CN103057694A - 一种用于科恩达效应飞行器的开口式控制舵面 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种科恩达效应飞行器，其特征在于包括：壳体，其包括多个环形连接的曲面部分（1）；设置在所述壳体（1）上方的导风口（2）和狭缝（3），用于产生射流（6）；其中至少两个所述曲面部分（1）的靠上位置处的舵面（4）。本发明所提供的针对科恩达效应飞行器曲面壳体结构的气动控制舵面，其偏转时能够有效地改变局部升力面的升力大小，从而对飞行姿态进行控制。

Description

一种用于科恩达效应飞行器的开口式控制舵面

技术领域

本发明涉及一种小型飞行器飞行姿态控制舵面的设计，属于航空飞行器的结构与气动设计领域。

背景技术

近年来，无人飞行器的垂直起降和悬停能力越来越受到关注，是实用化无人飞行器研究的热点。为了追求更高的使用性能，近年来研制出了多种新型布局飞行器，基于科恩达效应的飞行器就是其中的一例。

科恩达效应(Coanda Effect)亦称附壁效应，即流体（水流或气流）有离开本来的流动方向，改为随著凸出的物体表面流动的倾向。这种作用以罗马尼亚发明家亨利·科恩达为名。当射流的一侧有壁面限制，且射流与壁面的交角不大时（＜15°），由于射流的抽吸作用，射流与壁面有限空间中的流体被吸走，压力不断下降，使射流不断向壁面靠近，直到稳定的贴壁流动，此即为附壁效应。

利用这一附壁效应可以产生提供飞行器起飞的升力。这类飞行器的主要机体结构由若干曲面壳体组成，在壳体上方设计有狭缝结构，利用鼓风装置通过狭缝在壳体表面上形成一股射流，通过以下两种途径产生升力：

1）其一是利用曲面壳体将气流引导至向下方向流动，通过改变气流的动量来产生竖直方向的力；

2）其二是当气流沿着壳体表面流动时，壳体上表面静压减小，如此在壳体两侧产生压力差，这个压力在垂直方向上的分力即是产生的升力。

科恩达效应飞行器除升力之外的另一个重要问题就是控制系统的设计。一架飞行器必须有良好的控制装置才能够进行有效的机动飞行，并在飞行中保持足够的稳定性。科恩达效应飞行器的飞行原理不同于一般固定翼飞行器和旋翼飞行器，因此控制原理和方式也会不同。由于该飞行器的升力源于气流在曲面壳体表面流动产生的气动力，因此在曲面壳体上设计气动舵面来控制飞行姿态是可行的研究方向。

目前应用在科恩达效应飞行器上的气动舵面均为滑流式的，这种舵面布置在曲面壳体底部，如图4。通过舵面偏转改变气流流出壳体的方向，即改变气流的动量变化，从而改变局部曲面壳体的升力大小，产生控制力矩。该舵面方案能够有效的控制飞行姿态，但是有以下不足：

1）舵面布置在壳体边缘，发生碰撞等意外事故时很容易造成控制失效；

2）舵面布置在壳体边缘，远离重心，控制系统的重量相对重心的转动惯量较大，对操纵和稳定性能不利；

3）气流流至舵面时，已在壳体表面流过了较长的距离，经过了充分的扩散，气流能量损失较大，舵面控制效能也大打折扣。

基于以上情况，有必要研究一种新型的气动控制舵面，在保证对飞行器进行有效姿态控制的前提下，克服滑流式舵面存在的缺点，使之更好的实现对飞行器操纵机动灵活、稳定性及安全性好等目的。

发明内容

本发明提供了针对科恩达效应飞行器曲面壳体结构的一种气动控制舵面，其偏转时能够有效地改变局部升力面的升力大小，从而对飞行姿态进行控制。

根据本发明的一个方面，提供了一种科恩达效应飞行器，其特征在于包括：

壳体，其包括多个环形连接的曲面部分；

设置在所述壳体上方的导风口和狭缝，用于产生射流；

其中至少两个所述曲面部分的靠上位置处的舵面。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的科恩达效应飞行器的舵面设置总体布局示意图。

图2是图1的实施例的舵面处于关闭位置的气流流动示意图。

图3是图1的实施例中左侧舵面内偏呈开口状态时的气流流动示意图。

具体实施方式

飞行器的曲面壳体是其主要的升力面，当其表面状态完整时，可以通过壳体上下表面的压差来有效地产生升力；当其表面状态不完整，即有开口时，壳体上下表面压力差会减小，从而使壳体的升力减小，这就是开口的减升作用。这一升力大小的变化可以对飞行姿态产生一定的控制作用。

