CN101180210A - 用于减小横向载荷、用于减小横向和纵向混合载荷以及用于改进运输装置性能的可变小翼概念 - Google Patents

用于减小横向载荷、用于减小横向和纵向混合载荷以及用于改进运输装置性能的可变小翼概念 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于适应机翼单元(1)的气动特性的装置，其中该装置包括小翼(2)，小翼(2)以可移动方式附连到机翼单元(1)，小翼(2)或小翼的一部分能够相对于机翼单元(1)转动使得相关的转动轴(7)与机翼单元(1)的主延伸方向(6)之间的夹角不等于90°。

Description

用于减小横向载荷、用于减小横向和纵向混合载荷以及用于改进运输装置性能的可变小翼概念
相关申请的引用
本申请要求2005年5月19日提交的美国临时申请No.60/682,736、2005年5月19日提交的德国专利申请102005023117.9以及2005年6月21日提交的德国专利申请102005028688.7的优先权，上述申请的公开内容通过参考纳入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于适应气动结构单元或机翼单元的气动特性的装置和方法，还涉及一种运输装置以及用于适应机翼单元的气动特性的装置在飞行器中或运输装置中的应用。
背景技术
在现代商用飞行器中，越来越频繁地使用小翼，其目的是减小机翼的诱导阻力，增加Ca/Cw比率，从而减小阻力和燃油消耗。
一般来说，小翼是机翼端部的刚性结构，包括与气流方向成三个特定角定位的气动轮廓。小翼的调教设计成用于最长的飞行阶段，即巡航。此外，在巡航期间实现了小翼的最大作用。这意味着小翼设计成用于高马赫数Ma＝0.8和具有相应气压、密度和温度的大约10,000米的巡航高度。以上并未考虑爬升飞行、接近着陆、起飞和着陆的飞行状态。
US5,988,563和US2004/0000619A1各自公开了一种可折叠的小翼，它能在附连轴上相对于机翼转动，并且在飞行期间可以在折叠和展开位置之间移动。
因为在大偏航角和有侧风时小翼上的气动载荷非常高，所以小翼必须设计成非常坚固以能承受这些载荷工况。由于载荷从小翼传递给机翼单元，机翼单元必须也设计成相应坚固。
WO 03/00547公开了通过小翼上的局部控制表面减小了由于垂直方向的操作产生的载荷，因此通过打开这些控制表面减小了气动载荷。
发明内容
期望得到一种能适应于飞行器的各种操作状态的小翼。
根据本发明的示例性实施方式，发明了一种用于适应机翼单元的气动特性的适应装置，其中该适应装置包括一小翼，其中该小翼以可移动方式附连到机翼单元，该小翼可相对于机翼单元转动使得相关的转动轴和机翼单元的主延伸方向之间的夹角不等于90°度。
根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种用于适应机翼单元的气动特性的方法，其中附连到机翼单元的小翼相对于机翼单元转动使得相关的转动轴和机翼单元的主延伸方向之间的夹角不等于90°。
根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种带有具有上述特性的装置的运输装置。
根据本发明的又一示例性实施方式，具有上述特性的装置在飞行器中使用。
根据本发明的示例性实施方式，小翼的空间位置及其移动或转动可以通过飞行器本体坐标系的三个角限定。αF角表示小翼相对于飞行器xF轴的位置，该轴一般来讲沿着机身的纵向轴延伸；βF角表示小翼相对于飞行器yF轴的位置，该轴一般来讲沿着翼尖的方向并垂直于xF轴延伸；而γF角表示小翼相对于zF轴的位置，该轴一般来讲在垂直于xF轴和yF轴的竖直平面内延伸。为了数学上清楚，必须确定转动顺序，例如αF、βF、γF。
因而，yF从左翼尖延伸到右翼尖，所以能标识机翼单元的主延伸轴。
小翼的空间位置或转动也可以通过本体坐标系或欧拉转动角描述(与Brockhaus：Flugregelung，Springer-Verlag，Berlin，1995比较)。
