WO2012150385A1 - Velocimetre acoustique - Google Patents

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WO2012150385A1
WO2012150385A1 PCT/FR2012/000165 FR2012000165W WO2012150385A1 WO 2012150385 A1 WO2012150385 A1 WO 2012150385A1 FR 2012000165 W FR2012000165 W FR 2012000165W WO 2012150385 A1 WO2012150385 A1 WO 2012150385A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
generator
wave train
mobile
sensor
time
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/000165
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English (en)
Inventor
Robert Schegerin
Original Assignee
Aer
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Filing date
Publication date
Application filed by Aer filed Critical Aer
Publication of WO2012150385A1 publication Critical patent/WO2012150385A1/fr

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S15/60—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems wherein the transmitter and receiver are mounted on the moving object, e.g. for determining ground speed, drift angle, ground track

Definitions

  • the present invention relates mainly but not only to an acoustic velocimeter allowing mainly
  • Pitot probes or Prandtl tubes are used systematically on current aircraft whether they are civil or military. They have an orifice on the front of the probe. This orifice is connected to a pressure sensor. This pressure is called dynamic pressure or stop pressure. This dynamic pressure is compared to a static pressure measured on the probe itself or elsewhere on the aircraft. Correspondence laws make it possible to deduce the aircraft aerodynamic speed from the measured values of dynamic pressure and static pressure.
  • These probes are simple, accurate, but are sensitive to strong icing conditions and heavy rains. They are usually heated, but if, for example, the diameter of the ice cubes in the air passed is greater than the inlet port of the probe, it is likely that this probe is closed and no longer works properly.
  • these probes comprise a drainage drain of water. This drain allows the evacuation of a certain flow of water. If the flow of water ingested by the Pitot tube is greater than the maximum water flow of the drain, it is likely that the probe will no longer work.
  • Earth wind measurement systems exist and are based on measuring the propagation time of an acoustic wave, usually ultrasound, propagating between two points placed in the wind. In order to correct somewhat the speed of sound in the air depending on the temperature, presence of water drops, ... it has been proposed to go back and forth between these two points. Unfortunately this method does not apply to a mobile operating at high speeds. Indeed the "return” must be done against the wind, and if the speed of the mobile is close to the speed of sound the distance of tracking of the wave "return” is very important. The decrease in signal power being substantially exponential with the distance, the wave will have disappeared well before reaching the listening point of the "return" wave.
  • This method is therefore inapplicable to measure the speed of an aircraft relative to the ambient air mass in the entire flight range of a commercial or military aircraft, or a drone.
  • the objective of the invention proposed here makes it possible to solve the problem posed of the reliability of the speed probes in icing conditions and / or under heavy rains while completely avoiding the icing conditions and / or heavy rains and this throughout the flight domain. It fights the universally accepted idea that only a "Pitot" tube can measure sufficiently accurately the speed relative to the air of an airplane in the entire flight range of a civil or military airplane or a drone.
  • the invention also makes it possible to propose a solution complementary to the Pitot tube by creating a set of redundant measurements by eliminating the common modes of failure of the measurement.
  • the invention furthermore makes it possible to measure the speed of sound in the surrounding atmosphere, and by comparing the speed of the actual sound with the speed of the theoretical sound as a function of the temperature, and possibly as a function of the static pressure, the invention allows to deduce the rate of presence of water in the atmosphere of the ambient air mass.
  • the invention also makes it possible to calculate the incidence of the structure relative to the direction of the relative wind.
  • - Limit layer it is the layer of air that rubs on the moving solid in the fluid.
  • the boundary layer is very small (a few millimeters on the front parts of the fuselage of the aircraft or on the leading edges of the wings and empennages) and a few centimeters or even a few tens of centimeters at the rear of the aircraft. fuselage of the plane.
  • Mach number relationship between the speed of the mobile and speed of sound.
  • the means employed is not influenced by the boundary layer existing in the vicinity of the skin of the mobile. Indeed the boundary layer exists because of the viscosity of the air around the mobile. This boundary layer increases in thickness as the air rubs the outer surface of the structure of the mobile. The speed of the air molecules varies from the surface of the mobile where it is substantially equal to the speed of the mobile at a zero speed outside the boundary layer.
  • the invention manages to solve the stated problems
  • this mobile having a substantially longitudinal axis OX, cetettite said air mass optionally comprising gaseous particles and / or liquid and or solid, at a time t, this device comprising a generator (Gl) of an acoustic wave train, this generator being fixed on the surface of the mobile and situated at a position of the mobile (CGI) so that the acoustic wave train is emitted in the mass of 'ambiant air,
  • a sensor (Cl) of acoustic waves this sensor being fixed on the surface of the mobile to another position (CCI) of the mobile located at the rear of (CGI) so that it can receive the train of acoustic wave emitted by the generator Gl,
  • G2 a generator (G2) of another acoustic wave train, this generator being fixed on the surface of the mobile and located at a position of the mobile (CG2) so that the acoustic wave train is emitted in the mass ambient air,
  • a sensor (C2) of acoustic waves this sensor being fixed on the surface of the mobile and at another position (CC2) of the mobile situated at the rear of (CG2) so that it can receive the train of acoustic wave emitted by the generator G2,
  • the angle formed between the line [CGI-CCI] and the axis OX being an angle greater than 4 °
  • the angle formed between the line [CGI -CCI] and the line [CG2-CC2] being an angle greater than 4 °.
  • the device according to the invention may have the elements and / or the additional features described hereinafter taken individually or in combination in an advantageous manner in which
  • the generators G1 and G2 are replaced by a single generator G3 emitting a wave train to the sensors CC1 and CC2, the time t1 being the travel time of the wave train from the transmitter G3 to the receiver C1 and the time t2 being the travel time of the wave train from the generator G3 to the receiver C2.
  • the receivers C1 and C2 are replaced by a single receiver C3 receiving the wave trains emitted by the generators G1 and G2, the time t1 being the travel time of the wave train from the transmitter G1 to the receiver C3 and the time t2 being the travel time of the wave train from the generator G2 to the receiver C3.
  • the calculator for calculating the relative speed of the mobile relative to the ambient air mass further allows to accurately calculate the speed of sound VS.
  • the device comprises means for verifying the correct operation of the device by measuring in addition the temperature T of the ambient air, in order to obtain the theoretical speed VST of the sound as a function of the temperature from a pre-established table on the one hand and comparing it with the value of the speed of the calculated sound VS on the other hand, to check whether the Existing gap between these two sound velocity values does not exceed a specified value, a specified value that may change with the value of the sound velocity.
  • the device comprises a calculator making it possible to deduce the moisture content of the air from the temperature T, and the speed of the calculated sound VS from a prerecorded law of the form:
  • H is the relative humidity
  • F is a pre-recorded univocal function
  • VS is the speed of sound calculated by the calculator.
