外部空气数据探针（诸如，皮托管）必须忍受极端寒冷的天气条件，诸如，在高海拔地区所经历的那些天气条件。在极端寒冷的天气条件下，外部空气数据探针会经受结冰，而结冰可能会引起故障。这会导致将错误信息传达至飞行员和飞行计算机，并且在一些情况下会导致飞机坠毁。
可以通过将加热器添加至空气数据探针来缓解极端寒冷的温度。照惯例，这是通过将金属加热元件钎焊至空气数据探针来完成。钎焊过程是困难的、导致制造成品率损失、并且是昂贵的。此外，钎焊不好的加热器元件可能会导致空气数据探针的表面上的局部冷点，这会使得空气数据探针易经受结冰影响并且可能发生故障。因此，需要更有效的构件以用于加热空气数据探针。
技术实现要素：
在一个实施例中，提供了一种空气数据探针。该空气数据探针包括：具有外表面的内主体；具有内表面的外主体；具有第一表面和第二表面的薄膜加热系统；设置在第一表面与外表面之间的第一导热粘合剂；设置在第二表面与内表面之间的第二导热粘合剂；并且其中，薄膜加热系统包括一个或多个薄膜加热器，该一个或多个薄膜加热器具有设置在导热的电绝缘体中的一个或多个加热元件。
附图说明
应理解，附图仅仅描绘示例性实施例并且因此不应被认为对范围有限制性，将通过使用附图来描述示例性实施例的附加特殊性和细节，在附图中：
图1图示了具有薄膜加热系统的示例性空气数据探针的一部分的截面；
图2图示了示例性薄膜加热系统的平面图；
图3图示了示例性薄膜加热器的截面；
图4图示了示例性薄膜加热器的平面图；
图5图示了一种具有薄膜加热系统的空气数据探针的制造方法的示例性流程图；
图6图示了具有薄膜加热系统的空气数据探针的示例性部分；
图7图示了交通工具的示例性框图；以及
图8图示了一种具有薄膜加热系统的空气数据探针的操作方法的示例性流程图。
根据习惯做法，各个所描述的特征并未按照比例绘制，而是绘制为强调与示例性实施例有关的特定特征。在附图和文本中，附图标记表示相似的元件。
具体实施方式
在如下详细描述中，参照形成该描述的一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了特定图示性实施例。然而，应理解，也可以使用其它实施例，并且也可以做出其它结构性改变、机械改变以及电气改变。此外，在附图和说明书中呈现的方法不应被理解为限制能够执行单个步骤的顺序。因此，如下详细描述不应按照限制性意义来理解。
通过导热粘合剂附接至空气数据探针的内壳体和外壳体（或者内主体和外主体）的薄膜加热系统可以用于克服上文提及的问题。具有薄膜加热系统的空气数据探针的实施例具有至少两个优点。首先，空气数据探针与薄膜加热系统的组装更便宜，并且从而带来更高的生产成品率。其次，比起钎焊金属加热元件，薄膜加热系统给空气数据探针提供更加均匀的加热。进一步地，尽管本发明在示例中被用于皮托管，但也设想了其可以用在其它空气数据探针中，包括但不限于总气温和攻角探针。此外，尽管本发明在示例中被用于作为交通工具的设备，但也设想了其可以用于不是交通工具的设备。
图1是具有薄膜加热系统106的示例性空气数据探针100的一部分的截面。在一个实施例中，空气数据探针的所图示的部分是皮托管的一部分。示例性空气数据探针100包括薄膜加热系统106，该薄膜加热系统106具有第一侧或者第一表面122，第一侧或者第一表面122通过第一导热粘合剂108附接至内壳体或者内主体104的外表面126。薄膜加热系统106的第二侧或者第二表面124通过第二导热粘合剂118附接至外壳体或者外主体102的内表面128。
在一个实施例中，薄膜加热系统106、内主体104、以及外主体102可以具有孔，这些孔对齐以便形成排出孔131，液体（例如，冷凝物）可以从该排出孔131逸出。在另一实施例中，空气数据探针100可以具有多个排出孔131。
在一个实施例中，薄膜加热系统106共形地覆盖内主体104的外表面126或者其一部分。在另一实施例中，薄膜加热系统106仅仅覆盖空气数据探针100的易经受较冷温度（例如，经受更多入射冷空气以及/或者诸如冰或者冻雨等冷天气粒子）影响的部分（例如，一个或多个部分）。在又一实施例中，薄膜加热系统106共形地覆盖外主体102的内表面128。
