CN102407939B - 可变平板式仿生前缘襟翼装置 - Google Patents
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Abstract
一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，由仿生前缘襟翼、前缘襟翼收纳腔和伸缩作动机构构成；仿生前缘襟翼置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔内并与伸缩作动机构连接；伸缩作动机构由微型步进电机驱动的齿条机构带动；该仿生前缘襟翼具有类似正弦曲线形状，改变波长和振幅两个参数能获得性能各不相同的仿生前缘襟翼；该前缘襟翼收纳腔用于收纳仿生前缘襟翼。该伸缩作动机构由步进电机、一级减速齿轮、齿条和连接件组成；其中步进电机安放在机翼中，与一级减速齿轮的高速端啮合；齿条放置在机翼上的滑槽中，与一级减速齿轮的低速端啮合；齿条通过连接件和仿生前缘襟翼相连。它提高了飞机在失速攻角后的升力系数，大大提高了飞机的机动性能。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种可变平板式仿生前缘襟翼及其配套的伸缩装置，可以有效提高飞行器的使用攻角和机动性能，属于仿生流动控制领域。
(二)背景技术
飞机通过增加飞机的攻角，即机翼与来流之间的夹角来增大升力。但当攻角增大到一定范围后，机翼上表面的流动会出现分离，使升力系数急剧下降、阻力系数急剧上升，即发生所谓“失速”现象，从而危害飞行安全。为了防止失速带来的飞行安全问题，一般的做法是限制军/民用飞机的使用攻角，即不允许飞机飞行在安全攻角的范围之外，因此，提高安全攻角范围可以保障飞机的安全。对于一些需要做特技飞行或具有超机动空战能力的飞机而言，其将不可避免的飞行在安全攻角范围之外，为了保障飞行安全和增加机动性能，需要防止失速后升力系数突然下降的现象并增加失速之后的升力系数。
现有提高飞机安全攻角并增加大攻角下升力系数的技术包括：涡流发生器、推力矢量等，但它们都有些不可克服的缺点。如涡流发生器会增加飞机巡航状态的阻力，推力矢量技术复杂等。
仿生前缘是近几年兴起的一种被动流动控制技术。该技术模仿海洋中座头鲸的鳍肢，已有研究表明：座头鲸鳍肢上具有类正弦曲线的特殊波状前缘能够改善其大攻角机动性能，机理在于能延缓直机翼的失速过程，使升力系数曲线平滑且较大程度提高机翼失速之后的升力系数。现有仿生前缘技术通常完全模拟座头鲸鳍肢波状前缘的三维形态，即将传统直机翼或后掠翼前缘直接加工成三维波状形态，虽然能够在一定程度下增加失速攻角并提高失速后的升力系数，但是增加了巡航阻力，同时提高了加工复杂度和制造成本。本发明使用二维锯齿状平板替代这种直接加工的三维仿生前缘，并能自由收放：在大攻角状态下伸展，提高升力、延缓失速；在小攻角下收入机翼内部，不增加额外阻力。而且具有安装方便、工艺简单、成本低廉的优点。
(三)发明内容
(1)目的
本发明的目的在于解决传统三维波状仿生前缘增加巡航时的阻力并且加工困难问题，发明了一种新的可变平板式仿生前缘襟翼装置，在不增加巡航状态飞行阻力的情况下，改善飞机的失速性能，增加其在失速后的升力系数，而且加工安装简单方便。
(2)技术方案
本发明一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，是由仿生前缘襟翼、前缘襟翼收纳腔和伸缩作动机构三部分构成。仿生前缘襟翼放置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔内并与伸缩作动机构连接。伸缩作动机构由微型步进电机驱动的齿轮齿条机构带动，能使仿生前缘襟翼自由伸展和回收，如图1所示。
所述的仿生前缘襟翼由金属薄板材加工成形，其前端侧具有正弦曲线或类似正弦曲线的形状；该正弦曲线或类似正弦曲线具有波长和振幅两个参数，通过改变这两个参数能获得性能各不相同的仿生前缘襟翼；