  • G3 a generator of another acoustic wave train, this generator being fixed on the surface of the mobile and located at a position of the mobile (CG3) so that the acoustic wave train is emitted in the mass ambient air,
  • a sensor (C3) of acoustic waves this sensor being fixed on the surface of the mobile to another position (CC3) of the mobile situated at the rear of (CG3) so that it can receive the train of acoustic wave emitted by the generator G3,
  • a calculator making it possible to calculate the relative speed of the mobile with respect to the ambient air mass, the speed of sound and the angle of incidence of the mobile relative to the ambient air current from
  • two or three of the generators Gl, G2 and G3 are replaced by one or two generators emitting a wave train to the sensors C1, C2 and C3, the time t1 being the travel time of the wave train from the transmitter to to the receiver C1, the time t2 being the travel time of the wave train from the generator to the receiver C2 and t3 being the travel time of the wave train from the generator to the receiver C3.
  • the receivers C1, C2 and C3 are replaced by a single receiver C4 receiving the wave trains emitted by the generators G1, G2 and G3, the time t1 being the travel time of the wave train from the transmitter G1 to receiver C4 and the time t2 being the travel time of the wave train from the generator G2 to the receiver C4 and t3 being the travel time of the wave train from the generator G3 to the receiver C4.
  • the mobile is a plane of symmetrical shape with respect to a plane of symmetry, not including an engine air inlet on the upper part of the fuselage and where
  • the position CGI of the generator Gl is chosen substantially in the plane of symmetry plane, in the front and upper part of the fuselage,
  • the position CCI of the sensor C1 is chosen in the plane of symmetry plane, in the front and upper part of the vertical tail.
  • the position CG2 of the generator G2 is chosen substantially in the plane of plane symmetry, in the central and upper part of the fuselage,
  • the position C2 of the sensor C2 is chosen in the plane of symmetry plane, in the front and upper part of the vertical tail.
  • the mobile is a plane of symmetrical shape with respect to a plane of symmetry, and comprising a motor air inlet on the upper part of the fuselage and
  • the position CGI of the generator Gl is chosen substantially in the plane of plane symmetry, in the front and upper part of the air intake of the central engine,
  • the position CCI of the sensor C1 is chosen in the plane of symmetry plane, in the front and upper part of the vertical tail.
  • the position CG2 of the generator G2 is chosen substantially in the plane of plane symmetry, in the central and upper part of the air intake of the central engine,
  • the position C2 of the sensor C2 is chosen in the plane of symmetry plane, in the front and upper part of the vertical tail.
  • the device is recaled when the speed of the mobile is zero. at least one of the positions of the acoustic wave train generators and the receivers of these acoustic wave trains is located on the mobile at a location where the boundary layer is thin.
  • Figure 1 schematically shows a side view of a modern airliner incorporating the device consisting of two generators and two receivers.
  • Figure 2 schematically shows a side view of a modern airliner incorporating the device consisting of two generators and a receiver.
  • Figure 3 schematically shows a side view of a modern airliner incorporating the device consisting of a generator and two receivers.
  • Figure 4 schematically shows a side view of a modern airliner incorporating the device consisting of three generators and a receiver.
  • Figure 5 schematically shows a side view of a modern business aircraft incorporating the device consisting of a generator and two receivers.
  • Figure 6 schematically shows a side view of a modern airliner incorporating the device consisting of a generator and two receivers.
  • the trajectories of the wave trains generated by the two generators while the aircraft is moving at a speed of about Mach 0.75.
  • FIG. 1 is shown a side view of a modern large aircraft.
  • a first acoustic wave generator Gl is placed near the plane of symmetry plane and on the upper part and at the front of the plane. This generator emits a characteristic wave train above and behind. Near the upper leading edge of the drift is placed a C1 acoustic wave receiver. The train of waves moves in the air at the speed of sound VS.
  • a second acoustic wave generator G2 is placed near the plane of symmetry plane and on the upper and central part of the aircraft. This generator emits a characteristic wave train above and behind. Near the upper leading edge of the drift is placed a C2 acoustic wave receiver.
  • FIG 2 is shown a side view of a modern large aircraft.
  • a first acoustic wave generator Gl is placed near the plane of symmetry plane and on the upper part and the front of the aircraft. This generator emits a characteristic wave train above and behind. Near the upper leading edge of the fin is placed a C3 acoustic wave receiver. The train of waves moves in the air at the speed of sound VS.
  • a second acoustic wave generator G2 is placed near the plane of symmetry plane and on the upper and central part of the aircraft. This generator emits a characteristic wave train above and behind.
  • the sensor C3 is designed to also receive the wave train generated by the sensor G1.
  • FIG 3 is shown a side view of a modern large aircraft.
  • a G3 acoustic wave generator is placed near the plane of symmetry plane and on the upper part and the front of the aircraft. This generator emits a characteristic wave train above and behind. Near the upper leading edge of the fin is placed an acoustic wave receiver C1. Near the upper leading edge of the fin is placed an acoustic wave receiver C2 which also receives the wave train generated by G3.
  • FIG. 4 is a " modern side view of a modern carrier.”
  • Three acoustic wave train generators are placed on the top of the fuselage near the airplane plane of symmetry respectively on the part of the aircraft. before; on the central part, and on the rear part of the fuselage. These generators emit wave trains up and down.
  • a C4 acoustic wave receiver Near the upper leading edge of the fin is placed a C4 acoustic wave receiver. This acoustic sensor C4 is designed to receive the three wave trains generated by Gl, G2 and G3.
  • FIG 5 is shown a side view of a modern business aircraft.
  • a first acoustic wave generator G 1-2 is placed near the aircraft plane of symmetry and on the upper part of the air inlet of the central engine. This generator emits a characteristic wave train above and behind. Near the upper leading edge of the drift is placed an acoustic wave receiver C1. Near the leading edge, and halfway up the drift is placed an acoustic wave receiver C2 also receiving the train. wave generated by G 1 -2.
  • FIG 6 is shown a side view of a modern large aircraft.
  • the solid lines represent the paths of the wave trains when the aircraft is at rest.
  • the dotted lines represent the course of the wave trains when the aircraft is moving at a speed of about Mach 0.75.
  • Points 01 and 02 represent the points of impact of the wave on the respective receivers.
  • a mobile 1, here a modern heavy aircraft comprises in the upper part and at the front of the fuselage a transmitter G 1 of an acoustic wave train in the surrounding air mass.
  • Cl acoustics is placed on the top and forward of the drift. Under these conditions the acoustic wave train passes through only two relatively thin boundary layers. As these boundary layers have a lower average speed than the speed of the aircraft, the fact that at these selected locations the boundary layer is very thin allows to change the course of the wave train only marginally.
  • the aircraft moves at the speed VA substantially directed along the longitudinal axis OX.
