CN103204238A - 喷流舵面控制系统、使用此系统的飞行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷流舵面控制系统、使用此系统的飞行器及控制方法，一种喷流舵面控制系统，包括具有上下表面及前后部的喷流舵面，控制喷流参数的喷流控制器，喷流腔体和设置于舵面后部的喷流口，该控制系统还包括将喷流口隔离为第一出口和第二出口的喷流调节装置。本发明的技术效果为：1)减小机翼以至全机的外形尺寸；2)减轻结构重量；3)减少能耗；4)易于使用维护；5)降低飞机噪声；6)提高应对特殊状况的能力。

Description

喷流舵面控制系统、使用此系统的飞行器及控制方法

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种喷流舵面控制系统、使用此系统的飞行器及控制方法。

背景技术

现在世界上正在使用和已经使用过的固定翼飞机，都是依靠气动舵面操纵的，传统的气动舵面是一些铰接在翼面上的可偏转的面板，借助飞机飞行与周围的空气进行相对运动，通过改变流过舵面的气流流向，形成控制气流，舵面给予气流在垂直方向的加速度，从而产生相应的控制力，实现对飞机在三轴(偏航轴、滚转轴、俯仰轴)上的控制。

气动舵面控制问题的关键是使气流通过舵面，如果空气与舵面的相对速度不够或根本没有相对速度，就不足以转向足够的气流产生控制力，舵面也就无法控制飞机的飞行姿态。

舵面失效的情况主要有以下几种：失速、尾旋(即螺旋)和大迎角状态。如果遇到这些情况而且处置不当，就会发生机毁人亡的惨剧。传统气动舵面受其工作原理的影响，在失速、尾旋及遭遇风切变时难以有效操控飞机。

经历了一百多年的发展，为了保证飞机良好的操控性，提高飞机的升力，改善飞机的起降性能，人们已经几乎挖尽了气动舵面潜力，发展了襟翼、缝翼、副翼、水平尾翼和垂直尾翼、扰流板等一系列气动舵面。飞行员通过控制这些活动部件的偏转可以在一定范围内改变机翼表面的形状，影响机翼上下表面的流场从而控制机翼升力或阻力分布，以产生相应的控制力矩或升力/阻力变化，最终达到改变飞行状态、保持飞行姿态或改善飞机起降性能的目的。

经过长时间的发展，设计之初对飞行认识的不足和考虑的不周使气动舵面的缺点逐渐显现。由于机翼上这些活动操纵面和部件均是通过铰链连接，要控制其偏转需要通过机械装置(目前主要采用液压系统)来驱动，因而导致一系列性能缺陷和弊端。首先，活动部件的大量布置使整个机翼的结构趋于复杂，增加了结构重量、制造成本和维修成本，增加了飞行时的阻力。反而抵消了气动舵面结构复杂性低的特点。其次，对于军用飞机而言，活动部件的增加，降低了飞机的隐身性能，随着飞行姿态的不断调整，飞机的可探测性增加。

发明内容

本发明为了解决现有技术中飞行器采用气动舵面操纵存在的问题，本发明提供一种喷流舵面控制系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种喷流舵面控制系统，包括具有上下表面及前后部的喷流舵面，控制喷流参数的喷流控制器，喷流腔体和设置于舵面后部的喷流口，该控制系统还包括将喷流口隔离为第一出口和第二出口的喷流调节装置。

与现有技术相比，本发明通过内部结构将进入喷流舵面控制系统的高压空气进行分割，第一出口和第二出口的空气压力不同，在喷出喷嘴后形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而控制喷射气流的作用时间，进而实现达到操纵飞机的目的。

基于上述方案，本发明还进行如下改进：

喷流调节装置包括设置于喷流口处的圆形导向筒和改变喷流路径宽窄以将喷流以不同压力导向第一出口和第二出口的转动导向板；转动导向板位于喷流腔体内，并与圆形导向筒连接；圆形导向筒与舵面上下表面之间具有喷流缝隙，形成第一出口和第二出口；喷流缝隙不超过2毫米。

通过圆形导向筒和转动导向板对进入喷流舵面控制系统的高压空气进行分割，其中一部分压缩空气由于通道逐渐变窄被进一步压缩，另一部分压缩空气由于通道逐渐变宽而降低压力，两股空气通过喷气舵面控制系统后，由于压力不同，在喷出喷流缝隙后形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态。

