CN101547829A - 高效超音速层流机翼 - Google Patents

Abstract

超音速飞机上改进的超音速层流机翼结构具有一个或多个以下方面：在机翼舷内区域的前方延伸的翼板、斜翼梢、翼板或机身接合点处的倒置的圆角、延伸超过舷内机翼板跨度小于大约15％的舷内前缘襟翼、具有可相对于普通襟翼区域向下偏转的下表面部分的混合普通－分裂式襟翼。

Description

高效超音速层流机翼

技术领域

本发明总体上涉及效率高的、超音速的、层流机翼构造。本发明更具体地涉及以下构造领域中的改进：

a)翼板，

b)斜翼梢，

c)倒置圆角的翼-翼板接合点，

d)舷内前缘襟翼，

e)混合的普通-分裂式襟翼。

背景技术

授权给Richard Tracy的某些在先美国专利公开了用于高效超音速飞行的层流机翼(#5,322,242，#5,518,204，#5,897,076和#6,149,101)。近来的发展已经引起了五个领域的改进，主要使使用机翼的飞机的低速特性受益。在先的Tracy专利所述的机翼具有尖锐的、改进型双凸面的翼面，前缘后掠角小于大约30度以在超音速巡航状况下维持附着的震动，并且大约2％或更小的厚弦比(t/c)作为机翼主体上的翼展平均。机翼主体不包括舷内端附近的区域，这个区域较厚，与主流机身区域相组合件高达约4％的t/c。

超音速层流机翼具有几个带来挑战的独特特性，尤其是在低速飞行时。这些包括在亚音速飞行中几乎任何攻角下都引起分离“气泡”的尖锐前缘、由于纵横比增大带来结构重量损失的极薄翼面、以及限制“区域支配”机翼主体以最小化超音速波阻的效力的未掠过前缘。这些(以及其它特性)对于超音速层流机翼是独特的并且由这里所声明的单独或一起作用的改进显著地减轻，这些改进与这种类型的机翼相组合件。

发明内容

这些改进中的两个利用飞机设计中已经使用的结构，但是与所述超音速层流机翼相结合。这些是“翼板”和“斜”梢。另外的三个结构对于超音速层流机翼是独特的。这些是“倒置的圆角”、前缘的舷内端处的可展开襟翼、以及混合的普通-分裂式襟翼系统。所有这5个在下面描述。

翼板

翼板是机翼在机身和未掠过主机翼板的舷内端之间的高度掠过部分。翼板的前缘优选地掠过机翼的前部至与机身的交叉处，并且其后缘可以是外机翼后缘的继续，或者可在机身交叉处之后进一步掠过。前缘优选地在最大超音速巡航速度下掠过超过马赫角以具有“亚音速前缘”。这个状况确保了分开的激波并且允许翼板的前缘对于较小的超音速波阻而言是稍微钝的和拱形的，并且机翼的低速提升能力得以改进，或其具有最大“提升系数”。

翼板在本申请中除了增大最大提升之外还执行多个功能，同时有利地影响超音速巡航性能。这些功能如下：1.增大翼展，以在较小的结构重量损失之下改进提升效率，2.改进机身和机翼横截面的纵向分布，以实现较低的超音速波阻，3.在飞机前部中为燃料提供附加的容积，4.在亚音速飞行中在中等和高攻角下形成涡流，这倾向于保持附着在上舷内机翼表面上的流动以获得更好的提升和发动机进气流质量，5.有助于在机翼的舷内部分上维持层流，以及6.提供用于安装起落架的结构硬点(hard point)以及用于起落架回收的空间。

