CN101296842A - 用于垂直升降飞行器的翼状物、机舱和/或机身上的减阻的等离子体激励器 - Google Patents

用于垂直升降飞行器的翼状物、机舱和/或机身上的减阻的等离子体激励器 Download PDF

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Abstract

一种飞行器，包含气流在其上经过的表面。等离子体激励器被配置为在所述表面上方产生等离子体，所述等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。一种减小气流从飞行器的表面的分离的方法，包括：在没有等离子体存在的情况下所述气流会从所述表面分离的位置处，在所述表面周围的空气中产生等离子体。

Description

用于垂直升降飞行器的翼状物、机舱和/或机身上的减阻的等离子体激励器
相关申请的交叉引用
[01]本申请要求2005年10月17日提交的美国申请60/726,648的优先权，该美国申请的全部内容在此引入作为参考。
关于联邦资助研究的声明
[02]本发明是根据Bell Helicopter Textron Inc.和国防高级研究项目代理机构(Defense Advanced Research Projects Agency)之间的协议DABT 63-00-3-001而开发的。
技术领域
[03]本发明涉及使用单介质阻挡放电等离子体激励器用于垂直升降(VTOL)式空气动力学交通工具的翼状物、机舱和或机/身上的减阻。
背景技术
[04]飞行器可以包括下述的表面：所述表面具有气流不能循着其外形的区域。称为所述气流在所述区域从所述表面“分离(separate)”。气流从表面分离可以导致飞行器的燃料消耗增加；航行速度和/或范围以及承载能力的减小和/或限制。例如，在象直升机一样垂直起飞然后改变配置以象普通飞机一样飞行的飞机中，即在倾斜旋翼式飞机中，在起飞期间气流从翼状物上的旋翼的分离导致对翼状物上升运动的阻力，也称为向下负载(download)，以及导致倾斜旋翼式飞机的承载能力以及工作范围的减小。
[05]先前的防止气流分离的尝试包括从位于或靠近气流分离区域的小孔吹和/或吸空气。在所述表面中形成缝隙，并且从所述缝隙周期性地排出脉动的气流喷射以防止气流分离。所述喷射由沿着所述表面以线形阵列设置的音圈基激励器或压电激励器形成。
[06]使用音圈基激励器或压电激励器来防止气流分离需要改变所述表面的设计以容纳所述激励器。音圈基激励器或压电激励器由于所述缝隙、激励器和导线而为飞行器增加了重量和费用。而且还难以针对现有的飞行器改变音圈基激励器或压电激励器。在旋翼叶片上使用此种激励器需要所述激励器配合在机翼(airfoil)的外形之内。为了产生空气的喷射，需要某种结构的振动膜，这在对提升元件内的体积提出要求之外，还导致机身噪音以及振动。
发明内容
[07]根据本发明的一个方面，提供一种飞行器，所述飞行器包含：气流在其上经过的表面。等离子体激励器被配置为在所述表面上方产生等离子体，所述等离子体将定向的动量(directed momentum)耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。
[08]根据本发明的另一方面，提供一种减小气流从飞行器的表面的分离的方法，该方法包括：在没有等离子体存在的情况下所述气流会从所述表面分离的位置处，在所述表面周围的空气中产生等离子体。
附图说明
[09]下面将参考附图描述本发明的实施方式，在所述附图中相同的标记表示相同的特征，其中：
[10]图1是根据本发明一实施方式的等离子体激励器的弦向(chordwise)截面的示意图；
[11]图2a和图2b是图1的等离子体激励器在施加的电压波形的半周期期间的单介质阻挡放电的示意图；
[12]图2c是用于测量来自等离子体激励器的光发射的光电倍增管装置的示意图；
[13]图2d是作为所施加电压的函数的来自等离子体激励器的光发射的图示；
[14]图2e是来自等离子体激励器的光发射作为施加的电流的函数的图示；
[15]图2f是图2e的光发射的更详细的图示；
[16]图2g是由等离子体激励器产生的等离子体的图片；
[17]图2h是作为等离子体激励器的侧向(弦向)距离的函数的等离子体的第一光(first light)的时刻的图示；
[18]图2i是等离子体激励器的光发射的表面图(surface plot)；
[19]图3是图1的等离子体激励器的电路模式；
[20]图4a和图4b是等离子体的频率和幅值优化的示意性图示；
[21]图5a是施加至等离子体激励器的正和负锯齿电压波形的图示；
[22]图5b是施加至等离子体激励器的、与图5a的正和负锯齿电压波形相对应的正和负电流锯齿波形的图示；
[23]图5c是来自等离子体激励器的光发射用于施加的正锯齿电压波形的情况的图示；