  • An axis parallel to the yaw axis of the aircraft is represented by the axis OZ.
  • the train of waves moves at the speed of sound VS.
  • the wave emitted by the generator G 1 meets the sensor C1 at 01.
  • the distance between the generator and the sensor projected on the Z axis is equal to H1.
  • the distance between the generator and the projected sensor on the X axis is equal to Dl.
  • the distance between the generator Gl and 01 projected on the X axis is equal to Dal and the distance between the generator 01 and the sensor C1 is equal to Dbl.
  • the time tl of travel of the wave between its emission by the generator G 1 and its reception by the sensor C1 is equal to tl.
  • a conventional means makes it possible to measure the time t1 by comparing the offset between the emitted wave train and the received wave train. Today, classical methods measure this time with great precision (less than a microsecond). Similarly for the wave train generated by the generator G2 and received by the receiver Cl -2.
  • the receiver C1 -2 is designed to receive the two trains of waves emitted by Gl and G2 alternately.
  • the wave emitted by the generator G2 meets the sensor Cl -2 at 02.
  • the distance between the generator and the sensor projected on the Z axis is equal to H2 which here is equal to Hl.
  • the distance between the generator and the projected sensor on the X axis is equal to D2.
  • the distance between the generator G2 and O2 projected on the X axis is equal to Da2 and the distance between the generator O2 and the sensor Cl -2 is equal to Db2.
  • the travel time of the wave between its emission by the generator G2 and its reception by the sensor Cl -2 is equal to t2.
  • the angle formed by the lines [Gl; Cl-2] and the X axis is greater than 4 °, and the angle formed by the lines [Gl; Cl-2] and the line [G2 Cl-2] is greater than 4 °.
  • Pre-established calculation means makes it possible to precisely define both the speed of the aircraft VA and the speed of the sound VS, as a function of the values of t1, t2, Dal, Da2, Dbl, Db2, H1, D1, D2.
  • the values Dal, Da2, Dbl, Db2, H1, D1, and D2 are geometrical values that can be measured with great accuracy to better than a ten thousandth (0.1%), the values of tl and t2 of the order of a tenth of a second can be measured better than the microsecond (to within 0.001%).
  • the values obtained can be checked on the ground, at zero speed, and the system re-calibrated for example at each startup of the system.
  • VA D 1 / tl - (VS 2 - (H l 2 / t 1 2 )) 0 5 (Equation 1)
  • VA D2 / t2 - (VS 2 - (H 1 2 / t 2 2 )) 0 5 (Equation 2)
  • Equation 3 allows the calculation of the speed of its VS as a function of the values of t1, t2, H1, D1, D2.
  • Equations 4 and then Equation 1 make it possible to calculate the speed of the sound VS and the airplane speed VA according to the known values of Dl, tl, D2, t2, H1 only.
  • the resolution of these equations shows that, for the chosen arrangement, a value pair of t1 and t2 correspond to a single plane speed value VA and a single speed value of the sound VS.
  • Error calculations assuming a microsecond error on the measurement of travel time show that in the case of the chosen layout, for a jumbo jet for the values of speed of sound and airplane speed, the accuracy is better than one percent, in the entire flight envelope, which is sufficient for aeronautical applications.
  • three acoustic wave trains transmitted respectively by three generators G1, G2, and G3 are routed to the triple Cl-2-3 sensor.
  • This sensor is designed to receive the three trains of waves one after the other, here fed discontinuously.
  • the travel times of these three wave trains are respectively tl, t2, and t3.
  • the angles between the courses of the wave trains are greater than 4 °. It is shown that if the generators and the triple sensor are substantially arranged according to Figure 4 then it is possible to unambiguously deduce the values of
  • the acoustic system can therefore include a self-monitoring function, which can not be done today airspeed sensors, and that is why there are three airfield sensors on airliners;
  • the device described here is therefore industrializable at low cost.

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Abstract

Dispositif précis et fiable permettant la détermination de la vitesse relative VA d'un mobile 1 par rapport à une masse d'air ambiante MA environnant le mobile, ce mobile comprenant une partie avant et une partie arrière, ce mobile se déplaçant vers l'avant, et pouvant évoluer dans un grand domaine de vitesse (au moins de Mach 0.00 à Mach 0,80) cettedite masse d'air comprenant éventuellement des particules gazeuses et/ou liquides et/ou solides, à un instant t, comprenant deux trains d'ondes acoustiques formant un angle d'au moins 4° et permettant de calculer la vitesse du mobile et la vitesse du son à chaque instant indépendamment des conditions de givrage et de fortes pluies.

Description

Titre : Vélocimètre acoustique
La présente invention concerne principalement mais pas uniquement un vélocimètre acoustique permettant principalement
d'améliorer la précision et la fiabilité des mesures de vitesses relatives d'un fluide par rapport à une structure.
Elle a plus particulièrement comme objet la mesure relative de la vitesse d'un gaz par rapport à une structure.
Elle concerne plus particulièrement mais non exclusivement la mesure fiable de la vitesse relative de l'air ambiant par rapport à une structure.
Elle s'applique notamment à la mesure de la vitesse relative de l'air ambiant autour d'une structure en mouvement.
Elle convient tout à fait, également, à la mesure de la vitesse d'une masse d'air en mouvement par rapport à une structure fixe.
Elle convient particulièrement bien, également, à la mesure de la vitesse aérodynamique d'un avion notamment en conditions givrantes et/ou sous fortes pluies.
Actuellement l'aviation commerciale est relativement sûre si l'on rapporte le nombre d'accidents aux kilomètres passagers parcourus.
Toutefois le nombre d'accidents est encore trop élevé. L'impact médiatique d'un accident grave est considérable et ralentit notablement le développement d'une industrie qui devrait encore se développer dans les années avenir.
La mesure de la vitesse d'un avion par rapport à la masse d'air ambiant est fondamentale pour sa sécurité. En effet à basse altitude et à basse vitesse l'avion risque de décrocher, et à haute altitude une plage étroite de vitesse permet à l'avion de rester en l'air. En effet compte tenu de la faible densité de l'air en altitude l'avion décroche à une vitesse relativement élevée alors qu'une survitesse conduit à la destruction de l'appareil.
D'autre part les systèmes automatiques de l'avion (pilote automatique, auto manette, ...) sont liés directement aux indications de vitesse par rapport à l'air ambiant. Une fausse indication de vitesse peut générer des accidents graves notamment en cas de fausses informations simultanées de plusieurs sondes de vitesse.
Plusieurs accidents sont dus de façon certaine à la mauvaise indication des sondes de vitesses. Dans d'autres cas graves de fausses indications de vitesses sont suspectées d'avoir été la cause directe ou indirecte d'incidents graves.
