CN102762453A

CN102762453A - 飞行器翼尖装置

Info

Publication number: CN102762453A
Application number: CN2010800611062A
Authority: CN
Inventors: 米夏埃尔·弗雷德里克·布尔; 安东尼·查尔斯·奥费
Original assignee: University of the Witwatersrand, Johannesburg
Current assignee: University of the Witwatersrand, Johannesburg
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: US8894018B2; ZA201204833B; WO2011070532A1; BR112012013602A2; CN102762453B; RU2012128657A; RU2558415C2; EP2509862A1; EP2509862B1; CA2783401A1; US20130001367A1

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器的机翼的翼尖装置，包括：至少一个小翼，所述至少一个小翼能够可动地安装至所述机翼的末端；以及致动器，所述致动器连接至所述小翼，以便在使用中致动所述小翼相对于所述机翼的移位，由此改变所述小翼的冲角并使所述小翼从初始固定位置移位至运动状态，在所述初始固定位置，从所述机翼流出的飞行尾迹涡流是稳定的；在所述运动状态，所述小翼相对于延伸通过所述飞行器的竖向轴线、纵向轴线、或横向轴线的平面移位至任意可选角度而使所述飞行尾迹涡流失稳。本发明延伸至包括所述翼尖装置的飞行器以及致动并移置所述翼尖装置而使从飞行器机翼的末端流出的飞行尾迹涡流失稳的减少飞行尾迹涡流的方法。

Description

飞行器翼尖装置

技术领域

本发明涉及航空领域。更具体地，本发明涉及一种飞行器翼尖装置以及通过使用该飞行器翼尖装置来减少飞行尾迹涡流的方法。

背景技术

飞行器机翼通过在翼型截面上形成压力分布并得到垂直于飞行轨迹的合力来产生气动升力。因为机翼不是无限长的，在机翼的上表面和下表面上的压力分布在翼尖汇合。其导致强烈的旋流，称为升力诱导的翼尖涡流。该涡流从翼尖流出并与机翼上方的气流相互作用，称为下洗流。这样，涡流变成称作尾迹涡流的东西。

尾迹涡流在因旋流中存在的自然不稳定性而分解之前可在空气中逗留几分钟。穿过尾迹涡流飞行的飞行器会因为涡流诱导的严重动荡而经历失控或结构破坏。因为尾迹涡流对其它的飞行器而言是非常危险的并且因为尾迹涡流需要较长时间来自然地分解，因而在接近机场的飞行器之间需要较长的距离，从而减少了机场能够容纳的飞行器的数量。

本发明试图至少部分地解决这些问题。

发明内容

根据本发明，提供一种用于飞行器的机翼的翼尖装置，包括：至少一个小翼，所述至少一个小翼能够可动地安装至所述机翼的末端；以及致动器，所述致动器连接至所述小翼，以便在使用中致动所述小翼相对于所述机翼的移位，由此改变所述小翼的冲角并使所述小翼从初始固定位置移位至运动状态，在所述初始固定位置，从所述机翼流出的飞行尾迹涡流是稳定的；在所述运动状态，所述小翼相对于延伸通过所述飞行器的竖向轴线、纵向轴线、或横向轴线的平面移位至任意可选角度而使所述飞行尾迹涡流失稳。

还提出所述运动状态包括小翼在第二固定位置与所述初始固定位置之间的摆动或往复运动，所述第二固定位置远离所述初始固定位置。所述第二固定位置允许所述小翼形成不同于处于所述初始固定位置的所述小翼的偏航角、前角、和/或倾斜角。

还提出所述运动状态包括小翼绕与所述飞行器的所述横向轴线、所述竖向轴线、或所述纵向轴线平行的轴线的转动。

本发明进一步的特征提出所述运动状态包括所述小翼沿与所述飞行器的所述纵向轴线平行的轴线的直线平移。或者，所述运动状态包括所述小翼沿与所述飞行器的所述纵向轴线平行的轴线的直线平移，所述直线平移与所述小翼的绕与所述飞行器的所述纵向轴线、所述横向轴线、或所述竖向轴线平行的轴线的转动、往复运动或摆动同时发生。

还提出所述致动器包括操作性地连接至转换器的铰链装置，所述转换器能够操作成调节移位正时。优选地，所述转换器包括至少一个螺线管。

还提出所述铰链装置包括第一铰链，所述第一铰链平行于所述飞行器的所述竖向轴线延伸，所述第一铰链布置在第一基板与第二基板之间，所述第一基板能够连接至所述机翼的末端，而所述第二基板操作性地调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述竖向轴线沿曲线路径行进。

