用于空气数据探针的探针尖端的制作方法

本发明涉及一种具有探针尖端的探针，例如空气数据探针，以及制造探针尖端的方法。

背景技术：

皮托管探针测量流体流动速度。皮托管探针或皮托管静态探针常常用于确定飞行器的空速。皮托管探针或皮托管静态探针的探针尖端包括用于压力测量所必不可少的入口孔。

技术实现要素：

一种探针组件包括：热源；和探针尖端，其构造成增强由热源提供到探针的前端尖端中的热的传导。探针尖端包括：第一区域，其至少在z方向上具有高的导热性，其中，z方向与探针尖端延伸所沿着的轴线平行；和至少一个附加的区域，其具有与第一区域不同的热特性。

附图说明

应理解的是，绘图仅描绘示例性实施例，并因此在范围上不被认为是限制的，将利用附图通过附加的特异性和细节来描述示例性实施例，在附图中：

图1a是根据本公开的一个实施例的被包括在探针组件中的示例性探针尖端的横截面视图。

图1b是根据本公开的一个实施例的被包括在探针组件中的另一示例性探针尖端的横截面视图。

图2a-2b图示根据本公开的一个实施例的被包括在探针的示例性探针尖端中的空隙的示例。

图3a-3b图示根据本公开的一个实施例的探针尖端的快速修复或更换的示例性过程。

图4图示根据本公开的一个实施例管理探针组件的热输入的方法。

依照常见的做法，所描述的各种特征未按比例绘制，而是绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。

具体实施方式

在以下的详细说明中，对附图作出参考，所述附图形成本文的一部分并且特定的说明性实施例通过示例的方法在其中被示出。然而，应理解的是，可利用其它的实施例，并且可作出逻辑、机械和电气变化。此外，在绘图和说明书中介绍的方法不应被解释成限制各步骤可执行的顺序。因此，以下的详细说明不应从限制意义上来理解。

在一些系统中，皮托管探针被用于帮助确定飞行器的空速。为了确定流体流动速度，将管放入流体中，以便探针的入口孔直接指向流动的流体。该流体可以是诸如空气或液体的介质。皮托管将压力气动地传递至压力传感器，所述压力传感器测量由于通过入口孔进入的流动流体引起的压力。皮托管通常具有加热元件，以防止管被冰所阻塞。这些探针满足这些防冰和除冰需求的能力是交通运输部和联邦航空管理局的许多规章的主题，包括针对过冷大滴结冰状况、混合相与冰晶结冰状况的适航标准。

在迎角大于零时，皮托管探针或皮托管静态探针的探针尖端区域显著影响总压测量的精度。由于在探针的入口孔处的锋利的前缘有助于在各种迎角时的空气压力的精确测量，并且这些前缘经受结冰，所以关键的是，驱使热进入探针最前面的区域(即，探针尖端)，以便满足这些除冰和防冰需求。增大向加热器施加的功率可能不是实现该目的的有效方式，因为其可能导致在探针的某些区域中过热，并且由于所产生的高水平的热而可明显增加探针过早失效的风险。由于上述原因以及由于下述其他原因，所以在阅读和理解本说明书时对本领域的技术人员变得显而易见的是，在本领域存在对用于探针的改进的系统和方法的需求，所述探针有效地管理热输入，以在维持探针性能的同时节省功率并满足防冰和除冰需求。

本文所描述的实施例为探针组件提供一种探针尖端，所述探针尖端允许来自探针热源的热输入移动进入前端尖端区域。本文所提供的实施例适用于皮托管探针和其他空气数据探针，其中除冰和防冰设计需求可受益于所述能力，以使热输入优选地从一个区域移动至另一区域。探针尖端包括一个或多个区域，其中，每个区域具有各自的热性能。在示例性实施例中，该热性能是在该区域中的材料的特性。探针尖端设计成具有各向异性的材料热性质。例如，探针尖端可在一个方向上具有较高的导热性，而在另一方向上充当隔热体。在示例的实施例中，探针尖端被设计成使得探针尖端在一个方向上的导热性大于在垂直方向上的导热性。

在一些实施例中，探针尖端是可更换的。在一些实施例中，可更换的探针尖端是插入模块。在一些实施例中，可更换的探针尖端通过专用感应铜焊工作单元更换或安装。在一些实施例中，可更换的探针尖端被机械地装接。