[24]图5d是来自等离子体激励器的光发射用于施加的负锯齿电压波形的情况的图示；
[25]图5e是等离子体激励器的推力对用于正和负锯齿施加波形的情况的耗散功率的图示；
[26]图5f是在等离子体中耗散的功率的图示；
[27]图5g和图5h分别示出空气的感生速度对比用于方波和三角波式的施加电压；
[28]图5i示出等离子体激励器的线性附加效应；
[29]图5j示出可使用根据本发明的等离子体激励器的飞行器；
[30]图5k-图5m示出图5j的飞行器的机翼；
[31]图6a和图6b是位于机翼前导和机翼后缘上的等离子体激励器的照片；
[32]图6c和图6d分别是机翼的前导和机翼后缘上的等离子体激励器在关闭和启动时的流动可视化；
[33]图6e和图6f是在前导和机翼后缘等离子体激励器分别同时地和独立地运转时的平均速度曲线；
[34]图7a示出用于速度范围的阻力系数；
[35]图7b示出用于速度范围的阻力系数的整体下降；
[36]图8示意性地示出用于根据本发明的等离子体激励器的非稳定运行的工作循环；
[37]图9a示出根据本发明的机翼测试装置构造的侧视图；
[38]图9b示出提升系数(lift coefficient)对迎角的比，用于带有根据本发明的等离子体激励器的机翼，其中等离子体激励器开启和等离子体激励器关闭；
[39]图9c示出作为用于非稳定运行的施加交流电压的频率的函数的重新附着(reattach)气流所需的最小电压；
[40]图9d示出提升系数对带有根据本发明的等离子体激励器的机翼的迎角，其中等离子体激励器在非稳定状态和稳定状态开启以及等离子体激励器关闭；
[41]图9e和图9f示出压力系数比弦方向距离——用于带有根据本发明的等离子体激励器的摆动机翼；
[42]图9g示出提升系数对带有根据本发明的等离子体激励器的摆动机翼的迎角，其中等离子体激励器稳定工作；
[43]图9h-图9l示出带有根据本发明的等离子体激励器的摆动机翼的压力系数——用于靠近或位于摆动循环的峰值处的迎角以及在等离子体激励器在稳定模式开启及等离子体激励器关闭时的流动可视化；
[44]图9m示出提升系数对迎角——用于包括根据本发明的等离子体激励器的摆动机翼，所述激励器在非稳定模式下以第一强制频率(forcing frequency)运行；
[45]图9n示出提升系数对迎角——用于包括根据本发明的等离子体激励器的摆动机翼，所述激励器在非稳定模式下以第二强制频率运行；
[46]图9o-图9q是在等离子体激励器关闭时以及在等离子体激励器以第二强制频率在非稳定模式下运行时在机翼上的流动可视化；
[47]图9r示出提升系数对迎角——用于在智能(smart)模式下运行的等离子体激励器；以及
[48]图9s-图9u是机翼上的流动可视化——当等离子体激励器关闭时、当等离子体激励器在稳定模式运行时、当等离子体激励器在非稳定模式运行时、以及当等离子体激励器在智能模式运行时用于在摆动循环的俯冲部分期间的各种迎角。
具体实施方式
[49]参见图1，单介质阻挡放电等离子体激励器1附接至VTOL飞行器的表面3。激励器1可以在气流从表面3分离的区域内附接至表面3。等离子体激励器1包含外露电极5；被盖住的、被绝缘的电极7；以及电介质9。交流(AC)电压源11连接在电极5和7之间。尽管激励器1在图1中示出为从表面3延伸，但是可以理解激励器1可以设置在表面3的凹部内，从而部分地或完全地与表面3齐平。电极5和7可以由传导性材料形成，例如由铜箔形成。电介质9可以由电绝缘材料形成，例如由聚酰亚胺带形成。电介质的厚度取决于将施加至激励器1的最大电压。聚酰亚胺带是薄而软的，但是随着时间的经过会因为等离子体中产生的臭氧而退化。电介质9还可以是陶瓷，例如
Figure A20068003870600102
其是可以机加工的并且可以无限地持久。由陶瓷形成的电介质会需要比由聚酰亚胺带形成的电介质厚，以及需要被加工至其最终形状。电介质9还可以是
Figure A20068003870600103
膜，
Figure A20068003870600104
膜薄且具有柔性并且不会受臭氧的影响。
Figure A20068003870600105
膜可承受由水导致的侵蚀。
[50]由电压源11施加高压导致空气电离化并且产生等离子体。当施加交流电压时，在被盖住的电极7上方在电介质9上出现等离子体放电，并且被定向的动量耦合至周围的空气。所述动量耦合改变激励器1上的气流。等离子体在电场梯度E存在的情况下导致作用在气流上的体积力(body force)矢量fB，如图1中所示。所述体积力是每体积等离子体的体积力，在AC电压循环期间根据时间和空间变化。体积力矢量fB由下式限定：fB＝ρcE，其中ρc是等离子体的电荷密度，E是电场梯度。使用玻尔兹曼关系，并且替代ρc，体积力矢量能够改写为fB＝-(ε0/λD 2)ψE，其中ε0是自由空间的电容率，λD是德拜长度(即用于等离子体内的静电屏蔽的特征长度)，以及ψ是电势。基于该等式，非常清楚来自等离子体激励器的体积力随着等离子体密度减小(即增加德拜长度)而减小。