在一个实施例中，如下部件的全部或者一部分以相同的锥角渐缩：（a）外主体102的内表面128，以及（b）内主体104的外表面126。该设计会促进按照如下方式捕获和压缩薄膜加热系统106、以及第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118：使得减少导热粘合剂中的气泡，从而促进在薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的增强导热率。在一个实施例中，锥形设计还会迫使薄膜加热系统106朝着最需要热量的空气数据探针100的尖端133。
在一个实施例中，外主体102紧密地配合（例如，压缩配合）在内主体104上以便消除在各个外主体102和内主体104之间的任何气穴，从而仅仅留下相应的较薄的第一导热粘合剂108的层和第二导热粘合剂108的层。因此，薄膜加热系统106被压缩在外主体102与内主体104之间。
在一个实施例中，内主体104和外主体108是由轻质材料（包括铝、钛、或者碳纤维）制成。在另一实施例中，第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118是相同的材料或者是不同的材料。在又一实施例中，第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118是电绝缘体。在又一实施例中，第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118具有如下特性：（a）在1至2 W/mK之间的导热率；（b）在30000至80000厘泊之间的粘度；（c）耐高温，例如，大于400华氏度；或者通过其它方式是环境耐用的。在仍又一实施例中，第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118是如下导热粘合剂：诸如，导热硅树脂、导热环氧树脂、导电粘合剂、硅酸盐胶、以及氧化铝粘合剂。导热粘合剂的示例包括：Dow Corning ® 1-4173粘合剂、Cotronics ® Resbond ® 920、Cotronics ® Duralco ® 125、Sauereisen Sealing Cement No. 33S、以及Resinlab EP1200。
图2图示了示例性薄膜加热系统106的平面图。在所图示的实施例中，薄膜加热系统106包括多个薄膜加热器204。薄膜加热系统106的其它实施例可以实施为例如具有不同数量的薄膜加热器204，其具有不同的形状、尺寸和在（多个）其它薄膜加热器204之间的间隔等。
图2还图示了包括接近薄膜加热器204的温度传感器206。然而，在薄膜加热器204中包括（多个）温度传感器206是可选的。薄膜加热系统106的其它实施例可以实施为例如具有不同数量的温度传感器206，其具有不同的形状、尺寸和在薄膜加热器204和/或（多个）其它温度传感器206之间的间隔等。温度传感器206可以是热敏电阻器、热电偶、以及/或者可以被集成到薄膜加热系统106中的任何其它温度测量装置。
在另一实施例中，薄膜加热器204可以包括低电阻率导体212，例如，以便给（多个）加热元件提供功率以及/或者为例如来自温度传感器206的电压信号或者电流信号提供单个路径。在又一实施例中，薄膜加热系统106包括连接界面210，例如，与薄膜加热系统106的其余部分同时地形成的带状电缆，其包括联接至（多个）薄膜加热器204以及可能地（多个）温度传感器206的低电阻率导体212。
图3图示了示例性薄膜加热器204的截面。薄膜加热器204是由设置在导热的电绝缘体302中的一个或多个加热元件304形成。导热的电绝缘体302以及因此薄膜加热器204是柔性的。在另一实施例中，电绝缘体是聚合物，诸如，聚酰亚胺，或者陶瓷材料。在一个实施例中，薄膜加热器204在厚度306上小于2毫米。在另一实施例中，薄膜加热器204在厚度306上在1/2毫米与2毫米之间。
在一个实施例中，薄膜加热器204具有（多个）加热元件304，该（多个）加热元件304形成在具有高导热率的导热的电绝缘体302的第一层302b上。（多个）加热元件304由具有高导热率的导热的电绝缘体302的第二层302a覆盖。
