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專利名稱：皮托靜壓管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定飛行器的飛行參數(shù)或其他處理液體和氣體流動(dòng)的科技領(lǐng)域。
飛行參數(shù)的測(cè)量在飛行器(FV)的航空力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)中是最重要的問題之一。目前采用皮托靜壓管(PST)測(cè)量飛行參數(shù)(流動(dòng)參數(shù))，它們往往直接裝在飛機(jī)的機(jī)身上或其他某些飛行器的機(jī)體上，以及它的實(shí)際測(cè)量接近二維流動(dòng)的當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)參數(shù)。通常，有些測(cè)量當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)參數(shù)的PST裝在飛行器上。真正的飛行參數(shù)以在先的標(biāo)定為基礎(chǔ)確定。
由WO94/02858已知一種皮托靜壓管。已知的PST安裝在FV的機(jī)體或機(jī)身上并有一圓柱形管，圓柱管裝在一有彎曲的前緣及后緣的支柱上，當(dāng)從支柱的基底起向管子接近時(shí)前緣和后緣匯合。支柱的前緣可以是圓形的。皮托靜壓管在管的前緣內(nèi)有感受總壓的孔，而感受靜壓的孔在離管前緣的一定距離處。此皮托靜壓管有一防止結(jié)冰的加熱器。但此PST不能應(yīng)用于確定迎角，因?yàn)镻ST沒有用于感受可借助它們測(cè)量迎角的壓力的孔。嚴(yán)格地說，由94/02858可知，此皮托靜壓管并非設(shè)計(jì)用于這些目的。此外，在測(cè)視圖中看支柱，由于置入此皮托靜壓管導(dǎo)致劇烈地增加支柱橫截面型面的相對(duì)厚度，而與此同時(shí)保持為構(gòu)成空氣通道和用于加熱器所需的內(nèi)部容積不變。在高亞音速(馬赫數(shù)M=0.8-0.9)的情況下，這導(dǎo)致提前發(fā)生局部激波以及劇烈增加這種皮托靜壓管的激波阻力。
由RU2000561已知另一種裝置用于確定總壓Po、靜壓Ps并因而也確定馬赫數(shù)M、以及確定迎角α。該裝置設(shè)計(jì)成前部成夾角的板狀體，它的上表面垂直于旋轉(zhuǎn)軸線并設(shè)有測(cè)量靜壓的孔。在板后部的上表面中設(shè)一有直的前緣的半翼，前緣垂直于板的上表面以及在其端部設(shè)一總壓探頭。測(cè)量迎角的孔設(shè)在半翼直的前緣上。測(cè)量靜壓的孔、總壓探頭以及測(cè)量迎角的孔借助相應(yīng)的空氣通道與壓力轉(zhuǎn)換器連接。此裝置還配置一機(jī)體角位移變換器。測(cè)量靜壓的孔可以設(shè)在一個(gè)與板的上表面齊平的不旋轉(zhuǎn)的盤上。實(shí)際上，在此裝置內(nèi)部組合了氣動(dòng)-角變換器和皮托靜壓管的功能。所述的裝置有一些缺點(diǎn)。首先，設(shè)計(jì)復(fù)雜，這主要是由于裝置旋轉(zhuǎn)引起的。因此，它必須配備摩擦系數(shù)非常小的軸承，這是裝置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡所必需的。此外，必須配備機(jī)體的角位移變換器。實(shí)際上從第一個(gè)缺點(diǎn)引發(fā)的此第二個(gè)缺點(diǎn)增加了設(shè)計(jì)的重量。此裝置還有一個(gè)缺點(diǎn)在于，由于它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它不可能借助于不旋轉(zhuǎn)的空氣通道將總壓傳送給飛行器的機(jī)身，不同的用戶，但往往存在這種需要。將壓力從裝置的旋轉(zhuǎn)部分傳送給不旋轉(zhuǎn)的部分需要采用特殊的密封裝置，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，增加其重量，增大摩擦力矩，因而導(dǎo)致增大這種裝置起動(dòng)工作時(shí)的最小速率值。
US4378696說明了一種機(jī)身的PST，用于確定飛行(流動(dòng))參數(shù)迎角α、總壓PO和靜壓Ps并因而馬赫數(shù)M，它是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的包括一圓錐形或卵形頭部的軸向?qū)ΨQ體，在那里設(shè)有感受總壓的孔，此頭部匯入一圓柱體，圓柱體表面設(shè)感受靜壓的孔。此外，此圓柱形表面匯入一錐形表面，在錐形表面上設(shè)感受壓力的孔，根據(jù)此壓力確定迎角，之后，再次匯入一圓柱形表面。為了固定在FV的機(jī)身上或機(jī)體上，此皮托靜壓管有一支柱，它的橫截面有一種帶銳的前緣的透鏡狀型面。