在具有角Φ的这种布置中，首先在本体的x轴上转动，由此y轴和z轴移动到新的空间轴位置y1和z1。为了标识一致，轴x重命名为x1。然后，在新的y1轴上转动角度θ，使轴x1和z1移动到新的位置x2和z2。y1轴重命名为y2。最后，在新的z2轴上转动角度ψ。z、z1、z2也可以具体地指定为向上的轴，而Ψ可以指定为前束角。
本体坐标系的定义基于刚性小翼，所述小翼沿着在机翼单元的远离机身的端部上延伸或者在机翼单元内延伸的轴附连到机翼单元。该附连轴可以被选作本体的x轴。它描述小翼相对于机翼单元或机翼单元的主延伸轴的折叠或展开运动。z轴从小翼的几何重心引出和延伸以与x轴垂直。y轴垂直于x轴和z轴延伸，以建立右手坐标系。在平面矩形机翼带有以直角附连的平面矩形小翼的情况下，x轴和z轴位于小翼平面内，而y轴垂直于小翼平面。在这种特殊情况下，两个坐标系x，y，z和xF，yF，zF是等价的。
通过本发明的装置，由于其灵活构造，首先是由于小翼在向上的轴上的附加的可转动性，用于确定小翼和外机翼的尺寸的载荷工况可被有效减小，特别是在大偏航角的情况下，以及在侧风和操纵(例如剧烈的偏航移动和翻滚运动)的情况下，这样小翼可以以气动有利的方式设计。根据偏航角，小翼可以以类似于船帆对准风向的方法以可转动的方式使其本身相对于机身轴对齐，例如沿气流方向或飞行方向。这样，小翼可以设计得大得多，同时由于载荷减小，小翼和机翼单元都可以设计得更轻。有利的气动设计结合重量的减轻，使得飞行器的燃油消耗显著减小，总体经济性显著增加。
此外，小翼的灵活设置选择可以直接控制机翼的扭转。除了选择通过折叠和展开小翼影响机翼的弯曲，现在还有一种选择，这种直接影响机翼扭转的选择在很多情况下要重要得多。这样，在每种飞行阶段，阻力可以被最小化，由此更进一步改善燃油消耗，这代表着飞行器工程的有意义的优化潜力之一。
此外，由于小翼的巨大灵活性和自由运动选择，在每种飞行状态下都可实现最佳的升力分布。通过展开或折叠小翼，通过理想地设置前束角，和/或通过在y1轴上转动小翼，接近着陆时可增加升力系数，并且在巡航期间通过折叠小翼可以设置低的气动阻力。对于巡航，可将小翼相对于飞行器坐标系设置成，例如αF＝5°，βF＝15°，γF＝4°。
根据本发明的另一示例性实施方式，小翼以可转动方式附连到机翼单元的附连轴。除了控制机翼扭转，它提供了额外控制机翼弯曲和使其适应各种气动载荷工况的选择。
根据本发明的小翼可以在一个、两个或三个转动轴上相对于机翼单元转动。这种高度灵活性有可能在多种操作状态如起飞状态、着陆状态、巡航状态下高质量地适应机翼单元或飞行器的气动特性。
根据本发明的又一示例性实施方式，小翼以可转动方式附连在小翼本体坐标系的y1轴上。特别是在转过180度的双面小翼的情况下——其在机翼之上和之下包括相同或不同的表面，可以有效减小传入机翼的的弯矩。
因此小翼可以以转动方式可移动地附连到机翼单元，使得所述小翼可以以两个或三个自由度移动。它不仅能在机身方向向内侧折叠，而且还能相对于机翼单元的主延伸方向呈一定角度，该角度基本上不等于90°，和/或它能在小翼的本体坐标系的y1轴上转动。这样，小翼能够更好地适应飞行器的各种操作状态。通过小翼的这种调节来反映各种载荷工况，可能形成理想的气动条件，同时显著减小小翼上的气动载荷。
此外，小翼的各种转动选择用于影响飞行器的尾流湍流特性。
在进一步的示例性实施方式中，该装置进一步包括机翼单元。例如根据本发明的小翼可以用在飞行器的机翼端部上、风力发动机上、风车上、以及运输装置的暴露于气流中的任何希望组件上。当然其它应用也是可能的。
根据进一步的示例性实施方式，该装置在机翼单元和小翼之间包括气动整流单元以覆盖机翼单元和小翼之间的任何间隙，该间隙可能是气动不利的。这样能够避免气动损失。
根据进一步的示例性实施方式，该装置包括至少一个悬挂单元，小翼借助于该悬挂单元附连到机翼单元。
根据进一步的示例性实施方式，可控制地提供了至少一个悬挂单元，这样小翼可以在各种自由度内转动。为了提供悬挂单元以使其可控制地移动，根据另一示例性实施方式至少一个悬挂单元例如使用电动机由从动轴移动。
根据另一示例性实施方式，该装置进一步包括用于移动小翼和/或悬挂单元的驱动装置。在这种布置中，驱动装置可以包括电动的、液压的和/或压电的驱动器。此外，可以使用活性材料，尤其是压电陶瓷。
