CN101332871A - 机翼后边缘等离子流控制设备和方法 - Google Patents

机翼后边缘等离子流控制设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种尤其非常适于用在康达表面上的流动控制系统和方法，例如机翼后边缘等离子流控制设备和方法。在一个实施例中，多个等离子作动器布置在航空器的机翼的康达表面之上。作动器选择性地赋能以要么延迟边界层流动从康达表面的分离的开始，要么促进流动分离。一实施例公开在康达表面上使用双模式等离子作动器。所述系统和方法可应用到很多期望对后边缘表面之上的边界层流动分离进行控制的空气动力表面。

Description

机翼后边缘等离子流控制设备和方法
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11/753,876(波音档案号No.06-0438)和序列号为11/753,869(波音档案号No.07-0455)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
本公开涉及等离子流作动器，更具体地，涉及一种流动控制系统和方法，其结合应用到康达(Coanda)表面的等离子流作动器以修改康达表面之上的边界层流动。
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。
为了是有空气动力效率的，航空运动平台例如航空器应当具有高度集成的构型，其结合良好的性能、有用的有效载荷和和良好的稳定性以及控制特征。为了实现该目的，运动平台构型应该具有有效率、有效果和稳健的控制效应器组件。去除传统的控制表面提供改善的空气动力和结构效率的益处，但会降级空中运载工具的稳定性和控制。这对于无尾航空器构型尤其如此，对于其无铰链偏航控制构思直到今天也难以实现。
气动促动循环控制装置提供类似于传统的运动控制的空气动力控制的潜在性，但是需要供应高压气体给作动器。这会使得大体积的、重的和难以包封在航空运动平台的很多部分中的热供应结构成为必要。电促动声学控制装置依靠谐激励来改变边界层。谐激励通过使用类似于扬声器的装置而产生，其包括运动部件。但是，在运动平台设计中，在降低与平台典型地采用的各种和许多子系统相关的运动部件的数量方面存在兴趣。
发明内容
本公开针对尤其非常适于与康达表面结合使用的流动控制系统和方法。在一实施例中，公开用于航空运动平台的流动控制方法，其包括在运动平台的后边缘表面上安置等离子作动器。电压施加到等离子作动器并受控以电离邻近所述后边缘的等离子作动器周边的空气。这导致用以影响后边缘表面之上的边界层流动的附着或分离的至少之一的感生流动。在一特定实施例中，控制器用于控制电压到等离子作动器的施加，并且电压是至少约3000伏的交流(AC)电压。
在上面实施例的变体中，多个等离子作动器布置在后边缘表面上。后边缘表面可形成康达表面。等离子作动器可以选择性地赋能以影响康达表面之上的边界层流动以延迟边界层流动从康达表面的分离，或者使得边界层分离。
在一实施例中，公开一种飞行控制系统，其利用布置在运动平台的康达表面的第一部分上的至少一个等离子作动器，和布置在康达表面的第二部分上的第二等离子作动器。电压源用于选择性地赋能等离子作动器。通过选择性地赋能等离子作动器，赋能的作动器可以使得其周边空气电离。这感生在康达表面之上的特定方向的流体流动，其要么有助于延迟康达表面之上的边界层流动的分离，要么有助于促进边界层从康达表面的分离。
在一实施例中，公开一种航空器，其利用具有布置在航空器的康达表面上的至少一个等离子作动器的飞行控制系统。电压源用于选择性地赋能等离子作动器以影响康达表面之上的边界层的流动。
在另一实施例中，多个双模式等离子作动器被用在需要对边界层的分离和附着进行控制的表面上。
附图说明
在此所述的图表仅仅是为了示出性目的，并不意在以任何方式限制本公开的范围。
图1是应用在航空器的机翼的康达表面上的飞行控制系统的一个示例性实施例的侧视图，其中所述系统利用定位在康达表面上的多个等离子作动器；
图1A示出图1机翼的一部分的透视图，其采用多排间隔开的图1所示的等离子作动器；
图2是图1所示的等离子作动器之一的放大侧视图；
图3是图1的机翼的侧视图，示出没有等离子作动器被促动时边界层流会呈现为怎样，例如，等离子作动器16a，16b，16c和16d没有赋能；
图4示出图1的机翼，但是只有在较低表面上的至少一个等离子作动器赋能，具有在沿着康达表面的边界层流中所导致的变化以及机翼部分周围的循环和流线的相关修正(modify)(也就是，使得尾流向上偏转)，例如，等离子作动器16c和16d赋能，16a和16b没有赋能；