斜梢

“斜梢”是机翼高度掠过的侧缘，或翼梢，其可具有尖锐或稍微钝边，只要其在最大巡航速度下掠过超过马赫角。这种斜梢给所述类型的机翼增加了两个重要的贡献。

斜梢增加了翼展并且因而增加了纵横比，而没有常规圆形边或钝边那样引起润湿区域和结构弯曲的相关波阻。更重要地，在低速飞行中，斜梢在高至中等攻角时产生“卷起”涡流，该涡流保持附着至翼梢的上表面。附着的梢部涡流延迟了前缘分离气泡的产生和机翼外部上引起的提升损失。这又增大了机翼的最大提升并且防止或延迟与外部机翼提升损失相关的梢部涡流的舷内运动。结果是水平尾部上自攻角的较低下冲气流导数，提供更大的纵向稳定性和降低的上仰倾向。

倒置的圆角(Reversed Fillet)

大多数飞机上的机翼-翼板(或翼身)接合点受到与机翼和机身表面平滑地混合的“圆角”或凹形表面形式的具体处理。这个圆角通常与前缘和机身之间在平面图中的凹形曲线相关联。

对于层流机翼而言，避免过度边界层横流的需要在机翼前缘至翼板(或机身)接合点处非常困难，因为接合点处大的冲洗气流引起马赫波(压力扰动)以及机翼表面上局部较高的弦向压力梯度。这些作用会引起边界层横流的局部临界水平，这又能使内机翼的主要部分上的层流不稳定，导致湍流边界层和较高的表面摩擦阻力。然而，通过使前缘轮廓在翼板(或机身)接合点处为凸形以便避免翼板接合点处的局部掠过或甚至使之稍微反向，横流能降低至临界水平之下并且渐变至显著降低的湍流。

舷内前缘襟翼

前缘与翼板(或机身)结合处附近强烈的上冲气流连同尖锐的前缘一起的第二个后果是，前缘分离“气泡”的过早生成导致机翼舷内部分上提升的较早损失。这导致了最大提升延迟至高攻角。全翼展的前缘襟翼能延迟前缘“气泡”的形成和生成，但是这种设备具有非常薄且尖锐的层流机翼前缘，机械上很笨拙，并且如果可能的话，也是难以在没有任何将排除层流的表面间隙或扰动之下实施。

更实际的解决方案是仅延伸过翼板或机身舷外翼展的舷内15％的前缘襟翼。这种设备，例如从前缘向前延伸的Kruger襟翼，已经由所有人实验显示为对于这种类型的机翼非常有效。Kruger襟翼能通过各种方式在最小的前缘机械化下从翼板(或机身)展开，例如从翼板(或机身)中的腔横向地移动襟翼，或者通过将其从翼板(或机身)中的装载位置绕着竖直枢轴线摆动。

混合的普通-分裂式襟翼

薄的层流机翼不适合于多元件的开缝襟翼、开缝的福勒襟翼，或者甚至“zap”襟翼，因为缺乏内部空间以及不希望的外部铰链和航迹。由于这些原因，普通的铰链后缘襟翼是最实际的方法。然而，尤其在尖锐前缘机翼中可能产生的提升增量受限于襟翼上表面的分离。

普通的分裂式襟翼(下表面仅偏转)具有比普通襟翼稍高的最大提升能力，但是存在着波阻损失。在任何情况下，分裂式襟翼将不会与用于有效亚音速和近音速巡航的少量襟翼偏转的需要相一致，然而这对于层流超音速机翼的大多应用来说是需要的。

对于这种类型的机翼，分裂式和普通襟翼的混合组合件提供了独特的优点。混合的分裂式襟翼构造为使得襟翼下表面的一部分能相对于普通襟翼向下偏转。分裂式襟翼铰链线能与普通襟翼铰链共同定位，或者优选地在其之后定位，靠近普通襟翼的弦线中点。在偏转时，分裂式襟翼通过降低尾流压力和降低襟翼上表面后缘处的反向压力梯度来延迟普通襟翼上表面上的分离。由于普通襟翼的外部是最容易出现这种分离之处，分裂式襟翼还减轻了梢部失速，并且使下冲气流增大，这将会如以上与斜梢相关地描述那样产生。