根据该装置的另一示例性实施方式，小翼被分成上部和下部，小翼的上部和/下部是可移动的。在这种布置中，上部或下部可以设计成略微地或明显地向外凸出。这同样适用于沿机身轴线方向的倾斜。例如，在机翼单元之上和之下延伸的小翼内，仅顶部表面或仅底部表面可以是可移动的。
根据另一示例性实施方式，小翼分成三部分，即上部、下部和外部，其中至少一个部分是可移动的。根据进一步的示例性实施方式，这些部分中的每一个又可以分成若干个子部分，每个子部分本身可以是可移动的。根据进一步的示例性实施方式，除了小翼，机翼单元的一部分或包括小翼的整个机翼单元也可以是可转动的。
根据本方法的另一示例性实施方式，小翼的转动被机载计算机单元控制。在这种布置中，机载计算机单元可以根据测量的飞行器数据控制小翼，如飞行高度、气流方向、迎角、气压、温度等。
根据本方法的另一示例性实施方式，机载计算机单元可以通过调节单元调节小翼的运动。该机载计算机单元或调节单元例如响应于各种参数的任何变化，并相应地自动设置小翼。对于各个飞行器数据，调节可以是一致的或适应性的。此外，特定操作状态(例如起飞状态、着陆状态、巡航状态)可以用作调节小翼位置的标准。
根据本方法的进一步的示例性实施方式，小翼控制任何机翼扭转和/或机翼弯曲是受控的，这样机翼轮廓可以被气动优化。
根据本发明的另一示例性实施方式，创造了一种带有上述特性的装置的风力发动机或风车。
涉及本装置的实施方式也适用于本方法和运输装置及其应用，反之亦然。
利用根据本发明的装置和方法，可以获得反映飞行器任何操作状态的小翼的有效设置选择，从而可能减小小翼和机翼单元上的气动阻力和决定重量的载荷。因此小翼、机翼和从机翼到机身的过渡部分可以设计成节省更多重量，并且因此大大降低了燃油消耗。这样，飞行器的经济性可以显著改进。
附图说明
下面为了进一步解释和更好地理解本发明，将结合附图描述示例性实施方式。如下所示：
图1是根据本发明一个示例性实施方式的带有以可移动方式附连的小翼的机翼单元的示意图；
图2是根据本发明一个示例性实施方式的带有以可移动方式附连的小翼的机翼单元及其转动轴的进一步的示意图；
图3是根据本发明一个示例性实施方式的带有处于各种位置的以可移动方式附连的小翼的机翼单元的进一步的示意图；
图4是根据本发明一个示例性实施方式的悬挂单元的示意图；
图5是根据本发明一个示例性实施方式的可控制悬挂单元的示意图；
图6是表示前束角变化4°时实现的沿小翼的弯矩梯度的减少的示意图；
图7是由于小翼的前束角改变而实现的沿机翼的弯矩梯度的减少的示意图；
图8a是包括两部分的可转动小翼的示意图；
图8b是包括三部分的可转动小翼的进一步的示意图；
图8c是包括三部分的可转动小翼的进一步的示意图，其中一部分是可转动的。
具体实施方式
不同图中的相同或相似部件具有相同的附图标记。
图中所示是示意性并且没有按比例。
图1表示小翼2和机翼单元1以及飞行器本体坐标系7a和小翼本体坐标系7b的俯视图。此外，还示出了机翼单元1的主延伸轴6和具有转动角Φ的小翼的转动轴7。这是根据欧拉角习惯的第一转动轴7。通过绕x轴转动，小翼2可以折叠或展开。箭头8表示在具有局部偏航角的飞行期间小翼上的局部气流方向。例如，如果小翼没有转动欧拉角Φ和θ，则轴x、x1、x2是相同的；同样，y、y1和y2是相同的，以及z、z1、z2是相同的。沿局部气流方向在z轴上的转动直接导致气动载荷减小，从而使小翼上的总载荷减小。
图2表示根据本发明的一个示例性实施方式的用于使小翼适应飞行器操作状态的装置。而且引入小翼的本体坐标系定义转动轴。通过在x轴上转动旋转角Φ，小翼从垂直位置进入新的摆动位置。这样本体坐标系移动到新的轴x1，y1，z1。
在z2轴或y1轴上的转动使得可能自由选择不同飞行状态或不同气动载荷工况所需的设置。
为了清楚和明显，附图没有表示y1轴上的转动，所以x1＝x2，y1＝y2，z1＝z2。只示出了在z2轴上转动前束角ψ。根据图1和图2，有关y1和z2轴上的转动的说明也是明显的。