Les cas de mauvais fonctionnement des sondes actuelles ont généralement lieu dans des conditions météorologiques exceptionnellement difficiles (givrage et/ou fortes pluies)
Les sondes "Pitot" du nomade leur inventeur existent depuis plusieurs centaines d'années. Elles ont été utilisées sur les bateaux puis améliorées par M. Ludwick Prandtl.
Les sondes Pitot ou tube de Prandtl sont utilisés de façon systématique sur les avions actuels qu'ils soient civils ou militaires. Elles comportent un orifice sur l'avant de la sonde. Cet orifice est relié à un capteur de pression. Cette pression est appelée pression dynamique ou pression d'arrêt. Cette pression dynamique est comparée à une pression statique mesurée sur la sonde elle-même ou à un autre endroit de l'avion. Des lois de correspondance permettent de déduire la vitesse aérodynamique avion à partir des valeurs mesurées de pression dynamique et pression statique. Ces sondes sont simples, précises, mais sont sensibles aux fortes conditions givrantes et aux fortes pluies. Elles sont en général chauffées, mais si, par exemple, le diamètre des glaçons présents dans l'air traversé est supérieur à l'orifice d'entrée de la sonde, il est probable que cette sonde soit obturée et ne fonctionne plus correctement. D'autre part en général, ces sondes comportent un drain d'évacuation de l'eau. Ce drain permet l'évacuation d'un certain débit d'eau. Si le débit d'eau ingéré par le tube Pitot est supérieur au débit d'eau maximal du drain, il est probable que la sonde ne puisse plus fonctionner.
Classiquement, les sondes de type "Pitot" sont employées pour mesurer la vitesse aérodynamique sur avion, pourtant ces sondes semblent poser des problèmes dans certaines conditions exceptionnelles fortement givrantes et/ou sous fortes pluie.
Il existe un mode commun de défaillance lorsque toutes les sondes traversent les mêmes conditions météorologiques exceptionnelles.
Des améliorations aux tubes Pitot ont été proposées, afin de les rendre moins sensibles aux conditions givrantes et/ou aux fortes pluies. Le chauffage des tubes Pitot existe depuis très longtemps. Malheureusement les solutions proposées ont des limites qui font que les tubes Pitot sont toujours sensibles à certaines conditions climatiques exceptionnelles (diamètre des grêlons, débit d'eau ingéré, ...). En effet à partir du moment où un orifice est placé vers l'avant, la probabilité qu'il soit obturé par un grêlon ou un fort débit d'eau n'est pas nulle. D'autres moyens de mesure de la vitesse d'un avion par rapport à la masse d'air ambiant ont été proposés, comme les mesures utilisant des faisceaux laser pour mesurer la vitesse des particules présentes dans l'atmosphère. Malheureusement en altitude, l'atmosphère est souvent pure et ne comporte pas de particules d'eau ou de poussière. Cette méthode ne peut donc pas être utilisée.
Il existe des systèmes à ultrason permettant de mesurer la distance séparant deux points fixes, comme des murs par exemple. Ces systèmes ne permettent pas de mesurer la vitesse d'un mobile par rapport à l'air ambiant.
Il existe des systèmes basés sur l'effet « Doppler ». Ces systèmes permettent de mesurer la vitesse d'un mobile par rapport à un point fixe dans l'espace. Ils ne permettent pas de mesurer la vitesse d'un mobile par rapport à la masse d'air ambiante.
Des systèmes de mesure de vents terrestres existent et sont basés sur la mesure du temps de propagation d'une onde acoustique, généralement des ultrasons, se propageant entre deux points placés dans le vent. Afin de corriger quelque peu la variation de vitesse du son dans l'air en fonction de la température, présence de gouttes d'eau, ... il a été proposé de faire un aller retour entre ces deux points. Malheureusement cette méthode ne s'applique pas à un mobile évoluant à des vitesses élevées. En effet le « retour » doit se faire contre le vent, et si la vitesse du mobile est proche de la vitesse du son la distance de cheminement de l'onde « retour » est très importante. La diminution de puissance du signal étant sensiblement exponentielle avec la distance, l'onde aura disparue bien avant d'atteindre le point d'écoute de l'onde « retour ». Cette méthode est donc inapplicable pour mesurer la vitesse d'un avion par rapport à la masse d'air ambiant dans tout le domaine de vol d'un avion commercial ou militaire, ou d'un drone. L'objectif de l'invention proposée ici permet de résoudre le problème posé de la fiabilité des sondes de vitesses en conditions givrantes et/ou sous fortes pluies en s'affranchissant complètement des conditions givrantes et/ou de fortes pluies et ceci dans tout le domaine de vol. Elle combat l'idée universellement acceptée que seul un tube "Pitot" permet de mesurer de façon suffisamment précise la vitesse par rapport à l'air d'un avion dans tout le domaine de vol d'un avion civil ou militaire ou d'un drone.
L'invention permet également de proposer une solution complémentaire au tube Pitot en créant un ensemble de mesures redondantes en éliminant les modes commun de défaillance de la mesure.
L'invention permet en outre de mesurer la vitesse du son dans l'atmosphère environnante, et en comparant la vitesse du son réelle avec la vitesse du son théorique en fonction de la température, et éventuellement en fonction de la pression statique, l'invention permet d'en déduire le taux de présence d'eau dans l'atmosphère de la masse d'air ambiant.
L'invention permet aussi de calculer l'incidence de la structure par rapport à la direction du vent relatif.
Dans la description ci-après les termes mentionnés auront la définition suivante :
- Couche limite : c'est la couche d'air qui frotte sur le solide en mouvement dans le fluide. Par exemple pour un avion la couche limite est très faible (quelques millimètres sur les parties avant du fuselage de l'avion ou sur les bords d'attaque des ailes et empennages) et de quelques centimètres voir quelques dizaines de centimètres à l'arrière du fuselage de l'avion. - Nombre de Mach : rapport entre la vitesse du mobile et vitesse du son.
Les avions, les hélicoptères et même les drones ont besoin de connaître la vitesse par rapport à la masse d'air ambiant avec une grande précision. Une précision de 1 % semble être juste acceptable pour piloter un avion ou un drone en toute sécurité. Il est donc nécessaire d'atteindre cette précision pour garantir la sécurité. D'autre part les tubes Pitot semblent être sensibles à des conditions exceptionnelles de givre et/ou de fortes pluies. Il est donc important de concevoir un dispositif de mesure de vitesse fiable et insensible aux conditions givrantes et/ou aux fortes pluies.
Il est très important que le moyen employé ne soit pas influencé par la couche limite existant au voisinage de la peau du mobile. En effet la couche limite existe de part la viscosité de l'air autour du mobile. Cette couche limite augmente en épaisseur au fur et à mesure que l'air frotte la surface externe de la structure du mobile. La vitesse des molécules d'air varie depuis la surface du mobile où elle est sensiblement égale à la vitesse du mobile, à une vitesse nulle à l'extérieur de la couche limite.
