CN101318554B - 等离子流动控制作动器系统和方法 - Google Patents

等离子流动控制作动器系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种等离子作动器系统和方法，尤其非常适于用在航空运动平台例如航空器上以便方向和/或姿态控制。该系统包括至少一个等离子作动器，其具有安装在航空器表面上的第一和第二电极。第一和第二电极安置的平行所述表面之上的边界层流动路径。第三电极安装在第一和第二电极之间并且从第一和第二电极横向地偏移。高AC电压信号跨过第一和第三电极施加，其感应在赋能电极之间的流体流动，其有助于延迟边界层的分离。跨过第二和第三电极施加AC电压导致感生流体流动，其产生影响边界层流动从表面分离的相反效果。多个作动器可以选择性地放置在航空器上的不同位置，并且选择性地赋能以提供对航空器的方向控制和/或姿态控制。

Description

等离子流动控制作动器系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请总体上涉及同时于2007年5月25日提交的序列号为11/753,857(波音档案号07-0456；HDP档案号7784-001059)和序列号为11/753,869(波音档案号07-0455；HDP档案号7784-001060)的美国申请的主题。
本公开总体上还涉及转让给了波音公司的于2006年4月12日(4/12/06)提交的序列号为11/403,252的美国申请的主题。
上面提及的所有申请在此引入本公开作为参考文献。
技术领域
本公开涉及一种流动控制系统，更具体地，涉及一种等离子流动控制系统和方法，其可以选择性地控制以帮助防止边界层流动从运动平台或物体的表面分离，或者以使得边界层流动从所述表面分离。
背景技术
本部分的声明仅提供与本公开有关的背景信息，可并不构成现有技术。
为了有空气动力效率，航空运动平台例如航空器和武器(空中运载工具)典型地必须具有高度集成的构型。这些构型典型地需要将良好的性能和有用的有效载荷与良好稳定性和控制特征相结合。为了实现该目的，空中运载工具构型应该具有有效率、有效果和稳健的控制效应器组件。去除传统的控制面以使得空中运载工具空气动力上更加有效率，在空中运载工具的稳定性和控制方面带来独特的挑战。
对无尾翼和/或无铰链空中运载工具的以前的工作已经证明在提供运载工具控制，尤其是运载工具的方向控制方面尤其具有挑战性。无铰链或无尾翼控制的特别的问题是在低到中等攻角时产生方向控制，该角度典型地在约0-4度之间的范围。当前，用于在低到中等攻角时在空中运载工具上产生方向控制的大多数空气动力学方法包括使用垂直尾翼或偏转控制面。当垂直尾翼被去除时，在低到中等攻角时提供低方向控制，如果有的话，也是现有手段的一个限制。
重量同样是很多形式的运动平台尤其是航空运动平台例如航空器的一个重要考虑。当前的空气动力控制系统典型地采用铰链板，其偏转以改变运动平台的表面之上例如机翼的后边缘之上的边界层流动。应当认识到，需要采用它们的铰链和相关连接和液压或者机电作动器会给航空器增加明显的重量，从而增加对于给定飞行或任务所需的燃料，或者降低航空器的总体有效载荷。
发明内容
本公开涉及用于运动平台特别是高速航空运动平台例如喷气式航空器上的等离子作动器系统和方法。该等离子作动器系统形成流动控制设备，其对于控制运动平台的表面之上的边界层流动是有用的。
在一实施例中，提供一种控制运动平台的飞行的方法。该方法包括在运动平台的表面上布置等离子作动器以使得其在该表面之上的边界层流动的路径中。控制等离子作动器以呈现第一操作构型，其中等离子作动器以向着所述表面拖拉边界层并维持边界层流抵着所述表面的方式影响边界层流动。还可控制作动器以呈现第二操作构型，其中等离子作动器以导致边界层流动从表面分离的方式影响边界层流动。
在一特定实施例中，布置等离子作动器包括布置具有沿着边界层的流动方向间隔开的第一和第三电极的等离子作动器。第三电极布置在第一和第二电极之间，并且位于从第一和第二电极布置的平面横向地偏移的平面中。介电材料布置在第三电极和第一与第二电极之间。
在一实施例中，公开用于控制航空运动平台的飞行的系统。该系统包括布置在运动平台的表面附近的等离子作动器和用于电性地赋能等离子作动器的AC电压源。等离子作动器具有布置在运动平台的表面附近以使得其在所述表面之上的边界层流的路径中的第一电极，和第二电极，其相对于边界层的流动方向布置在第一电极下游的表面附近。第三电极由介电材料从第一和第二电极间隔开，并且布置在第一和第二电极之间和位于从第一和第二电极横向地偏移的平面内。控制器控制AC电压从AC电压源到电极的施加以进行以下的至少之一：