或者，提出了所述铰链装置包括第二铰链，所述第二铰链平行于所述飞行器的所述纵向轴线并大体垂直于所述第一铰链延伸，所述第二铰链操作性地连接至第二基板并能够操作以调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述纵向轴线或所述竖向轴线沿曲线路径行进。

又或者，提出了铰链装置包括第三铰链，所述铰链装置包括第三铰链，所述第三铰链布置在第三基板与所述第二基板之间，所述小翼能够连接至所述第三基板，所述第三铰链平行于所述飞行器的所述横向轴线并大体垂直于所述第二铰链延伸，所述第三基板能够操作以调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述横向轴线、所述纵向轴线、或所述竖向轴线沿曲线路径行进。

本发明还提出引导装置连接至所述第一到第三基板中的任一者，从而允许所述铰链装置的沿与所述飞行器的所述横向轴线、所述纵向轴线、或所述竖向轴线平行的轴线的平移移位。优选地，所述引导装置为适于可滑动地接收其中任一所述基板的轨道。

最后，本发明包括用于控制所述小翼的移位的适合的电源和控制电路。此外，设置在两个相对的机翼的末端处的两个翼尖装置被控制并移置成使得由各个机翼产生的涡流对彼此具有破坏和失稳效应。

附图说明

现在将参照非限定性的附图以示例的方式描述本发明的实施方式，附图中:

图1示出了飞行器的示意性的仰视立体图，该飞行器具有根据本发明的一个实施方式的翼尖装置；

图2示出了图1的翼尖装置的示意性的俯视立体图；

图3示出了图1的翼尖装置在绕与飞行器的纵向轴线平行的轴线在位置A和位置B之间移位时的示意性的前视图；

图4示出了图1的翼尖装置在绕与飞行器的横向轴线平行的轴线移位时的示意性的侧视图；

图5示出了图1的翼尖装置在绕与飞行器的竖向轴线平行的轴线移位时的示意性的侧视图；

图6示出了图1的翼尖装置在沿着与飞行器的纵向轴线平行的轴线直线地移位时的示意性的侧视图；

图7示出了图1的翼尖装置在绕与飞行器的纵向轴线平行的轴线移位时的示意性的前视图；

图8示出了图1的小翼在绕与飞行器的纵向轴线平行的轴线摆动时的前视图，其中小翼在计算流体动力学（CFD）图表的0°处；

图9示出了图1的小翼在绕与飞行器的纵向轴线平行的轴线摆动时的前视图，其中小翼在计算流体动力学（CFD）图表的30°处；

图10示出了描绘了涡流形成以及尾迹涡流的正弦运动的开始的俯视图；

图11示出了描绘了涡流形成以及正弦运动沿涡流向下的进展的俯视图。

具体实施方式

下文中的说明不是意在以任何的方式限定本发明，并且只是提供来描述本发明的具体的实施方式。

在附图中，除非有另外的说明，相同的标号通常指示相同的部件。

参见图1，参考标号10总体上指根据本发明的翼尖装置。该翼尖装置10包括小翼12和致动器18，小翼12可动地安装于飞行器机翼14的末端16，致动器18连接于小翼以在使用中致动小翼12相对于机翼14的移位。

如图2和3中最佳示出的，小翼12的移位改变了小翼12的前缘20与迎面而来的气流所成的角度（也称为冲角）。本质上说，如图3中所示，小翼12从初始的固定位置A移位至运动状态。

当小翼12处于其初始固定位置A时，流开机翼14或从机翼14流走的飞行尾迹涡流22是稳定的。尾迹涡流指的是带有强旋流的空气，该强旋流是由于机翼14不是无限长的由此推动压力分布而造成的，其在机翼14的上下表面24、26上流动而在从末端16流出之前以及在与机翼14上的气流相互作用（称作下洗流）之前在末端16相遇。该相互作用的结果就是称作尾迹涡流的强涡流。

处于其运动状态的小翼12被移位到选定的角度以使得所述飞行尾迹涡流失稳。角度α可为相对于延伸通过飞行器的竖向、纵向或横向轴线的平面的任意角度。为了对此进行描绘，示出了小翼12在第二固定位置B和初始固定位置A之间进行摆动或往复运动。通常，A和B彼此远离，小翼12仅是暂时地在位置A或位置B处。第二固定位置B允许小翼12形成与在初始固定位置A中的小翼12的角度不同的偏航角α（如图2所示）、前角β（如图2所示）和/或倾斜角ω（如图2和7所示）。应当理解的是，在本发明的其它实施方式中（未示出），运动状态包括小翼12的转动，此转动为如图4所示的绕与飞行器的横向轴线平行的轴线的转动，或为如图5所示的绕与飞行器的竖向轴线平行的轴线的转动。