[51]再次参见图1，露出的电极5和被盖住的电极7少量地重叠，以在表面3的整个跨度方向上产生更均匀的等离子体。如果不提供重叠，则电极5和7之间的气隙将被施加至电介质9的电压击穿。在大气压力下，几乎任何可用的电介质材料具有优于空气的介电强度和击穿电压。因此在设计等离子体激励器时应避免气隙。如果存在气隙，那么结果会是等离子体中将出现跨度方向(spanwise)上的不均匀以及等离子体激励器的失效。
[52]图1的等离子体激励器1是单介质阻挡放电式(SDBD)等离子体激励器。SDBD等离子体激励器在大气压力下是稳定的，因为其由于电介质9上的电荷积累而在大气压力处是自限制的。等离子体激励器的所述特性主要由电荷在被盖住、被绝缘的电极7上的积累而确定。当AC电压源11施加AC电压时，在被盖住、被绝缘的电极7上方在电介质9上出现等离子体放电，并且由体积力矢量fB限定的被定向的动量耦合至周围的空气。通过电极5和7的取向和几何形状的设计能够调整体积力矢量fB用于给定的应用。例如，电极5和7能够设计为产生向上或向下定向的壁喷射或流旋涡。
[53]尽管等离子体由带电的微粒组成，但是其是中性的，原因在于其是由中性空气电离而形成的，在等离子体中存在相等数量的负电子和正离子。带电的微粒响应于外部电场，并且电子移到正电极，而正离子移到负电极。该运动导致等离子体边缘上电荷的不平衡，在等离子体中建立电场——该电场与外部施加的电场相反。等离子体边缘上电荷的不平衡是因为等离子体中带电微粒的热运动。带电微粒的重新排列持续进行直到等离子体中的净电场为中性的。
[54]参见图2a和图2b，随着电子被传送到或被传送离开电介质9的表面，等离子体作为一系列放电的结果而形成。如图2a中所示，当施加的电压为负时，电子从露出的电极5移动到电介质9。如图2b中所示，当施加的电压为正时，电子从电介质9移动到露出的电极5。电荷在电介质9的表面上的积累是放电自身限制的原因，并且不会塌缩为缩小的电弧。基于所述能量，电子穿透电介质9的至多少数单层。由于电介质9的低导电性，电子通常保持在它们沉积的位置处。电介质9的收集和包含所述不运动的电子的部分用作等离子体激励器的两个电极5和7之外的虚拟电极13——如图1中所示。
[55]图2a表示放电的半个循环，用于使得露出的电极5比电介质9的表面及被盖住且被绝缘的电极7更呈负电性。从而露出的电极5用作放电中的阴极。如果施加的电压足够高，那么露出的电极5能够放出电子。因为放电在电介质9的表面结束，所以积累在电介质9的表面上的电荷逆着由电源11施加的电压，并且所述放电将切断自身，除非施加的电压的幅值持续地增加。所述放电的行为类似于在图2b中示出的相反的半循环，并且在施加的电压中正的斜度对于维持放电是必须的。在图2b示出的相反的半循环中，电介质9的表面用作阴极。在图2b示出的相反的半循环期间，对于放电来说可得的电荷限制于在图2a所示半循环期间沉积的电荷。
[56]参见图2c，光电倍增管(PMT)可以用于以高的时间精度观察大量的等离子体。由PMT观察到的光发射与等离子体中的耗散电流成正比。对于图2d和2e中示出的结果，PMT设置为观察等离子体激励器1的大约三分之一长度。图2d示出等离子体放电的两个循环——所述等离子体放电在所施加电压的各循环期间开启以及关闭。在图中的点“a”处，由于施加AC电压的驱动电路中的某种阻抗不匹配，在所施加波形的斜度中有临时的反转。因为施加的电压不再变得更加呈负电性，所以放电结束。在图中的点“b”处，施加的电压再次回复到负的阶段，放电重新开始，并且一直持续到电压波形的斜度为零——在此例子中，在大约t＝0.4ms处。
[57]图2e示出带有正弦的施加电压波形的等离子体激励器1的一个放电循环。如图中所示，在正运行半循环中放电比负运行(negative-going)半循环中更加不规则。图2f以更精确的时间刻度示出与图2e相同的数据。如图2f所示，由PMT观察到的每个光脉冲对应于电流信号中的脉冲。然而，不是每一个电流脉冲对应一个光脉冲。这是因为PMT仅仅观察等离子体激励器1的三分之一，而电流监视器在整个放电期间测量电流。具有不在PMT视界内产生的放电。当露出的电极5上的电压为负运行时，在等离子体激励器1的宽度上放电相对均匀。当电压正进行(positive-going)时，放电不规则，或者“不调和”。发电中的不均匀影响动量耦合至流动的效率，这将在下文描述。