跨过第一和第三电极施加AC电压以使得在第一和第三电极之间的空气电离，其延迟在所述表面上的边界层流动的分离；和
跨过第二和第三电极施加AC电压以使得在第二和第三电极之间的空气电离，其使得在所述表面上的边界层流动分离。
在一实施例中，所述系统和方法形成能够选择性地防止边界层流动从物体的表面分离以及使得边界层流动分离的等离子作动器。
附图说明
在此所述的图仅仅是为了图解性目的，并不意在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的一实施例的结合多个等离子作动器的运动平台的平面视图，其中等离子作动器沿着航空器的机翼的前缘采用。
图2是根据图1的线2-2剖开的图1所示的等离子作动器之一的放大横截面侧视图，示出赋能的作动器以延迟边界层流动在机翼表面上的分离，并且还以简化的形式示出AC电压源和用以控制作动器的控制器；和
图3是图2的等离子作动器的视图，但作动器被控制以使得边界层流动从机翼表面分离。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅仅是示例性的，并不意在限制本公开、应用或使用。
参照图1，示出运动平台，在该例子中，航空器12结合多个等离子作动器10。在该例子中，等离子作动器10分别布置在航空器12的机翼14a和14b的前边缘16a和16b附近。但是，应当认识到，等离子作动器10实质上可用在期望进行运动平台的方向或姿态控制而无需铰链或可移动板的场合的任何形式的运动平台。其它可能的应用可包括无人航空器、导弹、旋翼航空器、高速陆上车辆和可能甚至高速海上船只。同样地，尽管等离子作动器10示出为在航空器12的机翼14a、14b上，但是其可易于用在沿着机身，在水平安定面、垂直尾翼、尾锥部或任何其它期望影响航空器之上的边界层流动的地方上。
实践中，在需要对边界层控制的场合，通常期望包括多个沿着一表面的等离子作动器10，如图1所示。相邻等离子作动器10之间的间隔，作动器的尺度和作动器的特定数量将由特定应用的需要确定。
参照图2，从侧横截面视图示出等离子作动器10之一。每个等离子作动器10包括第一电极18、第二电极20和第三电极22。第二电极20从第一电极18间隔开。优选地，电极18和20凹陷地安装在机翼14a的表面24中以使得电极18和20的较上表面18a和20a分别定位成与表面24大致平齐，并且彼此共面。或者，电极18和20可以安装在表面24的顶部。但是，电极18和20的凹陷安装将有助于维持机翼14a或其它借助其等离子作动器10在其上实现的表面的原来的空气动力轮廓，并降低空气动力阻力。
第三电极22安装在第一电极18和第二电极20之间，并大致与第一电极18和第二电极20纵向成一直线，但布置的以使得其位于从电极18和20横向地偏移(也就是，立面的下方)。介电材料层25设置在将其分别从第一电极和第二电极18和20间隔开的第三电极22周围。每一个电极18、20和22形成为具有基本矩形的形状，其主(长边)轴安置在垂直于边界层流动的方向。其它定向也是可能的，取决于特定应用的需要。
在实践中，电极18、20和22可以由任何传导材料形成。铜是尤其适合的一种材料。电极18、20和22可以形成为薄带，可能为箔带，并可具有在约0.001-0.005英寸(0.0254-0.127mm)数量级的典型厚度。每一个电极18、20、22的长度和宽度可根据需要变化以适应特定应用，但是可预见的是，在很多航空器应用中，每一个电极的长度和宽度，典型地对于每一个电极18和20，可以为长度在1-20英寸(2.54cm-50.08cm)数量级，宽度为0.12-0.20英寸(3-5mm)数量级。埋藏电极22的宽度将典型地宽于电极22所利用的，并且典型地在1.0-2.0英寸(2.54cm-5.08cm)数量级，取决于AC电压源26所供给的操作电压。介电材料层25可以包括任何适当的介电材料，例如石英、KAPTON
Figure S2008100985309D00041
或者TEFLON
Figure S2008100985309D00042
介电材料。其它介电材料例如陶瓷也可适合使用，并且所使用的精确电介质可以由特定应用的需要决定。介电材料层25的部分还可用于充填第一和第二电极18和20之间的间隙。第三电极22距第一和第二电极18和20的立面间距可典型地在0.003-0.50英寸(0.076-12.7mm)，尽管这还可取决于特定应用的需要而显著地变化。
