KR20010071156A - 피토우 정압관 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 총압, 정압 및 받음각을 결정하기 위한 3그룹의 개구들(2, 5, 6, 10)과, 사이에 배치된 공기경로 및 전기가열요소에 고정하기 위한 축대칭체(1) 및 지주(4)를 포함하는 피토우정압관에 관한 것이다. 피토우정압관의 공기역학적 항력과 빙결방지시스템을 가열하는데 필요한 동력을 감소시키기 위해서는 정압을 측정하기 위한 개구(1)들이 지주(4)의 상류측의 플레이트(8)에 배치된다. 상기 배치는 설계를 더욱 단순화시키고 설계중량을 감소시킬 것이다.
Description
비행변수의 측정은 비행기의 항공역학 및 공기역학에의 가장 중요한 문제점중의 하나이다. 현재, 비행변수(유동변수)를 측정하기 위해서는, 항공기의 동체 또는 그 외의 어떤 비행기의 본체에 자주 직접 장착되어 실제로는 평면유동에 가까운 국부유동의 변수를 측정하는 피토우정압관(Pitot-Static tube;PST)을 사용한다. 대체로 국부유동변수를 측정하는 이들 PST의 어느 것들은 종래의 교정(calibration)에 의거하여 결정된다.
피토우정압관은 WO 94/02858에서 알려졌다. 공지의 PST는 비행기의 동체에 장착되며 원통형관을 갖는데, 이 원통형관은 지주로부터 원통형관까지 도달할 때 함께 모이는 굴곡상태의 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)을 갖는 지주에 장착된다. 지주의 전연은 둥글게 구성할 수 있다. 이 피토우정압관은 총압(total pressure)을 검출하기 위하여 관의 노즈부 내에 개구들을 가지며 상기 관의 노즈부로부터 일정거리에서 정압을 검출하기 위한 개구들을 갖는다. 이 피토우관은 얼음이 생기는 것을 방지하기 위한 히터를 갖는다. 그러나, 이 PST는 받음각(angle ofattack)을 측정할 수 있게 해주는 압력검출용 개구들이 부족하기 때문에 받음각을 측정하는데는 적용할 수 없다. 엄밀히 말해서, WO 94/02858에서와 같이 이 피토우탐침자는 이런 목적으로 설계되어 있지 않다. 그 외에 원통형관이 접근할 때 측면에서 보아 지주가 집중하여 지주의 단면윤곽의 상대두께가 급격히 증가하게 되는 한편, 공기경로 및 히터를 구성하는데 필요한 내부용적을 유지한다. 이에 따라서, 높은 아음속에서는(마하수 M=0.8∼0.9), 이러한 피토우정압관에서 국부충격파가 일찍 발생하고 충격파항력이 급상승하게 된다.
총압(PO), 정압(Ps), 및 마하수(M)와 함께 받음각(α)을 측정하기 위한 다른 장치가 RU 2 000 561에 공지되어 있다. 상기 장치는 전방이 뾰족하고 상측면이 회전축에 직교하도록 배치되고 정압을 측정하기 위한 개구가 구비된 형태로 구성된다. 상측면상의 플레이트의 후방부에는 직선형의 전연을 갖는 하프윙이 배치되는데, 이 하프윙은 플레이트의 상측면에 직교하며 그 단부에는 총압탐침자가 배치된다. 받음각을 측정하는 개구는 하프윙의 직선형 전연에 배치된다. 정압을 측정하기 위한 개구, 대응하는 공기경로에 의해 받음각을 측정하기 위한 총압탐침자 및 개구는 압력변환기에 연결된다. 이 장치는 또는 본체의 각도변위를 변환하는 변환기를 구비한다. 정압을 측정하기 위한 개구들은 플레이트의 상측면과 동일면상에 구성된 비회전디스크에 배치될 수 있다. 이 장치는 기본적으로 그 자체 내에 공기역학적 각도변환기 및 피토우정압관의 기능을 갖춘다. 이 장치는 다수의 결점을 갖는다. 먼저 장치가 회전함에 의해 설계가 복잡하다. 따라서, 정적 및 동적으로균형을 이루어야 하는 장치에 필요한 매우 낮은 마찰계수를 갖는 베어링을 구비하여야 한다. 그 외에, 본체의 각도변위용의 변환기를 구비하여야 한다. 기본적으로 상기 제 1결점으로부터 생기는 제 2결점은 설계중량이 증가되는 것이다. 또한 그 설계특징 때문에 비행기의 동체에 전달될 총압이 여러 소모부에 전달될 수 없다는 결점이 있는데, 이런 필요성은 비회전공기경로 때문에 자주 발생한다. 장치의 회전부로부터 비회전부로 압력을 전달하는데에는 특별한 시일이 필요하며 설계를 복잡하게 하고 중량을 상승시켜 마찰력모우멘트를 증가시키며, 따라서 이런 장치가 동작하기 시작하는 속도의 최소크기가 상승한다.
US 4,378,696은 비행(유동)변수, 즉 받음각(α), 총압(PO) 및 정압(Ps)과 마하수(M)를 결정하기 위한 동체PST를 개시하는데, 이는 총압을 검출하기 위한 개구가 배치된 원추형이나 아치형헤드부을 갖는 기다란 축대칭체이며, 이 헤드부는 원형실린더속으로 합쳐지며 그 실린더의 표면에는 정압을 검출하기 위한 개구가 배치된다. 또한 이 실린더면은 받음각을 설정하는 압력을 검출하기 위한 개구가 배치되는 원추면속으로 합쳐지고난 후 다시 실린더면속으로 합쳐진다. 비행기의 동체나 본체에 고정하기 위하여 피토우탐침자는 지주를 갖는데 이 지주의 단면은 뾰족한 전연을 갖는 렌즈형 윤곽형상을 갖는다.