基于上述方案，本发明还进行另外一种方式的改进：

喷流调节装置为分别连接第一出口和第二出口的独立喷流腔体；独立喷流腔体为在舵面上、下表面的喷流导管，所述的第一出口和第二出口分别设置于上、下舵面后部向前不超过四分之一处；第一出口和第二出口分别与舵面上下表面的成角不大于70度。

通过独立喷流腔体对进入喷流舵面控制系统的高压空气进行分割，空气从其中一个出口喷出，在喷出喷嘴后形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态。

本发明还提供了一种飞行器，包括至少一个喷流舵面控制系统，其中喷流为喷气；喷气为飞行器内携带气体存储发生器或由飞行器配备的喷气发动机提供。

基于上述方案，本发明还进行如下改进：

一种飞行器，包括至少一个喷流舵面控制系统，其中喷流为喷气。飞行器还包括至少一飞行翼，所述的飞行翼在飞行器纵轴线左右两侧对称设置并具有上下表面，所述的喷流舵面控制系统设置于飞行翼内，通过喷流控制器连接至空气供给装置，所述的空气供给装置为压缩机或喷气发动机压气机。喷流舵面控制系统在飞行器纵轴线左右两侧飞行翼内对称设置，并具有分别开于左上翼面和右上翼面的第一出口和分别开于左下翼面和右下翼面第二出口，左上翼面和右上翼面的第一出口和左下翼面和右下翼面第二出口由喷流控制器分别或组合控制。飞行器还包括传统气动舵面控制装置。

喷气舵面控制系统安装在机翼后缘内部，引入来自喷气发动机压气机的高压空气，在机器内部布置有与喷气舵面控制系统连接的管道，高压空气通过安装在机翼后缘不超过四分之一处的出口或机翼后缘的喷流缝隙喷出，并使喷出的气流与机翼中心线呈一定角度，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而达到操纵飞机的目的。

此外，本发明还提供了一种飞行器动态控制方法，该飞行器包括动态控制舵面，该方法包括：在动态控制舵面后部设置喷气口；连接动态控制舵面后部的喷气口至气源以形成喷气舵面；喷气调节装置将喷气口隔离为为第一出口和第二出口；调节喷气口处喷气参数以实施喷气舵面对飞行器的动态控制。

基于上述方案，本发明还做了如下改进：

喷气口至少为两个且相对于飞行器纵轴线左右两侧对称设置。喷气口设置于喷气舵面后部边缘或向前不超过四分之一处。

本发明的技术效果为：

1)减小机翼以至全机的外形尺寸

采用喷气舵面的飞机由于取消了普通飞机机翼上的襟翼、副翼等操纵面，其机翼的外形尺寸将明显减小。另一方面喷气舵面有可能灵活地实现在某种给定状态下输出不同的控制力，因此有助于缓解传统空气动力操纵面所要求的力臂问题，在机体设计中将不再需要考虑操纵面与重心的距离，这样一来将使整个飞机的外形尺寸明显减小。

2)减轻结构重量

采用喷气舵面后，普通飞机上的襟翼、副翼、方向舵等活动操纵面(甚至整个垂尾、平尾)以及与之相关的一系列复杂笨重的驱动、控制机构均可取消，飞机的结构重量将大幅减轻。

3)减少能耗

采用喷气舵面取代传统气动舵面后，飞机飞行时的阻力将大大减小，这表现在两方面：①机翼乃至全机外形尺寸的减少，将使整个飞机的迎风面积和浸润面积减小，从而有助于减少飞行时的压差阻力和摩擦阻力；②常规飞机上为安装各种操纵面而形成的一系列尖锐边缘、开口、凸出物、鼓包、台阶、缝隙、整流罩等，在喷气舵面控制飞机上将全部消失，这使机体外表更加光滑，将明显减少飞机飞行时的摩擦阻力。

由于飞行阻力的明显减少再加上前面提到的飞机结构重量大幅减轻，无疑将大大减少飞机飞行时的燃油消耗。即使考虑到喷气舵面自身需要一定能源的因素，采用喷气舵面仍非常有助于降低整个飞机的能耗。

4)易于使用维护

采用喷气舵面后，飞机上的各种活动操纵面及与其相关的各控制子系统部件将大幅减少甚至被完全取消，这减少了全机的零部件数量，提高了系统可靠性；同时还可避免像常规飞机的活动操纵面那样需要进行频繁的检查维修，不仅降低了使用成本，还提高了飞机的使用效率。