所述的前缘襟翼收纳腔，其形状是一矩形槽，该矩形槽沿着翼型的弦线方向，从翼型头部往后延伸，用于收纳仿生前缘襟翼，并使仿生前缘襟翼能在前缘襟翼收纳腔中沿弦向自由滑动。
其中，该仿生前缘襟翼放置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔内，其放置的方向是使具有正弦曲线或类似正弦曲线形状的一端朝外(即朝前)。
其中，所述的通过改变这两个参数，即改变正弦曲线或类似正弦曲线的波长和振幅两个参数，是指改变其中一个或两个同时改变。
其中，所述的正弦曲线或类似正弦曲线的仿生前缘襟翼，其波长W为机翼弦长的5％-60％，振幅A小于机翼弦长的10％。
所述的伸缩作动机构，是由放置在机翼内部的微型步进电机经过一级减速齿轮减速，驱动齿条并带动所述仿生前缘襟翼在所述前缘襟翼收纳腔中滑动的机构。该伸缩作动机构由步进电机、一级减速齿轮、齿条和连接件组成。其中步进电机安放在机翼中，与一级减速齿轮的高速端啮合；齿条放置在机翼上的滑槽中，与一级减速齿轮的低速端啮合。齿条通过连接件和仿生前缘襟翼相连。该伸缩作动机构一共两套，在机翼的两端对称放置，两个步进电机同步运动，保证仿生前缘襟翼伸缩时始终与前缘平行。
本发明一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其优点和功效是：
飞机在巡航状态下飞行时，仿生前缘襟翼收入前缘襟翼收纳腔中，不增加额外阻力。对气动性能不产生影响；飞机在大攻角下或者进行机动飞行时，由步进电机带动伸缩作动机构将仿生前缘襟翼伸出，改变机翼的气动性能，提高飞机在失速攻角后的升力系数，防止突然失速导致的飞行安全事故，提高飞机的机动性能。
(四)附图说明
图1为本发明的仿生前缘襟翼和伸缩作动机构在机翼上的安装示意图
图2为图1的部分放大图
图3(a)、(b)和(c)为本发明仿生前缘襟翼前侧三组不同波长与振幅的正弦曲线或类似正弦曲线示意图
图4为本发明伸缩装置传动示意图
图5为本发明仿生前缘襟翼收回与伸展时的升力系数曲线的对比
图中具体标号和符号说明如下：
1、机翼，1′、前缘襟翼收纳腔 2、仿生前缘襟翼，3、连接件，
4、齿条，5、一级减速齿轮， 6、步进电机， 7、滑槽
A代表振幅，W代表波长
(五)具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，由仿生前缘襟翼(2)、前缘襟翼收纳腔(1′)和伸缩作动机构三部分构成。仿生前缘襟翼(2)放置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔(1′)中，与伸缩作动机构连接。该伸缩作动机构由微型步进电机(6)驱动的一级减速齿轮(5)齿条(4)机构带动，能使仿生前缘襟翼(2)自由伸展和回收。
如图2所示，为前缘襟翼收纳腔(1′)的局部放大示意图，其为沿着翼型的弦线方向朝翼型头部的矩形开口，用于收纳仿生前缘襟翼(2)。仿生前缘襟翼(2)放置于机翼(1)上的前缘襟翼收纳腔(1′)中并能在其中自由前后滑动；当其滑到底时，刚好能完全收入机翼(1)中。
仿生前缘襟翼(2)由硬铝薄板材制成，其前缘加工成正弦曲线或类似形状，具有波长和振幅两个独立的参数。如图3(a)、(b)和(c)所示，A为振幅，W为波长。通过单独改变振幅A和波长W这两个参数可以得到不同性能的前缘，具体可根据使用条件来确定：波长W一般为机翼弦长的5％-60％，振幅A一般小于机翼弦长的10％。
伸缩作动机构由步进电机(6)、一级减速齿轮(5)、齿条(4)和连接件(3)组成，如图4所示。两套相同的伸缩作动机构(6)在机翼(1)两侧对称放置，同步运动。
驱动信号输入至步进电机(6)，带动一级减速齿轮(5)转动。齿条(4)放置在机翼的滑槽(7)中，在一级减速齿轮(5)的带动下在滑槽(7)中向前或向后运动；齿条(4)通过连接件(3)连接至仿生前缘襟翼(2)，带动仿生前缘襟翼(2)自由回收和伸展。
