JP2005522700A - 風角度計測用センサ - Google Patents

Abstract

差圧により誘起される空気流に基礎をおいた手法が、航空機の迎え角（ＡＯＡ）または横滑り角（ＡＯＳ）を計測するために用いられる。航空機胴体の両側にあるポートは、質量空気流量センサを組み込んだ空気通路によって互いに連結される。相対風の入射角は、航空機の縦軸または翼弦に関して方向を変えるので、両側のポート間で差圧が生じる。その差圧が、ポート間に空気流を誘導する。空気流量の大きさが質量空気流量センサによって計測される。結果として得られる空気流量の大きさは、ＡＯＡまたはＡＯＳそれぞれの関数となる。計測された空気流量ならびに対気速度（または動圧）および高度（または静圧）といった空気データ・コンピュータに供給されるパラメータが利用され、アルゴリズムによってデータをＡＯＡまたはＡＯＳの角度計測値に変える。

Description

本発明は、航空機の迎え角（ＡＯＡ）または横滑り角（ＡＯＳ）を計測することに関し、特に、このような計測のための、質量空気流量に基礎をおいた差圧の利用に関する。

航空機用途においては、一般使用における従来のベーン、コーンまたは差圧計測手法によっては低速度での迎え角（ＡＯＡ）または横滑り角（ＡＯＳ）を正確に計測することは困難である。低対気速度およびＡＯＳを正確に計測するのに適した手段は、戦術上の垂直離着陸（ＶＴＯＬ）／短距離離陸および垂直着陸（ＳＴＯＶＬ）航空機の広い速度範囲にわたっての作動に適応できない。このような手段は、低レーダ断面積（ＲＣＳ）などの理由で認知しにくいものに対処するのに必要な特性にも欠ける。従来のＡＯＡおよびＡＯＳ検出手法は、それらが圧力を基礎にしているので、ＡＯＡまたはＡＯＳを正確に計測するために要求される程度の感度およびダイナミックレンジに欠ける。動圧が速度の自乗に比例するので、これらの技術は、高対気速度に対しては適度にうまく働くが、５０ノット対気速度以下では一般に使用できない。近代のＶＴＯＬ／ＳＴＯＶＬ航空機においては、５０ノット以下の速度でＡＯＡおよびＡＯＳを正確に計測することが要請される。

質量空気流量に基礎をおいた差圧計測手法は、迎え角（ＡＯＡ）または横滑り角（ＡＯＳ）を検出するように用いられる。航空機胴体の両側にある検出ポートは、質量空気流量センサを組み込んだ閉鎖型空気流通路によって互いに結合される。航空機の縦軸が、入射する空気流に関して方向を変えるので、一方のポートから他方のポートにかけて差圧が生じる。質量空気流量センサは、ＡＯＡまたはＡＯＳの関数となる、結果としての空気流量を検出する。

一実施例においては、ポートが、共通のプレナムに空気を送給する多数の小オリフィスを備えている。ソリッド・タイプの質量空気流量センサは、対になったフラッシュポート（周囲部分と同一平面上に縁部を有するポート）の間の空気配管内に配置される。ポートの外部オリフィスは、虫、氷片のような細片やその他の異物がポートを機能不全にしてしまう可能性を最少にする程度に小さくされている。オリフィスの１つが塞がれても、プレナムに接続された無数の残余のオリフィスが差圧による空気流を許すことになる。

横滑り角（ＡＯＳ）の計測のための一実施例においては、フラッシュポートは、航空機のコックピットのちょうど前方に装着され、航空機の中心線に関して互いに鏡像関係となる位置に横方向に並んで配置される。航空機には短距離離陸および垂直着陸（ＳＴＯＶＬ）航空機が含まれるが、本発明は他の任意の航空機まで拡張してその対象とすることができる。

下記の記載において添付図面を参照するが、これらの図面は本発明の一部を形成するある実施例を説明するためのものである。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に記載されている。その他の実施例が利用され、構造上の、論理的および電気的変更が本発明の範囲から逸脱せずになされてもよいことを理解されたい。したがって、下記の記載は、それに限定されるということを意味するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の記載によって特定される。

図１は、本発明の実施例による、全体を符号１１０で示す航空機の上面図である。航空機１１０の胴体１２５にある第１ポートが符号１２０で示されている。第１ポート１２０は、一実施例においてコックピット１３０の前方に配置される。第１ポート１２０に対向する第２ポート１４０は、胴体１２５においてコックピット１３０の前方の位置に示されている。ＡＯＳ計測のための一例においては、第１および第２ポートは、航空機の左右両側に配置され、航空機の中心線に関して各側で互いに鏡像関係に位置づけられる。ＡＯＡ計測のためには、検出ポートは、ＡＯＳのために用いられた左右横方向に沿った配置の代わりに、図４に示すように、航空機の中心線を挟んで上下に分かれた、垂直方向に沿った配置とされる。これらのポートの位置は、通常は互いに非鏡像関係にある。機体は垂直方向に沿った上下部分が互いに非対称だからである。また、その他の配置が選択されてもよい。

