[发明专利]周缘控制喷射器

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种涵道风扇，并且更特别地涉及用于在涵道风扇中产生控制力矩的方法和设备。

背景技术

涵道风扇是成熟的推进技术，在效率、噪音和安全性方面比非涵道风扇和推进器提供了很多优点。因此，涵道风扇已被用于多种载人和无人机、飞船和气垫飞行器中。

小展弦比（low aspect ratio）管道（其翼弦（chords）相对其直径来说极大）常常被运用在被设计为从动力垂直飞行过渡为水平飞行再返回的飞机中，因为管道的巨大翼弦增加了水平飞行的机翼面积。此外，小展弦比管道还适用于减少离开推进器的涡流的反转推进器或定子叶片，藉此在气流离开管道之前将其矫直。矫直离开的气流就增强了推力和效率。虽然阻力与将定子叶片置于风扇下洗气流内有关，通过定子塑形可部分地抵消该效应。

相反，来自其翼弦相对其直径来说极短的高展弦比管道的气流典型地展示了不容易抵消的高位涡流，因为短翼弦使得很难在管道内安装有效的定子或反转推进器。来自涵道风扇的涡流可带来多种问题，特别是与地面效应有关的问题。如果风扇使用常规控制面，这些问题可进一步恶化。但是高展弦比管道的优点在于风扇或推进器的静推力增加的同时可减小在极高前进速度下的动量阻力。

喷射器技术是成熟的空气动力学概念，其中通过增加经过夹带的动量气流来增加喷流的推力。不幸的是，得到该增大的推力的代价典型地是损害了重量和阻力以及装配招致的体积障碍。此外，喷射器通常要求长的扩散器和混合部段从而实现充分的增大，这就使得很难将它们集成为现实的飞机构造。

关于喷射器技术的最初研究集中在理解和增加现有的增大。已经发现，直接导致增大的夹带机构可通过导入漩涡即旋流被改进。近来，调查者发现脉动气流或“泵送”对紊流混合效率的强烈影响，现在已知这是喷射器有效性的主导机理之一。虽然最初的研究表明泵送频率在大约110-135Hz时能够优化增大，随后的研究显示通过选择性地调节脉冲频率以符合喷射器腔室特性可实现甚至更大的收益。与泵送有关的问题是大多数喷射器应用使用喷流作为主要气流，使得很难摆动。

在动力升力飞机中，主要的推力向量通常垂直指向地面。这就意味着当涵道风扇被用于主要升力时，升力面基本平行于水平面。一般的控制策略是修改涵道风扇的推力向量以控制飞行器的方向。为了改变高度就变得很简单，改变发动机节流阀或共同变化风扇叶片的螺距即可。但是这就更难在剩余的自由度中施加控制力。

为相对水平面或在涵道风扇的升力面内向前、向后或横向移动，典型地倾斜管道并且旋转其推力从而以所需方向“推动”风扇。这种技术的重要性是横向力通过倾斜产生横向力，并且通过产生轴位于垂直于横向的管道平面内的旋转力矩完成该倾斜。因此，产生控制力实际上是产生旋转力矩的问题。

因为关节型旋翼的复杂性，大多数涵道风扇飞机运用固定螺距的推进器和安装在管道的下洗气流或入口侧内的空气动力控制面来提供沿三个轴的控制力矩。作为该方法的结果，有时需要控制面来一次性诱发多个控制力矩例如偏航和翻滚以提供协调转弯。这又导致控制面的饱和，这是在飞行器的设计和运行期间必须考虑的问题，以避免在飞行期间减少或损失控制力。

为使安装在下洗气流（downwash）中的控制面有效，优选它们被置于管道出口平面后1.5-2.0旋翼（rotor）直径之间。因此，飞行器的高度可被显著地增加。虽然这种高度增加对于小直径风扇是可接受的，对于更大直径的风扇来说这种构造是不现实的。

地面效应带来的另一个问题涉及空气动力控制面在涵道风扇飞行器中的使用。更特别地，下洗气流与地面之间的相互作用以与正常飞行遇到的不同角度影响了控制面，通过减少或颠倒了其力矩而潜在地使得控制面无效。为减少该效应，许多涵道风扇飞行器在其齿轮上挺立以保持控制面处于洁净空气中并且最小化了地面效应。可选地，飞行器可使用特别设计的发射平台，其限制了接近地面可能出现的不良飞行特点。

与空气动力学控制面相关的另一微妙之处发生在当控制面与高展弦比管道一同使用时。这种情形下，控制面被置于其中的下洗气流的固有涡流限制了攻击角度的有效范围，因为很小的变化就可令表面部分故障。

已被成功使用于抵消这些效应的一个方法是将控制面置于入口侧上气流仍然基本垂直于升力面的涵道风扇之上。这种技术对于高、低展弦比管道是同样有效的，因为入口气流缺少涡流。在入口侧内安装控制面的下侧是因为管道之上的气流更慢，需要更大的控制面来提供所需的控制水平。通过将控制面降至入口速度更接近适合出口速度的管道内，可将该效应控制在某个程度上。