstruktur vorzugsweise Wolframbasiswerkstoffe mit Legierungszusätzen wie Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt in ausreichender Menge und geeigneter Verteilung in der Trägerstruktur verwendet. Die Legierungszusätze werden bei Blitzeinschlag verdunstet, so daß in der Trägerstruktur eine zu starke Temperaturerhöhung vermieden wird und somit die Formkonstanz der Bohrungen und der Gesamtstruktur erhalten bleibt. Neben der Blitzschlagbeständigkeit muß der Werkstoff für den Bereich 21 eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. In dem Fall, daß das Strukturteil 1 eine Rumpfspitze ist, sind vorzugsweise fünf bis zwanzig Messöffnungen 5 im ersten Bereich 21 gelegen, wobei sie in axialer und in Umfangs-Richtung verteilt (Figur 2 und 3) sind.
In einem zweiten Bereich 22 der Außenhülle 3, der in Strömungsrichtung gesehen axial hinter dem ersten Bereich 21 gelegen ist, wird eine geringere Wärmeleitfähigkeit der Außenhülle 3 erreicht. Der zweite Bereich 22 ist aus einem Werkstoff wie z.B. nichtrostender Stahl oder einer Nickel- oder Gobalt- Basislegierung gefertigt, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Bereichs 22 bei gleichzeitig niedriger Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizient des Bereichs 21 so vorgesehen ist, daß keine zu große Strukturspannungen zwischen den Bereichen 21 und 22 auftreten.
Der in Strömungsrichtung gesehen anschließende dritte Bereich 23 bildet die Anschlußstruktur an das Flugzeug-Bauteil, zum Beispiel im Flugzeugrumpf, an dem das Strukturteil 1 befestigt ist. Der dritte Bereich 23 ist aus einem Werkstoff mit ausreichender Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefertigt. Geeignet sind Titanlegierungen wie z.B. Ti-6AI-4V oder rostfreie Stähle oder Nickelbasislegierungen. Der dritte Bereich 23 weist eine grossere oder geringere Wärmeleitfähigkeit auf als der zweite Bereich 22. Die Funktion des
dritten Bereichs ist nicht primär die Wärmeabfuhr, sondern der dritte Bereich gewährleistet einen strukturell robusten Übergang von dem zweiten Bereich auf den Flugzeugrumpf.
Durch die in Strömungsrichtung verringerte Wärmeleitfähigkeit vom ersten 21 zum zweiten 22 Bereich wird eine möglichst effektive Wärmeleistungsausnutzung und gleichzeitig eine möglichst geringe thermische Belastung der Sensoren/ Druckwandler erreicht. Erfindungsgemäß ist für den Frontbereich im Betrieb eine Minimaltemperatur von 95°C oder 100°C einstellbar, wodurch bewirkt wird, daß Feuchtigkeit, die an der äußeren Oberfläche der Sensorstruktur oder im Eintrittsbereich der Messöffnungen auftritt, verdampft wird. Der Wärmetransport vom ersten Bereich über den zweiten Bereich 22 in den Druckwandlerbereich wird durch die Wärmeleitfähigkeit der Bereiche 21 , 22 so reduziert, dass eine im zweiten Bereich 22 vorgesehene Maximaltemperatur nicht überschritten wird. Die maximale Temperatur des zweiten Bereichs 22 wird je nach Anwendungsbereich festgelegt und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 70 und 120°C.
Für den Frontbereich 21 ist eine Maximaltemperatur an der Aussenoberfläche von vorzugsweise 160°C vorgesehen. Mit der erfindungsgemässen Einteilung in den ersten 21 und zweiten 22 Bereich wird erreicht, dass eine vorgegebene Temperatur-absenkung erreicht wird. Ein vorzugsweiser Anwendungsbereich sieht bei Hochleistungsflugzeugen eine Absenkung vom ersten (21) zum zweiten (22) Bereich von mindestens 30°C bis maximal 90°C vor. Dadurch ist ein Schutz von temperaturempfindlichen Messelementen und Rechnerelementen des Messsystems 13 und des Datenverarbeitungssystems 15 sichergestellt.