图1a-1b是被包括在皮托管探针中的示例性探针尖端100a和100的横截面视图。探针尖端100a和100在热源115的外侧围绕z轴120呈圆柱形延伸。热经由被包括在皮托管探针中的热源115提供至探针尖端100a和100。如图1a-1b所示，在示例性实施例中，热源115是加热线圈。在示例性实施例中，加热线圈115围绕中空的圆柱形中心125(诸如探针的入口孔)缠绕。在图1a-1b所示的示例中，该热由延伸通过中空的圆柱形中心125的加热线圈115提供。然而，在一些实施例中，可提供别的热源。加热线圈115可以是双层缠绕的加热丝、双螺旋线圈或适合皮托管探针加热需求的任何其他加热线圈。加热线圈115必须维持最小的径向覆盖，并且在一些示例中如果太紧则可能在使用中过早失效。为此，加热线圈115没有延伸至探针尖端的前端尖端区域110。

如图1a所示，探针尖端100a构造成包括至少两个区域101a和105a，所述至少两个区域101a和105a带有不同的材料性能，以将由加热线圈115提供的热引导至前端尖端区域110。在示例性实施例中，区域101a和105a围绕z轴120延伸360度，并且是轴向对称的。在图1a所示的示例中，每个区域具有不同的材料热性质。在示例性实施例中，区域101a和105a构造成使得探针尖端在z方向上的导热性高于在径向方向r和切向方向θ上的导热性。在图1a-1b的示例中，这些区域的导热性利用径向(r、θ、z)坐标系150定义，并且z方向与探针尖端100a延伸所沿着的z轴120平行。

在图1a所示的示例中，区域105a被包括在前端尖端区域110中。区域101a邻近区域105a。区域105a构造成至少在z方向上具有导热性。在示例性实施例中，区域101a构造成用作带有各向同性性质的隔热体。在这样的示例中，由加热线圈115提供的热在z方向上被引导通过至少在z方向上具有高的导热性的区域105a。

在示例性实施例中，被包括在探针尖端100a中的至少两个区域101a和105a中的至少一个区域通过增材制造(诸如电子束熔融(ebm)、直接金属激光烧结(dmls)等)的工艺形成。在示例性实施例中，通过对某些材料的晶粒生长和晶粒取向的性质的了解，探针尖端100a被制作成带有特定的预置特征，所述特定的预置特征产生不同的热特性，以增强从热源115到探针尖端区域110的热的流动。

在示例性实施例中，凭借增材制造的工艺，通过提供各向异性的微观结构，可将单一材料用于制作被包括在探针尖端100a中的至少两个区域中的多个区域。例如，通过遍及多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积单一材料，区域101a和105a两者被制作成使得105a构造成具有第一热特性(诸如至少在z方向上的传导性)，而101a构造成具有与区域105a的特性不同的特性(诸如用作隔热体)。在示例性实施例中，通过增材制造的工艺，可将两种不同的材料用于制作被包括在探针尖端100a中的至少两个区域中的多个区域。例如，通过遍及多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积第一材料，区域105a构造成具有第一热特性(诸如至少在z方向上的高的传导性)，以及通过遍及多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积第二材料，区域101a构造成具有与区域105a的特性不同的特性(诸如用作隔热体)。

在示例性实施例中，被包括在探针尖端100a中的至少两个区域101a和105a中的至少一个区域通过减材制造利用不同的材料形成，使得材料固有地具有由探针尖端100所期望的热特性，以增强在前端尖端区域110中所传导的热。在示例性实施例中，至少两个区域101a和105a中的每个区域利用减材制造的工艺由不同的材料制成。在这样的示例中，区域105a可由铜合金制成，以至少在z方向上具有高的导热性，而区域101a可由隔热材料制成。

在示例性实施例中，至少两个区域101a和105a的区域中的至少一个区域利用用于制作探针尖端100的单一的、高度传导的材料(诸如铜合金或镍合金)制作。在示例性实施例中，在传导材料中引入空隙，以产生强隔热体或在期望的方向上引导从热源115接收的热。在这样的实施例的一个示例中，强隔热体(例如，区域101a)通过在均匀建构的材料中引入空隙而制作(参见图2a)。如图2a所示，在材料221中引入空隙225，以制作隔热材料220。在示例性实施例中，通过增材制造的工艺可在用于制作的高度传导的材料中引入这些空隙。

在示例性实施例中，在z方向上带有强导热性的各向异性结构通过使稀疏连接并嵌套的管的集合沿z轴分层来制作，使得在z方向上的导热性比在r和θ方向上强(参见图2b)。图2b是根据通过z轴所观察的、由稀疏连接并嵌套的管201组成的、被包括在探针尖端100中的区域200的示例性实施例的顶视图。如图2b所示，管201布置有空隙205，使得通过z轴但不沿着管201的径向方向引导来自热源115的热。因而，在图2b所示的示例中，将分层工艺用于制作探针尖端100a，使得区域101a具有隔热的热性质，并且区域105a在z方向上具有高的导热性。