本方案就是在壳体上分离一定面积的结构作为舵面，其偏转时会在壳体表面上开口，产生控制作用。

以下说明本发明具体实施的技术方案：

1）舵面设置总体布局

如图1，根据本发明的一个实施例的科恩达效应飞行器包括壳体，该壳体具有八个环形连接的曲面部分（1）；曲面部分（1）上方设置有用于产生射流的导风口（2）和狭缝（3）；其中在对称的四个曲面部分（1）靠上的位置有一定面积的分离结构作为舵面（4），舵面（4）的上边缘通过铰链（5）与曲面部分（1）连接；舵面（4）的偏转通过曲面部分（1）内部的作动装置（未显示）来实现。

2）舵面控制

以飞行器绕水平轴滚转方向的控制为例，如图2，飞行器机体呈水平状态，左右曲面壳体（1）上的舵面（4）处于关闭位置时，曲面壳体（1）保持了原来的形状，气流（6）由于附壁效应沿着曲面壳体（1）向下流动，此时左右产生的气动力保持平衡。

如图3，当例如飞行器左侧的舵面（4）向下偏转形成开口时，由于附壁效应，壳体的曲面部分（1）表面的一部分气流（7）随着舵面（4）表面流动到壳体下表面，壳体上下表面压力差减小，产生的升力也就减小；此时右侧的舵面（4）保持关闭状态，所以右侧的曲面部分（1）相对左侧的曲面部分产生较大的升力，形成向左的滚转力矩，飞行器就会向左做滚转运动；同理，当右侧的舵面（4）打开，而左侧的舵面（4）保持关闭时，飞行器左侧的曲面部分（1）产生较大的升力，飞行器就会向右做滚转运动。

舵面（4）的偏转角度越大，开口越大，分离的气流量也越大，壳体的曲面部分（1）升力的损失量也就越大，对飞行姿态的控制力也就越大。这种开口式舵面（4）的控制是一种减升控制，它利用了流体流动的附壁效应。根据本发明的一个具体实施例，舵面偏角保持在15度以内，以使气流能顺利附到舵面表面流动。

在根据本发明的一个实施例中，所述的开口式舵面沿飞行器中面对称布置，从而可以控制飞行器沿一个轴向的滚转运动。

在根据本发明的一个实施例中，按照十字交叉的方式对称布置四个开口式舵面，从而可以利用舵面不同偏转情况的组合，控制飞行器沿水平各个方向轴的滚转运动。在根据本发明的一个进一步的实施例中，对用来产生射流的鼓风装置（未显示）的动力大小进行控制，从而满足一架科恩达效应飞行器飞行控制的需要。

有益效果

本发明的优点包括：

－提供了一种科恩达效应飞行器，其具有结构简单，效率高的气动控制机构；

－该气动控制机构的开口式舵面远离飞行器曲面壳体结构的外边缘，在发生碰撞等特殊情形下能够有效保持对飞行姿态的控制力，增强了飞行器的安全性和可靠性；－该开口式舵面靠近飞行器的重心，所需的传动装置等附件机构也靠近重心，这样有利于减小飞行器全机的转动惯量，有利于提高飞行机动性；－该开口式舵面靠近狭缝出口，表面流速较快，气流能量损失较小，有利于提高舵面控制效能。

Claims (10)

1.科恩达效应飞行器，其特征在于包括：

壳体，其包括多个环形连接的曲面部分（1）；

设置在所述壳体（1）上方的导风口（2）和狭缝（3），用于产生射流（6）；

其中至少两个所述曲面部分（1）的靠上位置处的舵面（4）。

2.根据权利要求1所述的科恩达效应飞行器，其特征在于：

所述舵面（4）是一个具有一定面积的分离结构，舵面（4）的上边缘通过铰链（5）与曲面壳体（1）连接；

舵面（4）的偏转通过曲面壳体（1）内部的作动装置（未显示）来实现。

3.根据权利要求2所述的科恩达效应飞行器，其特征在于：

所述科恩达效应飞行器包括八个环形连接的所述曲面部分（1），其中在对称的四个曲面部分（1）靠上的位置设有所述舵面（4）。

4.根据权利要求3所述的科恩达效应飞行器，其特征在于：

当飞行器机体呈水平状态且左右曲面壳体（1）上的舵面（4）处于关闭位置时，壳体的曲面部分（1）保持原来的形状，所述射流（6）由于附壁效应沿着曲面部分（1）向下流动，从而使左右侧的曲面部分（1）所产生的气动力保持平衡，