5)降低飞机噪声

长期以来，飞机上的襟翼、副翼等活动操纵面一直是飞机噪音的重要来源，用喷气舵面代替后，这些噪声源几乎全部消失，飞机噪音将因此大幅降低，这对提高民用飞机的乘坐舒适性尤为重要。

6)提高应对特殊状况的能力

传统气动舵面受其工作原理的影响，在失速、尾旋及遭遇风切变时难以有效操控飞机，喷气舵面在却能在上述状态下正常工作。在遭遇气流扰动导致的失速时，气流会在机翼中部或前部分离并产生紊流，严重降低气动舵面的工作效率，并使飞机迎角进一步增大，急剧掉高度，还有可能进入尾旋，导致机毁人亡的惨剧。而喷气舵面受周围空气环境的影响较小，在此情况下能通过加大发动机推力、舵面喷气量和喷气角度，使短时间内有效增加向下偏转的气流量，从而快速提高升力实现对飞机的操控，更容易从失速尾旋中改出，防止坠毁，大大提高了飞机飞行的安全性。

附图说明

图1是本发明喷气舵面控制系统的侧视图；

图2是本发明喷气舵面控制系统的原理图。

图3是本发明飞行器的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

实施方式一：

如图1所示，一种喷流舵面控制系统，舵面具有上顶板1、下顶板2、后盖板5、前侧板、后侧板，舵面前部在前侧板和后侧板之间安装圆筒3，圆筒3剖面方向有转动导向板4，圆筒3与上顶板1和下顶板2之间形成上喷流缝隙9和下喷流缝隙10；喷流缝隙不超过2毫米。

如图2所示，工作时，高压空气通过喷嘴6进入喷流腔体，经过转动导向板4后，上部分空气由于通道逐渐变窄被进一步压缩，下部分压缩空气由于通道逐渐变宽而降低压力，两股空气通过上喷流缝隙9和下喷流缝隙10的压力不同，在喷出喷嘴后形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而控制喷射气流的作用时间，进而实现达到操纵飞机的目的。

实施方式二：

如图1所示，一种喷流舵面控制系统，舵面具有上顶板1、下顶板2、后盖板5、前侧板、后侧板，喷流腔体上下分别设置上独立喷流导管7和下独立喷流导管11，上独立喷流导管的喷嘴12和下独立喷流导管的喷嘴13分别设置在后盖板5的上下两端，上下喷流口分别设置于上、下舵面后部边缘向前不超过四分之一处，并分别与舵面上下表面的成角8不大于70度。

工作时，高压空气通过上独立喷流导管的喷嘴进入喷流腔体，经过上独立喷流导管7后，从上喷流口喷出，形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而控制喷射气流的作用时间，进而实现达到操纵飞机的目的。

实施方式三：

如图1所示，一种喷流舵面控制系统，舵面具有上顶板1、下顶板2、后盖板5、前侧板、后侧板，舵面前部在前侧板和后侧板之间安装圆筒3，圆筒3剖面方向有转动导向板4，圆筒3与上顶板1和下顶板2之间形成上喷流缝隙9和下喷流缝隙10；喷流缝隙不超过2毫米。

喷流腔体上下分别设置上独立喷流导管7和下独立喷流导管11，上独立喷流导管的喷嘴12和下独立喷流导管的喷嘴13分别设置在后盖板5的上下两端，上下喷流口分别设置于上、下舵面后部边缘向前四分之一处，并分别与舵面上下表面的成角8不大于70度。

工作时，一部分高压空气通过喷嘴6进入喷流腔体，经过转动导向板4后，上部分空气由于通道逐渐变窄被进一步压缩，下部分压缩空气由于通道逐渐变宽而降低压力，两股空气通过上喷流缝隙9和下喷流缝隙10的压力不同；另外一部分高压空气通过上独立喷流导管的喷嘴进入喷流腔体，经过上独立喷流导管7后，从上喷流口喷出；

两部分空气在喷出喷嘴后形成与机翼中心线呈一定角度的喷射气流，该气流对机翼上原有气流产生作用，影响飞机飞行状态，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而控制喷射气流的作用时间，进而实现达到操纵飞机的目的。