探针100a能被分为多于两个的区域，使得每个区域构造成具有进一步增强热从热源115到前尖端区域110的流动的热特性。在图1b所示的示例中，探针尖端100被分成五个区域101、102、103、104和105。在示例性实施例中，区域101-105围绕z轴120延伸360度并且轴向对称。在图1b所示的示例中，每个区域具有不同的材料热特性。在示例性实施例中，区域101-105构造成使得探针尖端在z方向上的总导热性比在径向方向r和切向方向θ上的导热性高。在图1的示例中，这些区域的导热性利用径向(r、θ、z)坐标系150定义，并且z方向与探针尖端100延伸所沿着的z轴120平行。

在图1b所示的示例中，区域101邻近加热线圈115和被包括在前端尖端区域110中的区域105。区域101构造成用作储存来自加热线圈115的热的储热器，其可被区域105接近。因此，区域101具有高的导热性κ，并构造成在所有方向上具有均匀的热特性，使得在z方向上的导热性κz等于在r方向上的导热性κr和在θ方向上的导热性κθ。

在图1b所示的示例中，区域103邻近区域101和加热线圈115，并远离前端尖端区域110。当加热线圈115被充分通电时，区域103接收最大的热，该最大的热可导致围绕区域103的热斑。为了防止过量的热通过探针散布，区域103构造成用作带有各向同性性质的隔热体。因此，在z方向上的导热性κz等于在r方向上的导热性κr和在θ方向上的导热性κθ，但明显小于区域101中的导热性。在一些实施例中，导热性不是在所有方向上都是均匀的。

在图1b所示的示例中，区域104是探针尖端100的耐磨硬外皮。区域104用作用于探针尖端100的保护盖，并由在所有方向上具有均匀热特性的致密材料组成。在示例性实施例中，区域104以在z方向、r方向和θ方向上的最小导热性运行。

在图1b所示的示例中，区域105被包括在前端尖端区域110中，并邻近孔125。孔125对于皮托管探针具有接近流入的流体介质(诸如空气)的通道并测量其压力是重要的。区域105用作热芯，其允许热在z方向上从区域101传导至尖端的端部。因此，区域105构造成具有这样的热特性，即使得在z方向上的导热性κz明显高于在r方向上的导热性κr和在θ方向上的导热性κθ。

在示例性实施例中，在探针尖端100中包括有用作弱隔热体的附加区域。在图1b所示的示例中，区域102构造成用作沿着探针尖端100的内缘定位的弱隔热体。在示例性实施例中，区域102构造成用作轻度的各向异性隔热体。区域102邻近区域101、103、104和105以及孔125。在图1b所示的示例中，区域104作为保护层，并可具有比区域105低的导热性值，以允许热能沿着区域105朝探针尖端传导。相应地，区域102构造成在r和θ方向上具有比在z方向上低的导热性。在r和θ方向上的导热性还小于区域101中的导热性。

区域101-105可由包括但不限于铜合金、镍合金、不锈钢、铝等等或它们的组合的材料组成。在示例性实施例中，被包括在探针尖端100中的至少两个区域101-105中的至少一个区域通过减材制造利用不同的材料形成，使得材料固有地具有如由探针尖端100所期望的热特性，以增强在前端尖端区域110中所传导的热。例如，区域105构造成具有这样的导热性，即该导热性至少在z方向上明显比周围材料的导热性高。因此，区域105可利用与用于制作区域101和102的材料不同的材料来制作。在这样的示例中，区域105能利用具有比用于制作周围区域101和102的材料高的导热性的材料来制作。

在示例性实施例中，被包括在探针尖端100中的至少两个区域101-105中的至少一个区域通过增材增材制造工艺(诸如电子束熔融(ebm)、直接金属激光烧结(dmls)等)形成。在示例性实施例中，通过对特定材料的晶粒生长和晶粒取向的性质的了解，探针尖端100被制作成带有特定的预置特征，所述特定预置特征产生不同的热特性以增强从热源到探针尖端区域的热流动。如关于图1a所描述地，在示例性实施例中，通过增材制造的工艺可将单一材料用于制作被包括在探针尖端100中的至少两个区域中的多个区域。