胴体１２５の断面が図２において符号２１０で示されている。その断面はポート１２０、１４０を通る線に沿って取られている。一実施例においては、これらのポートは、胴体の周囲部分と同一平面となっているフラッシュプレート２１５、２２０と一体化されている。ポートのプレナム２２５、２３０は、パイプまたはその他の空気配管２４０のような空気通路によって互いに連結されている。

２つのポート間のほぼ中間点において、質量空気流量センサ２５０が、ポート間の質量空気流量を計測するように定置される。ポート間の空気流は、ＡＯＳの場合は航空機の縦軸に対して、ＡＯＡの場合は航空機の翼弦に対して、ある角度をなして航空機に入射する相対風から生じる差圧によって引き起こされる。質量空気流量は、飛行方向に対する胴体の迎え角（ＡＯＡ）または横滑り角（ＡＯＳ）、航空機前進速度、および気圧高度の関数になる。他の実施例においては、空気流量センサが空気配管の異なる部分に配置されてもよい。

検出ポートの配置は、異なる実施例においては変わっていてもよい。図１に示す例示位置は、相対風の角度に対する感度を最適にし、且つ、機体に固有の制約に合致するように選択されたものである。その位置は、正負の相対風角度の双方に対する圧力の大きさが同じになることを保証するために、互いが鏡像位置関係になることが望ましい。さらに、任意の実施例におけるポートの通常の位置は、それらが最短実用長さの空気配管によって相互に接続されることを保証するように選択される。このような規準に合致する配置の一例が、コックピットの前方にある。

それぞれのポートを互いに予め定められた角度変位だけ離して配置することにより、所定のＡＯＳまたはＡＯＡに対して起こる圧力差が保証される。他の実施例においては、ポートは航空機のノーズにさらに近づいた位置に配置されてもよい。このような位置においては、ポートは、これらのポートの間に直接に延びる空気配管か、胴体の輪郭に倣うように沿った空気配管か、または機体設備制約に従って別の形態とされた空気配管を有することになろう。

ポートのさらなる詳細は、プレナムと一体のポート３１０の上面図（図３）に示される。ポート３１０は、「塩ふり容器」の構造にも似た、複数のオリフィス３２０の円形配列を有する。ポートは、規定された設備詳細内で航空機の胴体外面と同一平面上に設けられる。このポートは、複数のリベット、ネジ、またはボルト（いずれも頭が周囲と同一高さであり突出していない）によって保持される。

一実施例においては、オリフィスは、板に孔開けすることによって形成される。オリフィスは、直径０．７６−１．２７ｍｍ（０．０３−０．０５インチ）の範囲にあり、互いに約５０．８ｍｍ（約２インチ）離間されている。（しかしながら他の所望の寸法であってもよい。）このような小サイズのオリフィスは、虫、氷片、その他の異物のような破片がポートを塞ぐ可能性を最少にする。大きなオリフィスは高速の空気流を作り、それによって、異なる角度に対する高い感度を与える質量空気流量センサを提供することになる。その他のサイズのオリフィスは異なる感度を与えることになろう。

一実施例においては、質量空気流量センサはヒータおよび温度検出要素を収容する薄膜熱絶縁ブリッジ構造体のような、市場で入手可能な薄膜質量空気流量センサを備えている。この実施例は、自動水切りされ且つ加熱されることにより水または氷の混入を最少にする特質を有する。

この手法を用いてＡＯＡまたはＡＯＳを決定するために、センサが組み入れられた航空機のノーズ部分の原寸模型をつくることによって実験データが得られる。制御された環境を与えるため、風トンネルが利用される。対気速度、ＡＯＡ、ＡＯＳ、および静圧を変動させる一方で、質量空気流量センサの出力を監視して生の計測値を得る。これらは、アルゴリズムに基づいて入力変数の関数に変えられる。この関数は、航空機の空気データ・コンピュータによって与えられた対気速度（またはＱｃ）および高度（または静圧）の計測値とともに、本発明の検出手法によって与えられた生の質量空気流量データを用い、ＡＯＡまたはＡＯＳを計算する。

胴体１２５の断面が、図４において符号４１０で示される。その断面は、垂直方向に沿って互いに離れて配置された一対のポートを通るようにしてとられている。これらのポートは、ＡＯＡ計測のために利用される。一実施例においては、これらのポートは、胴体の周囲部分と同一平面とされているフラッシュプレート４１５、４２０と一体にされる。ポートのプレナム４２５、４３０は、パイプまたはその他の空気配管４４０のような空気通路によって互いに連結される。

２つのポート間のほぼ中間点において、質量空気流量センサ４５０がポート間における質量空気流量を計測するために定置される。ポート間の空気流は、ＡＯＡ計測のための航空機の翼弦に対してある角度で航空機に入射する相対風から生じる差圧によって発生する。質量空気流量は、飛行方向、航空機前進速度、および気圧高度に関して航空機胴体のＡＯＡの関数となる。一実施例においては、空気流量センサは空気配管の異なる部分に配置されてもよい。