주어진 PST의 결점은 다음과 같다:
- 축대칭체의 전체크기의 증가
- 설계의 복잡성
- 공기역학적 항력의 증가
- 빙결방지시스템의 가열에 필요한 동력의 증가
- 받음각의 관점에서 보아 원추부에 배치되어(α를 측정하기 위해) 개구에서 측정된 압력의 민감성의 저하, 이에 따라서 받음각의 결정에서의 오차가 커진다.
- 설계중량의 증가
이 것은 다음의 요인에 의해 유발된다:
1. 주어진 PST는 축대칭체의 확대중간부를 갖는다. 이 경우에 중간부의 확대치수는 두 가지 환경에 의해 생긴다.
먼저, 축대칭부의 원통형부는 받음각을 결정하는 압력검출용 개구가 배치되는 원추형부속으로 합쳐진다. 받음각에 따라서 이들 개구에 의해 검출된 압력의 민감성을 다소 향상시키기 위해서는 원추각도가 충분히 커야 하며, 이에 따라서 소정의 원추형부의 하류측의 축대칭체의 직경을 상당히 증가시킬 필요가 있다. 두 번째 환경은 총압, 정압 및 받음각을 결정할 수 있게 하는 압력측정용 개구그룹이 소정의 형상으로 분산되어 있지만 이들은 모두 동일한 축대칭체에 위치한다는 것과 관련된다. 모두 지시한 개구그룹으로부터 이어지는 공기경로와 빙결방지시스템의 관형전기히터(TEH)도 축대칭체의 내부에 배치할 필요가 있다. 공기경로의 직경과 TEH의 직경은 유체역학적 항력의 크기에 의해 공기경로에 대하여 정해지고 열유속밀도의 최대치 및 히터의 표면온도에 의해 TEH에 대하여 정해지는 소정의 최소치보다 작을 수 없다. 그 결과 높은 설계포화, 즉 PST의 축대칭체의 높은 설계복잡성이 유발된다.
지시한 환경들에 의해 중간부의 면적이 확장되고, 따라서 설계중량, 공기역학적 항력 및 빙결방지시스템의 동력이 증가한다. 또한 원통형부로부터 원추형부로 바뀐 후 다시 원통형부로 바뀌면 원추형부의 하류측에서 유동분리가 생길 수 있고 국부충격파의 이전의 외관(마하수의 관점에서)이 될 수 있음을 주목할 필요가 있다. 마찬가지로 이에 따라서 공기역학적 항력이 증가하게 된다. 그 외에, 지주와 함께 축대칭체의 확대직경과 그 공기부의 비최적형상은 지주의 렌즈형 공기역학적 윤곽형상의 최대두께의 선의 하류측의 PST의 축대칭체의 테이퍼형 후미부의 조인트부위에서 바람직하지 못한 공기역학적 간섭(유동분리 및 충격파의 이전의 외관)을 유발한다. 또한 이에 따라서 이런 PST의 공기역학적 항력이 어느정도 증가하게 된다.
2. 축대칭체의 길이의 증가. 이 것은 총압 및 정압과 받음각을 측정하기 위하여 모든 3그룹의 개구들이 축대칭체에 배치되는 것에 기인하는 것이다. 이 경우, 정압을 측정하기 위한 개구는 정압의 측정이 (보정과정을 도입하지 않고) 정확하고 지주로부터의 과압을 실질적으로 배제하도록 지주로부터 충분히 멀리 위치하여야 한다. 이에 따라서 축대칭체의 길이가 상당히 증가한다. 주지된 바와 같이, 첫 번째로 유동감속부위에 인접한 부위에서 비행기에 빙결이 생긴다. [sic](예를 들어 Bragg M. B., Grigoreh G. M., Lee J. D. Airfoil Aerodynamic in Icing Conditions. J. Aircraft, vol. 23, N1, 1986 참조). PST의 축대칭체에서의 이런 부위는 노즈부가 되며, 또한 받음각이 제로가 아닌 경우에는 PST의 축대칭체의 바람이 불어오는 쪽의 부분에서의 유동의 전개선의 근처의 부위가 된다. 따라서, 이런 기다란 축대칭체의 내부에는 그 전체길이에 걸쳐서 아주 큰 관형 전기히터가 배치된다. 이에 따라서, TEH가 매우 크기 때문에 가열에 필요한 동력이 상당히 증가하고 또한 설계중량이 더욱 증가하게 된다.
또한 PST의 축대칭체의 원추형부의 존재에 의해, 정압을 측정하기 위한 개구가 배치되는 전방에 위치한 원통형부에서 부가의 과압효과가 실현됨을 주목하여야 한다. 그 결과 정압의 정확한 결정(교정작업을 도입하지 않음)에는 정압을 검출하기 위한 개구들이 이 원추형부로부터 충분히 멀리 위치하여야 한다. 이에 따라서 축대칭체의 길이가 증가되고 따라서 설계중량이 더욱 증가하게 되어 전기가열되는 빙결방지시스템에 필요한 부가의 동력이 필요하게 된다.
3. PST의 지주의 내부에 배치되어 그 전연에서의 빙결을 방지하고 따라서 축대칭체에서의 압력측정에 이 빙결의 영향을 방지하기 위한 전기히터는 압력을 측정하기 위한 개구가 배치되지 않은 지주를 가열한다는 의미에서 적당한 효율로 사용되지 않는다. 이에 따라서 중량과 소모전력이 상당히 증가된다.