图5示出图1的机翼，但是只有在较上表面上的至少一个等离子作动器赋能，具有在沿着康达表面的边界层流中所导致的变化以及机翼部分周围的循环和流线的相关修正(也就是，使得尾流向下偏转)，例如，等离子作动器16a和16b赋能，16c和16d没有赋能；
图6是图1的机翼的视图，示出当较上表面和较低表面二者上的至少一个作动器被促动时边界层流离开机翼(也就是，对于尾流没有明显改变)，例如，所有的等离子作动器16a，16b，16c和16d赋能；
图7示出多个双模式等离子作动器如何应用在康达表面上；
图8更加详细地示出图7中圈出的一个双模式等离子作动器，其第一和第三电极连接跨越AC电压源以感生有助于延迟边界层分离的流动；和
图9示出图8的双模式等离子作动器，第二和第三电极连接跨越AC电压源以感生用以促进相反方向的边界层流动的流动。
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，示出用在运动平台12的机翼14上的流控制系统10。在该例子中，运动平台12是航空器，并且为了方便，在下面的整个讨论中，称之为“航空器12”。但是，应当立即意识到，本公开的教导并不仅限于用在采用机翼的航空运动平台，例如商用和军用航空器，而可以容易地应用到无人空中飞行器(UAV)、导弹、旋翼航空器、陆地车辆和甚至高速水上船只。
在图1中，系统10采用沿着机翼14的康达表面18间隔开的多个等离子作动器16。尽管仅示出四个等离子作动器16，但是更多或更少的多个可以应用以满足特定应用的需要。在该例子中，两个等离子作动器16a、16b设置在康达表面18的上半部分，而另外两个等离子作动器16c、16d设置在康达表面的下半部分。应当认识到，康达表面18并不需要与航空器机翼相关联，相反可以与任何部件例如陆地车辆的后扰流器相关联。如果等离子作动器结合在航空器或者其它形式的运动平台的垂直尾翼上，那么，应当认识到的是，称谓“上半部”和“下半部”可以替代地变为术语“左舷部”和“右舷部”。同样地，在实践中，可预见的是，很多应用可以需要多个等离子作动器16a、16b、16c和16d在展向沿着机翼14或者其它形式的空气动力表面间隔开。该安置的一个例子在图1A中示出。等离子作动器16的精确放置可以根据需要变化以满足特定应用。例如，等离子作动器16的安置也可以是作动器安置为其长轴在弦向，而作动器的很多沿着翼展阵列以便于对粘滞涡流的分离控制。
控制器20和高压交流(AC)电压源22与每一个等离子作动器16连通。控制器22独立控制优选地在约3,000VAC-20,000VAC之间或者甚至可能更高的高压信号施加到每一等离子作动器16。赋能任一等离子作动器16使得作动器电离在邻近康达表面18的外表面18a附近的空气。电场也与所施加的AC电压的幅值直接成比例地产生。电场作用在电离的空气上以在赋能的等离子作动器16之上产生感生流动，其在当其在康达表面运动时趋于向着康达表面18拖曳边界层。这有助于延迟边界层从康达表面18的分离。
参照图2，更详细地示出一个等离子作动器16a。该形式的作动器也在于2006年4月12日提交的，序列号为11/403,252的共同的未授权美国申请中讨论，该申请转让给了波音公司，其已经在此引用作为参考。然而，简单地说，等离子作动器16a包括用介电材料28分开的第一电极24和第二电极26。介电材料28可形成布置在电极24和26之间并包封电极24和26的不同层，如图2所示。优选地，电极24和26凹陷地安置在康达表面18的外表面18a中以使得不与其光滑表面轮廓干涉。但是，也可以直接在康达表面上安置至少第一电极24。如果直接安装在康达表面18上，那么第一电极24将典型地不能由介电材料28完全包封。等离子作动器16还可每个安置在康达表面18上以使得第二电极26相对于边界层流动的方向定位在第一电极24的下游。
交流电压源22连接在控制器20和第二电极26之间。开关30介于交流电压源22和第一电极24之间。开关30可以是半导体开关，或者其可以是由适当的电信号促动的机电开关。本质上，任何形式的满足特定应用的需要的开关都可使用。
当控制器20合上开关30时，通过第一电极24和第二电极26施加的高压AC信号(典型地至少约3,000VAC)使得电极24和26附近以及紧邻康达表面18的外表面18a的空气电离。电场同样在电极24和26之间产生。电场作用在电离的空气上以感生紧邻外表面18a的流动32，其从第一电极24运动越过外表面18a，和越过第二电极26。感生流动32用以将边界层流抵着外表面18a向下拖曳，其有助于延迟边界层开始从康达表面18分离。
电极24和26的构型的特定性可以相当地变化以满足特定应用的需要。电极24和26可以由任何传导材料制成。铜是一种特别适合的材料。电极24和26可以形成为薄带，可以是箔带，并可具有约0.001-0.005英寸(0.0254-0.127mm)数量级的典型厚度。每一个电极24和26的长度和宽度可以根据需要变化以适应特定应用，但是应当认识到，在很多航空器应用中，每个电极的尺度可以典型地长度在1-20英寸(2.54cm-50.08cm)数量级，宽度在0.12-0.20英寸(3-5cm)数量级。介电材料28可包括任何适当的介电材料，例如石英、