如图2和6所示，在本发明的另一实施方式中，运动状态包括小翼12沿平行于飞行器的纵向轴线延伸的轴线C-D的直线平移，因而允许小翼12沿轴线C-D向后和向前运动。虽然在图中没有示出，但同样可以设想的是，运动状态可包括小翼12在机翼14后方沿曲线路径平移。

替代性地，运动状态包括小翼12沿轴线C-D的直线平移，该平移与小翼12的绕与飞行器的纵向轴线、横向轴线、或竖向轴线平行的轴线的转动、往复运动或摆动同时发生。因此，可以在小翼12沿轴线C-D前后运动的同时使小翼12在任何方向上运动。该运动状态确保了小翼12沿正弦曲线摆动因而增加在尾迹涡流中呈现的气流的不规则性，从而导致涡流的可预知的分解。

尾迹涡流22的分解也能够由于在产生于两个机翼上的两个涡流之间的相互作用而发生。这能够导致破坏性干扰并有助于引起涡流内部的不稳定性。因此，想到可以利用并控制位于两个相对的机翼的末端16处的两个翼尖装置10的移位使得从各个机翼14产生的、强度相等但在相反的方向上转动的两个涡流对彼此具有破坏和失稳效应。认为在例如当来自飞行器右侧的水平稳定器的涡流与来自右侧机翼的尾迹涡流相互作用时能够实现同样的效果，因为这两个涡流在相反的方向上转动并且具有不一致的强度。

最好参见图2，致动器18包括操作性地连接于转换器30的铰链装置28，该转换器30可操作成用以调节小翼的移位正时。优选地，转换器包括螺线管。

铰链装置28具有第一铰链32，该第一铰链32平行于飞行器的竖向轴线延伸并布置在第一基板34和第二基板36之间。第一基板连接至机翼14的末端16，而第二基板36调整小翼12，因此允许小翼12在使用中绕飞行器的竖向轴线沿曲线路径行进。

铰链装置28还可具有第二铰链38，该第二铰链38平行于飞行器的纵向轴线且大体垂直于第一铰链32延伸并连接至第二基板36。第二铰链38也可调整小翼12并允许小翼12在使用中绕飞行器的任一纵向轴线沿曲线路径行进。因此也可能是小翼12同时绕铰链32和铰链38移位。

铰链装置28还可具有第三铰链（未示出），该第三铰链布置在与小翼12连接的第三基板（未示出）和第二基板36之间。于是该第三铰链平行于飞行器的横向轴线并大体垂直于第二铰链38延伸。第三基板可适于调整小翼12以允许小翼12在使用中绕飞行器的横向轴线、纵向轴线、或竖向轴线沿曲线路径行进。

最好参见图2，引导装置40能够连接于第一至第三基板中的任一者并允许铰链装置28的远离末端18的直线平移移位。因此，小翼12能够沿与飞行器的横向轴线、纵向轴线、或竖向轴线平行的轴线直线地运动。优选地，该引导装置为适于可滑动地接收其中任一所述基板的轨道40。更优选地，所述平移运动仅沿与飞行器的纵向轴线平行的轴线发生。

应当理解的是，将为小翼12装备合适的电源和控制电路以便控制小翼的移位。

已经对绕与飞行器的纵向轴线平行的轴线摆动的小翼12做了初步的计算流体动力学模拟（CFD）。CFD表明，这些摆动能够引起后缘涡流中呈现正弦运动。

图8和9显示机翼14的前视图，图中示出了小翼12从竖直或中立的位置开始运动通过30°的角度。图10和11示出涡流形成以及尾迹涡流的运动的俯视图。观察这两幅图，能够清晰地看到波沿每一个涡流移动时的正弦运动。这在超过10m的距离上完成因而还看不到涡流的破坏，但由于在早期，也就是在处于平稳阶段时，在涡流中心存在正弦运动的事实表明不稳定将会比正常情况更早地发生并将导致涡流的较早破坏。

如上文所述的翼尖装置10被致动并移位而使从飞行器机翼的末端流出的飞行尾迹涡流失稳的减少飞行尾迹涡流的方法被认为是有着很大的益处，因为小翼12的组合运动将使形成于飞行器后部的尾迹涡流在形成之后很快地被消除，从而使得飞离和抵达机场的飞行器之间所需要的距离减小。这将增加每小时在机场上运作的航班的数量。

虽然图示并描述了本发明的优选实施方式，可以理解的是，这不是意在限制本发明的范围，而是要覆盖所有改型和替代方法，包括落入本发明的精神和范围内的用于制造翼尖装置的方法和工艺。