본 발명은 비행기의 비행변수의 측정 또는 액체 및 기체의 유동을 다루는 그 외의 분야의 과학 및 기술에 관한 것이다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 중급의 여객기에 장착하는데 최적화된 본 발명에 따른 PST의 제 1실시예의 측면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 PST의 평면도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 선 A-A에 따른 단면도를 나타낸다.
도 4는 축대칭체의 후미부가 최대두께부위에서 끝나면서 지주와 완만하게 일치하는 본 발명의 PST의 변형예 중의 하나를 나타낸다.
도 5는 도 4의 선 A-A에 따른 단면도를 나타낸다.
도 6은 도 4의 선 B-B에 따른 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 4의 선 C-C에 따른 단면도를 나타낸다.
도 8은 정압을 측정하기 위한 개구를 갖는 플레이트가 지주를 갖는 축대칭체와는 별개로 구성되는 본 발명의 PST의 변형예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 따른 PST의 평면도를 나타낸다.
도 10은 도 8의 선 A-A에 따른 단면도를 나타낸다.
도 11은 전연의 관점에서 지주의 제 1스위프를 갖는 본 발명의 PST의 제 1변형예를 나타낸다.
도 12는 지주의 제 2스위프를 갖는 본 발명의 PST의 제 2변형예를 나타낸다.
도 13은 지주의 제 3스위프를 갖는 본 발명의 PST의 제 3변형예를 나타낸다.
도 14 내지 도 19는 지주의 윤곽형상의 여러 가지 변형예를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예의 측면도를 나타낸다.
도 21은 도 20의 선 A-A에 따른 단면도를 나타낸다.
도 22는 도 20에 따른 PST의 평면도를 나타낸다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예의 측면도를 나타낸다.
도 24는 도 20의 선 A-A에 따른 단면으로 본 발명에 따른 피토우정압관의 다른 실시예를 나타낸다.
도 25는 도 24의 선 A-A에 따른 단면도를 나타낸다.
도 26은 도 25에 따른 PST의 평면도를 나타낸다.
도 27은 교정슬로프의 함수관계의 일예를 나타낸다.
도 28은 P44/P30비에서의 마하수의 변화를 나타낸다.
본 발명의 목적은 앞에서 열거한 결점들을 제거하는 것이다.
그 기술적 결과는 다음과 같이 구성된다:
- PST의 축대칭체와 지주의 공기역학적 항력의 감소
- 빙결방지시스템을 가열하는데 필요한 동력의 감소
- 설계의 단순화,
- 축대칭체의 전체크기의 감소
- 설계중량의 감소
이 기술적 결과는 총압, 정압 및 받음각을 결정하기 위한 3그룹의 개구들과, 사이에 배치된 공기경로 및 전기가열요소에 고정하기 위한 축대칭체 및 지주를 포함하는 피토우정압관이 상기 정압을 결정하기 위한 개구들가 지주의 상류측의 플레이트에 배치되는 방식으로 구성됨에 의해 달성된다.
유리하게는 받음각을 결정하기 위한 개구는 지주에 배치된다. 상기 개구들은 지주의 노즈부와 지주의 최대두께의 위치사이의 상기 지주에 배치된다. 따라서, 개구들은 부위 X = 0,…, Xc에 배치되는데, 여기서 Xc는 최대두께의 위치이다. Xc는 다음의 공식에 의해 결정된다:
C(Xc) ≥ C(X ≠ Xc)
여기서, C(X)는 윤곽형상의 노즈부로부터 거리 X에서의 윤곽두께이다.
탐침자의 동체의 공기역학적 항력을 더욱 감소시키기 위해서는 축대칭체의 후미부를 최대상대두께의 부위에서 끝나면서 지주의 공기역학적 윤곽형상과 완만하게 일치하게 할 수 있다.
설계를 고려하거나 공기역학을 고려하면 비행기의 일지점에서의 정압을 측정하고 다른 지점에서 총압과 받음각을 측정하는 것이 편리하다. 이 경우 본 발명의 동체탐침자를 측정목적에 적용할 수 있는데, 여기서 정압을 측정하기 위한 개구를 갖는 플레이트는 지주를 갖는 축대칭체와는 별개로 구성된다.
비행기의 초음속비행체제에 적용하기 위해서는, 매우 좁은 범위의 받음각이필요한 경우 지주의 단면은 뾰족한 노즈부를 갖는 공기역학적 윤곽형상을 가질 수 있다.
아음속의 마하수에서 사용되는 비행기에 적용하기 위해서는 지주의 단면은 둥근 노즈부를 갖는 아음속의 공기역학적 윤곽형상을 가질 수 있다.
받음각의 측정범위를 넓히기 위해서는, 지주의 외측면은 원통면의 형태를 취할 수 있다.
받음각의 측정범위를 더욱 넓히기 위해서는, 받음각을 측정하기 위한 개구는 지주의 노즈부로부터 지주의 최대두께까지 지주에 배치될 수 있다.