Figure A20081010880600081
或者的介电材料。其它介电材料也可适于使用，所用的确切介电材料可以由特定应用的需求确定。优选地，介电材料28分别在第一和第二电极24和26之间提供约0.005-1.0英寸(0.127-25.4mm)的厚度层。
现参照图3-6，将描述通过选择性地赋能等离子作动器16的各个而提供到边界层流动上的影响。首先参照图3，示出当没有等离子作动器16(不可见)被赋能时较上和较低表面流线36和38在康达表面18之上运动。在该图中，由系统10感生的增量升力系数(ΔCL)等于由系统感生的增量俯仰力矩系数(ΔCM)，并且二者都为零。
在图4中，康达表面18的下半部上的等离子作动器16c和16d已经被赋能，而上半部上的等离子作动器16a和16b没有赋能。这产生在箭头40方向的正的俯仰力矩(+ΔCM)和负的升力系数(-ΔCL)。流线42表明作动器16c和16d已经怎样稍微修改边界层流动以改变其从康达表面18的分离。注意到流线36的部分36a比图3所示的稍微更加提升。
参照图5，等离子作动器16a和16b被赋能而等离子作动器16c和16d没有赋能。这产生正的升力系数(+ΔCL)和负的俯仰力矩(-ΔCM)(用流线箭头46表示)。流线42表明等离子作动器16a和16b已经延迟边界层分离的开始，流线36a和38a已经修改为稍微向下导向。
图6示出所有的等离子作动器16都赋能的流效果。在该例子中，尾流分离被降低，从而降低机翼14上的阻力，而并不改变俯仰力矩或升力。
系统10的应用是很多的，包括商用和军用航空器、无人空中飞行器(UAV)和导弹。在机动陆地车辆例如汽车和卡车的各空气动力表面上同样可实现所述优点。
系统10通过产生不对称的阻力为无尾航空器提供无铰链偏航控制。通过控制循环控制翼型尾流中的分离或者在正和负循环增量之间感生展向的变化，其产生升高的诱导阻力而不会伴随升力或俯仰力矩变化，从而产生不对称阻力。
系统10使得能无铰链空气动力控制以增加空气动力和结构效率。空气动力效率通过机翼和类似空气动力表面上的升降副翼边缘和铰链线间隙的消除而改善。结构效率通过增加力矩盒尺寸而改善，其降低重量，消除机械促动重量和复杂性，并增加用于燃料的机翼内部体积等。
系统10可以简化航空器(尤其是具有高度复杂的多段襟翼的商用运输)的增升系统以提高低速性能，同时降低成本、重量和复杂性。系统10潜在地可以用于代替商用航空器方向舵或升降舵上的配平片，消除主控制表面上的副运动表面的机械复杂性。系统10的使用可以产生比传统运动表面效应器更高的控制速率(高带宽控制器)，因为系统10仅受限于自由流流体流的对流速度，而不受副翼效应器的机械运动的限制。这使得能控制更加高度不稳定的机体，从而提升机动性和性能。在此所述的系统10使得能低成本、降低的复杂性的机翼设计，其对于薄的可展开的机翼(导弹或小的UAV)尤其有用，其中控制表面由于控制作动安装的难度而难以通过使用传统的方法集成。其它应用在不飞行的运载工具例如半挂车上是可能的，其通过除去降低挂车基本阻力的作动装置的作动而进行空气辅助制动，或者通过当康达表面沿着拖车基座周边安装时感生向下的力而进行牵引控制。
同样期望系统10提供更有效的方式(从结构上和空气动力上说)来控制航空运动平台，从而增加任务飞行时间或者航程。通过控制装置的新的机械化(mechanizations)，尤其是对于无尾航空器或具有可展开的飞行表面的空中飞行器，使得设计能额外地灵活。增加的控制促动速率还可与降低的整体复杂性一起实现。
参照图7，示出本公开的另一系统100，其利用多个集成到机翼14的康达表面18中的双模式等离子作动器102。该系统100除了使用双模式作动器102之外与图1和1A的系统10相同。双模式等离子作动器102在序列号(波音档案号No.06-0438；HDP档案号7784-001061)的共同未授权申请中详细讨论，该申请已经被本公开引用作为参考。在该例子中，一对双模式等离子作动器102a和102b布置在机翼14的康达表面18的上半部。第二对等离子作动器102c和102d布置在下半部上。如参照图1所述的系统10，多个双模式等离子作动器102可在展向沿着康达表面18间隔开。所用双模式等离子作动器102的确切数量、间距和安置可变化以满足特定应用的需要。
参照图8和9，双模式等离子作动器102类似于等离子作动器16，但是包括三个电极104、106和108，而不是两个电极。两个开关110和112使得AC电压源26能跨越第一和第二电极对104和108或者在第二和第三电极对106和108之间施加。第三电极108由合适的介电材料层109间隔开，或者包围在合适的介电材料中。
