Kielsonde

Kielsonde des Experimentalflugzeugs Rockwell-MBB X-31 in Seitenansicht

Die Kielsonde, auch Kielsches Rohr genannt, ist eine Weiterentwicklung des Pitotrohres und nach seinem Erfinder Georg Kiel benannt. Sie dient der Messung des Totaldrucks in bewegten Strömungen und hat gegenüber dem normalen Pitotrohr den Vorteil, dass sie eine geringere Sensitivität bezüglich des Anströmwinkels aufweist.[1][2]

Aufbau und Funktionsweise

Einsicht in die Sonde von schräg vorne. Etwas zurückgesetzt im Innern der Venturidüse ist die schmale Eintrittsöffnung des Pitotrohres zu erkennen.

Die Kielsonde besteht im Wesentlichen aus einer Venturidüse, in deren Inneren sich eine Pitotsonde befindet. Die Venturidüse lenkt dabei die Strömung in Axialrichtung um und sorgt somit für eine konstantere Anströmung der Pitotsonde. Wesentlich für die Güte der Messanordnung ist die Geometrie des Einlaufs. Neben Rundungsradius des Einlaufs, Rampenwinkel und Durchmesserverhältnis der Venturidüse spielt auch die Position der Pitotsonde in Axialrichtung eine wesentliche Rolle für die Sensitivität bezüglich des Anströmwinkels. Machzahl-abhängig werden gute Messergebnisse bis zu Anströmwinkeln über 60° relativ zur Symmetrieachse erreicht.[1][3][4][5][6]

Verwendung

Steigflug mit großen Anstellwinkel. Die an der Spitze des Nasenmastes montierte Kielsonde ist, hell abgesetzt, im Bild rechts oben zu sehen.

Kielsonden kommen überall dort zum Einsatz, wo der Totaldruck bei stark variierender Anströmrichtung bestimmt werden soll. Insbesondere bei modernen Kampfflugzeugen, die mit immer höheren Anstellwinkeln fliegen, sind zur Geschwindigkeitsbestimmung präzise Totaldruckmessungen nötig, auch bei hohen Anstellwinkeln.[7] Ein bekanntes Flugzeugmodell, das eine Kielsonde verwendet, ist die Rockwell-MBB X-31 – ein Experimentalflugzeug, das unter anderem der Erforschung des Flugverhaltens bei hohen Anstellwinkeln diente. Auch bei der Flugerprobung sowie bei Hubschraubern, wo große Richtungsänderungen der Strömung auftreten können, kommen Kielsonden zum Einsatz.[8][9] Auch in dem Sensorpaket HASI der Raumsonde Huygens, die auf dem Saturnmond Titan landete, war eine Kielsonde für wissenschaftliche Messungen während des Abstiegs durch die Atmosphäre enthalten.[10]

Alternativen

Neben der aerodynamischen Gestaltung der Messstelle bestehen weitere Möglichkeiten, Totaldrücke in Strömungen mit stark schwankenden Richtungen zu messen. Einerseits gibt es Systeme, die mehrere Messpunkte mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen. Die Ergebnisse der einzelnen Messstellen werden ausgewertet und anschließend eine Gesamtlösung bestimmt. Andererseits kommen auch nachgeführte Systeme zum Einsatz, bei denen die Pitotsonde mittels einer Windfahne nach der Strömung ausgerichtet wird. Letzteres System wurde beim Eurofighter realisiert.[11]

Weblinks

Commons: Kielsonden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ a b G. Kiel: TN 775: Total-Head Meter with small sensitivity to yaw. (PDF; 559 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 4. März 2016; abgerufen am 15. Juli 2013.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/naca.central.cranfield.ac.uk
  2. ↑ P. Balachandran: Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics. 2006, ISBN 81-203-2857-4, S. 371.
  3. ↑ Walter R. Russell et al.: TN 2530: Wind-tunnel testing of six shielded total-pressure tubes at high angles of attack. (PDF; 732 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 29. November 2012; abgerufen am 15. Juli 2013.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/naca.central.cranfield.ac.uk
  4. ↑ United Sensor: Kiel Probes. Abgerufen am 20. August 2013.
  5. ↑ Ryan F. Hook, Pennsylvania State University: A Study of Leading Edge Shapes for the Front Duct of a Dual Ducted Fan Vehicle. 2011.
  6. ↑ Joseph Sherma, Bernard Fried: Handbook of Turbomachinery. 2003, ISBN 0-8247-0995-0, S. 706 ff.
  7. ↑ S. H. J. Naarding, N. G. Verhaagen, TU Delft: Experimental and Numerical Investigation of the Vortex Flow over a Sharp Edgeed Delta Wing; with and without Sideslip. 1988.
  8. ↑ Akademische Fliegergruppe Karlsruhe: Jahresbericht 2003. (PDF; 6,0 MB) (Nicht mehr online verfügbar.) Ehemals im Original; abgerufen am 15. Juli 2013.@1@2Vorlage:Toter Link/www.akaflieg.uni-karlsruhe.de (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  9. ↑ Leighton M. Myers: 67th American Helicopter Society International Annual Forum 2011: Investigation on Flow Physics of Edgewise Ducted Fan Air Vehicles. 2011, ISBN 978-1-61782-881-2.
  10. ↑ M. Fulchignoni et al.: The Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI). Abgerufen am 21. August 2013.
  11. ↑ ADS des Eurofighter mit beweglichen Pitotsonden

Auf dieser Seite verwendete Medien

X-31 Kiel Probe Close-up Showing Inside.jpg
A close-up photograph of the Kiel air data probe on the noseboom on the X-31 aircraft shows the orifices used to collect air pressure measurements. Icing in the unheated Kiel probe on the first X-31 (Bu. No. 164584) caused that aircraft to crash. The aircraft obtained data that may apply to the design and development of highly-maneuverable aircraft of the future. Each has a three-axis thrust-vectoring system, coupled with advanced flight controls, to allow it to maneuver tightly at very high angles of attack.
X-31 Kiel Probe Side View.jpg
A photograph of the noseboom on the X-31 shows the Kiel air data probe angled at 10 degrees to better align the tip with the airflow at very high angles of attack. The devices were mounted on the nose of the X-31s to measure air pressure. Icing in the unheated Kiel probe on the first X-31 (Bu. No. 164584), caused that aircraft to crash on January 19, 1995. The aircraft obtained data that may apply to the design and development of highly-maneuverable aircraft of the future. Each had a three-axis thrust-vectoring system, coupled with advanced flight controls, to allow it to maneuver tightly at very high angles of attack.
X-31 Demonstrating High Angle of Attack - Herbst Maneuver - cropped.jpg
The X-31 aircraft on a research mission from NASA's Dryden Flight Research Facility, Edwards, California, is flying nearly perpendicular to the flight path while performing the Herbst maneuver. Effectively using the entire airframe as a speed brake and using the aircraft's unique thrust vectoring system to maintain control, the pilot rapidly rolls the aircraft to reverse the direction of flight, completing the maneuver with acceleration back to high speed in the opposite direction. This type of turning capability could reduce the turning time of a fighter aircraft by 30 percent. The Herbst maneuver was first conducted in an X-31 on April 29, 1993, in the No. 2 aircraft by German test pilot Karl-Heinz Lang.