빙결방지시스템에 필요한 동력을 더욱 크게 감소시키기 위해서는, 빙결방지시스템의 전기가열요소가 지주의 전연쪽으로 만곡될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 받음각을 결정하기 위한 개구는 지주의 베이스에 대하여 축대칭체의 상부의 지주에 배치된다. 이런 배치는 다음과 같은 이점을 부여한다:
-받음각의 결정정밀도의 향상, 및
-천음속유동체제에서의 정압측정정밀도의 향상
추가로 상기 배치는 국부받음각의 측정에 대한 슬립각도의 영향을 감소시킨다. 이것은 비행기의 소정의 미끄러짐을 고려하여 축대칭체로부터의 와류흔적이 받음각을 측정하는 개구속에 들어가지 않음에 의해 이루어진다.
PST의 받음각이 제로이고 높은 아음속이나 초음속의 경우 축대칭체의 공기역학적 항력은 중간부의 면적에 비례하기 때문에, 종래의 PST와 동일한 형상을 갖는다고 하면 PST의 공기역학적 항력의 감소도 종래의 PST와 본 발명의 PST의 축대칭체의 직경의 제곱의 차에 비례할 것이다. 그러나 본 발명의 PST의 축대칭체의 형상은 종래의 PST의 경우에서처럼 부가의 단계(후속의 두께증가과정을 갖는 원추형단계)를 갖지 않기 때문에, 축대칭체에서의 유동분리도 없고 원추형단계의 하류측의 충격파의 외관도 없을 것이다. 따라서, 공기역학적 항력의 감소가 더욱 커질 것이다. 본 발명의 PST에서의 축대칭체의 길이가 종래기술의 PST예에서보다 상당히 작기 때문에 큰 받음각에서 항력의 감소도 매우 중요할 것이다. 본 발명의 PST의 경우에는 빙결환경이 부족하여(유동감속의 부위가 없어서) 정압을 측정하기 위한 개구가 위치하는 플레이트를 가열하기 위한 동력을 공급할 필요가 없고 받음각을 측정하기 위한 개구가 위치하는 지주를 가열하는데 필요한 동력이 대략 종래의 PST의 지주를 가열하기 위한 동력과 동일하기 때문에, 본 발명의 PST를 가열하는데 필요한 동력의 감소는 축대칭체를 가열하기 위한 동력의 감소에 의해 결정된다. 이 감소는 종래의 PST와 본발명의 PST의 축대칭체의 외측면적사이의 차이에 비례한다(그 표면의 온도는 동일하다고 가정). 종래의 PST의 축대칭체를 가열하는데 필요한 동력은 지주에 필요한 동력과 대략 동일하기 때문에 그 결과 대략적인 평가에 따라서 본 발명의 PST의 전기히터에 요구되는 동력은 종래의 PST와 비교하여 대략 50% 감소될 수 있다. PST의 지주의 베이스에 대한 과압의 교정을 하지 않고 정압을 측정하기 위한 플레이트의 개구의 파상배치는 그 스위프 때문에 축대칭체의 종래의 PST의 대응개구와 비교하여 상당히 감소될 수 있으므로, 본 발명의 PST의 축대칭체와 플레이트의 중량은 서론의 설계검토에서 나타낸 바와 같이 종래의 PST의축대칭체의 외각의 중량과 대략 같아질 수 있다. 그 결과, 축대칭체의 히터의 크기의 감소에 의해서만 본 발명의 PST의 설계중량이 감소된다. 이 중량의 감소는 PST의 중량의 대략 15-20%이다.
축대칭체가 그 후미부가 최대두께부위에서 끝나면서 지주와 완만하게 합쳐지도록 구성되는 경우, 축대칭체와 지주의 간섭이 향상되며, 부가의 확산기가 없기 때문에 PST의 공기역학적 항력이 부가적으로 상당히 감소한다. 설계, 공기역학 또는 그 외의 것을 고려하여 비행기의 플레이트가 정압이 실행되는 위치의 동체에 위치하여야 하는 한편 PST의 축대칭체를 갖는 지주가 다른 위치에 위치하여야 하는 경우, 정압을 측정하기 위한 개구를 갖는 플레이트는 지주를 갖는 축대칭체와는 별개로 구성된다. 받음각의 측정범위가 충분히 좁을 필요가 있는 경우 아음속 비행기의 항력을 더욱 감소시키기 위해서는 지주의 단면이 뾰족한 노즈부를 갖는 공기역학적 윤곽형상을 가질 수 있다. 이 PST를 아음속 마하수(M)에서 이용되는 비행기에 적용하는 경우, 항력을 더욱 감소시키고 받음각의 측정범위를 넓히기 위해서는 지주의 단면이 둥근 노즈부를 갖는 특별한 아음속의 공기역학적 윤곽형상을 가질 수 있다. 받음각의 측정범위를 더욱 넓히기 위해서는 지주의 외측면이 원통면의 형태를 가질 수 있다. 받음각의 측정범위를 더욱 넓히기 위해서는, 받음각을 측정하기 위한 개구가 그 노즈부로부터 최대두께부위까지 배치될 수 있다. 전기가열요소가 지주의 전연쪽으로 만곡되기 때문에 종래의 PST와 비교하여 쓸모없는 열손실이 부가적으로 상당히 감소되고 가열에 필요한 동력이 감소된다.
천음속의 유동속도에서 정압의 결정정밀도를 향상시키기 위해서 지주의 공기역학적 윤곽형상은 정압을 진단하기 위한 적어도 하나의 부가의 개구가 배치되는 출구부를 가질 수 있다.
설계를 단순화하고 공기역학적 항력을 감소시키기 위해서 지주는 비행기에 적합한 실제의 기체의 요소가 될 수 있다.
이 공기역학적 윤곽형상에서 측정된 압력의 크기에 받음각의 변화가 주는 영향은 원추형에서보다 상당히 큼에 의해 본 발명의 PST의 각도측정의 오차는 특히 개구가 그 근처에 배치된 경우 종래의 PST에서보다 상당히 작다.