［結論］
ポート、空気配管および質量空気流量センサの配置、ならびに、これらの部材と機体および計測装置との一体化が、本発明の真髄である。通常の実施例においては５０マイル毎時以下の非常な低速で飛行できるＶＴＯＬ／ＳＴＯＶＬ航空機を例示したが、その手法は、相対風角度を計測するために本発明を同じように用いるヘリコプタおよびその他の異なった用途にも拡張して適用できる。

計測された空気流量ならびに対気速度（または動圧）および高度（または静圧）のパラメータを供給された空気データ・コンピュータが、データをＡＯＡまたはＡＯＳ角度計測値に変えるアルゴリズムによって利用される。この計算は、空気データ・コンピュータ・ハードウエア、フライトコントロール・コンピュータ等の別のコンピュータで用いられているバーチャル空気データ・コンピュータ・ソフトウエアなどで行われてもよい。

ＡＯＳの検出用対立ポートの位置を示す航空機の上面図表示である。 対立ポートにおける図１の航空機胴体の正面断面図である。 図１の対立ポート用カバーの上面図表示である。 ＡＯＡの検出用対立ポートの位置を示す航空機の正面断面図表示である。

Claims (23)

1. 航空機であって、
   前記航空機の第１側に定置された第１ポートと、
   前記航空機の第２側に定置された第２ポートと、
   前記２つのポートを相互に接続する空気通路と、
   前記ポートを相互に接続する前記空気通路内に定位置された質量空気流量センサと、
   を備えた航空機。
2. 前記第１および第２ポートは、前記航空機と実質的に同一平面をなすように設けられたサブアセンブリを備え、前記ポートが１またはそれを超えるオリフィスを備えている、請求項１に記載の航空機。
3. 前記質量空気流量センサは、薄膜質量空気流量センサを備えている、請求項１に記載の航空機。
4. 前記第１および第２ポートは、前記航空機上で左右方向または上下方向に沿って互いに実質的に鏡像関係になるように配置されている、請求項１に記載の航空機。
5. 前記第１および第２ポートは、前記航空機の前部付近に配置されている、請求項４に記載の航空機。
6. 前記空気通路は、前記第１および第２ポート間に延びるチューブまたはその他の空気配管を備えている、請求項１に記載の航空機。
7. 前記空気通路は、前記航空機の輪郭に従うように配置されている、請求項６に記載の航空機。
8. 前記空気通路は、前記第１および第２ポート間を実質的に直接結ぶラインに従うように配置されている、請求項６に記載の航空機。
9. 航空機の一部分であって、
   ノーズ部の第１面上の第１ポートとノーズ部の第２面上の第２ポートとの間で空気流を運ぶ手段と、
   前記ポート間で空気流量を検出する手段と、
   を備えた航空機の一部分。
10. 前記第１および第２ポートは、前記航空機と実質的に同一平面をなすように設けられたサブアセンブリを備え、該サブアセンブリは、１またはそれを超えるオリフィスと、各ポートの前記オリフィスと接続する一体プレナムとを備えている、請求項９に記載の航空機の一部分。
11. 前記空気流量を検出する手段が薄膜質量空気流量センサを備えている、請求項１０に記載の航空機の一部分。
12. 前記空気通路は、前記第１および第２ポート間に延びるチューブまたはその他の空気配管を備えている、請求項１０に記載の航空機の一部分。
13. 前記空気通路は、前記航空機の輪郭に従うように配置されている、請求項１２に記載の航空機の一部分。
14. 前記空気通路は、前記第１および第２ポート間を実質的に直接結ぶラインに従うように配置されている、請求項１２に記載の航空機の一部分。
15. 前記第１および第２ポートは、前記航空機の一部分の表面上の離れた位置で互いに実質的に鏡像関係に配置されている、請求項１０に記載の航空機の一部分。
16. 前記第１および第２ポートは、前記航空機の前部付近に配置されている、請求項１５に記載の航空機の一部分。
17. 前記第１および第２ポートは、前記航空機の翼または尾部に配置されている、請求項１６に記載の航空機の一部分。
18. 航空機の胴体の二つの離れた位置間に空気流が流れるのを許すこと、および該空気流の流量を計測することを含む、航空機に対する風の角度を計測する方法。
19. 対気速度または動圧、および、高度または静圧のデータの利用を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 計測された空気流量ならびに対気速度または動圧および高度または静圧のデータに基づいて「風」の角度および速度を計算することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記空気流が流れるのを許すことは、前記航空機上の実質的な対立法線曲面ベクトルをもつ取り付け向きを有するポートを取り付けること、および前記ポートを前記空気配管に連結することを含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記空気流は、前記空気配管に組み込まれた空気流量センサによって計測される、請求項２１に記載の方法。
23. 航空機の上下表面間に空気流が流れるのを許すこと、および該空気流の流量を計測することを含む、ＡＯＡを決定するために航空機翼弦に対する相対風の角度を計測する方法。

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