Calibration of a Nose Boom Mounted Airflow Sensor on an Atmospheric Research Aircraft by Inflight Maneuvers incl. Appendix A

Abstract

The document demonstrates the complete calibration of an air data sensor on the German atmospheric research aircraft HALO. The airflow probe which is mounted on the tip of a nose boom measures static and dynamic pressure as well as the two airflow angles “angle of attack” 𝛼 and “angle of sideslip” 𝛽. These four units and a temperature measurement are required to calculate the complete 3-dimensional airflow vector which is used for flight testing as well as for the determination of the wind speed vector in atmospheric research. The report is based on the preceding static source calibration of this sensor by means of a trailing cone which is documented in another report [5]. The document demonstrates step by step how to determine the necessary corrections which are required to calculate the true airflow vector with extremely small measurement errors and a high temporal resolution. The calibration uses known properties of the atmospheric wind and therefore requires the establishment of a 3-dim wind measurement on the aircraft. The necessary experimental flight test effort concerns static calibration procedures for the mean air data units as well as dynamic maneuvers which are required to investigate the response of the experimental air data system to fast airflow fluctuations. The dynamic corrections prove that the direct measurement of vertical and horizontal wind fluctuations shows a directional sensitivity which must be corrected if the data is used for meteorological investigations. Datei-Upload durch TIB Das Dokument demonstriert die vollständige Kalibrierung eines Luftströmungssensors auf dem deutschen Atmosphärenforschungsflugzeug HALO. Die an der Spitze eines Bugauslegers montierte Luftströmungssonde misst den statischen und dynamischen Druck sowie die beiden Strömungswinkel "Anstellwinkel" α und "Schiebewinkel" β. Diese vier Einheiten und eine Temperaturmessung werden benötigt, um den kompletten 3-dimensionalen Luftströmungsvektor zu berechnen, der sowohl für Flugtests als auch für die Bestimmung des Windgeschwindigkeitsvektors in der Atmosphärenforschung verwendet wird. Der Bericht basiert auf der vorangegangenen statischen Quellenkalibrierung dieses Sensors mit Hilfe eines Schleppkegels, die in einem vorangegangenen DLR Forschungsbericht (2019-07) dokumentiert ist. Das Dokument demonstriert Schritt für Schritt, wie die notwendigen Korrekturen bestimmt werden, die erforderlich sind, um den wahren Luftströmungsvektor mit extrem kleinen Messfehlern und einer hohen zeitlichen Auflösung zu berechnen. Die Kalibrierung verwendet bekannte Eigenschaften des atmosphärischen Windes und erfordert daher die Einrichtung einer 3-Dim-Windmessung am Flugzeug. Der notwendige experimentelle Flugtestaufwand betrifft statische Kalibrierungsverfahren für die mittleren Luftdateneinheiten sowie dynamische Manöver, die erforderlich sind, um die Reaktion des experimentellen Luftdatensystems auf schnelle Luftströmungsschwankungen zu untersuchen. Die dynamischen Korrekturen beweisen, dass die direkte Messung von vertikalen und horizontalen Windschwankungen eine Richtungsempfindlichkeit aufweist, die korrigiert werden muss, wenn die Daten für meteorologische Untersuchungen verwendet werden sollen.