그 외에 축대칭체로부터 지주까지 받음각 측정용 개구를 이동하기 때문에 축대칭체의 설계가 상당히 단순화되며 그 직경과 공기역학적 항력이 감소된다.
지주의 공기역학적 항력의 감소는 적절한 (아음속 또는 초음속의) 공기역학적 윤곽형상을 적용함으로써 달성된다. 빙결방지시스템의 전기히터를 빙결작용을 가장 많이 받는 지주의 윤곽형상의 노즈부쪽으로 만곡시키기 때문에 가열에 필요한 동력을 상당히 줄일 수 있다. 공기역학적 윤곽형상의 출구부의 부위에는 압력의 천음속 안정화의 현상이 부족하기 때문에 출구부에서의 정압을 진단하기 위한 개구가 있으면 천음속의 유동속도의 경우에 압력의 측정정밀도를 상당히 향상시킬 수 있다. 동체의 표면의 전용 플레이트에 정압을 진단하기 위한 개구들을 배치하여도 PST의 설계를 상당히 단순화시키며 이는 축대칭체를 상당히 단순화시키고 이 플레이트는 축대칭체에서처럼 빙결작용을 받지 않기 때문에 빙결방지시스템에 필요한 동력을 줄일 수 있다.
도 1 내지 도 10에 도시한 피토우정압관은 노즈부네 총압을 결정하기 위한 개구(2)가 배치되어 있는 축대칭체(1)로 구성된다. 이 축대칭체(1)의 내부에는 동결방지시스템의 TEH(3)가 위치한다. 이 축대칭체(1)는 받음각을 결정하기 위한 개구(5, 6)가 배치된 지주(4)에 고정되며, 이 지주(4)의 내부에는 TEH(7)가 배치된다. 개구(5, 6)들의 각각은 지주(4)의 단면의 상하측면에 개구를 보유하기 위한 목적으로 배치할 수 있다. PST는 플레이트(8)를 갖는데, 이 플레이트는 플랜지(9)에 연결될 수 있거나 동시에 비행기의 동체에 지주(4) 및 플레이트를 고정하는 플랜지(9)가 될 수 있으며, 플레이트(8)에는 정압을 측정하는 개구(10)가 구성된다. 개구(2, 5, 6, 10)로부터의 압력은 공기경로(11)와 노즐(12)에 의해 PST로부터 끌어내어지며, PST의 지주(4)와 축대칭체(11)의 가열은 전기커넥터(13)에 의해 전기히터(3, 7)로 이루어진다.
개구(5, 6)는 도 4, 도 5 및 도 14 내지 도 19에 도시한 바와 같이 노즈부와 최대두께의 위치(XC)의 사이의 지주(4)에 배치된다.
피토우정압관은 다음과 같은 방식으로 작동한다. 개구(2, 5, 6, 10)에 의해 검출된 압력은 노즐(12)을 통하여 변환부에 전송되고 이 변환부는 이 압력을 전기신호로 변환한다. 이 전기신호는 정보처리부에 보내어지는데, 이 정보처리부에서는 교정관계로부터 유동(비행)변수(PO, Ps, α)가 결정된다. 측정을 강하게 왜곡시키거나 개구의 막힘 및 PST의 파괴를 유발할 수 있는 빙결을 방지하기 위해 전기에너지는 전기커넥터(13)를 통하여 TEH(3, 7)에 공급된다. 전기TEH(3, 7)는 축대칭체 및 지주(4)의 외각과 공기경로(11)를 가열하는데, 이 공기경로는 대체로 극히 양호한 열전도체인 재료(예를 들어, 니켈)로부터 제조된다. TEH의 동력과 공급된 전기에너지의 동력은 축대칭체(1) 및 지주(4)의 표면과 개구(2, 5, 6)내에서의 빙결을 방지하도록 선택된다.
축대칭체(1)와 지주(4)의 사이의 간섭을 향상시킴으로써 공기역학적 항력을 더욱 낮추기 위해서는, 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 축대칭체의 후미부가 완만하게 일치되며 지주의 최대두께의 부위로 끝난다.
필요에 따라서는 설계 또는 공기역학적 고찰을 근간으로 하여 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 PST의 본 동체에는 축대칭체(1) 및 지주(4)와는 별개로 정압을 측정하는 개구를 갖는 플레이트(8)가 구성될 수 있다.
PST의 설계 및 공기역학적 변수들은 PST의 동작범위에 대한 요건과 비행기의 측정정밀도 및 유동조건에 의거하여 선택된다. PST의 높이(도 11 내지 도 13 참조)는 총압을 검출하는 개구가 경계층의 한계를 넘어서 위치하도록 선택된다. 플레이트상의 정압을 측정하는 개구의 지주에 대한 파상배치는 지주(4)로부터의 과압이 측정을 방해하지 않고 어떤 가능한 장해(예를 들어, 천음속(transonic) 및 초음속(supersonic)비행체제에서의 충격파)도 유발하지 않도록 선택된다. 받음각(α)을 측정하는 개구(5, 6)의 높이(hα)도 장해가 없는 것을 고려하여 선택된다. PST를 초음속 및 매우 작은 받음각에서 전적으로 동작시키려고 하는 경우 그 윤곽형상은 노즈부가 뾰족한 렌즈형상이나 아치형을 가질 수 있다. 지주(4)의 몇 가지 가능한 단면을 도 14 내지 도 17에 도시하였다. 아음속에서는 예를 들어 마하수(M)의 관점에서 해당하는 동작체제로 조절된 원형노즈를 갖는 윤곽형상을 적용할 수 있다. 윤곽형상과 동작조건의 특성을 기초로 지주의 스위프(χ)도 후연을 갖도록 선택된다(도 11 내지 도 13 참조).