此已知PST的缺點(diǎn)有-增大了軸向?qū)ΨQ體的總尺寸；-設(shè)計(jì)復(fù)雜；-增大了氣動(dòng)阻力；-增大了防冰系統(tǒng)所需要的加熱功率；-設(shè)在錐形部分(以及打算角來確定α)的孔中的壓力測(cè)量就迎角而論靈敏度低，從而導(dǎo)致在確定迎角時(shí)大的誤差；以及-增加了設(shè)計(jì)重量。
造成這些缺點(diǎn)的原因如下1．此PST有一個(gè)大的軸向?qū)ΨQ體中間截面。在這里，中間截面大的尺寸是由兩個(gè)情況造成的。
首先，軸向?qū)ΨQ體的圓柱形部分匯入錐形部分，在錐形部分上設(shè)有感受用于確定迎角的壓力的孔。為了根據(jù)迎角提高借助于這些孔感受壓力的靈敏度，錐角必須足夠大，這就導(dǎo)致必須顯著增加在該錐形部分下游軸向?qū)ΨQ體的直徑。第二個(gè)情況在于，雖然借助于它們確定總壓、靜壓和迎角的壓力的測(cè)量孔分散在所描述的結(jié)構(gòu)內(nèi)，但它們?nèi)匀继幱谕粋€(gè)軸向?qū)ΨQ體上。在其內(nèi)部必須布設(shè)從所有已指出的孔組出發(fā)的空氣通道以及還有防冰系統(tǒng)的管式電熱器(TEHS)。空氣通道和TEHs的直徑不能小于某個(gè)最小值，此最小值對(duì)于空氣通道取決于流體動(dòng)力學(xué)滯后量，而對(duì)于TEHs則取決于熱通量密度和加熱器表面溫度的最大值。其結(jié)果是高的設(shè)計(jì)飽和度，換句話說導(dǎo)致PST軸向?qū)ΨQ體設(shè)計(jì)的高度復(fù)雜性。
所說明的這些情況均使中間截面的面積增大，并因而增加設(shè)計(jì)重量、氣動(dòng)阻力以及防冰系統(tǒng)的功率。還須指出，從圓柱部分過渡到錐形部分，然后再過渡到圓柱部分，會(huì)導(dǎo)致錐形部分的下游流動(dòng)分離和提早出現(xiàn)(按照馬赫數(shù))局部激波。這些又必然使氣動(dòng)阻力增大。此外，軸向?qū)ΨQ體直徑增大以及它與支柱連接的部分非最佳的形狀，也會(huì)在支柱透鏡狀氣動(dòng)型面最大厚度輪廓下游，在PST軸向?qū)ΨQ體收縮的尾部的連接區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生不利的氣動(dòng)干擾(流動(dòng)分離和提早出現(xiàn)激波)。這同樣會(huì)使這種PST的氣動(dòng)阻力有某些增加。
2．軸向?qū)ΨQ體的長(zhǎng)度大。這是由于全部三組孔都設(shè)在軸向?qū)ΨQ體上用于測(cè)量總壓、靜壓和迎角。在這種情況下，用于測(cè)量靜壓的孔必須處在離支柱足夠遠(yuǎn)的地方，使靜壓的測(cè)量是準(zhǔn)確的(無需引入修正)和實(shí)際上可不考慮來自支柱的超壓。這就導(dǎo)致顯著增加軸向?qū)ΨQ體的長(zhǎng)度。眾所周知，飛行器上結(jié)冰首先發(fā)生在毗鄰氣流減速的區(qū)域內(nèi)。(例如參見Bragg M.B.,Grigoreh G.M.,Lee J.D. AirfoilAerodynamic in Icing Conditions.J.Aircraft,vol.23,N1,1986)。在PST的軸向?qū)ΨQ體上，這一區(qū)域是前緣區(qū)；以及，在迎角不等于零的情況下，這一區(qū)域還在PST軸向?qū)ΨQ體迎風(fēng)部分上氣流伸展線附近。因此，相當(dāng)粗大的管式電熱器設(shè)在這種細(xì)長(zhǎng)的軸向?qū)ΨQ體內(nèi)部沿其全長(zhǎng)。這導(dǎo)致顯著增大加熱所需的功率，以及還附加地增加設(shè)計(jì)重量，因?yàn)門EHs相當(dāng)重。
還應(yīng)指出，在PST軸向?qū)ΨQ體上存在的錐形部分會(huì)導(dǎo)致在位于前部的圓柱部分上產(chǎn)生附加的超壓效應(yīng)，在那里設(shè)有測(cè)量靜壓的孔。其結(jié)果是，為了精確地確定(無需引入修正)靜壓，要求將感受靜壓的孔定位在離此錐形部分足夠遠(yuǎn)的地方。這就有必要進(jìn)一步增加軸向?qū)ΨQ體的長(zhǎng)度，從而也在一定程度上附加地增大設(shè)計(jì)重量，以及需要更大的功率用于電加熱防冰系統(tǒng)。
3．布設(shè)在PST支柱的里面用以防止支柱前緣結(jié)冰，并因而避免冰對(duì)軸向?qū)ΨQ體上的壓力測(cè)量產(chǎn)生影響的電熱器沒有得到充分有效地利用，因?yàn)樗鼈兗訜嶂е谥е喜]有設(shè)置測(cè)壓孔。這導(dǎo)致顯著增加重量和電功率消耗量。
本發(fā)明的目的是克服上面列舉的缺點(diǎn)。
在技術(shù)上的成果包括下列各項(xiàng)-減少PST支柱和軸向?qū)ΨQ體的氣動(dòng)阻力；-減少防冰系統(tǒng)加熱所需要的功率；-簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；-減小軸向?qū)ΨQ體的總尺寸；以及-減輕設(shè)計(jì)重量。
