[发明专利]沿壁的气流的空气动力学测量探测器

说明书

技术领域

本发明涉及沿壁的气流的空气动力学测量探测器。本发明明显使得能够确定气流相对于与壁成切向的基准轴的迎角。本发明在航空的技术领域中是特别有用的，其中，飞行器周围气流的迎角的了解对于飞行器的飞行而言是关键的。相对于水平平面的迎角是用于确定例如在着陆时飞行器的浮力的重要参数。相对于垂直平面的迎角同样也重要地体现了飞行器的侧滑。为了确定这两种参数——即迎角和侧滑，可以局部地测量气流相对于飞机外皮的取向。这涉及到在飞行器的特定的点上完成的局部迎角测量。还可以在飞行器外皮的一点上测量气流的速度的两个分量，从而确定气流的方向。

背景技术

大多数声学原理是已知的并且通常用于速度或流向的测量。

第一代探测器利用了从飞行器外皮延伸的附属部。该附属部能够被固定。它包括围绕该附属部的气压接口或者测量由气流所施加的力的传感器。该附属部能够是可移动的，形式为沿气流的轴线定向的旗。该旗的方位然后给出了气流的迎角(attack)。第一代探测器还包含通过实现圆柱体下游的旋涡的测量而利用旋涡、例如利用风车测量沿给定方向的流速、利用热丝(hot wire)作为风速计。

该第一代的探测器由于飞行器外皮之外的本体的存在而是易碎的。这些探测器必须被设计成承受气流以及气流所携带的微粒的磨蚀。它们由于产生旗而影响了飞行器的空气动力。在高海拔飞行时，这些探测器必须被除冰并因而消耗了电能。可移动的探测器必须包括位于固定的部件与可移动的部件之间的具有最小摩擦的密封系统。

第二代探测器使得能够消除飞行器外皮之外的任何附属部。出现了在激光器周围安置的光学系统，但是这些光学系统目前是复杂的、昂贵的、体积庞大的。它们仍大体上用作为基准系统。

因此，在多数制造商中更加感兴趣的是超声系统。基本思路是测量彼此相互固定的发射元件与接收元件之间的声波的传播时间，从而沿多个方向根据声的速度以及流体的速度确定声波的速度，并最终确定流向，例如航空应用中的迎角或侧滑。

多种类型的装置目前是已知的。在专利公开文献US 4143548中：发射器朝向两个分别位于上游和下游的接收器产生超声波。与所接收的信号有关的相位表明了朝向上游和朝向下游的沿两个传播方向中的每个的速度差。该装置暗含地假设这些信号并不受到干扰，从而可以测量两个正弦信号之间的相位。此外，该装置相对于发射器与接收器之间的距离而言强制约束频率或波长。最后，各接收器必须在转移函数和固有延迟方面是相同的。

专利公开文献US 4112756和US 4890488提供了类似的思路，利用了根据不同结构的发射器与接收器之间的传播时间测量。

专利公开文献US 5585557提供了一种完全无源装置，换句话说，没有发射器。流中的湍流通过第一接收器被接收并被检测，并且所述湍流向下游传播，在那里它们通过以同一相同距离定位的其它接收器被接收并被检测，而延迟取决于流向和速度特征。传播时间由所述信号之间的互相关计算被计算出。所评估的流向就是由第一接收器以及位于下游的接收器所限定的体现了最短传播时间的流向。系统的精度与传感器的数量有关。

专利公开文献US 7155969提出了前述方式的改进和简化，利用了较少数量的传感器并且适于通过飞行器的外皮进行操作。这些传感器不仅可以是需要飞行器的外皮内的通道以检测压力波动的话筒型声学传感器，还可以是例如在飞行器的外皮上安装的加速度计、应变仪或其它传感器。由湍流所产生的压力波动的传播借助于可以由诸如有源压电传感器的合适的装置实现的飞行器外皮的机械激励代替。同样可以由不同传感器所检测的信号之间的互相关计算实现传播时间测量。

所有这些专利公开文献描述了包括多个接收信号的传感器的系统，并且所接收的信号之间的偏差被用于回演传播时间、速度以及因此流向。

发射器与接收器之间的传播时间的实验测量值被证明是高于理论计算的值，所高于的值是在一相对恒定的值内。因此，测量传播时间的方法需要接收器的校准，其中每个接收器具有其自己的与响应时间、带宽等有关的特征。接收器的这些校准特别取决于环境状况、温度以及压力。基于超声波的传播时间测量的迎角的精确的测量因而证明是相当复杂的，这是由于不同的接收器的特征。在没有有源激发器的全无源系统的情况中，所接收的声学信号仅仅是声学噪音。接收传感器中的一个的故障很难被检测到，除非可能出现传感器全短路。同样，互相关计算必须进行低电平信号的采样和存储。

最后，所有这些系统暗含地假设声学噪音型的信号本身恒定地传播，这仅仅是初步近似。

发明内容