Die realisierte thermische Leitfähigkeit wurde aus dem Bereich zwischen 100 und 205 W / mK ( für Bereich 21 ) und dem Bereich zwischen 90 und 15 W / mK (für Bereich 22 ) ausgewählt.
Um den Schutz gegen EMC (electromagnetic compatibility) und Blitzschlag zu gewährleisten, ist der erste 21 , der zweite 22 und der dritte 23 Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet. Vorteilhaft ist dabei im Vergleich zum Stand der Technik, daß keine elektrisch leitfähigen Materialien zusätzlich in einer Außenhülle eingebaut werden müssen, da erfindungsgemäß die Außenhülle 3 selbst leitfähig gebildet ist.
Erfindungsgemäß sind weiterhin Heizelemente 31 vorgesehen, die an der Innenseite und entlang im Bereich 21 sowohl in dessen axialer als auch in radialer Richtung angebracht sind. Die Heizelemente 31 sind mit einem Hochtemperatur-Klebeverfahren oder Lötverfahren in die Innenstruktur des Bereichs 21 integriert (siehe Figur 2).
Zur Verbindung der Kapillaren 7 mit den Bohrungen können Klebe-, Löt- und/oder Schraub-Verbindungen vorgesehen sein. Vorzugsweise werden spezielle Verbindungs-Technologien verwendet. Insbesondere sind die Kapillaren 7 mit den Bohrungen 5 der Außenhülle 3 mittels Hochtemperatur- Löten, verbunden; siehe Figur 2.
Mit der angewendeten Integralbauweise, den Fügeverfahren ( z. B. Hochtemperaturlöten ) und der internen Formgebung , Querschnittsverteilung sowie Ankoppelung an die Hauptstruktur, z.B. des Strömungskörpers wird erreicht, dass das Strukturteil 1 den operationeilen Bedingungen , z. B. Fluglasten standhält.
der erfindungsgemässen bereichsweisen Bauweise der Sensorstruktur und einer Öffnungsanzahl von z. B. 12 Messöffnungen, lassen sich solche miniaturisierte Sensorstrukturen in einer Länge im Bereich zwischen 200mm und 80mm und einem Grundflächendurchmesser von im Bereich zwischen 150mm und 60mm bei z.B. Radomen von Hochleistungsflugzeugen mit Kegelform realisieren. Eine Integration bei einer Radomgesamtlänge im Bereich zwischen 500 mm und 3000mm und einem Grundflächendurchmesser im Bereich von 500mm bis 1500 mm läßt sich somit funktioneil aufbauen. Damit wird eine miniaturisierte Integration der Sensorstruktur und annähernde Maximierung der verbleibenden radardurchlässsigen Radomoberflächen ermöglicht. Damit können zwei Hauptfunktionen, wie hier Radar- Radomsystem und Luftdatensystem, durch Positionierung im vorderen Extrempunkt des Strömungskörpers gleichzeitig und parallel optimiert werden. Ein weiterer Vorteil einer solchen Integration mit miniatuπsierter Sensorstruktur ist die reduzierte Radarrückstreufläche gegenüber Strömungskörperexternen Sensoren. Der Bereich 21 sollte vorzugsweise im Bereich zwischen 15% und 60% der Gesamtlänge gebildet aus den Bereichen 21 und 22 realisiert werden. Weitere Funktionsvariationen sind mit z. B. Erhöhung oder Verminderung der Messöffnungen 5 , mit z. B. weiterer Miniaturisierung der Mess- / Druckwandlersystemelemente 13 und / oder Datenverarbeitungssystem-Elemente 15 vorteilhaft für die Strömungsdatenmessung und vorteilhaft für die kompatible Integration mit anderen Sensoren, z. B. Radar , und Strukturen mit einer solchen erfindungsgemässen, bereichsweisen Aufbaufolge 21 , 22, 23 und Integration möglich.