[58]图2g示出等离子体的“开放遮光器(open shutter)”视图(即遮光器速度长于施加电压波形的周期)。图2g明显地示出等离子体密度梯度，因为最靠近露出的电极5的边缘的等离子体最亮。然而，图2h示出作为等离子体和PMT之间插入的间隙的侧位置的函数的到第一光的相对时间。如图2h中所示，等离子体以恒定的比率在侧向(即弦向)上增加。从而靠近露出的电极5的边缘的等离子体显得更亮，因为其对于放电循环的较大部分反射，而不是因为具有较高的等离子体密度。在图2h中还示出：施加的电压越高则等离子体放电沿着电介质7的表面扩展的更快。对于给定的电压，负运行半循环和正运行半循环的等离子体放电的扩展速度也基本相同。对于两个上述半循环，放电均在露出的电极7的边缘处开始，并且沿着电介质7的表面扩展。尽管在放电的半循环之间等离子体的横向(跨度方向)结构上有差异，但是如图2e和2f所示，等离子体的侧向(弦向)范围和发展基本上相同。由PMT看到的等离子体的光发射的表面情况在图2i中示出。
[59]参见图3，等离子体激励器1可以模型化为电路。电容器C1表示露出的电极5和虚拟电极13之间的电容。电容器C2表示虚拟电极1和被盖住且被绝缘的电极7之间的电容。因为电极5和7偏置开，所以包括电容C3——因为某些场线直接连接电极5和7。电容C3为电路中的附加位移电流提供了并行路径，但是并不影响放电。
[60]因为等离子体放电的弦向范围在放电期间改变，所以电容C1和C2表示为可变的。为了此模型的目的，C1和C2的值可以看作取决于施加的AC电压幅值的平均电容。等离子体表示为电阻R1，因为其是电路中的单耗散元件。在整个放电期间，等离子体不存在，从而其表示为可变的值。当电容器C1上的电势差的绝对值超过阈值时，发出等离子体并且电阻R1从有效的无穷大、开路值变化到小的值。当所述电势差的绝对值下降到低于另一阈值时，放电结束并且电阻R1返回到其开路值。AC电压11到等离子体激励器1的施加允许维持所述放电。所述激励器的电路模型用于对流体流动中的激励器效应进行模型化。所述电路模型还可以用于改善激励器的性能。
[61]由等离子体激励器1消耗的功率和等离子体放电的最大范围作为所施加AC电压频率的函数分别在图4a和4b中示出。如同图3的电路所模型化的，图4a和4b表明存在用于峰值等离子体功率的最优频率。最优频率的存在允许减小被盖住且被绝缘的电极7的宽度。例如，如图4a和4b所示，对于以6kHz施加的20kV的电压需要12mm的宽度。然而，对于同样的20kV的电压，如果所述电压以20kHz施加至6mm的电极，可以获得相同的等离子体功率放电。这允许将被盖住且被绝缘的电极7的宽度减小50％，即从12mm减小到6mm。减小被盖住且被绝缘的电极7的宽度允许以阵列的形式更紧凑地将激励器包裹至表面3。使用阵列的等离子体激励器提供线性附加效应。然而，各等离子体激励器的尺寸直接相关于其产生的等离子体的量。等离子体激励器的弦长度不能超过用于阵列中使用的激励器的等离子体的最大范围，以防止重叠效应。
[62]如上所述，等离子体放电的空间结构是不对称的。为了确定此不对称的效果，将彼此成镜像的两个不同的不对称电压波形施加至等离子体激励器1。在一种情况下，具有大的正斜度和较小的负斜度的正锯齿波形施加至等离子体激励器1。在另一种情况下，具有大的负斜度和较小的正斜度的负锯齿波形施加至等离子体激励器1。正和负锯齿电压和电流波形分别在图5a和5b中示出。
[63]图5c和5d分别说明在正锯齿波形和负锯齿波形的情况下来自等离子体的光发射。尽管所述光发射被显示为大致具有相同的波形，但是从所述附图可以清楚地看出，如图5c的点(b)所示和如图5d的点(a)所示，所述波形的负进行部分产生更均匀的放电。这与上面讨论的等离子体放电的不均匀性一致。如图5c的点(a)所示和如图5d的点(b)所示，所述波形的正进行部分产生不规则放电，就如上面参考图2d所述的一样。
[64]等离子体激励器的效率可以通过测量其在初始静止空气中产生的推力而确定。为了测量所述推力，激励器安装在杠杆臂上，并且产生的推力在位于杠杆臂两端的质量平衡上测量。图5e示出正和负锯齿波形的推力与耗散功率的关系。如图所示，正锯齿波形——其具有较高的负运行占空因数且对于放电循环的大部分产生较扩散的等离子体，比负锯齿波形产生更大的推力。负锯齿波形对于放电循环的大部分产生较不规则的等离子体，并且对于可比较的耗散功率在将动量耦合至气流上具有较低的效率。这导致反驳了下面的理论：等离子体激励器的运行可能主要贡献于空气的大量加热。
[65]再参见图3，作为所施加电压的幅值的函数的功率耗散与如前所述的等离子体的形式和结构以及其放电相一致。当等离子体激发时，有效地短路电容器C1，其形成分压器的一部分。分压器的其它元件(即电容器C2)的阻抗Z2取决于所施加波形的频率，Z2＝-i/ωC2。对于固定的频率，耗散的功率将是VAC 2——如果C2恒定，其中VAC是施加的电压。参见图5f，在等离子体中耗散的功率大致为VAC 7/2。
[66]在图5f中示出结果与下面的两种情况都一致或与其一相一致：1)电容器C2的平均电容随着所施加电压增加而增加；和/或2)电阻R1的平均电阻随着所施加电压增加而减小。如上对于图2h所述，施加的电压越高，等离子体放电沿着电介质7的表面扩展的速度就越快。因此，虚拟电极13的平均面积随着所施加电压的增大而增大，并且电容器C2的电容以图3所示的模式相应地增加。