在示例性实施例中，可将不同的材料用于增材制造工艺，以制作至少两个区域101-105中的不同区域。例如，区域101可通过遍及镍合金的多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积镍合金晶粒制成，而区域105可通过遍及铜合金的多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积铜合金晶粒制成。在示例性实施例中，至少两个区域101-105中的每个区域由不同的材料制成。在这样的示例中，在所有方向上具有高的、均匀的导热性的区域101利用与在所有方向上具有高的、均匀的非传导性的区域103不同的材料制成。此外，可利用单一材料制作区域105，通过遍及多个晶粒以优选的晶粒生长和取向来生长或淀积材料，所述单一材料固有地具有期望的、定向的热特性。

在示例性实施例中，至少两个区域101-105中的区域利用单一材料制作。在示例性实施例中，将高度传导的材料(诸如铜合金或镍合金)用于制作探针尖端100。在示例性实施例中，在传导材料中引入空隙，以产生强隔热体或在期望的方向上引导从热源115接收的热。在这样的实施例的一个示例中，强隔热体(例如，区域103)通过在均匀建构的材料中引入空隙制作(见图2a)。如图2a所示，在材料221中引入空隙225，以制作隔热材料220。在示例性实施例中，通过增材制造的工艺，可在用于制作的、高度传导的材料中引入这些空隙。

在示例性实施例中，在z方向上带有强导热性的各向异性结构通过使稀疏连接并嵌套的管的集合沿着z轴分层来制作，使得在z方向上的导热性比在r和θ方向上强(见图2b)。图2b是根据通过z轴观察的、由稀疏连接并嵌套的管201组成的、被包括在探针尖端100中的区域200的示例性实施例的顶视图。如图2b所示，管201布置有空隙205，使得通过z轴但不沿着管201的径向方向引导来自热源115的热。

在示例性实施例中，可将上述工艺的组合用于制作图1a和1b所描述的探针尖端的至少两个区域中的区域。例如，利用减材制造的工艺，区域103可由均匀的隔热材料制成。利用增材制造的工艺，构造成具有均匀导热性的区域101与构造成用作弱隔热体的区域102可利用单一铜合金通过在铜材料内引入空隙以给区域102提供隔热特性而制成。此外，区域105可通过利用分层的工艺制成，以增强朝尖端的前端的热流动。

在一些实施例中，探针尖端100与皮托管探针组件的其余部分是可分离的。在示例性实施例中，可分离的探针尖端100通过铜焊工艺装接至探针。图3a-3b图示了探针尖端100的快速修复或更换的示例性过程。在图3a-3b所示的示例中，具有带有期望的热特性的区域101-105中的至少一个区域的、带有各向异性材料热特性的探针尖端100利用本文所描述的制造工艺中的至少一种制造工艺形成。得到的探针尖端包括凹槽178，使得当与探针180装接时，凹槽178围绕加热线圈115的顶端。凹槽178可充满铜焊填料175。在将探针尖端100铜焊并装接至探针180的其余部分之后，将探针尖端100安置在固定装置170中，以使探针尖端与探针180的中心轴线120对准。在图1a-1b中，中心轴线120是热源115延伸所沿着的z轴120。在示例性实施例中，可进行机加工操作，以去除探针尖端100中的多余材料。

图4是示出管理探针的热输入的示例性方法400的流程图。方法400增强进入探针的探针尖端的前端尖端区域的热流动。如本文所讨论地，关于图1-3b所示的探针组件的示例来描述方法400。然而，方法400同样可适用于探针组件的其他示例。

方法400在方框402处开始：提供构造成至少在z方向上具有高的导热性的第一区域，其中，z方向与探针尖端延伸所沿着的轴线平行，以增强朝着探针尖端的前端的热。

方法400进行到方框404：在探针尖端中提供具有与第一区域不同的热特性的至少一个附加区域。在示例性实施例中，在探针尖端中提供至少一个附加区域还包括在探针尖端中提供第二区域，其构造成用作在所有方向上带有均匀导热性的储热器。在示例性实施例中，提供至少一个附加区域还包括提供第三区域，其构造成在所有方向上用作隔热体。在示例性实施例中，在探针尖端中提供至少一个附加区域还包括提供第四区域，其构造成用作这样的轻度的各向异性隔热体，其在z方向上具有导热性并且在其它方向上近似无传导性，其中，第四区域的在z方向上的导热性小于第二区域的导热性。

在方法400的示例性实施例中，第一、第二、第三或第四区域中的至少一个区域利用增材制造工艺制作。在示例性实施例中，利用增材制造工艺还包括利用直接金属激光烧结。在示例性实施例中，利用增材制造工艺还包括利用电子束熔融。