因此，翼尖装置10和其相关联的使用方法提供了对与尾迹涡流形成相关的现存问题的极好且兼具成本效益的解决方案。

Claims

1.一种用于飞行器的机翼的翼尖装置，包括：至少一个小翼，所述至少一个小翼能够可动地安装至所述机翼的末端；以及致动器，所述致动器连接至所述小翼，以便在使用中致动所述小翼相对于所述机翼的移位，由此改变所述小翼的冲角并使所述小翼从初始固定位置移位至运动状态，在所述初始固定位置，从所述机翼流出的飞行尾迹涡流是稳定的；在所述运动状态，所述小翼相对于延伸通过所述飞行器的竖向轴线、纵向轴线、或横向轴线的平面移位至任意可选角度而使所述飞行尾迹涡流失稳。

2.如权利要求1所述的翼尖装置，其中，所述运动状态包括小翼在第二固定位置与所述初始固定位置之间的摆动或往复运动，所述第二固定位置远离于所述初始固定位置。

3.如权利要求2所述的翼尖装置，其中，所述第二固定位置允许所述小翼形成不同于处于所述初始固定位置的所述小翼的偏航角、前角、和/或倾斜角。

4.如权利要求1所述的翼尖装置，其中，所述运动状态包括小翼绕与所述飞行器的所述横向轴线、所述竖向轴线、或所述纵向轴线平行的轴线的转动、摆动或往复运动。

5.如权利要求1所述的翼尖装置，其中，所述运动状态包括所述小翼沿与所述飞行器的所述纵向轴线平行的轴线的直线平移。

6.如权利要求5所述的翼尖装置，其中，所述运动状态包括所述小翼沿与所述飞行器的所述纵向轴线平行的轴线的直线平移，所述直线平移与所述小翼绕与所述飞行器的所述纵向轴线、所述横向轴线、或所述竖向轴线平行的轴线的转动、往复运动或摆动同时发生。

7.如前述权利要求中的任一项所述的翼尖装置，其中，所述运动状态导致在从所述机翼流出的所述飞行尾迹涡流中呈现出连续的正弦运动，从而有利于所述飞行尾迹涡流的失稳。

8.如前述权利要求中的任一项所述的翼尖装置，其中，所述致动器包括操作性地连接至转换器的铰链装置，所述转换器能够操作成调节移位正时。

9.如权利要求8所述的翼尖装置，其中，所述转换器包括至少一个螺线管。

10.如权利要求9所述的翼尖装置，其中，所述铰链装置包括第一铰链，所述第一铰链平行于所述飞行器的所述竖向轴线延伸，所述第一铰链布置在第一基板与第二基板之间，所述第一基板能够连接至所述机翼的末端，而所述第二基板操作性地调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述竖向轴线沿曲线路径行进。

11.如权利要求10所述的翼尖装置，其中，所述铰链装置包括第二铰链，所述第二铰链平行于所述飞行器的所述纵向轴线并大体垂直于所述第一铰链延伸，所述第二铰链操作性地连接至第二基板并能够操作以调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述纵向轴线或所述竖向轴线沿曲线路径行进。

12.如权利要求11所述的翼尖装置，其中，所述铰链装置包括第三铰链，所述第三铰链布置在第三基板与所述第二基板之间，所述小翼能够连接至所述第三基板，所述第三铰链平行于所述飞行器的所述横向轴线并大体垂直于所述第二铰链延伸，所述第三基板能够操作以调整所述小翼，从而允许所述小翼在使用中绕所述飞行器的所述横向轴线、所述纵向轴线、或所述竖向轴线沿曲线路径行进。

13.如权利要求10至12中的任一项所述的翼尖装置，其中，引导装置连接至所述第一到第三基板中的任一者，从而允许所述铰链装置沿与所述飞行器的所述横向轴线、所述纵向轴线、或所述竖向轴线平行的轴线平移移位。

14.如权利要求13所述的翼尖装置，其中，所述引导装置为适于可滑动地接收基板的轨道。

15.如权利要求13或14所述的翼尖装置，包括用于控制所述小翼的移位的适合的电源和控制电路。

16.如权利要求13所述的翼尖装置，其中，设置在两个相对的机翼的末端处的两个翼尖装置被控制并移置成使得由各个机翼产生的涡流对彼此具有破坏和失稳效应。

17.一种减少飞行尾迹涡流的方法，其中，致动并移置如权利要求1至16中的任一项所述的翼尖装置而使从飞行器的机翼的末端流出的飞行尾迹涡流失稳。

18.一种飞行器，包括如权利要求1至16中的任一项所述的翼尖装置。

19.基本上如本文参照附图的图1至图7中的任一个所描述的、如附图的图1至图7中的任一个所示出的、并且如结合附图的图8至图11所理解的翼尖装置、包括所述翼尖装置的飞行器、或者通过使用这种翼尖装置减少飞行尾迹涡流的方法。