這些技術(shù)成果的獲得是借助于，將皮托靜壓管，它包括三組用于確定總壓、靜壓和迎角的孔、一個(gè)軸向?qū)ΨQ體和一個(gè)支柱用于連接設(shè)在它們之間的空氣通道以及防冰系統(tǒng)電熱元件，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為，將測(cè)量靜壓用的孔布置在支柱上游的板上。
將確定迎角的孔設(shè)在支柱上是有利的。這些孔在該支柱上設(shè)在其前緣與其最大厚度部位之間。因此，這些孔被設(shè)在一個(gè)X=0…Xc的區(qū)域內(nèi)，其中Xc是最大厚度位置。Xc由下列方程確定C(Xc)≥C(X≠Xc)式中C(X)是在距型面前緣的距離X處的型面厚度。
為了更多地減少皮托靜管殼體的氣動(dòng)阻力，軸向?qū)ΨQ體的尾部可終止在支柱的最大相對(duì)厚度區(qū)內(nèi)并與支柱的氣動(dòng)型面光滑連接。
從設(shè)計(jì)考慮或從空氣動(dòng)力學(xué)考慮，有時(shí)有利的是在FV的一個(gè)地點(diǎn)測(cè)量FV上的靜壓，以及在另一地點(diǎn)測(cè)量總壓和迎角。在這種情況下為了測(cè)量可以采用所建議的機(jī)身皮托靜壓管，其中，帶有測(cè)量靜壓的孔的板在結(jié)構(gòu)上與軸向?qū)ΨQ體和支柱分開設(shè)計(jì)。
為了應(yīng)用于FV的超音速飛行狀態(tài)，當(dāng)所需要測(cè)量的迎角范圍很窄時(shí)，支柱的橫截面可有帶銳的前緣的氣動(dòng)型面。
為了應(yīng)用于在亞音速的M數(shù)狀態(tài)飛行的FVs，支柱的橫截面可有帶圓形前緣的亞音速氣動(dòng)型面。
為了擴(kuò)展迎角的測(cè)量范圍，支柱的外表面可采用圓柱面形狀。
為了進(jìn)一步擴(kuò)展迎角的測(cè)量范圍，測(cè)量迎角孔可布置在支柱上從其前緣起最多到最大厚度處。
為了更多地減少防冰系統(tǒng)所需的功率，防冰系統(tǒng)的電熱元件可朝支柱的前緣偏移。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，確定迎角的孔設(shè)在支柱上相對(duì)于支柱基底在軸向?qū)ΨQ體的上方。這種布局允許-提高確定迎角的精度；以及-提高跨音速流動(dòng)狀態(tài)下靜壓測(cè)量的精度。
此外，上述布局允許減小側(cè)滑角對(duì)局部迎角測(cè)量的影響。這是由于所述的FV的側(cè)滑引起的軸向?qū)ΨQ體的尾渦沒有落入迎角的測(cè)量孔內(nèi)。
因?yàn)橛糜诹阌堑腜ST和對(duì)于高亞音速或超音速飛行狀態(tài)，軸向?qū)ΨQ體的氣動(dòng)阻力正比于中間截面的面積，假如它與先有技術(shù)的PST有相同的形狀，則PST氣動(dòng)阻力的降低也與先有技術(shù)的PST和此所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體直徑的平方差成正比。然而，由于在所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體的形狀中并沒有象在先有技術(shù)PST的情況下那樣的附加的臺(tái)階(連續(xù)增厚的錐形臺(tái)階)，所以既沒有在軸向?qū)ΨQ體上的氣流分離，也不會(huì)在錐形臺(tái)階下游出現(xiàn)激波。因此在更大程度上降低了氣動(dòng)阻力。在大迎角的情況下，由于所建議的PST軸向?qū)ΨQ體的長(zhǎng)度比所列舉的先有技術(shù)PST例子中的短得多，所以阻力的減少同樣十分明顯。因?yàn)樵谒ㄗh的PST的情況下，設(shè)有靜壓測(cè)量孔的板不存在結(jié)冰的條件(在它上面沒有流動(dòng)減速區(qū))因而不需要供應(yīng)電能，以及加熱其上設(shè)有確定迎角的孔的支柱所需的功率大體上與加熱先有技術(shù)PST的支柱所需的功率相等，所以加熱所建議的PST所需功率的減小量可通過用于加熱軸向?qū)ΨQ體的功率的減少來確定。此減少量正比于先有技術(shù)PST與所建議的PST軸向?qū)ΨQ體外表面面積之間的差值(假定它們的表面溫度一樣)。因?yàn)榧訜嵯扔屑夹g(shù)PST軸向?qū)ΨQ體所需的功率近似等于加熱支柱所需的功率，其結(jié)果是，按照近似計(jì)算，所建議的PST上電熱器所需的功率與先有技術(shù)的PST相比可大約下降50％。因?yàn)樵诎迳系挠糜跍y(cè)量靜壓的孔無需引入超壓修正并基于支柱有后掠角，所以與先有技術(shù)PST在軸向?qū)ΨQ體上的相應(yīng)的孔相比，可以顯著減少其相對(duì)于PST支柱基底的錯(cuò)開量，所建議的PST的板和軸向?qū)ΨQ體的重量，如預(yù)先的設(shè)計(jì)研究所表明的那樣，可以大約等于先有技術(shù)PST軸向?qū)ΨQ體外殼的重量。因此，所建議的PST設(shè)計(jì)重量的減少只是憑借于減小了在軸向?qū)ΨQ體內(nèi)加熱器的質(zhì)量。重量的這一減少大約為PST重量的15-20％。