예를 들어 매우 낮은 속도에서 받음각의 측정범위를 넓히기 위해서 지주의 단면윤곽형상은 특히 타원형이나 원형을 가질 수 있다.
주항로의 중급여객기나 수송기에 장착하는데 최적화된 본 PST의 변형실시예를 도 1 내지 도 3에 나타낸다.
도 20 내지 도 26에 도시한 피토우정압관은 측대칭체(29)로 구성되는데, 이축대칭체의 노즈부에는 총압을 결정하는 개구(30)가 배치된다. 축대칭체(29)의 내부에는 빙결방지시스템의 관형전기히터(TEH)(32)가 위치한다. 이 축대칭체(29)는 지주(33)에 고정되고, 받음각을 결정하는 개구(34, 35)는 지주(33)의 베이스에 대하여 축대칭체(29)의 위에 배치되며, TEH(326)는 지주(33)의 내부에 배치된다. 수개의 개구(34, 35)는 각각 지주의 단면의 상하측면에 개구를 보유할 수 있도록 배치될 수 있다. 상기 개구들은 노즈부와 최대두께의 위치사이에 배치된다. 이 PST는 플랜지(37)에 의해 동체에 고정될 수 있다. 개구(30, 34, 35)로부터의 압력은 공기경로(38) 및 노즐(39)에 의해 PST로부터 인출되며, PST의 지주와 축대칭체의 가열은 전기커넥터(40)에 의해 전기히터(32, 36)로 이루어진다. 정압은 지주(33)의 상류측에 배치된 플레이트의 개구(44)에 의해 결정된다.
피토우정압관은 다음과 같은 방식으로 동작한다. 개구(30, 34, 35, 44)에 의해 검출된 압력은 노즐(39)을 통하여 변환부에 전송되는데, 이 변환부는 이 압력을 전기신호로 변환시킨다. 이들 전기신호는 정보처리부로 보내지고 이 정보처리부에서는 교정관계로부터 유동(비행)변수(PO, Ps, α)가 결정된다. 측정치를 강하게 왜곡시키거나 개구의 막힘 및 PST의 파괴를 유발할 수 있는 빙결을 방지하기 위해 전기에너지는 전기커넥터(40)를 통하여 TEH(32, 36)에 공급된다. TEH(32, 36)는 축대칭체(29) 및 지주(33)의 외각과 공기경로(38)를 가열하는데, 이 공기경로는 대체로 극히 양호한 열전도체인 재료(예를 들어, 니켈)로부터 제조된다. TEH의 동력과 공급된 전기에너지의 동력은 축대칭체(29) 및 지주(4)의 표면과 개구(30, 34,35, 44)내에서의 빙결을 방지하도록 선택된다.
축대칭체의 설계를 단순화시키고 및 PST의 TEH에 의해 소모된 동력을 더욱 줄이기 위해 정압을 타진하기 위한 개구(44)(도 20 내지 도 26)는 비행기의 동체에 위치할 수 있는 플레이트(45)에 배치된다.
빙결방지시스템의 TEH에 요구되는 동력을 줄이기 위해, TEH는 빙결작용을 가장 많이 받는 지주의 노즈부쪽으로 만곡될 수 있다(도 20).
도 23은 정압을 타진하기 위한 적어도 하나의 개구(41)가 배치된 출구부를 구비하는 PST의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 개구(41)는 공기경로(42)를 통하여 노즐에 연결되며 정압의 측정치의 정밀도를 마하수영역에서 단일화에 가깝게 향상시키는 역할을 한다. 종래기술의 PST는 압력을 안정화시킨 축대칭체에 배치된 정압용 개구로 구성된다.
출구부의 압력은 안정화 현상을 받지 않으며(도 28), 정압은 이전에 실시된 교정에 의거하여 출구부의 압력에 따라서 설정된다.
도 24 내지 도 26은 주항로의 중급 또는 수송기에 맞게 최적화된 본 피토우정압관의 실시예의 변형예를 나타낸다.
도시한 모든 실시예에서는 하나 또는 수개의 개구가 차단되더라도 지주의 2표면에 배치된 개구들에 의해 확실한 측정이 가능하다. 따라서, 작동불량에 관계없이 총압(PO), 정압(Ps) 및 받음각(α)을 결정할 수 있다.
도 27은 받음각을 결정하는 개구들이 축대칭체의 원뿔부에 배치된 본 PST와종래의 PST의 받음각을 결정하기 위한 교정슬로프 χα= (P6-P7)/(P2-P3)의 함수관계의 예를 나타내는데, 여기서 Pi는 대응하는 개구에서 측정된 압력이다. 부호 2 및 3은 마찬가지로 본 PST와 종래의 PST에 대하여 축대칭체의 원통면과 노즈부에 배치된 개구를 나타내며, 부호 6 및 7은 본 PST의 지주와 종래의 PST의 축대칭체의 원추부에 배치된 개구들을 나타낸다.
도 28은 동일하게 측정된 압력의 P44(지주의 상류측의 플레이트에서의 압력)/P30(축대칭체의 노즈부에서의 압력)비와 마하수의 변형예와 P41(지주의 공기역학적윤곽형상의 출구부에서의 압력)/P30비와 마하수의 변형예를 나타낸다.