在一个实施例中，在形成了（多个）加热元件304（以及可能地低电阻率导体210和/或（多个）温度传感器206，如果有的话）之后，利用导热的电绝缘体302的第二层302a来覆盖（多个）加热元件304（以及低电阻率导体210和/或（多个）温度传感器206，如果有的话）。在另一实施例中，（多个）加热元件304是电阻材料，例如，金属或者金属合金（诸如，镍、镍铬铁合金、或者钨）、半导体、聚合物、或者陶瓷。在又一实施例中，（多个）加热元件304是由具有正热系数的电阻材料制成以便使得（多个）加热元件304在低温下比在较高温下生成更多热功率；因此，该（多个）加热元件304会自我限制所生成的热功率以便不会过热。在又一实施例中，薄膜加热器204具有在50与150瓦每平方英寸之间的功率密度。
图4图示了示例性薄膜加热器204的平面图。在一个实施例中，如在图4中图示的，（多个）加热元件304处于矩形蛇形模式中，其中，在平行的（多个）单个加热元件404之间具有距离D 402；然而，也可以使用其它模式。在所图示的实施例中，可以通过分别减小或者增加距离D 402来增加或者减小功率密度。在另一实施例中，（多个）加热元件304（以及低密度导体210和/或温度传感器206，如果有的话）通过平板印刷术和沉积（例如，气相沉积）形成（或者模式化形成）在导热的电绝缘体302上。
现在将对空气数据探针100的示例性构造进行描述。图5图示了一种用于利用薄膜加热系统106的空气数据探针100的制造方法500的示例性流程图。在一个实施例中，在框502中，将第一导热粘合剂108施加至薄膜加热系统106的第一表面122。在另一实施例中，同时地或者大体上同时地分别将第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118施加至薄膜加热系统106的第一表面122和第二表面124。随后将对第二导热粘合剂118的施加进行进一步描述。
在一个实施例中，在框504中并且如在图6中图示的，将连接界面210通过内主体104中的开口602插入。因此，在该实施例中，连接界面210的一部分处于内主体104中的开口602中。
然后返回至图5，在框506中，在一个实施例中，（使用第一导热粘合剂108）将薄膜加热系统106的第一表面122附接至内主体的外表面126。在另一实施例中，如果施加了第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118，则薄膜加热系统106的第一表面122和第二表面124同时或者大体上同时地分别使用第一导热粘合剂108附接至内主体的外表面126和使用第二导热粘合剂118附接至外主体102的内表面128。
在一个实施例中，在薄膜加热系统106上施加压力以便消除第一导热粘合剂108中的任何气穴以提高薄膜加热系统106与内主体104之间的导热率，例如，薄膜加热系统106与内主体104之间的高导热率的均匀性。换言之，使得薄膜加热系统106与内主体104之间的导热率接近或者大体上等于第一导热粘合剂108的导热率。导热粘合剂中的气泡可能会在薄膜加热系统106中导致热点以及在空气数据探针100上导致对应的冷点。
在另一实施例中，如果薄膜加热系统106已经附接至内主体的外表面126和外主体102的内表面128两者，则在薄膜加热系统106的第一表面122和第二表面124上施加大体上均匀的压力以便消除第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118中的任何气穴；这会提高薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的导热率，例如，薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的高导热率的均匀性。换言之，使得薄膜加热系统106与外主体102之间的导热率接近或者大体上等于第二导热粘合剂118的导热率。同样，使得薄膜加热系统106与内主体104之间的导热率接近或者大体上等于第一导热粘合剂108的导热率。