[67]参见图5g和5h，对由等离子体激励器1导致的空气内的感生速度的粒子图像测试仪(PIV)测量显示：施加至气流的速度也大致为VAC 7/2。该结果表明激励器中耗散的功率和在空气中感生的速度之间的直接比例关系。耦合动量的效率可以通过在露出的电极5的边缘处的相互作用而控制。图5g示出对于所施加方波电压的感生速度，而图5h示出对于所施加三角波的感生速度。在图5g和5h中示出的结果表明：感生电压和VAC 7/2的比例以独立于波形的方式适用。
[68]如上所述，使用多个激励器提供线性的附加效应，即多个激励器的速度增加是附加性的。参见图5i，对于所施加的电压，两个激励器(一个设置在另一个的前面)提供超过单个激励器独自的速度增加的两倍的速度增加。
[69]根据本发明的等离子体激励器可以用于包括图5j所示倾斜旋翼式飞行器40的VTOL飞行器上。如图5k和5l所示，倾斜旋翼式飞行器40包括机翼42。机翼42包括第一部分44和相对于第一部分44可枢转的第二部分46。第二部分46可以称为副翼。如图5m所示，铰链副翼盖48设置在第一部分44和第二部分48之间。在位置x/c＝0处，前导边缘(LE)等离子体激励器1B设置在第一部分44上。在离开后缘部分的前导边缘的位置处，例如在位置x/c＝0.17处，机翼后缘(TE)等离子体激励器1C设置在第二部分46上。在倾斜旋翼式飞行器40竖直起飞期间，第二部分46如图5m中所示地枢转。
[70]在盘旋和向前飞行中，通过在VTOL飞行器的翼状物的前导和机翼后缘上的分离控制，等离子体激励器1可以用于在翼状物上提供升力增大。这影响飞行器的各个性能方面。这些方面包括：有效载荷、飞行行程范围、持久性能、最大和维持的旋转速率(turn rate)。在二维翼状物中，最大可得的升力最终由气流循着机翼曲线的能力来限制。当气流不能循着所述曲线时，气流分离。所述分离可能在前导边缘处发生，或者在靠近副翼构造内的机翼后缘处发生，或者基于飞行状态在机翼上的其它位置处发生。
[71]参见图6a和6b，等离子体激励器可以设置在机翼的前导或机翼后缘上以控制气流分离。等离子体激励器可以粘合、附着或层压至所述机翼的表面。等离子体激励器还可以凹入至机翼内，使得露出的电极与翼状物机翼的空气动力学表面齐平。如图6b所示，露出的电极和被盖住的电极在跨度方向上对齐。所述电极被定位为使得所述电极之间的结合部稍微位于气流分离的弦位置的上游。在用于V-22翼状物的盘旋构造中，这些电极在前导边缘处，x/c＝0；以及在副翼上，xF/cF＝0.17。等离子体激励器的结构感生位于下游方向的速度分量，以在翼状物上阻止空气分流并形成尾流。
[72]在图6a和6b中所示的等离子体激励器中，所述两个电极由0.05mm厚的铜箔带制成。电介质由厚度在0.025至0.127mm的
Figure A20068003870600171
膜形成，介电常数为大约3.3、击穿电压为每10-3英寸厚度大约6kV。施加的交流电压可以是7到12kVp-p，频率可以是大约3至10kHz。所述机翼外形可以以弦长15.24cm和跨度22.86cm用在V-22飞行器上。
[73]所述机翼在在Notre Dame大学Hessert实验室的用于物理声学公司(FlowPAC)的中心的亚音速风洞中测试。将烟导入气流中以提供气流的可视化。参见图6b，机翼由普列克斯玻璃制成的端板支撑以允许看到气流。端板也使机翼上的三维端效应最小化。试验在机翼固定的情况下进行。在所述试验中，端板为20cm半径的圆。位于气流中的第一皮托管静态探针对于各压力端口提供参考的静态压力。第二皮托管静态探针安装至横穿机构——位于机翼下游两个弦长度处——在其弦方向中心线上。横跨尾迹选取离散点来确定平均速度分布。
[74]等离子体激励器在控制盘旋构造中翼状物周围气流的分离方面的效力在减阻的基础上进行评价。图6e和6f对应于70°副翼偏转角的盘旋构造中V-22翼状物的尾迹中测得的平均速度分布。空气速度U∞是20m/s。图6e的实线对应于所有等离子体激励器关闭的时候。图中的其它虚线对应于前导边缘或副翼等离子体激励器分别地运行的情况。对于各激励器，效应是增加翼状物的尾迹中的速度，这意味着降低阻力。图6f示出两个激励器同时工作时的效应。这对应于虚线。结合的效果给出最大量的减阻。
[75]对于速度的范围的等离子体激励器对阻力的影响在图7a中示出。将激励器关闭时的阻力系数Cd显示为实线，以及将副翼激励器开启时的所述阻力系数显示为虚线。对阻力产生显著减小的等离子体激励器被观察为在激励器开启时曲线下移。
[76]对翼状物上阻力的整体改进(降低)在图7b中总结。在最低的速度处，阻力降低几乎45％。这个大的改进是因为在前导边缘和副翼处控制分离。在较高的速度下，前导边缘流几乎自然地附着，并且改进的大部分来自副翼等离子体激励器。在这些情况下，阻力降低大约25％。
