CN103253366A - 一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面 - Google Patents

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王延奎
邓学蓥
郑玮琳
周平
田伟
李岩
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Abstract

本发明公开了一种新型的基于空气动力和直接力的复合控制舵面用于提高舵面的气动效率，改善飞行器的操纵特性。该方法通过在舵面上表面前缘流动分离点附近设置沿展向分布的吹气缝并沿切线方向吹气，一方面可以消除舵面流动分离，提高舵面气动力；另一方面利用吹气产生的反作用力，为飞机提供额外的操纵力矩。这种控制技术可以明显改善飞行器的操纵特性，对临近空间飞行器的发展有重要的应用价值。

Description

一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面
技术领域
本发明是一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面，属于航空航天控制技术领域。 
背景技术
在现代飞行器上普遍采用各种基于气动力的舵面作为飞行控制的主要手段，通过偏转舵面改变飞行器所受的气动力，提供操纵力矩。但是常规气动舵面在大偏角下出现的流动分离会降低舵面的控制效率，严重影响飞行器的操纵特性。 
带弦向吹气的控制舵面在常规气动舵面的基础上能够改善舵面在大偏角下出现的流动分离，其中以吹气襟翼和喷气襟翼为典型代表。吹气襟翼技术是将偏转的襟翼直接置于发动机高速喷流的下游，利用发动机的高速喷流吹除分离气流并增加翼型环量；喷气襟翼技术则是利用从发动机引出的压缩空气或燃气流，通过机翼后缘的缝隙沿整个翼展向后下方以高速喷出，加速上翼面流速并提高翼型环量。以上两种基于气动力的控制舵面都是通过提高舵面升力系数从而增大飞行器的操纵力矩。 
针对具有重要战略价值的临近空间，空气稀薄直接导致飞行器飞行雷诺数明显下降，即使在小迎角下，机翼绕流都可能产生分离气泡，分离气泡的位置和发展必然会主导翼面及舵面的气动特性。尤其是当偏转舵面改变飞行器姿态时，舵面上将出现十分严重的流动分离现象。同时，由于飞行器飞行动压减小，根据空气动力学可知，气动力正比于气动力系数与飞行动压的乘积。因此，飞行高度越高，改变飞行器姿态所需要的气动力系数越大。综上所述，由于临近空间的高度大于20Km，单一的采用带弦向吹气的控制舵面改善流动分离的能力有限，提高气动力系数的能力也受到限制，不能为飞行器提供足够的操纵力矩。 
因此有必要发展新型的控制舵面，提高飞行器的操纵力矩，改善飞行器的操纵特性。 
发明内容
针对上述存在的问题和困难，本发明提出了一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面，目的是同时利用气动力与直接力，提高飞行器的操纵力矩，改善飞行器的操纵特性。该复合控制舵面通过在舵面上表面前缘气流分离点附近设置沿展向分布的吹气缝并沿切线方向吹气，一方面可以消除舵面流动分离，提高舵面升力系数，从而增大飞行器的气动操纵力矩；另一方面，该吹气气流会产生一个反作用力，当舵面偏转时，该直接力的作用线会偏离 飞行器的重心，从而可以为飞行器提供一个额外的操纵力矩。相比于方向固定、随飞行高度增加而迅速减小的气动力，该直接力方向可调、大小不随飞行高度而变化，对临近空间飞行器的发展有重要的应用价值。 
本发明的复合控制舵面需要确定舵面吹气位置(图2)。通过测压实验、数值模拟等方法可以得到舵面上下表面压力分布(图1)，在舵面前缘流动分离点附近吹气可以降低消除舵面流动分离所需的吹气压力，提高舵面气动效率。 
本发明的复合控制舵面需要确定供气与流量调节装置(图3)。供气气源可以采用发动机引气、高压储气罐等多种形式，气源的高压气体通过减压阀将压力减小，通过流量计和压力表进行流量调节，然后将气体管路与舵面吹气口连接，实现吹气供给。 