L'invention parvient à résoudre les problèmes énoncés
précédemment en proposant un dispositif précis et fiable permettant la détennination de la vitesse relative VA d'un mobile par rapport à une masse d'air ambiante MA environnant le mobile, ce mobile comprenant une partie avant et une partie arrière, ce mobile se déplaçant vers l'avant, et pouvant évoluer dans un grand domaine de vitesse (au moins de Mach 0.00 à Mach 0,80), ce mobile comportant un axe sensiblement longitudinal OX, cettedite masse d'air comprenant éventuellement des particules gazeuses et/ou liquides et/ou solides, à un instant t, ce dispositif comprenant - un générateur (Gl) d'un train d'ondes acoustiques, ce générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CGI) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant,
- un capteur (Cl) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile à une autre position (CCI) du mobile située à l'arrière de (CGI) de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur Gl,
- un générateur (G2) d'un autre train d'ondes acoustiques, ce générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CG2) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant,
- un capteur (C2) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile et à une autre position (CC2) du mobile située à l'arrière de (CG2) de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur G2,
- un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (tl) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur G 1 et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur Cl.
- un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (t2) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur G2 et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur C2.
- un calculateur permettant, de calculer la vitesse relative du mobile par rapport à la masse d'air ambiant à partir
- de la position (CGI) du générateur (Gl)
- de la position (CCI) du capteur (Cl)
- de la position (CG2) du générateur (G2)
- de la position (CC2) du capteur (C2)
- du temps (tl) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur Gl et la réception du même train d'onde par le capteur Cl, - du temps (t2) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G2 et la réception du même train d'onde par le capteur C2,
l'angle formé entre la droite [CGI - CCI] et l'axe OX étant un angle supérieur à 4 °,
l'angle formé entre la droite [CGI -CCI] et la droite [CG2-CC2] étant un angle supérieur à 4 °.
Dans des modes de réalisation non limitatifs, le dispositif selon l'invention pourra présenter les éléments et/ou les caractéristiques supplémentaires décrits ci-après pris isolément ou en combinaison de manière avantageuse dans lequel
- .les générateur Gl et G2 sont remplacés par un seul générateur G3 émettant un train d'onde vers les capteurs CCI et CC2, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur G3 au récepteur Cl et le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G3 au récepteur C2.
- les récepteurs Cl et C2 sont remplacés par un seul récepteur C3 recevant les trains d'ondes émis par les générateurs Gl et G2, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur Gl au récepteur C3 et le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G2 au récepteur C3.
- le calculateur permettant de calculer la vitesse relative du mobile par rapport à la masse d'air ambiant, permet en outre de calculer avec précision la vitesse du son VS.
- le dispositif comprend un moyen de vérification de la bonne marche du dispositif en mesurant en outre la température T de l'air ambiant, afin d'obtenir la vitesse théorique VST du son en fonction de la température à partir d'une table préétablie d'une part et en la comparant avec la valeur de la vitesse du son calculée VS d'autre part, pour vérifier si l'écart existant entre ces deux valeurs de vitesse du son ne dépasse pas une valeur spécifiée, valeur spécifiée qui peut évoluer avec la valeur de la vitesse du son.
- le dispositif comprend un calculateur permettant de déduire le taux d'humidité de l'air à partir de la température T, et de la Vitesse du son calculée VS à partir d'une loi préenregistrée de la forme :
H=F(T, VS)
où H est l'humidité relative, F est une fonction univoque préenregistrée, et VS est la vitesse du son calculée par le calculateur.
- un générateur (G3) d'un autre train d'ondes acoustiques, ce générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CG3) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant,
- un capteur (C3) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile à une autre position (CC3) du mobile située à l'arrière de (CG3) de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur G3,
- d'un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (t3) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur G3 et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur C3,
- d'un calculateur permettant de calculer la vitesse relative du mobile par rapport à la masse d'air ambiant, la vitesse du son et l'angle d'incidence du mobile par rapport au courant d'air ambiant à partir
- de la position (CG 1 ) du générateur (G 1 )
- de la position (CCI) du capteur (Cl)
- de la position (CG2) du générateur (G2) - de la position (CC2) du capteur (C2)
- de la position (CG3) du générateur (G3)
- de la position (CC3) du capteur (C3)
- du temps (tl) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur Gl et la réception du même train d'onde par le capteur Cl,
- du temps (t2) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G2 et la réception du même train d'onde par le capteur C2,
- du temps (t3) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G3 et la réception du même train d'onde par le capteur C3, l'angle formé entre la droite [CG2-CC2] et la droite [CG3-CC3] ayant une valeur supérieure à 4 °.
- deux ou trois des générateurs Gl , G2 et G3sont remplacés par un ou deux générateurs émettant un train d'onde vers les capteurs Cl, C2 et C3 le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur jusqu'au récepteur Cl, le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur jusqu' au récepteur C2 et t3 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur jusqu' au récepteur C3.
- les récepteurs Cl, C2 et C3 sont remplacés par un seul récepteur C4 recevant les trains d'ondes émis par les générateurs Gl, G2 et G3, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur Gl au récepteur C4 et le temps t2 étant le temps dé parcours du train d'onde depuis le générateur G2 au récepteur C4 et t3 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G3 au récepteur C4. - le mobile est un avion de forme symétrique par rapport à un plan de symétrie, ne comprenant pas d'entrée d'air moteur sur la partie supérieure du fuselage et où
- la position CGI du générateur Gl est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure du fuselage,
- la position CCI du capteur Cl est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- la position CG2du générateur G2 est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie centrale et supérieure du fuselage,
- la position CC2du capteur C2 est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- le mobile est un avion de forme symétrique par rapport à un plan de symétrie, et comprenant une entrée d'air moteur sur la partie supérieure du fuselage et où
- la position CGI du générateur Gl est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'entrée d'air du moteur central,
- la position CCI du capteur Cl est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- la position CG2du générateur G2 est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie centrale et supérieure de l'entrée d'air du moteur central,
- la position CC2du capteur C2 est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- le dispositif est recalé lorsque la vitesse du mobile est nulle. - au moins une des positions des générateurs de trains d'ondes acoustiques et des récepteurs de ces trains d'ondes acoustiques est située sur le mobile à un endroit où la couche limite est peu épaisse.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente schématiquement une vue de coté d'un avion de ligne moderne intégrant le dispositif composé de deux générateurs et de deux récepteurs.
La figure 2 représente schématiquement une vue de coté d'un avion de ligne moderne intégrant le dispositif composé de deux générateurs et d'un récepteur.