若軸向?qū)ΨQ體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為使它的尾部終止在支柱的最大厚度區(qū)內(nèi)并與支柱光滑地連接，則避免軸向?qū)ΨQ體與支柱的相互干擾，以及由于沒有附加的擴(kuò)壓器因而進(jìn)一步顯著減少PST的氣動(dòng)阻力。在考慮到設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)或其他方面的情況下，F(xiàn)V上的板應(yīng)在機(jī)身上設(shè)在實(shí)施靜壓測(cè)量的地方，而PST的支柱和軸向?qū)ΨQ體應(yīng)位于不同的地方，帶有測(cè)量靜壓的孔的板與軸向?qū)ΨQ體和支柱分開設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步減小超音FVs的阻力，當(dāng)所需測(cè)量的迎角范圍很窄時(shí)，支柱的橫截面可有帶銳的前緣的氣動(dòng)型面。當(dāng)PST應(yīng)用于在亞音速馬赫數(shù)M狀態(tài)下飛行的FV上，為了進(jìn)一步減少阻力和擴(kuò)展迎角的測(cè)量范圍，支柱的橫截面可有帶圓形前緣的特殊的亞音速氣動(dòng)型面。為了進(jìn)一步擴(kuò)展迎角的測(cè)量范圍，支柱的外表面可以是圓柱面的形狀。為了進(jìn)一步擴(kuò)展迎角測(cè)量范圍，測(cè)量迎角的孔可以設(shè)計(jì)在支柱上離開其前緣最多到最大厚度的地方。因?yàn)殡姛嵩е熬壠疲耘c先有技術(shù)的PST相比進(jìn)一步顯著減少無效的熱損失，以及降低加熱所需的功率。
為了提高在跨音速流動(dòng)速度下確定靜壓的精度，支柱的氣動(dòng)型面可有一出口段，在出口段上設(shè)至少一個(gè)附加的用于引出靜壓的孔。
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少氣動(dòng)阻力，支柱可以是FV實(shí)際上的氣流框架構(gòu)體本身。
通過在迎角改變時(shí)對(duì)在氣動(dòng)型面上測(cè)量的壓力值的影響顯著地高于對(duì)在錐面上測(cè)量的壓力值的影響，使所建議的PST角度測(cè)量的誤差比先有技術(shù)PST的小得多，尤其在孔靠近它設(shè)置的情況下。
此外，由于將測(cè)量迎角的孔從軸向?qū)ΨQ體轉(zhuǎn)移到支柱上，所以顯著簡(jiǎn)化了軸向?qū)ΨQ體的設(shè)計(jì)和減小了它的直徑和氣動(dòng)阻力。
支柱氣動(dòng)阻力的減小通過采用恰當(dāng)?shù)?亞音速或超音速)氣動(dòng)型面達(dá)到。由于防冰系統(tǒng)的電熱器朝支柱型面的前緣偏移，面前緣最容易發(fā)生結(jié)冰，所以有可能顯著減少加熱所需的功率。因?yàn)樵跉鈩?dòng)型面出口段的區(qū)域內(nèi)不存在壓力跨音速穩(wěn)定化的現(xiàn)象，所以在出口段內(nèi)設(shè)用于引出靜壓的孔可以顯著提高在跨音速流動(dòng)速度的情況下壓力的測(cè)量精度。將引出靜壓的孔布置在機(jī)身表面的專用板上，也大大簡(jiǎn)化了PST的設(shè)計(jì)，以及可以減少防冰系統(tǒng)所需要的功率，因此，顯著簡(jiǎn)化了軸向?qū)ΨQ體，而此板不象軸向?qū)ΨQ體那樣容易結(jié)冰。
下面借助附圖表示的舉例說明本發(fā)明，其中

圖1按本發(fā)明優(yōu)選地安裝在中型旅客機(jī)上的PST第一種實(shí)施例側(cè)視圖；圖2圖1所示PST俯視圖；圖3沿圖1中線A-A的剖面；圖4所建議的PST改型之一，它有一軸向?qū)ΨQ體，其尾部終止在支柱的最大厚度區(qū)并與支柱光滑連接；圖5沿圖4中的線A-A的剖面；圖6沿圖4中的線B-B的剖面；圖7沿圖4中的線C-C的剖面；圖8所建議的PST的一種改型，其中有測(cè)量靜壓的孔的板與軸向?qū)ΨQ體和支柱分開設(shè)計(jì)；圖9圖8所示PST俯視圖；圖10沿圖8中的線A-A的剖面；圖11所建議的PST的第一種改型，其支柱就前緣而言有第一種后掠角；圖12所建議的PST第二種改型，其支柱有第二種后掠角；圖13所建議的PST第三種改型，其支柱有第三種后掠角；圖14至19支柱型面的不同方案；圖20本發(fā)明另一種實(shí)施例的側(cè)視圖；圖21沿圖20中的線A-A的剖面；圖22圖20所示PST俯視圖；圖23本發(fā)明另一種實(shí)施例的側(cè)視圖；圖24按本發(fā)明的皮托靜壓管不同的實(shí)施例沿圖20中的線A-A的剖面；圖25沿圖24中線A-A的剖面；圖26沿圖25所示PST俯視圖；圖27標(biāo)定斜率的出數(shù)關(guān)系舉例，以及圖28比值P44/P30隨馬赫數(shù)的變化。
圖1至10表示的皮托靜壓管包括在其頭部的軸向?qū)ΨQ體1，在這里設(shè)一確定總壓的孔2。防冰系統(tǒng)的TEHs3位于軸向?qū)ΨQ體1內(nèi)部。軸向?qū)ΨQ體1固定在支柱4上，在支柱上設(shè)有確定迎角的孔5、6，以及TEHs7布置在支柱4內(nèi)部。PST有一板8，它可以連接在凸緣9上，或它同時(shí)也是凸緣9，凸緣用于將支柱4和板固定在FV的機(jī)身上測(cè)量靜壓的孔10設(shè)計(jì)在板8內(nèi)。壓力從孔2、5、6、10通過空氣通道11和管嘴導(dǎo)出PST,PST軸向?qū)ΨQ體1和支柱的加熱通過電接插種13借助于電熱器3、7實(shí)現(xiàn)。