[77]由等离子体激励器使用的功率取决于其运行的模式，等离子体激励器可以在“稳定”或“非稳定”模式下运行。在“稳定”模式，等离子体激励器在施加的交流频率(例如3至10kHz)下运行。所施加的交流电压的频率大于流体响应频率，气流从而承受恒定的体积力(body force)fB。
[78]在“非稳定”模式下运行等离子体激励器具有优点。在“非稳定”模式下，施加的交流电压频率以较低的频率接通或切断，例如低至赫兹的一部分。参见图8，对于非稳定运行，交流电压以非稳定的周期(即强制频率f＝1/(2πT)，其中T是非稳定周期)接通或切断。在交流电压开启的所述周期内占空比是可以控制的。
[79]已经发现在分离位置附近导入周期性的扰乱能够导致产生连贯的漩涡结构，所述漩涡结构能够防止或延迟分离的出现。所述漩涡结构可以暂时地将高动量流体带至所述表面并且使得所述气流承受相反的压力梯度而不分离。所述非稳定运行可以用于激发漩涡结构和流体不稳定性用于放大等离子体激励器1的效应。提供大部分所需结果的强制频率已经发现在斯德鲁哈尔数St＝fc/U∞基本一致时发生，其中f是等离子体激励器强制频率，c是分离区域的长度，U∞是气流速度。在非稳定运行时，非常短的占空因数是可能的，其降低等离子体激励器的功率需求。例如10％的占空因数将功率需求降低90％。
[80]例如，图6e、6f、7a和7b中的结果以10％的占空因数在“非稳定”模式运行下获得。在这些例子中，最佳条件对应于在1.0和1.3之间的斯德鲁哈尔数，分离区域的长度对应于无副翼的弦长度。使用的总功率大约为2瓦。
[81]参见图9a，试验还在下列情况下进行：机翼20摆动，即迎角α变化。在那些试验中，端板22是半径20cm的圆。旋转轴24在机翼的节距位置处附接至端板22的中心，所述节距位置对应于四分之一弦位置，即x/c＝0.25。伺服马达26用于摆动所述轴。控制器28设置在伺服马达26内，尽管能够理解控制器28能够独立于伺服马达26设置。两个编码器信号30、32用于在机翼20的摆动循环期间确定暂态的迎角α。
[82]参见图9b，示出稳定操作的提升系数CL与迎角α的关系。对于等离子体激励器关闭，以方形标记示出，升力线性地增加到大约14°的自然静态延迟角(stall angle)。实线表示所述情况的数字预测，其中等离子体激励器关闭。当在稳定模式下等离子体激励器开启时，以圆形标记示出，延迟角增加到大约18°。这与数字模拟一致——涉及计算用于电极设置的体积力分布和增加所计算的体积力分布到动量平衡。
[83]参见图9c，其示出作为用于非稳定运行的施加交流电压的频率的函数的重新附着气流的最小电压。图9d示出提升系数与迎角的关系，其中对于大致一致的斯德鲁哈尔数等离子体激励器开启以及关闭。这些图示出当等离子体激励器以非稳定的模式在St≈1.0的周期强制模式下运行时，提升系数增加，且升力维持到迎角α＝22°——其超过自然静态延迟角达8°。在图9b-9d中得到的结果以10％的占空因数获得。
[84]再参见图9a，机翼20安装在可旋转的轴24上以允许机翼20的迎角α变化。摆动机翼20以改变迎角α对于研究消除直升机螺旋桨上的叶片延迟是有用的。如下文所述，所述机翼绕着其四分之一弦位置以周期性循环摆动，使得迎角α＝α平均+α最大sinωt，其中ω＝2kv/c。在这些情况下，当机翼在其自然静态延迟角以上倾斜时出现动态的延迟。升力初始地随着机翼上仰而增加，并且继续增加而经过静态延迟角。在此过程中，在机翼的前导边缘处初始地形成涡流，并且涡流最终流出并在机翼上向下游转化，返回一些升力。在涡流经过机翼的机翼后缘之后，所述流完全分离。随着机翼继续向下倾斜，气流最终重新附着，并且所述循环重复。
[85]该循环的重复导致升力-循环滞后。等离子体激励器1以稳定和非稳定模式运行以确定其控制摆动提升循环和升力-循环滞后的能力。图9e和9f示出压力系数作为弦方向距离(x/c)的函数——对于迎角α在7°和25°之间以2°的增量变化且k＝0.08的情况。图9e示出所述情况在等离子体激励器关闭时的压力系数，而图9f示出等离子体激励器以稳定模式运行的情况。
[86]如图9e中所示，压力系数在大约Cp＝-4、迎角α≈21°处出现峰值。随着摆动循环继续，压力系数减小，并且在所述系数中出现一个宽的凸出部分，所述凸出部分是动态延迟漩涡的特征。循环中的后续角度示出凸出部分朝着机翼后缘(x/c＝1)的运动——与漩涡的下游转化相一致。
[87]图9f示出：对于以稳定模式运行的等离子体激励器，最大压力系数Cp增加到大约-5.75。此外，稳定的等离子体激励器抑制动态延迟漩涡的形成——证据在于在较大的迎角处缺少凸出部分。