然后，在一个实施例中，如果还没有施加，则在框508中，将第二导热粘合剂118施加至薄膜加热系统106的第二表面124。因此，在一个实施例中，在框510中，如果还没有附接，则（使用第二导热粘合剂118）将薄膜加热系统106的第二表面124附接至外主体102的内表面128。在另一实施例中，内主体104与外主体102之间的间隙是使得在薄膜加热系统106的第一表面122和第二表面124上施加大体上均匀的压力以便消除在第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118中的任何气穴；这会提高薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的导热率，例如，薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的高导热率的均匀性。换言之，使得薄膜加热系统106与外主体102之间的导热率接近或者大体上等于第二导热粘合剂118的导热率。
然后，在一个实施例中，在框512中，将真空（例如，使用真空室）施加至空气数据探针100以便从第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118去除气穴以便提高薄膜加热系统106与内主体104和外主体102中的每一个之间的导热率，例如，以便进一步提高薄膜加热系统与内主体104和外主体102之间的高导热率的均匀性。提高薄膜加热系统106与内主体104和外主体102之间的高导热率的均匀性会导致空气数据探针100的均匀且有效的加热。在一个实施例中，如果使用了真空炉，则导热粘合剂108和第二导热粘合剂118可以在该框期间被固化。
然后，在一个实施例中，在框514中，如果还未固化，则固化第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂108。该固化可以在炉中执行。
现在将对具有薄膜加热系统106的空气数据探针100的示例性使用进行描述。图7图示了交通工具702（例如，飞机）的示例性框图，该交通工具702包括联接至至少一个空气数据探针100的处理系统704。在一个实施例中，空气数据探针100配置为安装在诸如交通工具702等设备的外表面708上；因此，空气数据探针100可以安装在交通工具702的外表面708上。在一个实施例中，处理系统704可以是中央空气数据计算机（CADC）。在另一实施例中，处理系统704包括空气数据探针控制器705，该空气数据探针控制器705从空气数据探针100接收数据并且还提供功率至薄膜加热系统。在仍又一实施例中，空气数据探针控制器705的全部或者一部分可以位于其它地方，包括在空气数据探针100内。
在一个实施例中，空气数据探针100包括（多个）传感器710和薄膜加热系统106。在另一实施例中，（多个）传感器710和薄膜加热系统106联接至处理系统704，例如，空气数据探针控制器706。例如，对于是皮托管的空气数据探针100，（多个）传感器710可以是压电压力传感器。
在一个实施例中，处理系统704（例如，空气数据探针控制器706）将电功率供应至薄膜加热系统106以便使得薄膜加热系统106生成热功率以加热空气数据探针100。在另一实施例中，仅仅在如下情况下才供应该电功率以及因此热功率：当温度传感器（例如，交通工具702的外表面708上的温度传感器712，或者在薄膜加热系统106中的（多个）温度传感器206（如果有的话））给处理系统704提供关于交通工具702外部的温度足够冷（例如，低于阈值温度）的信息，从而使得应该通过薄膜加热系统106给空气数据探针100加热。在又一实施例中，温度传感器712是热敏电阻器、热电偶、或者其它类型的温度传感器。
在一个实施例中，在两个或者更多个温度传感器206被放置在薄膜加热系统106上的不同位置中的情况下，处理系统704（例如，空气数据探针控制器706）可以感测在薄膜加热系统106的不同区域处以及因此在空气数据探针100的不同区域处的温度。基于该信息，处理系统704（例如，空气数据探针控制器706）可以独立地调控被提供至该不同区域的电功率以及因此其温度。该技术可以用于减少或者消除空气数据探针100上的冷点或者热点。
图8图示了一种具有薄膜加热系统106的空气数据探针100的操作方法800的示例性流程图。
在一个实施例中，在框802中，给薄膜加热系统106提供电功率。在另一实施例中，选择性地将电功率提供至薄膜加热系统106中的一个或多个薄膜加热器204。