如圖4、5和14至19所示，孔5、6設(shè)在支柱4上在支柱前緣與支柱最大厚度的位置Xc之間。
皮托靜壓管按下述方式工作。被孔2、5、6、10感受到的壓力通過管嘴12傳給轉(zhuǎn)換器，它將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這些電信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理單元，在那里根據(jù)標(biāo)定的關(guān)系確定流動(dòng)(飛行)參數(shù)Po、Ps、α。通過電接插件13向TEHs3供電能以免結(jié)冰，結(jié)冰會(huì)使測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真或?qū)е驴妆欢氯蚉ST失效。電的TEHs3和7加熱軸向?qū)ΨQ體和支柱4的外殼，以及也加熱了空氣通道11，它們通常用導(dǎo)熱特別好的材料(例如鎳)制成。TEHs的功率和供入的電能功率選擇為能防止軸向?qū)ΨQ體1和支柱4的表面以及孔2、5、6內(nèi)結(jié)冰。
為了通過改善軸向?qū)ΨQ體1與支柱4之間的相互影響進(jìn)一步降低空氣動(dòng)力阻力，軸向?qū)ΨQ體的尾部終止在支柱最大厚度區(qū)內(nèi)并與之光滑連接，如圖4至7所示。
必要時(shí)，從設(shè)計(jì)或氣動(dòng)布局考慮，帶測(cè)量靜壓的孔的板8可與軸向?qū)ΨQ體1和支柱4分離地設(shè)計(jì)在擬用此PST的機(jī)身上，如圖8和9所示。
PST的設(shè)計(jì)參數(shù)和氣動(dòng)參數(shù)的選擇根據(jù)PST工作范圍和測(cè)量精度的要求以及FV的飛行狀態(tài)。PST的高度h(見圖11-13)按這樣的方式選擇，即，將感受總壓的孔安排在附面層邊界之外。在板上測(cè)量靜壓的孔相對(duì)于支柱的錯(cuò)開量ls選擇為使來自支柱的超壓不會(huì)影響測(cè)量，也不產(chǎn)生任何可能的干擾(例如在跨音速和超音速飛行狀態(tài)的激波)。測(cè)量迎角α的孔5、6的高度hα的選擇也考慮到?jīng)]有干擾。若PST只打算在超音速和在迎角很小的狀態(tài)下工作，則型面可有朝前緣削尖的透鏡狀或卵形。圖14至17表示了若干可能的支柱橫截面。用于亞音速則可采用帶圓形前緣的型面，它與其相應(yīng)的例如借助于馬赫數(shù)M表示的工作狀態(tài)相協(xié)調(diào)。根據(jù)型面的特征和工作條件，支柱的前緣也選擇為有一后掠角X(見圖11至13)。
為了例如擴(kuò)展迎角的測(cè)量范圍，在速度很低時(shí)支柱橫截面的型面可尤其有橢圓或圓形截面。
圖1至3表示了優(yōu)選地安裝在中型干線旅客機(jī)或運(yùn)輸機(jī)上的本發(fā)明PST的一種實(shí)施例。
在圖20至26中表示的皮托靜壓管包括一個(gè)在其前緣部分內(nèi)的軸向?qū)ΨQ體29，它設(shè)有一測(cè)量總壓的孔30。在軸向?qū)ΨQ體29內(nèi)部有防冰系統(tǒng)的管式電熱器(TEHs)32。軸向?qū)ΨQ體29固定在支柱33上，確定迎角的孔34、35相對(duì)于支柱33的基底設(shè)在軸向?qū)ΨQ體29上方，以及TEHs36設(shè)在支柱33里面。為了備用可將一些孔34、35分別布置在支柱橫截面的上表面和下表面上。上述這些孔設(shè)在前緣與最大厚度位置之間。PST可借助凸緣37固定在機(jī)身上。來自孔30、34、35的壓力通過空氣通道38和管嘴39引出PST，以及PST的軸向?qū)ΨQ體和支柱的加熱借助電接插件40通過電熱器32、36實(shí)施。靜壓借助于設(shè)在支柱33上游的板內(nèi)的孔44確定。
此皮托靜壓管按下述方式工作。被孔30、34、35、44感受到的壓力通過管嘴39傳給轉(zhuǎn)換器，它將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這些電信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理單元，在那里根據(jù)標(biāo)定的關(guān)系確定氣流(飛行)參數(shù)Po、Ps、α。通過電接插件40向TEHs32和36供電能以免結(jié)冰，結(jié)冰會(huì)使測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真或?qū)е驴妆欢氯蚉ST失效。TEHs32和36加熱軸向?qū)ΨQ體29和支柱33的外殼，以及也加熱了空氣通道11，它們通常用導(dǎo)熱特別好的材料(例如鎳)制成。TEHs的功率和供入的電能功率選擇為能防止軸向?qū)ΨQ體29和支柱33的表面以及孔30、34、35、44內(nèi)結(jié)冰。