当飞机在小攻角巡航状态下飞行时，仿生前缘襟翼(2)完全收入机翼(1)的前缘襟翼收纳腔(1′)中，不对气动性能产生任何影响；当飞机在大攻角状态飞行时，仿生前缘襟翼(2)在伸缩作动机构的带动下向机翼外部伸展，延缓失速的过程，保障飞行安全。
如图5所示，为安装可变平板式仿生前缘襟翼装置、具有NACA0015翼型的直机翼。平板式仿生前缘襟翼的波长W为机翼弦长的27％，振幅A为机翼弦长的10％。当仿生前缘襟翼(2)收起时，机翼(1)在18°攻角时失速，升力系数突然下降了45.4％；而如果在17°攻角时将可变仿生前缘襟翼(2)伸展其振幅的25％，当攻角进一步增大时，升力系数并不是突然下降，而是缓慢变化，这样可以避免突然失速带来的事故。而且在18°攻角时，仿生前缘襟翼(2)打开时的升力系数要比未打开时的升力系数大62.3％，起到了很好的增升效果，提高了飞机大攻角下的机动性能。当飞机结束大攻角飞行后，伸缩作动机构将仿生前缘襟翼(2)收入机翼(1)内部，不产生额外的阻力，保证飞机良好的巡航性能。
Claims (6)
1.一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：它是由仿生前缘襟翼、前缘襟翼收纳腔和伸缩作动机构三部分构成；仿生前缘襟翼放置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔内并与伸缩作动机构连接；伸缩作动机构由微型步进电机驱动的齿轮齿条机构带动，能使仿生前缘襟翼自由伸展和回收；
所述的仿生前缘襟翼是由金属薄板材加工成形，其前端侧具有正弦曲线或类似正弦曲线的形状；该正弦曲线或类似正弦曲线具有波长和振幅两个参数，通过改变这两个参数能获得性能各不相同的仿生前缘襟翼；
所述的前缘襟翼收纳腔，其形状是一矩形槽，该矩形槽沿着翼型的弦线方向，从翼型头部往后延伸，用于收纳仿生前缘襟翼，并使仿生前缘襟翼能在前缘襟翼收纳腔中沿弦向自由滑动；
所述的伸缩作动机构，是由放置在机翼内部的微型步进电机经过一级减速齿轮减速，驱动齿条并带动仿生前缘襟翼在前缘襟翼收纳腔中滑动的机构；该伸缩作动机构由微型步进电机、一级减速齿轮、齿条和连接件组成；其中微型步进电机安放在机翼中，与一级减速齿轮的高速端啮合；齿条放置在机翼上的滑槽中，与一级减速齿轮的低速端啮合；齿条通过连接件和仿生前缘襟翼相连。
2.根据权利要求1所述的一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：所述的仿生前缘襟翼放置于机翼前缘的前缘襟翼收纳腔内，其放置的方向是使具有正弦曲线或类似正弦曲线形状的一端朝外。
3.根据权利要求1所述的一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：所述的通过改变这两个参数，即改变正弦曲线或类似正弦曲线的波长和振幅两个参数，是指改变其中一个。
4.根据权利要求1所述的一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：所述的通过改变这两个参数，即改变正弦曲线或类似正弦曲线的波长和振幅两个参数，是指两个参数都改变。
5.根据权利要求1所述的一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：所述的正弦曲线或类似正弦曲线的仿生前缘襟翼，其波长（W）为机翼弦长的5%-60%，振幅（A）小于机翼弦长的10%。
6.根据权利要求1所述的一种可变平板式仿生前缘襟翼装置，其特征在于：所述的伸缩作动机构有两套，在机翼的两端对称放置，两个微型步进电机同步运动，保证仿生前缘襟翼伸缩时始终与前缘平行。
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