在示例性实施例中，方法400包括使稀疏连接并嵌套的管的集合在z方向上沿着轴线分层，使得热在z方向上被引导，其中管由在所有方向上具有均匀的导热性的材料组成。在示例性实施例中，方法400包括在沿所有方向具有均匀导热性的材料中提供空隙。在示例性实施例中，方法400以可选的步骤终止于方框406：将热源的顶端铜焊在探针尖端的凹槽中，以将探针尖端装接至探针。

示例实施例

示例1包括探针组件，其包括：热源；和探针尖端，其构造成增强由热源提供的热进入探针的前端尖端的传导，探针尖端包括：第一区域，其至少在z方向上具有高的导热性，其中，z方向与探针尖端延伸所沿的轴线平行；和至少一个附加区域，其具有与第一区域不同的热特性。

示例2包括示例1的探针组件，其中，至少一个附加区域中的一个附加区域构造成用作在所有方向上带有均匀的导热性的储热器。

示例3包括示例1-2中的任何一个的探针组件，其中，至少一个附加区域中的一个附加区域构造成在所有方向上用作隔热体。

示例4包括示例1-3中的任何一个的探针组件，其中，至少一个附加区域中的一个附加区域构造成用作在z方向上具有导热性并且在其他方向上近似无传导性的弱隔热体。

示例5包括示例1-4中的任何一个的探针组件，其中，至少一个附加区域中的一个附加区域是在所有方向上具有均匀的导热性的外皮区域，并且其中，外皮区域是由致密的耐磨材料组成的探针尖端的保护外皮。

示例6包括示例1-5中的任何一个的探针组件，其中，探针尖端包括具有均匀的热特性的单一传导材料。

示例7包括示例6的探针组件，还包括传导材料中的空隙，以在期望的方向上引导由热源提供的热。

示例8包括示例1-7中的任何一个的探针组件，其中，探针尖端是可更换的。

示例9包括示例1-8中的任何一个的探针组件，其中，第一区域构造成在其他方向上具有比在z方向上的导热性低的导热性。

示例10包括示例1-9中的任何一个的探针组件，其中，探针尖端包括在z方向上沿着轴线分层的稀疏连接并嵌套的管的集合，使得在z方向上引导热，其中，管由在所有方向上具有均匀的导热性的材料组成。

示例11包括制作用于探针的探针尖端的方法，方法包括：提供第一区域，其构造成至少在z方向上具有高的导热性，其中，z方向与探针尖端延伸所沿的轴线平行，以增强朝探针尖端的前端的热；和在探针尖端中提供至少一个附加区域，其具有与第一区域不同的热特性。

示例12包括示例11的方法，其中，提供附加区域还包括以下中的至少一个：提供第二区域，其构造成用作在所有方向上带有均匀的导热性的储热器；提供第三区域，其构造成在所有方向上用作隔热体；和提供第四区域，其构造成用作在z方向上具有导热性并且在其他方向上近似无传导性的弱隔热体，其中，第四区域的在z方向上的导热性小于第二区域的导热性。

示例13包括示例11-12中的任何一个的方法，还包括将热源的尖端铜焊在探针尖端的凹槽中，以将探针尖端装接至探针。

示例14包括示例11-13中的任何一个的方法，还包括在沿所有方向具有均匀导热性的材料中提供空隙。

示例15包括示例11-14中的任何一个的方法，还包括使稀疏连接并嵌套的管的集合在z方向上沿着轴线分层，使得在z方向上引导热，其中，管由在所有方向上具有均匀的导热性的材料组成。

示例16包括示例11-15中的任何一个的方法，其中，提供至少一个区域和至少一个附加区域中的至少一个区域还包括利用增材制造工艺制作至少一个区域和至少一个附加区域中的至少一个区域。

示例17包括示例16的方法，其中，利用增材制造工艺还包括利用直接金属激光烧结。

示例18包括示例16-17中的任何一个的方法，其中，利用增材制造工艺还包括利用电子束熔融。

示例19包括探针尖端，包括：第一区域，其在z方向上具有高的导热性，其中，z方向与探针尖端延伸所沿着的轴线平行，并且其中，第一区域在其他方向上具有较低的导热性；第二区域，其构造成用作在所有方向上带有均匀的导热性的储热器；第三区域，其构造成在所有方向上用作隔热体；和第四区域，其构造成用作在z方向上具有导热性并且在其他方向上近似无传导性的轻度的各向异性隔热体，其中，第四区域的在z方向上的导热性低于第二区域的导热性。

示例20包括示例19的探针尖端，其中，探针尖端包括铜合金或镍合金。

尽管本文已图示并描述了特定的实施例，但本领域的技术人员应意识到的是，旨在用来达到相同目的的任何布置可替代所示的特定的实施例。因此，显然希望的是，本发明仅由权利要求及其等同限定。