為了簡(jiǎn)化軸向?qū)ΨQ體的設(shè)計(jì)以及為了進(jìn)一步減少PST的TEHs消耗的功率，用于導(dǎo)出靜壓的孔44(圖20至26)設(shè)在板45上，板45可安裝在FV的機(jī)身上。
為了減少防冰系統(tǒng)的TEHs需要的功率，它們可以朝支柱的前緣部分偏移，因?yàn)槟抢镒钊菀装l(fā)生結(jié)冰(圖20)。
圖23表示PST另一種實(shí)施例，它有一個(gè)其上設(shè)有至少一個(gè)引出靜壓的孔41的出口段。孔41通過空氣通道42與管嘴連接并用于在馬赫數(shù)1的附近提高靜壓測(cè)量的精度。先有技術(shù)的PST包括設(shè)在軸向?qū)ΨQ體上的靜壓力，它們易發(fā)生壓力穩(wěn)定化。
出口段內(nèi)的壓力不易發(fā)生穩(wěn)定化現(xiàn)象(圖28)，以及靜壓根據(jù)預(yù)先完成的標(biāo)定校準(zhǔn)。
圖24至26表示所建議的皮托靜壓管實(shí)施例的一種改型，它優(yōu)選地用于中型干線旅客機(jī)或運(yùn)輸機(jī)。
在所有的實(shí)施例中表示的布置在支柱兩個(gè)表面上的孔均允許實(shí)施可靠的測(cè)量，即使其中一個(gè)或幾個(gè)孔被堵塞。因此，與可能的不正常工作無關(guān)，總能確定總壓Po、靜壓Ps以及迎角α。
圖27表示所建議的PST以及先有技術(shù)的PST用于確定迎角的標(biāo)定斜率Xα=(P6-P7)/(P2-P3)的函數(shù)關(guān)系舉例，在先有技術(shù)的PST中確定迎角用的孔布置在軸向?qū)ΨQ體的錐形部分上，式中Pi是在相應(yīng)的孔內(nèi)測(cè)得的壓力。數(shù)字2和3表示設(shè)在軸向?qū)ΨQ體前緣部分內(nèi)和圓柱體表面上的孔，兩者既設(shè)在所建議的PST上也設(shè)在先有技術(shù)的PST上；數(shù)字6和7表示布置在所建議的PST的支柱上或先有技術(shù)PST軸向?qū)ΨQ體錐形部分上的孔。
圖28表示測(cè)得的壓力比P44/P30隨馬赫數(shù)的變化，其中P44在支柱上游的板上，P30在軸向?qū)ΨQ體的頭部?jī)?nèi)；以及還表示了比值P41/P30隨馬赫數(shù)的變化，其中P41是在支柱空氣動(dòng)力學(xué)型面出口區(qū)內(nèi)的壓力。
采用本發(fā)明可達(dá)到下列目的-簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；-減小軸向?qū)ΨQ體的總尺寸；-降低氣動(dòng)阻力；-減小PST防冰系統(tǒng)所需的功率；-降低重量；以及-提高迎角的測(cè)量精度。
下面對(duì)此給以說明。假定支柱的基本設(shè)計(jì)、幾何結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)參數(shù)(高度、后掠角、型面及其相對(duì)厚度)，對(duì)所建議的PST與先有技術(shù)的舉例保持相同，因?yàn)橥瓿傻脑O(shè)計(jì)研究表明了這種假定的可能性。
1．之所以能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)是由于一些用于壓力(以此為基礎(chǔ)確定迎角和靜壓)引出的孔組并不是布置在PST的軸向?qū)ΨQ體上，而是分別設(shè)在PST的支柱和板上。PST的設(shè)計(jì)飽和度(design saturation)很高，因?yàn)榭諝馔ǖ酪獜拿恳粋€(gè)已指明的孔組出發(fā)，以及防冰系統(tǒng)的電熱元件仍須設(shè)在軸向?qū)ΨQ體及支柱內(nèi)部。測(cè)量迎角和靜壓的孔從軸向?qū)ΨQ體轉(zhuǎn)移到支柱和板上帶來的結(jié)果是降低了設(shè)計(jì)的飽和度，以及，軸向?qū)ΨQ體和包括支柱在內(nèi)的整個(gè)所建議的PST的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。
2．由于用于確定迎角和靜壓的壓力引出孔從軸向?qū)ΨQ體轉(zhuǎn)移到支柱和板上，所以明顯減小了軸向?qū)ΨQ體的直徑d(圖1)。完成的設(shè)計(jì)研究表明，所建議的PST軸向?qū)ΨQ體的直徑d，與先有技術(shù)的PST(假定內(nèi)部通道及電熱元件直徑相同)相比，大約可減小1.5-2倍，而軸向?qū)ΨQ體的長(zhǎng)度1可減少8-10倍。