다음은 본 발명을 사용하여 달성할 수 있다.
-설계의 단순화
-축대칭체의 전체크기의 감소
-공기역학적 항력의 저하
-PST의 빙결방지시스템에 필요한 동력의 감소
-중량의 감소
-받음각의 측정정밀도의 향상
설계검토를 실시한 바 이에 대한 가능성을 나타내었기에 지주의 기본적인 설계, 기하학적 및 공기역학적 변수(높이, 스위프각, 윤곽형상 및 상대두께)는 종래의 예에서와 동일하게 본 PST에서도 유지된다고 가정하고 이를 입증하자.
1. 설계의 단순화는 받음각과 정압을 측정하는 기초가 되는 압력진단용 개구군이 PST의 축대칭체에 위치하지 않고 각각 PST의 지주와 플레이트에 위치함에 의해 달성된다. 공기경로가 지시된 개구그룹의 각각으로부터 이어지고 빙결방지시스템의 전기가열요소가 여전히 축대칭체와 지주의 내부에 배치되어야 하기 때문에 PST의 설계포화가 매우 높다. 축대칭체로부터 지주 및 플레이트까지 받음각과 정압을 측정하기 위한 개구를 이동시킨 결과로서 설계포화가 낮아지며, 축대칭체의 구성과 지주를 갖는 본발명의 전체PST의 구성이 단순화된다.
2. 받음각과 정압을 결정하는데 사용되는 압력진단용 개구를 축대칭체로부터 지주 및 플레이트로 이동시킨 결과로서 축대칭체의 직경이 상당히 감소한다(도 1). 설계검토를 실시한 바, 본 발명의 PST의 축대칭체의 직경(d)이 종래의 PST(내측경로와 전기가열요소의 직경이 동일)와 비교하여 대략 1.5-2배 감소될 수 있는 한편 축대칭체의 길이/가 8-10배 감소될 수 있음을 나타낸다.
3. 축대칭체의 공기역학적 항력은 공식 D = CxqS로 나타낼 수 있는데, 여기서 Cx는 항력계수이고, q는 동적압력이며, S는 특징면이다. 특징치수를 초과하는 PST의 축대칭체에서는 S = πd2/4로 나타내어지는 중간부의 면적을 채용할 수 있는데, 여기서 d는 중간부의 직경이다. 따라서, 본 발명의 PST의 축대칭체가 기하학적으로 종래의 PST의 축대칭체와 유사하다면(즉 동일한 크기 Cs를 유지), 본 발명의 PST의 축대칭체의 항력은 직경(d)이 1.5-2배 감소한 결과로서(상기 2항 참조) 동일한 동적압력으로 판단하여(즉 동일한 속도(V)와 마하수(M)로 판단하여) 본 발명의PST의 축대칭체의 항력이 대략 2-2.4배 감소할 것이다. 그러나, 본 발명의 PST의 축대칭체의 형상이 (종래의 PST의 경우에서처럼 나중에 원추부의 직경을 크게 하는) 부가의 단계를 갖지 않기 때문에, 축대칭체에서의 유동분리도 없고 원추부의 하류측에서의 충격파의 발생도 없을 것이다. 따라서 평가한 바와 같이 본 발명의 PST의 축대칭체의 항력계수(Cx)의 크기가 여전히 대략 7-10% 감소될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 PST의 축대칭체의 항력(X)은 α=0에서 대략 2.5-4.5배 감소한다. 받음각이 제로가 아닌 경우 축대칭체의 공기역학적 항력도 그 길이의 감소(8-10배) 때문에 상당히 감소될 수 있다. 평가한 바와 같이, 이 경우 축대칭체의 항력이 5-7배 감소하는 것을 예상할 수 있다.
축대칭체의 후미부가 그 최대두께의 부위에서 끝나면서 지주와 완만하게 일치한다는 사실 때문에 본 발명의 PST에서의 공기역학적 항력의 부가의 감소가 보장될 수 있다. 이 경우 간섭을 받는 PST의 축대칭체와 지주의 후미부의 구성을 통하여 명백한 효과가 얻어진다. 이 경우 축대칭체의 테이퍼형의 후미부의 조인트의 부위와 이 조인트의 윤곽의 후미부에서 부가의 확산기가 없기 때문에 유동분리 및 충격파늬 발생을 피할 수 있다. 지시한 바와 같이 이 결과는 전체 PST의 항력이 부가적으로 10-15% 감소된 것이다.
비행기의 해당하는 기본적인 비행체제(지주의 공기역학적 윤곽형상의 예리한 전연을 갖는 초음속체제 또는 둥근 후연을 갖는 아음속체제)로 조정된 PST의 지주에 대한 전문화된 공기역학적 윤곽형성을 선택함으로써 공기역학적 항력을 선택함으로써 공기역학적 항력을 더 감소시킬 수 있다.
4. 본 발명의 PST의 축대칭체의 빙결방지시스템에 필요한 동력도 종래의 PST의 축대칭체와 비교하여 크게 감소될 수 있다. 축대칭체의 동일한 열방출과 표면의 동일온도에 필요한 동력은 외측면적, πd/에 비례하며, 즉 PST의 직경(d)과 길이/에 선형적으로 변화한다. 상기 2항에 따르면 본 발명의 PST의 축대칭체의 직경(d)이 1.5-2배 감소될 수 있고 그 길이가 8-10배 감소될 수 있기 때문에 축대칭체의 빙결방지시스템에 필요한 동력은 축대칭체 종래의 PST의 축대칭체와 비교하여 12-20배 감소될 수 있다.