该装置包括机翼单元1、小翼2和至少一个悬挂单元3(见图4)。小翼2通过悬挂单元3附连到机翼单元1。根据图1的装置表示了小翼可以在三个(空间)轴上转动的方法。这样，小翼2可适应飞行状态的局部偏航角。前束角(本体坐标系的z2轴上的转动)的适应和y1轴上的转动使得可能改变(特别少减小)小翼2的有效表面(在偏航角飞行中，在剧烈翻滚和偏航期间以及在翻滚和偏航混合期间)，有效表面受气流的横向分量冲击，从而特别是减小了小翼2和外机翼1上产生的横向力和弯矩。通过改变前束角，y1轴上的转动，并且通过在x轴上折叠或展开小翼，改变了小翼2的表面，该表面沿飞行方向是气动有效的。
图3表示小翼在x轴或附连轴上的移动。与前束角的可设置性一起，它能够对任何给定飞行阶段优化设置升力特性。在巡航期间，即高空和高速期间，小翼2’可以折叠由此减小阻力。根据气动条件和飞行阶段，即在侧滑、爬升、下降或强侧风期间，小翼2”可以采取相应的中间位置。低速时，特别是接近着陆时，可能希望大的升力系数，小翼2可以展开以增大机翼表面。
图4表示将小翼2附连到机翼单元1的一种选择。所示的悬挂单元3--至少有一个悬挂单元3--使机翼单元1与小翼2相连。通过转动轴5，例如前束角可以以有目标的方式设置成各种载荷工况。同时悬挂单元3可以附连成铰接方式使得小翼2可以在附连轴(小翼的本体坐标系的x轴)和y1轴上附加地转动。附连轴上的转动使得小翼能够相对于飞行器的机身折叠和展开，如图2的机翼-小翼结合体的前视图所示。
图5表示控制小翼2的一种选择。在这种布置中，小翼2在向上的轴5、y轴和x轴上的转动可以通过以有目标的方式使轴4缩回和延伸的驱动电机实现。这样例如小翼2在其向上的轴5上转动。小翼2在其附连轴和y1轴上的转动可通过从动的铰接的悬挂单元3完成。
图6表示沿矩形小翼的主延伸方向的前束角变化4°的10a和前束角没有变化的11a的弯矩的梯度10a，11a。横坐标以％表示了小翼上相对于小翼长度lw的从小翼与机翼的过渡处一直到小翼翼尖的位置zp，而纵坐标以％表示了相对于各位置zp/lw的弯矩量。对于根据欧洲耐飞性要求JAR25的偏航操作角，4°的前束角改变使弯矩的梯度显著降低。这使小翼的结构重量相应地显著降低。
图7的关于JAR25的偏航操作角表示连接有小翼的机翼单元的外部区域沿主延伸方向的弯矩梯度，10b为连接有前束角变化4°的小翼，11b为连接有前束角没有变化的小翼。横坐标以％表示了机翼上相对于机翼长度lF的从外部区域一直到小翼过渡处的位置yF，P，而纵坐标以％表示了弯矩量。显然，前束角的变化也可显著减小机翼载荷。
图8a表示进一步的实施方式，其中小翼包括方向向上的部分2a和方向向外的部分2b。为了清晰只示出了y1轴上的转动。因此本体坐标系x1，y1，z1移动到新的坐标系x2，y2，z2。在机翼单元1的有效迎角对应于局部方向8时，y1轴上的转动使得小翼和机翼上的弯矩显著降低。上部可以确保在y1轴上转动期间朝向前方没有形成间隙。
图8b和8c表示3部分的小翼设计。与图8a相比，上部2a继续向下形成部分2c。这样，在y1轴上转动期间，可以防止在机翼到小翼的过渡区的前面和后面形成间隙。在图8b中，上部2a和下部2c与外部2b一起转动。在图8c中，只有小翼的外部2b转动。
小翼到机翼过渡区、小翼的上部和外部之间的角度、以及小翼各部分的几何设计(曲率、轮廓厚度、后掠角等)可以选择成使得在考虑所有的飞行阶段时实现最优的气动特性和载荷特性，从而实现最小的燃油消耗和最优的经济性。
为此，可以为小翼提供附加的转动选择。而且小翼可以补充进一步的可转动部分。
在实际应用中，转动移动可以总是同时进行而不是顺序进行。
这种布置中，前束角、小翼2相对于机身的摆动位置、和/或y1轴上的转动可以由机载计算机根据测量的飞行状态数据进行控制，例如飞行高度、偏航角、迎角、翻滚角、飞行速度、偏航角等。例如，可以自动响应于任何临界气动载荷，减小小翼的有效气动表面。
此外应当指出，“包括”并不排除其它元件或步骤，“一个”或“一种”不排除多个。而且应当指出，参照上述实施方式之一描述的特性或步骤也可以与上述其它实施方式的其它特性或步骤结合。权利要求中的标号不应解释成限定。

Claims (23)

1.一种用于适应机翼单元(1)的气动特性的适应装置，其中所述适应装置包括：
小翼(2)，
其中所述小翼(2)能够以可移动的方式附连到所述机翼单元(1)，并且