3．軸向?qū)ΨQ體的氣動(dòng)阻力可表示為公式D=cxqs，式中Cx是阻力系數(shù)，q是動(dòng)壓，以及S是特征面積。對(duì)于超出特征尺寸范圍的PST軸向?qū)ΨQ體，可以采用由S=πd2/4給定的中間截面面積，其中d是中間截面直徑。因此，若所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體的幾何結(jié)構(gòu)與先有技術(shù)PST的軸向?qū)ΨQ體類似(亦即保持相同大小的Cx)，那么在給定相同的動(dòng)壓(亦即給定相同大小的速度V和馬赫數(shù)M)時(shí)，由于直徑d減小1.5-2倍(見上面第2條)，所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體的阻力將減少約2-2.4倍。然而，由于所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體的形狀，不象在先有技術(shù)的PST的情況中那樣直徑逐漸增大的錐形部分有附加的臺(tái)階，因此在它上面沒有氣流分離，在錐形部分下游也沒有發(fā)生任何激波。因此，計(jì)算表明，所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體阻力系數(shù)Cx還可減小約7-10％。其結(jié)果是，所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體X的阻力在α=0時(shí)減小約2.5-4.5倍。在迎角不等于零時(shí)，軸向?qū)ΨQ體的氣動(dòng)阻力也可以因?yàn)槠溟L(zhǎng)度減少(8-10倍)而顯著減小。計(jì)算表明，在這種情況下軸向?qū)ΨQ體阻力可望減小5-7倍。
所建議的PST氣動(dòng)阻力，通過使軸向?qū)ΨQ體的尾部終止在支柱最大厚度區(qū)內(nèi)并與之光滑連接，可保證得到進(jìn)一步的降低。在這種情況下，通過設(shè)計(jì)PST軸向?qū)ΨQ體易發(fā)生干擾的尾部與支柱的結(jié)構(gòu)，可以收到良好的效果。因?yàn)椋谶@種情況下，在軸向?qū)ΨQ體漸縮的尾部的連接區(qū)內(nèi)和所連接型面的尾部沒有附加的擴(kuò)壓段，因此成功地做到避免發(fā)生氣流分離和局部激波。計(jì)算表明，帶來的結(jié)果是整個(gè)PST的阻力可再降低10-15％。
通過為PST的支柱選擇特殊的氣動(dòng)型面可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低氣動(dòng)阻力，這些型面應(yīng)與FV相應(yīng)的基本飛行狀態(tài)相協(xié)調(diào)(超音速狀態(tài)支柱氣動(dòng)型面用銳的前緣，或亞音速狀態(tài)用圓的前緣)。
4．所建議的軸向?qū)ΨQ體防冰加熱系統(tǒng)所需要的功率，與先有技術(shù)的PST軸向?qū)ΨQ體相比也可以大幅度地下降。當(dāng)軸向?qū)ΨQ體散熱相同和表面溫度相同時(shí)所需要的功率正比于其側(cè)面積πdl，換句話說，線性地取決于PST的直徑d和長(zhǎng)度l。因?yàn)椋鶕?jù)第2條，所建議的PST的軸向?qū)ΨQ體的直徑d可以減少1.5-2倍和它的長(zhǎng)度可以減少8-10倍，所以軸向?qū)ΨQ體防冰系統(tǒng)所需功率，與先有技術(shù)的PST的軸向?qū)ΨQ體相比，可以降低12-20倍。
因?yàn)樵谒ㄗh的PST中不需要供能量去加熱測(cè)量靜壓的孔所在的板，這是由于在那里不存在結(jié)冰的條件(在板上沒有氣流減速區(qū))，而加熱支柱所需要的功率大體與加熱先有技術(shù)的PST的支柱所需功率相等，所以，由加熱軸向?qū)ΨQ體需要的功率減少，便可以確定加熱器所需功率的下降量。然而，由于加熱先有技術(shù)的PST的軸向?qū)ΨQ體所需功率大約等于加熱支柱所需要的功率，因此，按照近似計(jì)算，在所建議的PST上電熱器所需功率，與先有技術(shù)的PST相比，可降低大約50％。
此外，通過將TEHS朝支柱前緣偏移，可以實(shí)現(xiàn)減少加熱PST所需的功率，因?yàn)槭顾幱谝粋€(gè)鄰近最容易在它上面結(jié)冰的前緣的區(qū)域。
5．因?yàn)樵诎迳嫌糜跍y(cè)量靜壓的孔相對(duì)于PST支柱的基底的錯(cuò)開量(不致引入超壓修正)，由于其有后掠角，與先有技術(shù)的PST在軸向?qū)ΨQ體上的相應(yīng)的孔相比可以顯著減小，所以，如通過預(yù)先的設(shè)計(jì)研究表明的那樣，所建議的PST板和軸向?qū)ΨQ體的重量大體等于先有技術(shù)PST軸向?qū)ΨQ體外殼的重量。其結(jié)果是，所建議的PST設(shè)計(jì)重量的減少僅憑借減小在軸向?qū)ΨQ體內(nèi)的加熱器的質(zhì)量發(fā)生。重量的這一減小大約為PST重量約15-20％。
6．與先有技術(shù)的PST相比，在所建議的PST上迎角測(cè)量精度的增加，是借助于將引出壓力以確定迎角的孔設(shè)在橫截面為氣動(dòng)型面狀的支柱上，而不是設(shè)在軸向?qū)ΨQ體的錐形部分上達(dá)到的。從圖27所示以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得出的斜率(α)的函數(shù)關(guān)系可以看出，在迎角α=0-20°范圍內(nèi)孔在氣動(dòng)型面上時(shí)得出的導(dǎo)致遠(yuǎn)大于(≈5倍)將孔設(shè)在軸向?qū)ΨQ體錐形表面上的先有技術(shù)的PST得出的導(dǎo)數(shù)。在確定迎角時(shí)的誤差可寫為公式δα=dα/dxα*δp/q，式中q是動(dòng)壓，δp是壓差P35-P34的測(cè)量誤差。因此，當(dāng)M=0.2時(shí)在實(shí)際壓力轉(zhuǎn)換器內(nèi)P=0.15mm汞柱的誤差，在迎角指示范圍內(nèi)迎角的測(cè)量誤差，在所建議的PST中其量為0.08°，但對(duì)先有技術(shù)的PST而言為0.4°。可見，對(duì)于所建議的PST而言確定迎角的精度提高了5倍。