进一步参照图2，AC电压源26连接到第三电极22并通过一对开关28和30分别连接到第一和第二电极18和20。AC电压源26产生低电流、高电压AC信号，优选地在约3,000-20,000伏。AC电压源26的频率典型地在约1KHz-20KHz，但是可以根据需要变化以满足特定应用。AC电压源26的精确输出优选地可变以使得作动器10能提供流体流动控制的可变度。
控制器32与开关28和30连通。开关28、30可以为适于处理AC电压源26产生的电压的半导体开关装置，或者可以包括任何其它适合的形式的开关装置。如在下面的段落中将进一步详细讨论的，部件18、20、22、25、26、28、30和32有效地形成“双模式”等离子作动器设备，其能够选择性地导致或阻止边界层从表面24的分离。控制器32还可用于控制AC电压源26的精确输出。在一实施例中，控制器32可以用于控制开关28和30以产生AC电压脉冲，其跨过电极对18、22和20、22施加，具有约10％-100％之间的占空因数。施加脉冲AC信号到电极对18、22和20、22可导致作动器10的功效和总体效果的提高。
进一步参照图2和3，将讨论等离子作动器10的操作。在图2中，当期望防止边界层流从表面24分离时，控制器32使得开关28赋能(也就是，闭合)而开关30打开。这导致来自AC电压源26的高AC电压跨过电极18和22施加。该高电压使得介于电极18和22之间的空间附近的空气电离。电离典型地发生在当约3,000伏的AC电压跨过电极18和22施加时。产生的电场作用在电离的空气上以加速带电粒子，其与中性边界层空气分子碰撞以产生“壁喷射(wall jet)”。电场的强度直接与施加的AC电压的幅值成正比。更特别地，电场感生作用在电离空气上的体积力(body force)，其用以在非常接近表面24处感生流体流动(也就是，壁喷射)。感生的流体流动用箭头34表示。感生流体流动34使得表面24附近的边界层流体的动量增加。所导致的感生流体流动是从第一电极18向着第三电极22。感生流体流动34用以防止或至少显著地延迟边界层从表面24的分离。相应地，图2示出可看作等离子作动器10的“附着流动模式”或“第一操作构型”的情况。
参照图3，当期望使得边界层从表面24分离时，控制器32赋能(也就是，闭合)开关30并打开开关28。这也使得第二电极20和第三电极22之间的区域的空气电离，但是由箭头36表示的感生流体流动是在大致与感生流体流动34相反的方向。感生流体流动36用以使得边界层从表面24分离。这样，简单地通过控制AC电压跨过其施加的每一个等离子作动器10的哪一对电极18、22或20、22，边界层流动可以根据需要被影响。当施加可变AC电压时，那么电场的强度以及因此电极18和22影响边界层流动的程度可以变化。图3示出可以看作等离子作动器10的“分离流动模式”或“第二操作构型”的情况。
等离子作动器10可用于方向控制目的，例如在低攻角，其通过差动地控制机翼14a和14b上的等离子作动器10。例如，通过控制机翼14a上的等离子作动器10以使得实现一个效果，例如防止流动分离，而控制14b上的作动器10以引起流动分离，可实现航空器12的方向控制。方向控制起因于机翼14a和14b上的等离子作动器10的合作效果所产生的差动阻力，以及在每一个翼端处围绕每一个机翼14a和14b的中心线产生的力矩臂。
显而易见的是，上面仅仅是等离子作动器10可以怎样在航空器12上实现的一个例子。等离子作动器10可以替代地用于在导弹或航空器的机身上产生差分侧力，从而产生偏航力矩。或者，可在机翼14a和14b产生差分升力以感生滚转力矩。
传统的机械/液压控制效应器的去除或减少可以显著地减少航空器的重量，从而对于给定航空器产生增加的任务飞行时间或航程。在此所述的等离子作动器10和相关的系统和方法可用于代替传统的控制效应器例如前缘或后缘襟翼、副翼、动尾表面和涡流发生器，从而降低与这些部件相关的重量和阻力。
尽管已经描述多个实施例，但是，本领域技术人员将认识到，可以作出各种修改或变化，其并未脱离本公开。所述例子示出各个实施例，其并不意在限制本公开。因此，说明书和权利要求应当不受限制地理解，除非考虑到相关的现有技术这种限制是必需的。

Claims (12)

1.一种用于控制航空运动平台(12)的方向飞行的方法，包括：