当通过合上开关110并打开开关112，来自AC电压源26的AC电压跨越电极104和108而施加时，等离子作动器102以与上述的作动器16相同的方式操作；也就是，产生感生流体流动114(图8)。感生流动114的方向与在作动器102上流动的边界层流动的方向相同。借助等离子作动器16，感生流体流动114作用在边界层流动上以帮助防止边界层流动从康达表面18分离。但是，当电极对106和108通过闭合开关112而打开开关110而赋能时，感生流动116产生，其在与感生流动114(图9)的方向相反的方向。在这种情况下，当与康达表面的另一半部分的等离子作动器协作地操作时，感生流动116有助于促进在康达表面18的机翼后缘的周围的边界层进一步附着。
系统100提供更大程度的流控制灵活度，因为等离子作动器102可具有可以赋能的各个不同对的电极104、106、108以甚至更加显著地影响边界层流动(也就是，更加显著地促进边界层流动的附着或分离)。例如，某等离子作动器102，例如位于康达表面18的上半部的那些，可以被赋能以产生感生流动114(以促进边界层的附着)，而其它位于康达表面18的下半部上的作动器102可以被赋能以产生感生流动116(以提高康达表面18周围的流动的转向)。该特定例子中的总体结果是所有等离子作动器102将工作以更加显著地移动康达表面18周围的机翼后缘停滞点。控制器20可以根据需要控制等离子作动器102的特定电极对104、108或106、108的赋能，以使得其在采用系统100的表面上产生拉起或俯冲力矩。
这样，系统100提供甚至更加提高的空气动力流动控制的范围的可能性。应当认识到，等离子作动器16和等离子作动器102的不同组合可用在表面，例如康达表面18上以甚至进一步提高对边界层的分离和/或附着的控制。
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 (13)

1.一种用于运动平台的流控制方法，包括：
在一部分运动平台的后边缘表面上安置至少一个等离子作动器；
施加电压到所述等离子作动器；和
控制所述电压到所述等离子作动器以电离邻近所述后边缘的所述等离子作动器附近的空气，以导致用以影响所述后边缘表面之上的边界层流动的附着或分离的至少之一的感生流动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，安置至少一个等离子作动器包括在所述后边缘表面上安置单模式的等离子作动器。
3.如权利要求1所述的方法，其中，安置至少一个等离子作动器包括在所述后边缘表面上安置双模式的等离子作动器。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在后边缘表面上安置至少一个等离子作动器包括在康达表面的上半部上安置等离子作动器。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在后边缘表面上安置至少一个等离子作动器包括：
在康达表面的下半部上安置等离子作动器。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在后边缘表面上安置至少一个等离子作动器包括：
在康达表面的上半部上安置第一等离子作动器；
在康达表面的下半部上安置第二等离子作动器；和
控制施加到每一个所述等离子作动器的电压以影响所述康达表面之上的所述边界层流动。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用控制器控制所述等离子作动器的作动。
8.如权利要求1所述的方法，其中，施加电压到所述等离子作动器包括施加至少约3,000伏的交流(AC)电压到所述等离子作动器。
9.如权利要求6所述的方法，还包括使用控制器以独立控制所述电压到所述第一和第二等离子作动器的施加。
10.一种用于影响在康达表面之上流动的边界层的流控制系统，该系统包括：
布置在所述康达表面上的至少一个等离子作动器；
用以施加足够高的电压到所述等离子作动器以使得所述等离子作动器电离所述等离子作动器附近的空气的电压源，所述空气的电离影响所述康达表面之上的边界层流动。
11.如权利要求10所述的流控制系统，还包括用以控制所述电压到所述等离子作动器的施加的控制器。
12.如权利要求11所述的流控制系统，还包括在所述康达表面之上彼此间隔开地布置的多个等离子作动器；并且
其中所述电压源通过所述控制器施加到选定的所述等离子作动器以帮助延迟所述边界层从所述康达表面的分离或加速所述边界层从所述康达表面的分离。
13.如权利要求10所述的流动控制系统，其中，所述电压源包括至少约3,000伏的AC电压。
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