本发明的复合控制舵面需要调节舵面气动力的大小(图4)。通过改变吹气方向、吹气口形状与吹气动量系数可以调节舵面气动力的大小。 
本发明的复合控制舵面需要调节直接力的大小与方向(图5)。通过改变吹气方向可以调节直接力的方向，通过改变吹气动量系数可以调节直接力的大小。 
附图说明
图1舵面上下表面压力分布； 
图2舵面吹气位置示意图； 
图3流量调节机构示意图； 
图4气动力作用示意图； 
图5直接力作用示意图； 
图中标号如下： 
1流动分离点 
1.1吹气位置 
具体实施方式
本发明的目的是给出一种基于气动力和直接力的复合控制舵面。本发明一方面利用舵面前缘吹气消除舵面流动分离，提高舵面气动力；另一方面利用舵面前缘吹气产生的反作用力，为飞行器提供额外的操纵力矩，明显改善飞行器的操纵特性。具体技术方案如下： 
步骤一：确定舵面吹气位置 
舵面吹气位置的选择对改善流动分离、提高气动操纵力矩有很大影响。由于在舵面偏角较大时，舵面上翼面气流在离开前缘很短的距离处就出现分离，整个舵面上翼面几乎都处在 分离区，舵面吹气位置1.1选择在舵面前缘流动分离点1附近，可以降低吹气压力。采用测压实验或数值模拟的方式，可以通过舵面上下表面的压力分布确定舵面吹气的位置，如图1、图2所示。 
步骤二：供气与流量调节装置 
供气气起源可以采用发动机引气、高压储气罐等多种形式，流量调节装置如图2所示。该流量调节装置主要由：气源、减压阀、流量计、压力表和气体管路组成；气源的高压气体通过减压阀将压力减小，通过流量计和压力表进行流量调节，然后将气体管路与舵面吹气口连接，实现吹气供给。 
步骤三：调节舵面气动力的大小 
调节舵面气动力的大小需要调节吹气方向、吹气口形状与吹气动量系数。图3为气动力作用示意图。为了改善流动分离、提高气动力，吹气气流方向应沿舵面弦向并与当地翼型切线方向相同，使吹气能量直接注入边界层低能区。吹气口的形状可以采用吹气缝、吹气孔等多种形式。吹气动量系数是表征吹气射流向主流输送动量大小的参数，在固定飞行状态下存在一个消除舵面流动分离的临界吹气动量系数，当按此临界吹气动量系数进行吹气控制时，可以刚好消除分离；如果使用更大的吹气动量系数，则在消除分离的基础上可以进一步增加舵面升力，提高舵面的气动操纵力矩。 
步骤四：调节直接力的大小与方向 
调节直接力的方向需要调节吹气方向，由于直接力是舵面吹气产生的反作用力，其方向与吹气方向相反。调节直接力的大小需要调节吹气动量系数，吹气动量系数越大，直接力越大。图4为直接力作用示意图。当舵面出现严重的流动分离时，可以利用直接力产生的操纵力矩实现飞行器的快速机动。 
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。 

Claims (5)

1.新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面，其特征在于：通过确定舵面吹气位置、确定供气与流量调节装置、调节舵面气动力的大小和调节直接力的大小与方向四个步骤，同时利用空气动力与直接力，达到改善飞行器的操纵特性的目的。
2.根据权利要求1所述的确定舵面吹气位置，其特征在于：舵面前缘吹气位置设置在舵面流动分离点处，通过测压实验、数值模拟等方法确定其具体位置。
3.根据权利要求1所述的确定供气与流量调节装置，其特征在于：供气气源包括发动机引气、高压储气罐等多种形式，流量调节装置由气源、减压阀、流量计、压力表和气体管路组成。
4.根据权利要求1所述的调节舵面气动力的大小，其特征在于：通过改变吹气方向、吹气口形状与吹气动量系数调节舵面气动力的大小，吹气口的形状包括吹气缝、吹气孔等多种形式。
5.根据权利要求1所述的调节直接力的大小与方向，其特征在于：通过改变吹气方向调节直接力的方向，通过改变吹气动量系数调节直接力的大小。 
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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