布置等离子作动器(10)在所述航空运动平台的表面(24)附近以使得位于所述表面之上的边界层流动的路径中，所述等离子作动器具有沿着所述边界层的流动方向间隔开的第一和第二电极(18、20)；
布置第三电极(22)于所述第一和第二电极之间，并且位于从所述第一和第二电极布置的平面横向地偏移的平面中，所述方法的特征在于：在所述第三电极和所述第一与第二电极之间布置介电材料(25)；从而使得第一开关(28)在所述第一和第三电极之间关闭且第二开关(30)在所述第二和第三电极之间打开；和控制所述等离子作动器以呈现第一操作构型，其中所述等离子作动器以延迟所述边界层流动从所述表面分离的方式影响所述边界层流动；和
控制所述等离子作动器以关闭所述第二开关(30)且打开所述第一开关(28)从而呈现第二操作构型，其中所述等离子作动器引起所述边界层流动从所述表面分离；
其中控制所述等离子作动器(10)以呈现第一操作构型包括使用交流(AC)信号源(26)以跨过所述第一和第三电极(18、22)施加AC电压，所述AC电压使得所述第一和第三电极附近的空气电离，其产生作用在所述边界层流动上的推动力以延迟所述边界层流动从所述第一和第三电极的所述附近的所述表面(24)分离，并且其中控制所述等离子作动器(10)以呈现第二操作构型包括使用交流(AC)信号源(26)以跨过所述第二和第三电极(20、22)施加AC电压，所述AC电压使得所述第二和第三电极附近的空气电离，其产生作用在所述边界层流动上的推动力以使得所述边界层流动从所述第二和第三电极附近的所述表面(24)分离。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用所述交流信号源(26)包括使用提供至少约3,000伏的电压的交流信号源。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用所述交流信号源(26)包括使用提供在约3,000-20,000伏之间的电压的交流信号源。
4.如权利要求1所述的方法，其中，布置等离子作动器(10)在所述航空运动平台的表面(24)附近包括布置等离子作动器在航空器的机翼(14a、14b)的前边缘(16a、16b)附近。
5.一种用于通过影响航空运动平台的表面之上的边界层流动来控制该航空运动平台的方向飞行的等离子作动器，所述等离子作动器包括：
布置在所述表面附近的第一电极(18)；
第二电极(20)，其相对于所述边界层流动的流动方向布置在所述表面附近并且在所述第一电极下游；
第三电极(22)，其布置在所述第一和第二电极之间，并且从所述第一和第二电极横向地偏移；和
用于跨过以下至少之一施加AC电压的AC电压源(26)：
所述第一和第三电极，以使得所述第一和第三电极之间的空气电离，其延迟在所述表面上的所述边界层流动的分离；和
所述第二和第三电极，以使得所述第二和第三电极之间的空气电离，其使得在所述表面上的所述边界层流动分离，所述等离子致动器的特征在于
第一开关(28)，其介于所述AC电压源和所述第一电极(18)之间，并响应控制器(32)以控制所述AC电压到所述第一电极(18)的施加；以及
第二开关(30)，其介于所述AC电压源和所述第二电极(20)之间，并响应控制器(32)以控制所述AC电压到所述第二电极(20)的施加。
6.如权利要求5所述的等离子作动器(10)，其中，所述第一和第二电极(18、20)相对于所述边界层流动的流动方向彼此纵向地布置成一直线。
7.如权利要求6所述的等离子作动器(10)，其中，所述第一和第二电极(18、20)布置在共同的平面内。
8.如权利要求7所述的等离子作动器(10)，其中，所述第三电极(22)由介电材料层(25)从所述第一和第二电极(18、22)间隔开。
9.如权利要求5所述的等离子作动器(10)，其中，所述第一和第二电极(18、20)都布置的以使得每一个的较上表面(18a、20a)与所述航空运动平台的所述表面(24)大致共面。
10.如权利要求5所述的等离子作动器(10)，其中，所述AC电压源(26)产生在约3,000-20,000伏之间的AC电压。
11.如权利要求5所述的等离子作动器(10)，其中，所述AC电压源(26)以约1KHz-20KHz之间的频率操作。
12.如权利要求5所述的等离子作动器(10)，其中，所述第一电极(18)、所述第二电极(20)和所述第三电极(22)中的每一个形成为矩形形状，其长度方向尺度平行于所述边界层流动的流动方向定向。
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