附图说明

图1示出了超音速飞机的机翼、翼板、襟翼和前缘襟翼；

图2是超音速机翼的平面图，示出了图3中襟翼结构的位置；以及

图3是超音速层流机翼的翼面的剖面图，示出了后缘和舷内前缘襟翼结构。

具体实施方式

在附图中，优选的超音速飞机10具有机身11、包括左和右机翼区段12a和12b的薄层流机翼12、紧靠机身相对侧面的喷气发动机13、以及尾部14。

翼板在15处示出为机翼在机身11和低掠过主机翼板的舷内端16之间的高掠过部分。其它翼板特性参照上面。

每个机翼区段的斜梢在17处示出，并且具有如上所述的特性。

每个翼板-机身接合点前缘的倒置的圆角构造在19处示出，并且具有如上所述的特性。

每个机翼区段的舷内前缘襟翼在18处示出，并且具有如上所述的特性。

用于每个翼板-机身结合处的前缘的倒置的圆角结构在19处示出，并且具有如上所述的特性。

用于每个机翼区段的舷内前缘在18处示出，并且具有如上所述的特性，而且与机身或翼板内的腔相关联。

每个机翼区段的混合的普通-分裂式襟翼在21处示出，并且具有如上所述的特性，并且包括普通襟翼21a和分裂式襟翼21b。襟翼的适合致动器示意性地在35处示出，并且可与机身或翼板内的腔相关联。21b的铰接线在21c处示出。在图3中，分裂式襟翼的铰接线可相对于普通襟翼21a共同定位在21c处或定位在其后面。

在图3中，普通襟翼21a相对于基本上与风平面一致的平面向下偏转第一角度并且分裂式襟翼21b相对于所述平面向下偏转第二角度，第二角度大于第一角度。

类似的关系存在于分裂式襟翼的铰链线在21c处共同定位的情况下。

Claims (11)

1.超音速飞机上改进的超音速层流机翼结构，所述结构具有一个或多个以下方面：

a)在机翼舷内区域的前方延伸的翼板；

b)斜翼梢，

c)翼板或机身接合点处的倒置的圆角，

d)延伸超过舷内机翼板跨度小于大约15％的舷内前缘襟翼，

e)与风相关并且具有可相对于普通襟翼区域向下偏转的下表面部分的混合普通-分裂式襟翼。

2.如权利要求1所述的组合件，其中所述翼板具有在飞机的最大超音速度下掠过超过马赫角的前缘。

3.如权利要求2所述的组合件，其中所述翼板具有

i)钝的前缘，

ii)拱形。

4.如权利要求1所述的组合件，其中所述斜翼梢具有

i)钝角前缘，

ii)在超音速飞机的最大巡航速度下掠过超过马赫角。

5.如权利要求1所述的组合件，其中所述倒置的圆角在所述接合点处具有凸形前缘轮廓。

6.如权利要求1所述的组合件，其中所述舷内前缘襟翼定位为从以下的一个或两个展开：

i)翼板或机身中的腔，

ii)围绕与翼板或机身相关的枢轴线。

7.如权利要求1所述的组合件，其中所述混合的普通-分裂式襟翼是后缘襟翼并且具有以下之一：

i)与普通襟翼铰链线共同定位的分裂式襟翼铰链线，

ii)定位在普通襟翼铰链线后面的分裂式襟翼铰链线。

8.如权利要求7所述的组合件，其中所述普通襟翼向下偏转第一角度并且分裂式襟翼向下偏转第二角度，其中第二角度超过第一角度。

9.如权利要求4所述的组合件，其中所述倒置的圆角具有所述接合点的凸形前缘轮廓。

10.如权利要求8所述的组合件，其中所述舷内前缘襟翼定位为从以下的一个或两个展开：

i)翼板或机身中的井，

ii)围绕与翼板或机身相关的枢轴线。

11.如权利要求9所述的组合件，其中所述混合的普通-分裂式襟翼是后缘襟翼并且具有以下之一：

i)与普通襟翼铰链线共同定位的分裂式襟翼铰链线，

ii)定位在普通襟翼铰链线后面的分裂式襟翼铰链线。

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