其中所述小翼(2)能够相对于所述机翼单元(1)转动使得相关的转动轴(7)和所述机翼单元(1)的主延伸方向(6)之间的夹角不等于90°。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述小翼(2)与所述机翼单元(1)以可转动方式附连在连接轴(7)上。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述小翼(2)在两个或三个转动轴上能够相对于所述机翼单元(1)转动。
4.如权利要求1到3任一项所述的装置，进一步包括机翼单元(1)。
5.如上述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括位于所述机翼单元(1)和所述小翼(2)和/或小翼部分(2a，2b，2c)之间的气动整流单元。
6.如上述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括至少一个用于将所述小翼(2)附连到所述机翼单元(1)的悬挂单元(3)。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个悬挂单元(3)能够以受控的方式移动。
8.如权利要求6或7所述的装置，其中所述至少一个悬挂单元(3)能够借助于从动轴(4)移动。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括用于移动所述小翼(2)的驱动装置。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述驱动装置选自电动的、液压的、压电的驱动器和活性材料，特别是压电陶瓷。
11.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述小翼分成上部(2a)和下部(2c)，其中所述小翼的上部(2a)和下部(2c)中的至少一个是可移动的。
12.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述小翼(2)包括上部(2a)、下部(2c)和外部(2b)，
其中至少一个部分(2，2a，2b，2c)设计成能够移动。
13.如权利要求11或12所述的装置，其中至少一个部分(2，2a，2b，2c)分成若干个子部分，并且至少一个子部分设计成能够移动。
14.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中除了所述小翼(2，2a，2b，2c)外，包括所述小翼(2，2a，2b，2c)的所述机翼单元(1)的一部分或整个机翼单元(1)也适配成能够转动。
15.一种用于适应机翼单元(1)的气动特性的方法，其中附连到所述机翼单元(1)的小翼(2)相对于所述机翼单元(1)转动使得相关的转动轴(7)和所述机翼单元(1)的主延伸方向(6)之间的夹角不等于90°。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述小翼(2，2a，2b，2c)的转动由机载计算机单元控制，特别是根据测量的飞行器数据控制。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述机载计算机单元包括适于调节所述小翼(2，2a，2b，2c)的转动的调节单元。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述调节单元设计成适应性调节单元，并且适应于多个飞行参数和飞行器参数。
19.如权利要求15到18中任一项所述的方法，其中机翼的扭转借助于所述小翼(2，2a，2b，2c)控制。
20.如权利要求16到19中任一项所述的方法，其中机翼的弯曲借助于所述小翼(2，2a，2b，2c)控制。
21.一种运输装置，包括权利要求1到13中任一项所述的用于适应机翼单元(1)的气动特性的适应装置。
22.如权利要求21所述的运输装置，其中所述运输装置是飞行器。
23.权利要求1到13中任一项所述的用于适应机翼单元(1)的气动特性的适应装置在飞行器中的应用。
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