实施方式四：

如图3所示，一种飞行器，包括四个喷气舵面控制系统16，分别采用喷流缝隙方式和独立喷流导管方式，其中喷流为喷气。

飞行器的飞行翼在飞行器纵轴线左右两侧对称设置并具有上下表面，喷流舵面控制系统16设置于飞行翼内，通过喷流控制器15连接至空气供给装置14，所述的空气供给装置14为压缩机或喷气发动机压气机。喷流舵面控制系统16在飞行器纵轴线左右两侧飞行翼内对称设置，并具有分别开于左上翼面和右上翼面的第一出口和分别开于左下翼面和右下翼面第二出口，左上翼面和右上翼面的第一出口和左下翼面和右下翼面第二出口由喷流控制器15分别或组合控制。飞行器还包括传统气动舵面控制装置。

喷气舵面控制系统16安装在机翼后缘内部，引入来自喷气发动机压气机的高压空气，在机器内部布置有与喷气舵面控制系统16连接的管道，高压空气通过喷流控制器15调节喷流压力、流量或时间后，从安装在机翼后缘不超过四分之一处的独立喷流导管或机翼后缘的喷流缝隙喷出，并使喷出的气流与机翼中心线呈一定角度，通过控制喷气时间来控制喷气量，从而达到操纵飞机的目的。

Claims (13)

1.一种喷流舵面控制系统，包括具有上下表面及前后部的喷流舵面，控制喷流参数的喷流控制器，喷流腔体和设置于舵面后部的喷流口，其特征在于：该控制系统还包括将喷流口隔离为第一出口和第二出口的喷流调节装置。

2.根据权利要求1所述的喷流舵面控制系统，其特征在于，所述的喷流调节装置包括设置于喷流口处的圆形导向筒和改变喷流路径宽窄以将喷流以不同压力导向第一出口和第二出口的转动导向板；所述的转动导向板位于喷流腔体内，并与圆形导向筒连接。

3.根据权利要求2所述的喷流舵面控制系统，其特征在于，所述的圆形导向筒与舵面上下表面之间具有喷流缝隙，形成第一出口和第二出口。

4.根据权利要求1或3所述的喷流舵面控制系统，其特征在于：所述的喷流调节装置为分别连接第一出口和第二出口的独立喷流腔体。

5.根据权利要求4所述的喷流舵面控制系统，其特征在于：所述的独立喷流腔体为在舵面上、下表面的喷流导管，所述的第一出口和第二出口分别设置于上、下舵面后部向前不超过四分之一处。

6.根据权利要求5所述的喷流舵面控制系统，其特征在于：所述的第一出口和第二出口分别与舵面上下表面的成角不大于70度。

7.一种飞行器，其特征在于：包括至少一个上述任一权利要求所述的喷流舵面控制系统，其中喷流为喷气。

8.根据权利要求7所述的飞行器，其特征在于：所述的飞行器还包括至少一飞行翼，所述的飞行翼在飞行器纵轴线左右两侧对称设置并具有上下表面，所述的喷流舵面控制系统设置于飞行翼内，通过喷流控制器连接至空气供给装置，所述的空气供给装置为压缩机或喷气发动机压气机。

9.根据权利要求8所述的飞行器，其特征在于：所述的喷流舵面控制系统在飞行器纵轴线左右两侧飞行翼内对称设置，并具有分别开于左上翼面和右上翼面的第一出口和分别开于左下翼面和右下翼面第二出口，左上翼面和右上翼面的第一出口和左下翼面和右下翼面第二出口由喷流控制器分别或组合控制。

10.根据上述权利要求7至9之一所述的飞行器，其特征在于：所述的飞行器还包括传统气动舵面控制装置。

11.一种飞行器动态控制方法，该飞行器包括动态控制舵面，其特征在于：该方法包括：

在动态控制舵面后部设置喷气口；

连接动态控制舵面后部的喷气口至气源以形成喷气舵面；

喷气调节装置将喷气口隔离为为第一出口和第二出口；

调节喷气口处喷气参数以实施喷气舵面对飞行器的动态控制。

12.根据权利要求11所述的飞行器动态控制方法，其特征在于：所述的喷气口至少为两个且相对于飞行器纵轴线左右两侧对称设置。

13.根据权利要求11所述的飞行器动态控制方法，其特征在于：所述的喷气口设置于喷气舵面后部边缘或向前不超过四分之一处。

Images