在一个实施例中，在框804中，由于通过一个或多个加热元件304将电功率转换为了热功率，所以对空气数据探针100进行加热。在另一实施例中，热功率通过第一导热粘合剂108和第二导热粘合剂118分别扩散（或者传导）至空气数据探针100的内主体104和外主体102。
在一个实施例中，在框806中，测量空气数据探针100的温度。在一个实施例中，通过交通工具702的外表面上的温度传感器712或者薄膜加热系统106中的（多个）传感器206（如果有的话）来测量温度。在另一实施例中，通过薄膜加热系统106中的多于一个温度传感器206或者多于一组温度传感器206来测量温度。对于两组或者更多组温度传感器206，可以例如基于位置来测量不同的温度，从而提供空气数据探针100的温度曲线（按照位置）。如将进一步图示的，这有助于定位并且然后补偿空气数据探针100上的温度变化，诸如，热点和/或冷点。
在一个实施例中，在框808中，分析例如在处理系统中或者例如更加具体地在空气数据探针控制器706中的（多个）所测量的温度。在另一实施例中，确定在空气数据探针100处测量的（多个）温度是否太高和/或太低；这会确定出热点和/或冷点的存在。在一个实施例中，该分析是通过将（多个）所测量的温度与（多个）阈值温度作比较来执行的，在低于该（多个）阈值温度下时，空气数据探针100必须被加热或者进一步被加热。
在一个实施例中，在框810中，如果（多个）所测量的温度太高和/或太低，则修改提供至薄膜加热系统106的电功率。在另一实施例中，选择性地修改被提供至薄膜加热系统106中的两组或者更多组薄膜加热器204的电功率；对提供至两组或者更多组的电功率的修改可能取决于靠近每组所测量的对应温度而按照组不同。在另一实施例中，每组薄膜加热器204可以是一个或多个薄膜加热器204。
示例性实施例
示例1包括空气数据探针，该空气数据探针包括：具有外表面的内主体；具有内表面的外主体；具有第一表面和第二表面的薄膜加热系统；设置在第一表面与外表面之间的第一导热粘合剂；设置在第二表面与内表面之间的第二导热粘合剂；并且其中，薄膜加热系统包括一个或多个薄膜加热器，该一个或多个薄膜加热器具有设置在导热的电绝缘体中的一个或多个加热元件。
示例2包括示例1的空气数据探针，其中，该空气数据探针是皮托管。
示例3包括示例1至2的空气数据探针，其中，薄膜加热系统具有小于2毫米的厚度。
示例4包括示例1至3的空气数据探针，其中，薄膜加热系统进一步包括连接界面，该连接界面联接至一个或多个薄膜加热器，其配置为联接至处理系统；并且
其中，空气数据探针配置为安装在设备的外表面上。
示例5包括示例4的空气数据探针，其中，连接界面的一部分是在内主体中的开口。
示例6包括示例1的空气数据探针，其中，薄膜加热系统进一步包括联接至连接界面的一个或多个温度传感器。
示例7包括示例1至6的空气数据探针，其中，具有设置在导热的电绝缘体中的一个或多个加热元件的一个或多个薄膜加热器进一步包括如下一个或多个薄膜加热器，该一个或多个薄膜加热器包括在导热的电绝缘体的第一层上的以及在覆盖加热元件的导热的电绝缘体的第二层上的一个或多个加热元件。
示例8包括示例7的空气数据探针，其中，导热的电绝缘体由聚合物或者陶瓷中的一种组成。
示例9包括示例1至8的空气数据探针，其中，内表面的至少一部分以及外表面的至少一部分以相同的锥角渐缩。
示例10包括示例7至9的空气数据探针，其中，每个加热元件是由电阻材料制成，该电阻材料由金属、金属合金、聚合物、或者陶瓷组成。
示例11包括示例7至10的空气数据探针，其中，每个加热元件具有正温度系数。
示例12包括一种用于制造空气数据探针的方法，该方法包括：
将第一导热粘合剂施加至薄膜加热系统的第一表面，该薄膜加热系统包括一个或多个薄膜加热器，该一个或多个薄膜加热器具有设置在导热的电绝缘体中的一个或多个加热元件；
利用第一导热粘合剂将薄膜加热系统的第一表面附接至空气数据探针的内主体的表面；将第二导热粘合剂施加至薄膜加热系统的第二表面；以及
利用第二导热粘合剂将薄膜加热系统的第二表面附接至空气数据探针的外主体的表面。
示例13包括示例12的方法，该方法进一步包括：将连接界面通过内主体中的开口插入。
示例14包括示例12至13的方法，其中，利用第一导热粘合剂将薄膜加热系统的第一表面附接至空气数据探针的内主体的表面进一步包括：在薄膜加热系统上施加压力以便提高薄膜加热系统与内主体之间的导热率。