La figure 3 représente schématiquement une vue de coté d'un avion de ligne moderne intégrant le dispositif composé d'un générateur et de deux récepteurs.
La figure 4 représente schématiquement une vue de coté d'un avion de ligne moderne intégrant le dispositif composé de trois générateurs et d'un récepteur.
La figure 5 représente schématiquement une vue de coté d'un avion d'affaire moderne intégrant le dispositif composé d'un générateur et de deux récepteurs.
La figure 6 représente schématiquement une vue de coté d'un avion de ligne moderne intégrant le dispositif composé d'un générateur et de deux récepteurs. Sur ce dessin sont représentées les trajectoires des trains d'ondes générés par les deux générateurs, alors que l'avion se déplace à la vitesse de Mach 0,75 environ.
Sur la figure 1 est représentée une vue de coté d'un avion gros porteur moderne. Un premier générateur d'ondes acoustiques Gl est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure et à l'avant de l'avion. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques Cl. Le train d'ondes se déplace dans l'air à la vitesse du son VS. Un deuxième générateur d'ondes acoustiques G2 est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure et centrale de l'avion. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques C2.
Sur la figure 2 est représentée une vue de coté d'un avion gros porteur moderne. Un premier générateur d'ondes acoustiques Gl est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure et à l'avant de l'avion. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques C3. Le train d'ondes se déplace dans l'air à la vitesse du son VS. Un deuxième générateur d'ondes acoustiques G2 est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure et centrale de l'avion. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Le capteur C3 est conçu pour recevoir également le train d'onde généré par le capteur Gl .
Sur la figure 3 est représentée une vue de coté d'un avion gros porteur moderne. Un générateur d'ondes acoustiques G3est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure et à l'avant de l'avion. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques Cl. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques C2 recevant également le train d'onde généré par G3.
Sur la figure 4 est r eprésentée une" vue de coté d'ra avkttrgros porteur moderne. Trois générateurs de train d'onde acoustique sont placés sur le haut du fuselage près du plan de symétrie avion respectivement sur la partie avant; sur la partie centrale, et sur la partie arrière du fuselage. Ces générateurs émettent des trains d'ondes au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques C4. Ce capteur acoustique C4 est conçu pour recevoir les trois trains d'ondes générés par Gl, G2 et G3.
Sur la figure 5 est représentée une vue de coté d'un avion d'affaire moderne. Un premier générateur d'ondes acoustiques G 1-2 est placé près du plan de symétrie avion et sur la partie supérieure de l'entrée d'air du moteur central. Ce générateur émet un train d'ondes caractéristiques au dessus et en arrière. Près du bord d'attaque supérieur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques Cl. Près du bord d'attaque, et à mi-hauteur de la dérive est placé un récepteur d'ondes acoustiques C2 recevant également le train d' onde généré par G 1 -2.
Sur la figure 6 est représentée une vue de coté d'un avion gros porteur moderne. Les lignes en trait plein représentent les parcours des trains d'ondes lorsque l'avion est au repos. Les traits pointillés représentent les parcours des trains d'onde lorsque l'avion évolue à la vitesse de Mach 0,75 environ. Les points 01 et 02 représentent les points d'impact de l'onde sur les récepteurs respectifs.
Dans un premier exemple non limitatif de réalisation, illustré sur la figure 6, un mobile 1 ici un avion moderne gros porteur, comprend dans la partie supérieure et à l'avant du fuselage un émetteur Gl d'un train d'ondes acoustiques dans la masse d'air environnante. Un récepteur d'ondes
acoustiques Cl est placé sur la partie supérieure et en avant de la dérive. Dans ces conditions le train d'onde acoustique ne traverse que deux couches limites relativement minces. Comme ces couches limites ont une vitesse moyenne inférieure à la vitesse de l'avion, le fait qu'à ces emplacements choisis la couche limite soit très mince permet de modifier le parcours du train d'ondes que de façon marginale. On peut d'ailleurs, par des essais, définir une table de correction pour tenir compte de cet aspect des choses. L'avion se déplace à la vitesse VA sensiblement dirigée suivant l'axe longitudinal OX. Un axe parallèle à l'axe de lacet de l'avion est représenté par l'axe OZ. Le train d'ondes se déplace à la vitesse du son VS. L'onde émise par le générateur G 1 rencontre le capteur Cl en 01. La distance entre le générateur et le capteur projetée sur l'axe des Z est égale à Hl. La distance entre le générateur et le capteur projetée sur l'axe des X est égale à Dl. La distance entre le générateur Gl et 01 projetée sur l'axe des X est égale à Dal et la distance entre le générateur 01 et le capteur Cl est égale à Dbl. Le temps tl de parcours de l'onde entre son émission par le générateur G 1 et sa réception par le capteur Cl est égal à tl . Ici un moyen classique permet de mesurer le temps tl en comparant le décalage entre le train d'ondes émis et le train d'ondes reçu. Aujourd'hui, les méthodes classiques permettent de mesurer ce temps avec une grande précision (inférieure à la microseconde). De même pour le train d'onde généré par le générateur G2 et reçu par le récepteur Cl -2. Ici le récepteur Cl -2 est conçu pour recevoir les deux trains d'ondes émis par Gl et G2 alternativement. L'onde émise par le générateur G2 rencontre le capteur Cl -2 en 02. La distance entre le générateur et le capteur projetée sur l'axe des Z est égale à H2 qui ici est égale à Hl. La distance entre le générateur et le capteur projetée sur l'axe des X est égale à D2. La distance entre le générateur G2 et 02 projetée sur l'axe des X est égale à Da2 et la distance entre le générateur O2et le capteur Cl -2 est égale à Db2. Le temps de parcours de l'onde entre son émission par le générateur G2 et sa réception par le capteur Cl -2 est égal à t2.
Dans ce cas particulier l'angle formé par la droites [Gl ;Cl-2] et l'axe des X est supérieure à 4°, et l'angle formé par la droites [Gl ;Cl-2] et la droite [G2 ;Cl-2] est supérieure à 4°.
Un moyen de calcul préétabli permet de définir avec précision à la fois la vitesse de l'avion VA et la vitesse du son VS, en fonction des valeurs de tl, t2 , Dal, Da2, Dbl, Db2, H1,D1, D2. Les valeurs Dal, Da2, Dbl, Db2, Hl, Dl, et D2 sont des valeurs géométriques qui peuvent être mesurées avec grande précision à mieux qu'un dix millième près (0,1 %), les valeurs de tl et t2 de l'ordre du dixième de seconde peuvent être mesurées à mieux que la microseconde (à 0,001% près). Les valeurs obtenues peuvent être vérifiées au sol, à vitesse nulle, et le système re-calibré par exemple à chaque mise en route du système.
