[发明专利]空气动力学气流系统和相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学气流系统，更具体地说，涉及能控制飞行器机翼上的边界层流的系统。

背景技术

飞行器设计者的一个设计目标是确保在一定的飞行条件范围内保证空气动力学性能较高。起飞和着陆期间的性能是运输飞行器的主要设计目标，此时高升力能力是关键需求。起飞和着陆尤其是一项挑战，因为气流主要受粘滞效应左右，粘滞效应是对空气动力学性能的主要损害，而且改变粘性流特性的能力对于有效的高升力系统研发至关重要。

非常希望获得改变粘性流结构的技术，因为对于改善效率存在巨大潜力。已经为广泛的应用场合研制出了用来调节粘性流的各种流体促动器。这些促动器在机翼表面各个点上提供流体振动排出和吸入。这些设备的巨大魅力在于，它们采用零净重流脉冲(“ZNMF”)，即不需要流体源。ZNMF的优势分成两方面：避免了高压容器和引擎引出的空气(引出降低推进效率)，和气流控制系统可以集成，而不需要复杂的管道。

采用振动加压的气流控制系统可以利用电驱动的流体设备或燃烧动力设备。电促动器采用移动隔膜或活塞来经由开口产生吹送/吸引动作，而燃烧促动器经由出口排出脉冲喷流。一般来说，存在若干种电促动器：电磁促动器(或音圈，类似麦克风上用的那种)、机电促动器(活塞驱动)和压电促动器(承受电脉冲时，金属隔膜弯曲)。

例如，授予Glezer等的美国专利No.5,988,522公开了用于改变流体流方向的综合喷流促动器。该促动器包括具有内腔的壳体，该壳体中的机构用来周期性改变所述内腔的体积，以使产生一系列流体涡旋并将其射入开口的外部环境中。所述机构可以包括活塞或隔膜，其受到电偏压或压电元件促动。所述机构在部署促动器的地方使用工作流体，以使线性动量传递到气流系统，而不让净重量注入该系统。此外，采用控制系统来振动所述隔膜，以使综合喷射流从所述开口传播。

振动流体促动器已经证明对于多种气流问题非常有效。但是，在该技术应用到新的值得飞行的航空器之前，与激发不稳定关联的若干缺陷必须解决。例如，振动促动器仍然处于研发阶段，它们的实用性和耐用性需要调查，以用于现实的操作环境。此外，脉冲激发导致幅度显著的冲量和不稳定的力，这对于结构完整性有害，并且非常可能引起结构疲劳。这对于多元件机翼来说是个尖锐的问题，在多元件飞行器机翼中，缝翼和襟翼利用可扩展的联杆和导轨展开。因不稳定的力和冲量激发，边界层控制质量也受制于振动促动器。而且，电驱动促动器的物理限制(隔膜位移、开口尺寸和腔的尺寸)也为最大喷流速度增加了制约，因此也制约了能量输出。燃烧促动器产生更高的喷流速度，但是其能量输出也受到限制，因为它们的开口较小。尽管燃烧动力促动器不需要空气源，但是这些设备采用可燃材料，这些可燃材料需要存储、供应线路和机体内的防火墙。而且，基于燃烧的系统潜在的危险是使其为飞行器操作员和一般大众接受的主要障碍。

因此，提供一种控制飞行器机翼上的边界层流的系统是具有优势的。此外，提供一种能改善飞行器机翼空气动力学性能的系统是具有优势的。而且，提供一种易于被飞行器机翼采用来改善起飞和着陆期间飞行器性能的系统是具有优势的。

发明内容

通过提供一种控制飞行器机翼上边界层流的系统，本发明的实施例满足上述需求并实现了其他优势。该系统采用流体设备来调节经过彼此流体连通的端口的流体流。因此，所述端口和流体设备可以置于多元件飞行器机翼上的各种位置，以连续控制机翼上的边界层流并减小粘滞效应。流体动力学计算结果显示，连续调节多个联系的端口导致更为流线形的气流，且循环更高、粘滞效应更小。空气动力学改善带来了更大的升力系数C_L和更小的阻力系数C_D。利用这种气流促动，实现了接近或高于无粘性水平的升力水平。

在本发明一种实施例中，提供了一种控制飞行器机翼上的边界层流的系统。所述系统包括至少一个机翼元件和多个限定在所述机翼元件中并彼此流体连通的端口。所述端口可以限定在所述机翼元件上和/或下表面上。此外，至少一个端口可以限定在所述机翼元件尾部。所述系统还包括至少一个流体设备(例如，电动泵)，其可操作来经由至少其中一个端口吸入流体并将流体排出另外至少一个端口，从而控制所述机翼元件上流体的边界层流。