当所述壳体的一侧的一个第一曲面部分（1）上的舵面（4）向下偏转形成开口时，由于附壁效应，该第一曲面部分（1）表面的一部分气流（7）随着舵面（4）表面流动到该曲面部分（1）下表面，使该第一曲面部分（1）上下表面的压力差减小，产生的升力也就减小，而所述壳体的另一侧的一个第二曲面部分（1）的舵面（4）保持关闭状态，所以该第二曲面部分（1）相对所述第一曲面部分（1）产生较大的升力，从而形成向所述第一曲面部分（1）一侧的滚转力矩，使所述科恩达效应飞行器向所述第一曲面部分（1）一侧做滚转运动；

当所述第二曲面部分（1）一侧的舵面（4）打开，而所述第一曲面部分（1）上的舵面（4）保持关闭时，所述第一曲面部分（1）产生较大的升力，从而使科恩达效应飞行器向所述第二曲面部分（1）一侧做滚转运动。

5.根据权利要求4所述的科恩达效应飞行器，其特征在于：

一个所述舵面（4）的偏转角度越大，开口越大，分离的气流量也越大，该舵面（4）所在曲面部分（1）的升力的损失量也就越大，对所述科恩达效应飞行器的飞行姿态的控制力也就越大；

通过对用来产生射流的一个鼓风装置的动力大小进行控制，满足所述科恩达效应飞行器飞行控制的需要。

6.根据权利要求4所述的科恩达效应飞行器，其特征在于：

所述舵面的偏角保持在15度以内，以使气流能顺利附到舵面表面流动；

按照十字交叉的方式对称布置四个所述开口式舵面，从而可以利用舵面不同偏转情况的组合，控制飞行器沿水平各个方向轴的滚转运动；

7.科恩达效应飞行器的飞行姿态控制方法，所述科恩达效应飞行器包括一个壳体，所述壳体包括多个环形连接的曲面部分（1），其中至少两个所述曲面部分（1）的靠上位置处的舵面（4），

其特征在于包括：

用设置在所述壳体曲面部分（1）上方的导风口（2）和狭缝（3）产生射流（6）；

控制所述舵面（4）开合，从而控制所述科恩达效应飞行器的飞行姿态。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：

所述舵面（4）是一个具有一定面积的分离结构，舵面（4）的上边缘通过铰链（5）与曲面部分（1）连接；

舵面（4）的偏转通过曲面部分（1）内部的作动装置来实现；

所述科恩达效应飞行器包括八个环形连接的所述曲面部分（1），其中在对称的四个曲面部分（1）靠上的位置设有所述舵面（4）。

9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于：

在飞行器机体呈水平状态时，通过使壳体左、右侧的所述曲面部分（1）上的舵面（4）处于关闭位置，使壳体的曲面部分（1）保持原来的形状，所述射流（6）由于附壁效应沿着曲面部分（1）向下流动，从而使左右侧的曲面部分（1）所产生的气动力保持平衡；

当所述壳体的一侧的一个第一曲面部分（1）上的舵面（4）向下偏转形成开口时，由于附壁效应，该第一曲面部分（1）表面的一部分气流（7）随着舵面（4）表面流动到该曲面部分（1）下表面，使该第一曲面部分（1）上下表面的压力差减小，产生的升力也就减小，而所述壳体的另一侧的一个第二曲面部分（1）的舵面（4）保持关闭状态，所以该第二曲面部分（1）相对所述第一曲面部分（1）产生较大的升力，从而形成向所述第一曲面部分（1）一侧的滚转力矩，使所述科恩达效应飞行器向所述第一曲面部分（1）一侧做滚转运动；

当所述第二曲面部分（1）一侧的舵面（4）打开，而所述第一曲面部分（1）上的舵面（4）保持关闭时，所述第一曲面部分（1）产生较大的升力，从而使科恩达效应飞行器向所述第二曲面部分（1）一侧做滚转运动。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于：

通过加大所述舵面（4）的偏转，加大分离的气流量，从而加大该舵面（4）所在曲面部分（1）的升力的损失量，加大对所述科恩达效应飞行器的飞行姿态的控制力；

使所述舵面的偏角保持在15度以内，以使气流能顺利附到舵面表面流动；

按照十字交叉的方式对称布置四个所述开口式舵面，从而可以利用舵面不同偏转情况的组合，控制飞行器沿水平各个方向轴的滚转运动；

控制用来产生射流的一个鼓风装置的动力大小，满足所述科恩达效应飞行器飞行控制的需要。

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