Il existe une relation univoquë RI (de la forme VA=Rl(tl, VS) entre le temps tl et la vitesse de l'avion VA, pour une vitesse du son donnée. De même il existe une relation univoqiie R2 (de la forme VA=R2(t2, VS) entre le temps t2 et la vitesse de l'avion VA, pour une vitesse du son donnée.
On obtient ainsi un système de deux équations à deux inconnues (VS et VA). La résolution de ces deux équations nous donne la valeur de VS et VA de façon très précise. Il est possible de montrer que les positions relatives choisies pour les deux générateurs et les deux récepteurs donnent les résultats les plus précis et permettent d'obtenir une seule valeur de vitesse VA et une seule valeur de VS pour chaque couple de valeurs tl et t2
VA = D 1/tl - (VS2 - (H l2/tl2)) 0 5 (équation 1)
VA = D2/t2 - (VS2 - (H 12/t22)) 0 5 (équation 2)
d'où
D 1/tl - (VS2 - (Hl2/tl2)) 05 = D2/t2 - (VS2 - (Hl2/t22)) 05 (équation 3) L'équation 3 permet de calculer la vitesse du son VS en fonction des valeurs de tl, t2, Hl, Dl,D2.
La résolution de l'équation 3 permet d'exprimer la vitesse du son en fonction des paramètres connus (tl , t2, H 1 , D 1 , D2)
VS=(b+(a-b+c2)/2c)0 5 (équation 4)
avec a=Hl2/t22 ; b=Hl2/tl2 ; c=Dl/tl+D2/t2
L' équations 4 puis l'équation 1 permettent de calculer la vitesse du son VS puis la vitesse avion VA en fonction des seules valeurs connues de Dl, tl, D2, t2, Hl. La résolution de ces équations montre que, pour la disposition choisie, à un couple de valeur de tl et t2 correspondent une seule valeur de vitesse avion VA et une seule valeur de vitesse du son VS. Des calculs d'erreurs en prenant comme hypothèse une erreur de une microseconde sur la mesure du temps de parcours, montrent que dans le cas de la disposition choisie, pour un avion gros porteur pour les valeurs de vitesse du son et de vitesse avion, les précisions sont meilleures qu'un pour cent, dans tout le domaine de vol, ce qui est suffisant pour les applications aéronautiques. On voit donc dans ce premier exemple non limitatif de réalisation, qu'il est possible de réaliser un dispositif économique, permettant de déterminer la vitesse d'un mobile par rapport à la masse d'air ambiant de façon univoque avec une précision meilleure que 1 %, dans tout le domaine de vol d'un avion civil ou militaire (de Mach 0 à un Mach supérieur à 0,8), indépendamment des conditions d'humidité et de présence de particules solides ou liquides dans l'atmosphère environnante, en choisissant des emplacements particuliers pour le générateur et le récepteur où la couche limite est relativement mince, et en respectant les angles minima prescrits existant entre les parcours des deux trains d'onde.
Il est possible connaissant la vitesse réelle du son et la température ambiante d'en déduire le taux d'humidité. La connaissance de ce taux d'humidité de l'air ambiant peut être importante pour le pilote afin de connaître avec précision les risques de givrage. Par exemple si la température est négative et si le taux d'humidité est élevé, les risques de givrages sont importants. En effet la vitesse du son dans l'air varie principalement avec la température, puis un peu en fonction du taux d'humidité contenu dans l'atmosphère. Ici notre système acoustique permet de connaître la vitesse du son. Une prise "dë température permet de connaître la température ambiante. Des tables donnent l'influence de l'humidité sur la vitesse du son. Il est donc possible de déduire le taux d'humidité de l'air en connaissant la vitesse réelle du son, et la température. Par exemple si la vitesse du son mesurée par le système acoustique est égale à la vitesse du son théorique dans l'air pour une température donnée, alors on peut en déduire que le taux d'humidité est nul.
Dans un deuxième exemple non limitatif de réalisation, illustré sur la figure 4, trois trains d'ondes acoustiques émis respectivement par trois générateurs Gl, G2, et G3, sont acheminés vers le capteur triple Cl-2-3. Ce capteur est conçu pour recevoir les trois trains d'ondes les uns après les autres, ici acheminés en discontinu. Les temps de parcours de ces trois trains d'onde sont respectivement tl, t2, et t3. Ici les angles entre les parcours des trains d'ondes sont supérieurs à 4°. On démontre que si les générateurs et le capteur triple sont sensiblement disposés selon la figure 4 alors il est possible de déduire de façon univoque les valeurs de
- la vitesse avion VA
- la vitesse du son VS
- et de l'angle d'incidence de l'avion
à partir des coordonnées de position des générateurs et du capteur triple, et des temps de parcours tl, t2, et t3.
Un calcul d'erreur permet de vérifier que la précision obtenue sur les valeurs de VA, VS, et de l'incidence sont tout à fait compatibles des besoins
aéronautiques.
On voit donc qu'il est possible, contrairement à ce qui était antérieurement imaginé, de calculer la vitesse relative d'un avion ou d'un drone par rapport à la masse d'air ambiant avec une bonne précision (mieux qu'un pour cent) à partir des données géométriques de position des
générateurs et des capteurs de temps de parcours des trains d'onde entre les émetteurs et capteurs, et ceci indépendamment des autres paramètres comme la pression, le taux d'humidité, la présence de gouttelettes d'eau, de brouillard, de neige, de poussières, ... En comparant la vitesse calculée du son par le système acoustique, avec ce que devrait être la vitesse du son pour une température et en considérant les valeurs extrêmes de taux d'humidité, il est possible de vérifier que le système fonctionne correctement. En, effet la vitesse du son varie peu en fonction du taux d'humidité (moins de 1% pour des températures inférieures à 0°, et de quelques pourcents à des températures supérieures). Le système acoustique peut donc inclure une fonction d'autocontrôlé, ce que ne peuvent pas faire aujourd'hui les sondes de vitesses anémométriques, et ce qui explique que ces sondes anémométriques sont au nombre de trois sur les avions de ligne ;
D'autre part on voit que l'utilisation de composants classiques ayant des niveaux de précision standard permet d'arriver à une bonne précision.
Le dispositif décrit ici est donc industrialisable à cout faible.
Contrairement aux préjugés qui consistaient à croire que seules les sondes de type "Pitot" comportant un orifice vers l'avant permettent de mesurer de façon précise la vitesse d'un avion, le dispositif objet de l'invention permet de fournir des informations précises et fiables de vitesse
aérodynamique indépendamment des conditions climatiques et
indépendamment de la présence dans l'atmosphère de particules solides ou liquides (grêlons, fortes pluies, insectes, sable...). Il permet en outre une redondance réelle avec d'autres systèmes classiques de mesure de vitesse. Il permet en outre un autocontrôle de la vitesse affïchée.il permet également de connaitre le taux d'humidité de l'air ambiant, ce qui avec la connaissance de la température permet d'alerter le pilote sur les risques de givrage. L'homme de l'art pourra appliquer ce concept à de nombreux autres systèmes similaires sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications j ointes .

