Técnicamente hablando, las medidas de inercia no son suficientes para derivar la velocidad aerodinámica. Necesita medir la presión (o medir la velocidad del aire, consulte LIDAR). Las sondas Pitot-estáticas son los dispositivos más usuales y convencionales para medir la presión.

Sin embargo, se han realizado varias investigaciones para reemplazar los tubos pitot-estáticos con diferentes tecnologías. Estas tecnologías se basan principalmente en la medición de la presión superficial sobre una parte del fuselaje. Por supuesto, las mediciones (no un solo valor sino varios valores de varias ubicaciones) deben calibrarse mediante pruebas de vuelo.

Con la popularidad actual del aprendizaje automático, creo que los algoritmos de calibración no serán el principal problema.

Alguna otra tecnología que se está investigando

1. también hay investigaciones y ensayos en curso sobre el uso de LIDAR para medir directamente la velocidad del aire. Que no necesitará medición de presión.

2. Los dispositivos ultrasónicos también pueden medir la velocidad del aire directamente, sin embargo, su uso real en vuelo es desconocido (para el autor).

Velocidad aerodinámica: no es confiable en todas las circunstancias. Necesita sentir ese viento en alguna parte para obtener una medida directa y precisa de su velocidad, y el tubo de Pitot es un instrumento preciso y probado para medir la presión total.

Otros métodos posibles:

1. Basado en láser (LIDAR). Un informe de la NASA de hace 20 años se puede encontrar aquí . Menciona al final que el método no siempre fue preciso:

   Una fuente inherente de error en el sistema es el ruido generado por la iluminación ambiental o de fondo. La fuente más intensa durante el día es, por supuesto, el sol. Como consecuencia, la señal de luz dispersada más pequeña detectable es una fuerte función del ángulo entre el eje óptico y la línea directa al sol. En algunas ocasiones, las medidas de velocidad con el sistema de pares de láminas eran imposibles cuando este ángulo era inferior a unos 30°.

2. Medición de presión desde el revestimiento de la aeronave. El problema es que el punto de estancamiento se mueve a medida que cambia el ángulo de ataque de la aeronave, la abertura frontal del tubo pitot siempre toca el punto de estancamiento. Pero sí, podría colocar una gran cantidad de puertos de presión estática en el avión y calibrarlos con un pitot volador remolcado adecuado.

Para la velocidad respecto al suelo y la navegación es un asunto diferente, el GPS hace que anular los errores de integración para la velocidad respecto al suelo sea muy simple.

Es posible pensar en dispositivos que potencialmente podrían reemplazar los tubos de Pitot, aunque no es muy obvio qué tan bien funcionarían en condiciones de vuelo real, por ejemplo:

• Compare la temperatura del alambre calentado enfriado por el flujo de aire con la temperatura del alambre similar que está en el mismo aire pero protegido del flujo.
• Mida el tiempo que tarda el sonido (o el ultrasonido) en viajar entre dos puntos dentro del flujo de aire. La velocidad de viaje debe ser la velocidad del sonido en el aire más la velocidad a la que se mueve el aire, transportando la onda de sonido que se propaga.
• Si hay algunas partículas (nieve, granizo, etc.) en el aire, puede ser posible medir la velocidad de estas partículas en el flujo de aire.

Parece que existen los dos primeros tipos de dispositivos, pero no encontré información sobre cómo usarlos como reemplazos del tubo de Pitot.

OP respuesta a la pregunta: Sí, es posible medir con mucha más precisión la velocidad del aire con Doppler lidar, que con un sistema pitot/estático.

Discusión a continuación:

He usado dispersión de partículas y lidar en modo Geiger para mediciones de velocidad y flujo, particularmente (sin juego de palabras) cuando se desea un mapa temporal/espacial del flujo. ¡En el aire atmosférico, siempre hay algunas partículas!

Aquí hay un ejemplo de trabajo reciente en la creación de un sensor basado en lidar para mediciones de velocidad de aeronaves: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01111306/document Este dispositivo proporciona TAS, ángulo de deslizamiento y AOA.