Die erfindungsgemässe Sensorstruktur mit Sensoranordnung ist insbesondere für den Einsatz auf agilen Hochleistungsflugzeugen und zur dortigen Messung der Strömungsgrößen vorgesehen; diese werden hier als Druck gemessen
und aufgelöst bzw. korreliert als die zu messenden Anstellwinkel α und ß. Die Signalverarbeitungseinheit für Umformung analog in digital inklusive Temperaturkompensation ist ebenso in die realisierte Sensorstruktur zu integrieren.
Ein geschlossener Temperaturregelkreis ist über den beheizten vorderen Bereich 21, die dort integrierten Heizelemente und Temperatursensoren, sowie über die elektrische Stromquelle und Regeleinheit gebildet. Die zu regelnde Größe ist die Oberflächentemperatur im Bereich 21 an der Grenzschicht zum Strömungsmedium und bei Bedarf zusätzlich die Temperatur im Einbauraum 22 und 23 des Druckwandler- und Datenverarbeitungssystems. Stellgröße ist die zugeführte elektrische Leistung. Weitere Elemente der Regelung sind integrierte Temperatursensoren sowie die externe Stellelektronik.
Als Regelungskonzept sind verschiedene Alternativen denkbar, von denen zwei Beispiele nachfolgend genannt sind:
In einer ersten Alternative wird die Temperatur im Frontbereich geregelt, wobei sich die Temperaturdifferenz durch die Wahl der geeigneten Materialien der Bereiche 21 und 22 bei den anliegenden Umgebungsbedingungen des Strömungsmediums ergibt.
In einer weiteren Alternative wird die Temperatur im Frontbereich 21 und im Bereich 9 geregelt, wobei sich die Temperaturdifferenz durch die Wahl der geeigneten Materialien der Bereiche 21 und 22 ergibt und durch die zu regelnden Maximal- und Minimaltemperaturen im Bereich 21 und 9 bei den anliegenden Umgebungsbedingungen des Strömungsmediums ergibt. Dabei
kann die Regelung so vorgesehen sein, dass im Bereich des Auflagerelements (9) des zweiten Bereichs (22) eine Maximaltemperatur von 70 ° C nicht überschritten wird. Hierzu ist vorzugsweise im Inneren des ersten Bereichs 21 ein Temperaturfühler 35 angeordnet.
Im Strukturteil 1 und der Aussenhülle 3 wird das Strukursystem und die - festigkeit unter anderem damit erreicht, weil eine vorteilhafte ausreichende Lotfestigkeit bei hohen Temperaturen vorliegt, wie z.B. mit Nickel-Chrom- Phosphor oder Gold- Nickel Lotmaterial und weil damit die Strukturquerschnitte bei damit erreichbarem geringem Eigengewichtgewicht noch ausreic end für die Fluglastfälle in Lateral- und Longitudinalrichtung sind.
Im Zusammenhang mit den vorgenannten Merkmalen ergeben sich folgende Vorteile:
die Kapillaren 7 können kurz und direkt ausgeführt werden, damit wird ein grösserer Zeitversatz sowie Übertragungsbeeinflussungen bei der Messung vermieden; die Temperaturschwankungen zwischen Eintrittsposition an der Messöffnung 5 und Messwandlersystem 13 können gering gehalten werden; die Temperatur kann im Mess- / Druckwandler- / Datenverarbeitungsbereich 13 und 15 gegenüber der Hochtemperaturzone 21 herabgesetzt eingestellt werden; mit der Hochtemperaturzone im Bereich 21 und der Mitteltemperaturzone im Bereich 22 werden die Kondensationsprobleme stark reduziert; mit den Heizelementen kann Rücktrockenbarkeit der Übertragungsstrecken und der Messoberfläche erreicht werden.
Bezugszeichenliste
I Strukturteil 3 Aussenhülle
5 Messöffnungen 7 Transferstrecken 9 Auflagerelement
I I Pneumatische Druckübertragungsstrecke
13 Mess- z.B. Druckwandlersystem
14 Leitungen
15 Datenverarbeitungssystem
20 Frontkontur des Strukturteils
21 Bereich 1
22 Folgebereich
23 Folgebereich 31 Heizelemente
33 Durchmesser der Grundfläche 35 Temperaturfühler