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif précis et fiable permettant la détermination de la vitesse relative VA d'un mobile (1) par rapport à une masse d'air ambiante MA environnant le mobile, ce mobile comprenant une partie avant et une partie arrière, ce mobile se déplaçant vers l'avant, et pouvant évoluer dans un grand domaine de vitesse (au moins de Mach 0.00 à Mach 0,80), ce mobile comportant un axe sensiblement longitudinal OX, cettedite masse d'air comprenant
éventuellement des particules gazeuses et/ou liquides et/ou solides, à un instant t,
caractérisé par la présence
- d'un générateur (Gl) d'un train d'ondes acoustiques, ce générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CGI) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant,
- d'un capteur (Cl) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile à une autre position (CCI) du mobile située à l'arrière de (CGI) et de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur G 1 ,
- d'un générateur (G2) d'un autre train d'ondes acoustiques, ce
générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CG2) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant,
- d'un capteur (C2) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile et à une autre position (CC2) du mobile située à l'arrière de (CG2) et de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur G2,
- d'un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (tl) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur Gl et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur Cl,
- d'un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (t2) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur G2 et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur C2,
- d'un calculateur permettant de calculer la vitesse relative VA du mobile par rapport à la masse d'air ambiant et la vitesse du son VS à partir
- de la position (CGI) du générateur (Gl)
- de la position (CCI) du capteur (Cl)
- de la position (CG2) du générateur (G2)
- de la position (CC2) du capteur (C2)
- du temps (tl) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur Gl et la réception du même train d'onde par le capteur Cl,
- du temps (t2) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G2 et la réception du même train d'onde par le capteur C2,
l'angle formé entre la droite [CGI - CCI] et l'axe OX étant un angle supérieur à 4 °.
l'angle formé entre la droite [CG1-CC1] et la droite [CG2-CC2] étant un angle supérieur à 4 °.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les générateur Gl et G2 sont remplacés par un seul générateur Gl-2 émettant un train d'onde vers les capteurs Cl et C2, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur Gl-2 au récepteur C 1 et le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur Gl-2 au récepteur C2. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les récepteurs Cl et C2 sont remplacés par un seul récepteur Cl -2 recevant les trains d'ondes émis par les générateurs Gl et G2, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur Gl au récepteur Cl -2 et le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G2 au récepteur Cl -2.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend un moyen de vérification de la bonne marche du dispositif en mesurant en outre la température T de l'air ambiant, afin d'obtenir la vitesse théorique VST du son en fonction de la température à partir d'une table préétablie d'une part et en la comparant avec la valeur de la vitesse du son calculée VS, pour vérifier si l'écart existant entre ces deux valeur de vitesse du son ne dépasse pas une valeur spécifiée, valeur spécifiée qui peut évoluer avec la valeur de la vitesse du son.
5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par la présence d'un calculateur permettant de déduire l'humidité de l'air à partir de la température T, et de la vitesse du son calculée VS à partir d'une loi préenregistrée de la forme :
H=F(T, VS)
où H est l'humidité relative, F est une fonction univoque préenregistrée, et VS est la vitesse du son calculée par le calculateur. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre
- un générateur (G3) d'un autre train d'ondes acoustiques, ce générateur étant fixé sur la surface du mobile et situé à une position du mobile (CG3) de telle façon que le train d'ondes acoustiques soit émis dans la masse d'air ambiant, - un capteur (C3) d'ondes acoustiques, ce capteur étant fixé sur la surface du mobile à une autre position (CC3) du mobile située à l'arrière de (CG3) et de telle façon qu'il puisse recevoir le train d'onde acoustique émis par le générateur G3,
- un moyen permettant de mesurer avec précision le temps (t3) écoulé entre l'émission du train d'ondes acoustiques par le générateur G3 et la réception du même train d'onde acoustiques par le capteur C3,
- un calculateur permettant de calculer la vitesse relative du mobile par rapport à la masse d'air ambiant, la vitesse du son et l'angle d'incidence du mobile par rapport au courant d'air ambiant à partir
- de la position (CGI) du générateur (Gl)
- de la position (CCI) du capteur (Cl)
- de la position (CG2) du générateur (G2)
- de la position (CC2) du capteur (C2)
- de la position (CG3) du générateur (G3)
- de la position (CC3) du capteur (C3)
- du temps (tl) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur Gl et la réception du même train d'onde par le capteur Cl,
- du temps (t2) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G2 et la réception du même train d'onde par le capteur C2,
- du temps (t3) qui s'est écoulé entre l'émission du train d'ondes émis par le générateur G3 et la réception du même train d'onde par le capteur C3, l'angle formé entre la droite [CG2-CC2] et la droite [CG3-CC3] ayant une valeur supérieure à 4 °. 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que deux ou trois des générateurs Gl, G2 et G3 sont remplacés par un ou deux générateurs émettant un train d'onde vers les capteurs C 1, C2 et C3, le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur jusqu'au récepteur Cl, le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur jusqu' au récepteur C2 et t3 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur jusqu' au récepteur C3.
8) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les récepteurs Cl, C2 et C3 sont remplacés par un seul récepteur C 1-2-3 recevant les trains d'ondes émis par les générateurs Gl, G2 et G3 le temps tl étant le temps de parcours du train d'onde depuis l'émetteur Gl au récepteur Cl -2-3 et le temps t2 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G2 au récepteur Cl -2-3 et t3 étant le temps de parcours du train d'onde depuis le générateur G3 au récepteur C 1 -2-3.
9) Dispositif de mesure relative de vitesse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le mobile est un avion de forme symétrique par rapport à un plan de symétrie, ne comprenant pas d'entrée d'air moteur sur la partie supérieure du fuselage et où
- la position CGI du générateur Gl est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure du fuselage,
- la position CCI du capteur Cl est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- la position CG2 du générateur G2 est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie centrale et supérieure du fuselage,
- la position CC2 du capteur C2 est choisie dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical. 10) Dispositif de mesure relative de vitesse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mobile est un avion de forme symétrique par rapport à un plan de symétrie, et comprenant une entrée d'air moteur sur la partie supérieure du fuselage et où
- la position CGI du générateur Gl est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'entrée d'air du moteur central,
- la position CCI du capteur Cl est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
- la position CG2 du générateur G2 est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie centrale et supérieure de l'entrée d'air du moteur central,
- la position CC2du capteur C2 est choisie sensiblement dans le plan de symétrie avion, dans la partie avant et supérieure de l'empennage vertical.
11) Dispositif de mesure relative de vitesse suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif est recalé lorsque la vitesse du mobile est nulle.
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