[88]图9g示出用于图9e和9f中所示摆动循环的提升系数。如图9g中所示，在所述循环的向上升起部分，随着迎角增加到大约α＝22°，提升系数几乎线性地增加。超过该角度，提升系数有一个快速的增加，这对应着动态漩涡的形成。摆动循环的向下部分的最初部分显示漩涡的剩余部分，提升系数快速增加超过αmax以及所述循环中的对应于大约22°的“叶部”。
[89]以稳定模式使用等离子体激励器显示对等离子体激励器关闭情况的改进。在摆动循环的上行部分期间，对于所有低于α＝20°的角度，稳定等离子体激励器具有较高的提升系数。此外，所述稳定等离子体激励器抑制动态漩涡以及与其相关的提升。这是显然的——从下面的事实可以看出：等离子体激励器关闭时在22°处出现的快速增加以及提升循环在最初下行部分中的所述“叶部”减小。经过摆动循环的最初下行部分以及对于下行部分的其余部分，对于稳定等离子体激励器出现提升增加。
[90]图9h-9l图示：迎角接近和处于振动周期峰值时，成弦向距离(x/c)函数的压力系数以及稳定等离子体激励器的流动可视化。如图9h和9i所示，在上升期间，角α＝21°和角α＝23°时，稳定等离子体激励器在前导边缘保持附着的流，并产生约-5的压力系数Cp。如图9i所示，压力系数Cp未显示标志着动态涡流形成的凸出部分。
[91]最大迎角α＝25°时，如图9j所示，显然缺乏压力凸出部分。流动可视化表明稳定等离子体激励器开启时的分离气泡，但明显比稳定等离子体激励器关闭时的分离气泡小。在前导边缘处的压力系数Cp仍很大，并且大于当等离子体激励器关闭时的前导边缘压力系数。流动可视化表明气流外缘完全分离，但更接近表面的气流表现出相关特征-该特征出现在合适位置，并相对动力涡流大小合适。
[92]参考图9k和9l，摆动周期内机翼开始下降时，机翼前导边缘压力系数也减小，压力凸出部分对流至机翼的机翼后缘。气流最终分离，但分离量不如等离子体激励器关闭时。压力系数Cp在机翼上更均衡，在第一个三分之一弦内具有更高也就是更大负数的值。
[93]如图9m所示，80Hz强制频率在摆动周期下降部分内以较小的迎角增加了提升系数。然而，下降部分的初期，提升系数小于等离子体激励器关闭时，或等离子体激励器运转稳定时，如图9g所示。非稳定激励还产生了压力系数αmax不希望的大幅减小。
[94]图9n图示了提升系数与强制频率20Hz时迎角之间的关系，此时迎角大小是机翼摆动周期4Hz的5倍。斯德鲁哈尔数St等于0.25。20Hz强制频率每半个摆动周期激起2个涡流。St＝0.25非稳定模式下的分离区域内的涡流与St＝1稳定模式下等离子体激励器的操作类似。
[95]与如图9m所示的80Hz强制频率相比，20Hz强制频率在振动周期的整个下降部分产生更大的提升系数。在25°≥α≥13°范围内，最为显著。在振动周期下降部分的底端，机翼还保持大提升系数，大提升系数持续至振动周期上升部分的第一部分。这些结果证明了装有等离子体激励器的机翼，非稳定模式下运转比稳定模式或等离子体激励器关闭或未安装等离子体激励器时性能得以改善。
[96]图9o-图9q的流动形象化示出压力系数20Hz时等离子体激励器的非稳定运转。等离子体激励器非稳定激励的每个形象化，示出机翼表面一系列3个周期性、良好限定、涡流状结构。如图9q所示，等离子体激励器非稳定激励引起气流快速重新附着。参考图9n，这是因为上述摆动周期下降部分底端的提升系数更大。
[97]等离子体激励器可在“智能”模式下运转，其中，“智能”模式指等离子体激励器仅在部分摆动周期α＝15°+10°sinωt和k＝0.08下运转，其中期待激励将改善提升循环。设置电路以使用编码器信号30，32作为用于选择性地关闭或开启等离子体激励器的输入信号。在等离子体激励器开启期间，等离子体激励器可在稳定或非稳定模式下运转。
[98]根据本发明的一实施方式，等离子体激励器在机翼摆动周期内的迎角3个范围内开启：1)在上升部分期间，15°≤α≤20°；2)在上升部分期间，23°≤α≤24°，经过迎角最大角；以及3)机翼摆动周期下降部分期间，20°≥α≥8°。
[99]参考图9r，等离子体激励器运转的智能模式下，提升系数与迎角关系引起机翼整个摆动周期的提升系数增加。在αmax之后，给定提升系数循环在图9g和9m中示出的叶状形状由较平滑的升力替代，急剧延迟随着较小的滞后而减小。在摆动循环的上行部分期间最大提升系数在较大的迎角处不再损失——如同在等离子体激励器以稳定或非稳定模式运行期间那样，动态延迟漩涡被抑制。
[100]图9s-图9u的流动形象化示出等离子体激励器关闭、稳定模式下运转，和智能模式下运转的气流情形。
[101]尽管本发明结合各种各样飞行器和表面描述，但是应注意到本发明不限于此。例如根据本发明的等离子体激励器可在例如机身的其它表面上使用，或在诸如动力涡轮机的非飞行器应用中使用。

Claims (27)

1.一种飞行器，包含：气流在其上经过的表面；以及被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。