본 발명의 PST에서는 지주를 가열하는데 필요한 동력이 종래의 PST의 지주를 가열하는데 필요한 동력과 대략 동일하면서도 빙결조건이 없기 때문에 정압을 측정하는 개구가 위치하는 플레이트를 가열하기 위한 동력을 공급할 필요가 없기 때문에(유동감속부위가 없기 때문에), 축대칭체를 가열하는데 필요한 동력의 감소에 의해 가열에 필요한 동력의 감소가 결정된다. 그러나 종래의 PST의 축대칭체를 가열하는데 필요한 동력은 지주에 필요한 동력과 대략 같기 때문에 그 결과는 개략의 평가에 따라서 본 발명의 PST의 전기히터의 소요동력이 종래의 PST와 비교하여 대략 50%만큼 감소될 수 있다.
그 외에 지주의 전연쪽으로의 TEH의 옵셋팅에 의해 PST를 가열하는데 필요한 동력의 감소가 얻어질 수 있는데, 이는 빙결작용을 가장 많이 받는 전연에 인접한 영역이기 때문이다.
5. PST의 지주의 베이스에 대한 정압을 측정하기 위해(과압의 보정을 도입하지 않음) 플레이트에 파상배치한 개구들이 축대칭체에서의 종래의 PST의 대응개구와 비교하여 스위프 때문에 상당히 감소될 수 있기 때문에, 서론의 설계검토에서 지시한 바와 같이 본 발명의 PST의 축대칭체 및 플레이트의 중량은 종래의 PST의 축대칭체의 외각의 중량과 대략 같을 수 있다. 그 결과, 축대칭체의 히터의 크기의 감소에 의해서만 본 발명의 PST의 설계중량이 감소될 수 있다. 이 중량의 감소는 PST의 중량의 대략 15-20%이다.
6. 받음각을 결정할 수 있게 하는 압력진단용 개구가 축대칭체의 원추부에 배치되지 않고 공기역학적 윤곽형상의 관점에서의 단면을 갖는 지주에 배치되는 결과로서 종래의 PST와 비교하여 본 발명의 PST에서의 받음각의 측정정밀도가 향상된다. 실험데이터에 의거하여 얻어진 도 27에 나타낸 슬로프(α)의 함수관계로부터 α=0-20。의 받음각의 범위에서의 공기역학적 윤곽형상의 개구에 대한 도함수는 종래의 PST의 축대칭체의 원추면에 배치된 개구의 도함수보다 상당히(≒5배) 크다는 것을 알 수 있다. 받음각의 결정에서의 오차는 δα = dα/dχα* δp/q의 형태로 나타낼 수 있는데, 여기서 q는 동적압력이고 δp는 압력차 P35- P34의 측정오차이다. 따라서 M = 0.2인 p = 0.15mm수은주의 이상적인 압력변환측정에서의 오차에 있어서 지시한 받음각범위에서의 받음각의 측정오차는 종래의 PST에서는 0.4。의 크기를 갖지만 본 발명의 PST에서는 0.08。의 크기를 갖는다.
7. 본 발명의 PST에서는 기본압력이 마하수의 단조로운 함수로서 천음속(transonic)의 안정화현상을 받지 않으면서도(도 28에서 P41/P30및 P44/P30의크기의 변화의 문자를 비교하라) 지주의 공기역학적 윤곽형상의 출구부의 측면으로부터 기본압력을 선택할 수 있기 때문에, 도시한 실험에서처럼 본 발명의 PST의 소정의 변형에서 M ≒ 1.0에 대한 정압의 측정정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 계산된 평가와 설계 및 계획검토의 주어진 결과는 종래의 PST와 비교하여 본 발명의 PST의 모든 지시한 변수 및 성질의 이점을 명백히 나타낸다.
대체로 항공기에서는 몇 가지 이런 PST가 있기 때문에 중량 및 공기역학적 항력이 상당히 저하하고 소요전기에너지가 절감된다.
Claims (11)
- 총압, 정압 및 받음각을 결정하기 위한 3그룹의 개구들과, 사이에 배치된 공기경로 및 전기가열요소에 고정하기 위한 축대칭체 및 지주를 포함하는 피토우정압관(Pitot-Static tube)에 있어서, 상기 정압을 결정하기 위한 개구들은 지주의 상류측의 플레이트에 배치되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 제 1항에 있어서, 받음각을 결정하기 위한 개구들은 지주에 배치되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 축대칭체는 그 최대두께의 부위에서 끝나면서 지주와 완만하게 일치하는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 정압을 측정하기 위한 개구를 갖는 플레이트는 지주를 갖는 축대칭체와 별개로 구성되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주의 단면은 뾰족한 전연을 갖는 초음속공기역학적 윤곽형상을 갖는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 제 1항 내지 제 4항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주의 단면은 둥근 노즈부를 갖는 아음속공기역학적 윤곽형상을 갖는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 제 1항 내지 제 4항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주의 외측면은 원통면인 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주에서의 받음각을 측정하기 위한 개구들은 그 노즈부로부터 공기역학적 윤곽형상의 최대두께부위까지 배치되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주내부의 전기가열요소는 그 노즈부쪽으로 만곡되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 받음각을 결정하기 위한 입구들은 지주의 베이스에 대하여 축대칭체의 상부의 지주에 배치되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
- 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 지주에는 정압을 진단하기 위한 적어도 하나의 부가의 개구가 배치되는 출구부가 구비되는 것을 특징으로 하는 피토우정압관.
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