示例15包括示例12至14的方法，其中，利用第二导热粘合剂将薄膜加热系统的第二表面附接至空气数据探针的外主体的表面包括：在薄膜加热系统上施加压力以便提高薄膜加热系统与内主体之间的以及薄膜加热系统与外主体之间的导热率。
示例16包括示例12至15的方法，该方法进一步包括：将真空施加至空气数据探针以便提高薄膜加热系统与内主体之间的以及薄膜加热系统与外主体之间的导热率。
示例17包括一种用于操作空气数据探针的方法，该方法包括：将电功率提供至薄膜加热系统，该薄膜加热系统通过导热粘合剂附接至空气数据探针的内主体和外主体；以及通过将电功率转换为一个或多个加热器中的热功率并且通过导热粘合剂将热功率传递至内主体和外主体来给空气数据探针加热。
示例18包括示例17的方法，该方法进一步包括：测量空气数据探针的温度；分析该温度；以及修改被提供至薄膜加热系统的电功率。
示例19包括示例18的方法，其中，测量空气数据探针的温度进一步包括：利用薄膜加热系统中的温度传感器来测量空气数据探针的温度。
示例20包括示例18至19的方法，其中，测量空气数据探针的温度进一步包括：利用薄膜加热系统中的两个或者更多个温度传感器来测量温度；其中，分析该温度进一步包括：分析所测量的温度；并且修改被提供至薄膜加热系统的电功率进一步包括：选择性地修改被提供至薄膜加热系统中的两组或者更多组薄膜加热器的电功率。
对于本领域的技术人员而言明显的是，可以对先前所描述的过程以及所用到的设备进行修改以便形成具有不同线路实施方案的各种设备以及操作方法。尽管陈述本教导的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在特定示例中所陈述的数值被记录为尽可能地精确。
然而，任何数值都内在地包含一定误差，因为在其相应测试测量中发现的标准偏差必定会导致一定误差。此外，本文所公开的所有范围都应理解为涵盖归入其中的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在最小值零与最大值10之间（以及包括该最小值零和最大值10）的任何和所有子范围，即是说，具有等于或者大于零的最小值以及等于或者小于10的最大值的任何和所有子范围，例如，1至5。在某些情况下，数值在被陈述用于参数时可以是负值。在这种情况下，被陈述为“小于10”的范围的示例值可以是负值，例如，-1、-2、-3、-10、-20、-30等。
尽管已经参照一个或多个实施方式对本教导进行了图示，但在不背离所附权利要求书的范围的情况下，可以对所图示的示例做出更改和/或修改。此外，尽管可能已经参照多个实施方式中的任一个对本公开的特定特征进行了描述，但在可能对于任何给定或者特定功能而言是期望的和有利的时，该特征可以与其它实施例的一个或多个特征进行组合。此外，对于术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“带有”或者其变体在详细描述和权利要求书中的任一个中所使用的程度，该术语意在是包含性的，类似于术语“包括”。术语“……中的至少一个”用于表示可以选择一个或多个所列出的物品。如本文所使用的，术语“一个或多个”关于物品的列表（诸如，例如，A和B、或者A和/或B）表示单独的A、单独的B、或者A和B。术语“……中的至少一个”用于表示可以选择一个或多个所列出的物品。进一步地，在本文的讨论和权利要求书中，关于两种材料所使用的术语“在……上”、一个在另一个“上”表示在该材料之间的至少某些接触，而“在……上方”表示该材料彼此靠近，但可能具有一种或多种附加介入材料从而使得能够但不要求进行接触。如本文所使用的，“在……上”或者“在……上方”均不暗含某个方向。术语“共形的”描述涂层材料，其中，共形材料保存下层材料的角度。
术语“约”或者“大体上”指示所指定的值或者参数可以发生一定程度的更改，只要该更改不会导致该过程或者结构不符合所图示的实施例。最后，“示例性的”指示该描述被用作示例，而不是暗示其是完美典范。尽管本文已经图示和描述了特定实施例，但本领域的技术人员应理解，被计算用于实现相同目的的任何布置都可以替代所示出的特定实施例。因此，显然，本发明意在仅由权利要求书及其等效物来限制。