Aquí hay un dispositivo que utiliza velocimetría Doppler. Si bien el artículo sugiere que la técnica utilizada no es lidar, existen varias técnicas lidar que realizan funciones análogas. http://optics.org/news/5/12/35

Aquí hay un concepto BAE que se ha demostrado en exhibiciones aéreas y utiliza el procesamiento lidar Doppler, utilizando un láser UV. http://www.baesystems.com/en/article/bae-systems-develops-laser-airspeed-sensor-for-aircraft

Aquí hay un sensor Doppler para patente de datos aéreos, que tiene 6 años. https://www.google.com/patents/US8434358

Citando este comunicado de prensa:

Airbus Group ha completado con éxito las pruebas de vuelo en un sistema de sensor basado en láser de fibra óptica, seguro para los ojos, que proporciona información precisa sobre la velocidad del aire en los tres ejes a velocidades bajas e incluso negativas. Este rango de capacidad no es posible con los tubos Pitot, el estándar de la industria desde hace mucho tiempo para los sensores de velocidad del aire.
^{http://www.marketwired.com/press-release/airbus-group-completes-successful-flight-tests-of-laser-based-airspeed-sensor-system-1978428.htm}

Un tubo de Pitot/puerto estático es un dispositivo bastante simple y económico.

Las soluciones propuestas de IMU y GPS están fuera de lugar y tendrán un presupuesto de error fenomenal y no medirán con precisión el flujo de aire.

La NASA promocionó un dispositivo lidar de dispersión de Rayleigh hace un par de años (¿2015?), por lo que hay nuevos desarrollos.

Hace un par de décadas, la Marina estaba promocionando un dispositivo de ultrasonido doppler.

Si bien hay muchas formas de reemplazar la funcionalidad de un sensor de velocidad aerodinámica pitot/estático, todas son más costosas que un sistema pitot. Sin embargo, la tecnología más probable que surja con un costo de sensor razonable será una variante de lidar Doppler.

Si mi comprensión es correcta, todas las soluciones mencionadas en las respuestas hasta ahora proporcionarían una velocidad aérea real, no una velocidad aérea indicada. La velocidad aerodinámica real es útil para la navegación, pero no para el vuelo para determinar velocidades críticas.

Un sistema pitot estático mide la velocidad aerodinámica indicada, que es el mejor indicador de cosas como cuándo se producirá una pérdida (en el extremo lento) y cuándo se romperá la cola (en el extremo rápido).

Un anemómetro de viento podría proporcionar una indicación del flujo de aire relativo:

O una placa de metal con un resorte

La parte delantera de la placa recibe una presión dinámica, mientras que la parte trasera de la placa es una aproximación de la presión estática.

Ninguno de ellos manejaría bien la formación de hielo sin calefacción.

Además, ¿hay aviones en todo el mundo, Airliners, GA, Military o incluso Experimental, que operen sin tubos Pitot?

Un avión a una velocidad muy alta en relación con el viento, estaba muy por encima de la velocidad de pérdida y muy por debajo de cualquier velocidad nunca excedida no necesitaría datos aéreos hasta que se ralentizara (por ejemplo, las sondas desplegables del transbordador espacial).

Si, absolutamente.

Hace una década, Bill Premerlani hizo un ingenioso reconocimiento de que un cambio de actitud en relación con un cambio de velocidad terrestre revela el estado oculto de la velocidad aérea.

Muy brevemente, aquí está la ecuación de conducción. (Refiero al lector a los siguientes documentos para una explicación completa de las variables).

El enlace DIYDrones donde B. Premerlani anuncia su trabajo: https://diydrones.com/forum/topics/wind-estimation-without-an

El libro blanco: https://st3.ning.com/topology/rest/1.0/file/get/3690830434?profile=original

Aquí está la sección de código escrita por Premerlani para su piloto automático: https://github.com/MatrixPilot/MatrixPilot/blob/5bacc66190b65fecc1f01f92326b22df4c237215/libDCM/estWind.c

Aquí está el mismo algoritmo escrito por mí, para otro proyecto de piloto automático: https://github.com/TauLabs/TauLabs/blob/d0512149b454894ae0cf98c177afc1fb6a68f806/flight/Modules/Airspeed/gps_airspeed.c#L99

Hay un par de matices:

1. Esto solo funciona cuando el avión está cambiando de actitud. Entonces, para un vuelo recto y nivelado, la estimación de la velocidad del aire divergirá. Esta es una limitación para los vuelos de crucero de larga distancia, ya que presumiblemente tienen pocos cambios de actitud. En esas situaciones, tendría que depender de conocer otros factores, como la configuración del avión, si desea continuar estimando la velocidad aerodinámica.
2. Requiere vuelo coordinado. Si la aeronave se desliza lateralmente por el aire, se viola la premisa del modelo y los resultados del algoritmo se verán afectados.

Siempre me sorprende que el trabajo de B. Premerlani no obtenga más tracción. A diferencia de todos los otros estimadores de velocidad aerodinámica basados ​​en GPS que conozco, no requiere un giro nivelado de 360 ​​grados. Es suficiente tener una serie de pequeños cambios de cabeceo y/o rumbo (~5 grados). Puedo dar fe de que funciona bien en la práctica.