7．因?yàn)樵谒ㄗh的PST上有可能由支柱氣動(dòng)型面的出口段側(cè)面選擇基準(zhǔn)壓力，而且此基準(zhǔn)壓力是馬赫數(shù)的單調(diào)函數(shù)以及不易發(fā)生跨音速穩(wěn)定化現(xiàn)象(比較圖28中數(shù)字P41/P30和P44/P30的變化特征)，所以，如實(shí)驗(yàn)所示，有可能在給出的所建議的PST方案中提高M(jìn)≈1.0時(shí)靜壓測(cè)量的精度。
因此與先有技術(shù)的PST相比，由計(jì)算和設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)研究得出的結(jié)果清楚地表明，指出的全部所建議的PST的參數(shù)和性能的優(yōu)越性。
由于通常有若干個(gè)這種PST裝在飛機(jī)上，從而導(dǎo)致明顯地減輕重量和減小氣動(dòng)阻力以及節(jié)省所需的電能。
權(quán)利要求
1．皮托靜壓管，包括三組用于確定總壓、靜壓和迎角的孔，一個(gè)軸向?qū)ΨQ體和一個(gè)用于連接到設(shè)在它們之間的氣動(dòng)通道以及電熱元件的支柱，其特征為測(cè)量靜壓的孔設(shè)在上述支柱上游的板上。
2．按照權(quán)利要求1所述的皮托靜壓管，其特征為測(cè)量迎角的孔設(shè)在該支柱上。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的皮托靜壓管，其特征為該軸向?qū)ΨQ體終止在支柱最大厚度的區(qū)域內(nèi)并與之光滑連接。
4．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為帶有測(cè)量靜壓用的孔的板與軸向?qū)ΨQ體和支柱分開設(shè)計(jì)。
5．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為所述支柱橫截面有一種帶銳的前緣的超音速氣動(dòng)型面。
6．按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的皮托靜壓管，其特征為所述支柱橫截面有帶圓形前緣的亞音速氣動(dòng)型面。
7．按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的皮托靜壓管，其特征為該支柱的外表面是圓柱形表面。
8．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為在支柱上用于測(cè)量迎角的孔布置在從其前緣起直至氣動(dòng)型面的最大厚度處。
9．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為在支柱內(nèi)部的電熱元件朝其前緣錯(cuò)移。
10．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為該確定迎角的進(jìn)口孔設(shè)在支柱上相對(duì)于支柱基底在軸向?qū)ΨQ體的上方。
11．按照前列任一權(quán)利要求所述的皮托靜壓管，其特征為該支柱提供一出口段，在出口段上至少設(shè)有一個(gè)附加的用于引出靜壓的孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種皮托靜壓管,包括三組確定總壓、靜壓和迎角的孔(2、5、6、10),一個(gè)軸向?qū)ΨQ體(1)和用于連接到設(shè)在它們之間的氣動(dòng)通道和電熱元件的支柱(4)。為減小皮托靜壓管的氣動(dòng)阻力和防冰系統(tǒng)加熱所需的功率,將測(cè)量靜壓用的孔(10)設(shè)在支柱(4)上游的板(8)上。此布置還附加地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)以及減輕設(shè)計(jì)重量。
文檔編號(hào)G01L19/00GK1303479SQ99806570
公開日2001年7月11日 申請(qǐng)日期1999年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月26日
發(fā)明者Y·S·沃茲戴夫, H·G·克勒, M·A·戈洛夫金, V·A·戈洛夫金, A·K·潘克拉托夫, A·A·葉夫列莫夫 申請(qǐng)人:N·E·朱可夫斯基教授中央航空流體力學(xué)學(xué)院, 日出航空附件公司, 北方微電子精密儀器股份公司