2.如权利要求1所述的飞行器，其中所述等离子体激励器包含：电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖住的第二电极；以及连接在所述第一和第二电极之间的交流电压源。
3.如权利要求2所述的飞行器，其中所述电介质是聚酰亚胺带。
4.如权利要求2所述的飞行器，其中所述电介质是陶瓷。
5.如权利要求2所述的飞行器，其中所述第一和第二电极中的每一个是铜箔。
6.如权利要求2所述的飞行器，其中所述第一和第二电极的边缘重叠。
7.如权利要求1所述的飞行器，其中所述表面设置在机翼上。
8.如权利要求7所述的飞行器，其中所述飞行器是倾斜旋翼式飞行器，并且所述机翼是翼状物。
9.如权利要求8所述的飞行器，其中所述翼状物包含第一部分和第二部分，所述第二部分能够相对于所述第一部分枢转，并且所述等离子体激励器设置在所述第二部分上。
10.如权利要求7所述的飞行器，其中所述飞行器是直升飞机，并且所述机翼是旋翼。
11.如权利要求1所述的飞行器，其中所述表面设置在所述飞行器的机身上。
12.如权利要求1所述的飞行器，其中所述表面设置在所述飞行器的机舱上。
13.如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为以稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加电压。
14.如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为以非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加电压。
15.如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间选择性地施加电压。
16.如权利要求7所述的飞行器，其中所述等离子体激励器被配置为在所述机翼的基本上整个跨度尺寸上产生等离子体。
17.如权利要求7所述的飞行器，其中所述等离子体激励器设置在所述机翼的前导边缘上。
18.如权利要求1所述的飞行器，其中向所述表面设置多个等离子体激励器。
19.如权利要求15所述的飞行器，其中选择所述非稳定频率以使得斯德鲁哈尔数基本上一致。
20.一种减小气流从飞行器的表面的分离的方法，包括：
在没有等离子体存在的情况下所述气流会从所述表面分离的位置处，在所述表面周围的空气中产生等离子体。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述等离子体由等离子体激励器产生，所述等离子体激励器包括：电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖住的第二电极；以及连接在所述第一和第二电极之间的交流电压源，所述方法进一步包括：
以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加交流电压。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述等离子体由等离子体激励器产生，所述等离子体激励器包括：电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖住的第二电极；以及连接在所述第一和第二电极之间的交流电压源，所述方法进一步包括：
摆动所述表面；以及
以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加交流电压。
23.如权利要求22所述的方法，其中在所述表面的所述摆动期间选择性地施加所述交流电压。
24.如权利要求21所述的方法，其中选择所述非稳定频率以使得斯德鲁哈尔数基本上一致。
25.一种空气动力学结构，包括：
表面；以及
被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述等离子体激励器包含：电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于周围空气的第一电极；以及由所述电介质的第二侧盖住的第二电极。
26.一种空气动力学结构，包括：
表面，气流在其上经过；以及
被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。
27.如权利要求26所述的空气动力学结构，其中所述等离子体激励器包含：电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖住的第二电极；以及连接在所述第一和第二电极之间的交流电压源。
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