CN103661929A - 一种等离子体无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体飞行器，在飞行器的左机翼和右机翼前缘布置第一等离子体激励器，在?弦线处布置第二等离子体激励器，在最大厚度处布置第三等离子体激励器。同时，设计了一种微型化的等离子体电源，集成到飞行器内，可以通过程序以及遥控方式控制等离子体电源的开关及相关放电参数。当等离子体激励器开始工作时，激励器产生的等离子体射流增强了附面层抗逆压梯度的能力，可以控制飞行器上翼面的流场，改善飞行器的气动特性。适当的调节不同位置等离子体激励器的开启，可以产生气动力矩从而可以实现控制飞行器的飞行姿态。等离子体飞行器具有气动特性改善、无舵面飞行控制、隐身性好等特点。

Description

一种等离子体无人飞行器

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别是一种等离子体飞行器。

背景技术

现代飞行器的姿态控制主要都是由副翼、升降舵、方向舵的偏转来实现，而控制舵面偏转的铰链机构存在一些问题：舵面在大迎角飞行时效率低，操纵失效甚至反效，为飞行器的可控飞行带来隐患；铰链机构、舵面、液压系统增加了飞行器的重量，不利于增加飞行器的航程和航时；舵面以及平、垂尾的存在不利于飞行器的隐身。

尤其是飞翼布局的飞行器，虽然气动载荷的分布比常规布局飞行器更胜一筹，能够有效地提高升阻比，但是，也因为缺少垂尾和平尾，无尾布局飞机往往纵向以及航向静稳定性不足，这就要求飞翼上各种操纵面和推力矢量等装置共同作用来产生所需的各种力和力矩，但相应的也增加了操纵的难度。

而目前用于飞翼布局飞行器飞行稳定性及姿态的控制，采取的主要方法有：

1、推力矢量控制系统，如X-45采用了具有横航向矢量喷管的二元推力矢量的发动机。

采用推力矢量控制系统，即利用推力矢量发动机获得足够的力矩，保持飞行器飞行时的姿态或改变飞行姿态进行机动动作。但推力矢量发动机在机械结构上十分复杂，对设计、制造等技术要求非常高，我国目前还较难以制造。而且由于各种机构的加入增大了发动机本身的重量，影响了飞行器的携带载荷，另外对飞行器的隐身性能有不利影响。

2、多操纵面装置，如B-2A飞机机翼后缘成双W形，有4对操纵面，综合了副翼、升降舵、方向舵和襟翼的功能。

在飞翼布局上增加其他的控制面，如采用腹部副翼以及后缘副翼能增加升力，但不利于俯仰运动的平衡，必须搭配其他的控制方式，比如在重心前安置鸭翼。副翼的作用效果还需考虑到具体的布置位置，安装角，以及翼面的孔隙度等。同时，飞翼上的多操纵面装置包含多个操纵机构、铰链等，增加了飞行控制的复杂性和飞行器的重量。

3、主动柔性翼或自适应重构系统。

这项在不断研究的技术采用完整的可调节材料来形成机翼，这样减少了会影响流动的铰链结构。同时还可采用前缘以及后缘的智能化控制面。前缘智能化控制面，或者说是智能副翼，对于快速增加的动压能更好的来调节，减少了副翼反效的可能性，有利于滚转运动的控制。同时智能后缘控制面的采用，则很好的配合了其他的智能控制面，有助于气动力的维持以及改善。不过在目前，智能技术还不成熟或者相当复杂，不满足低成本、高航程的要求，难以在较短的时间内实现。

发明内容

本发明的目的在于设计一种等离子体无人飞行器， 该等离子体无人飞行器可以利用较简单的操作方式，改善气动性能，实现对飞行姿态的准确和稳定控制，同时保持不增加飞行器重量，还能增强隐身性能。

本发明所述的一种等离子体无人飞行器，主要包括机身、左机翼和右机翼，左机翼和右机翼分别连接在机身两侧，其特征在于：在所述机身、左机翼和右机翼表面布置若干个等离子体激励器。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述左、右机翼的前缘分别布置第一等离子体激励器、在¼弦线处分别布置第二等离子体激励器，在最大厚度处分别布置第三等离子体激励器。

作为上述技术方案的再进一步改进，左机翼和右机翼每对相对称的位置上所布置的等离子体激励器的数量相同。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述等离子体激励器为质阻挡放电等离子体激励器。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述质阻挡放电等离子体激励器包括连接在AC电源两端的两个非对称电极，中间由绝缘介质隔开，其中一个是暴露在空气中的裸露电极，另一个被绝缘介质覆盖的覆盖电极。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述等离子体激励器所用电源是一种微型化电源。

本发明所述的等离子体无人飞行器具有以下有益效果：

将等离子体布置在机翼表面流场特别敏感的地方，等离子体射流增强了附面层的抗逆压梯度能力，从而能抑制机翼表面的流动分离。等离子体可以对飞行器进行气动性能的改善，具体就是增升、减阻、抑制流动分离，提高升阻比。

常规飞行器的飞行姿态是依靠副翼的偏转实现的，而等离子体无人飞行器的滚转等姿态动作可以依靠等离子体来控制，实现无舵面控制。采用等离子体控制飞行器的优点体现在等离子体发生器由铜箔等金属电极，聚酰亚胺等绝缘介质加工，其维护成本低，放电能耗小。同时，等离子体可以在很大迎角下有效控制流动分离，所以等离子体无人飞行器，解决现代飞行控制技术面临的大功角舵面控制效率低的问题，使飞行器具有高机动性。另外等离子体的放电频率高达MHz的量级，所以响应频率也大大高于常规的操纵方式。

常规飞行器依靠舵面进行飞行控制，当打开舵面时，雷达散射面积增大，容易被雷达探测。而等离子体无人飞行器依靠等离子体进行飞行控制，减少了雷达散射面积，同时，等离子体有具有雷达波吸收和折射效应。大大的提高了飞行器的隐身性能。

附图说明

图1是等离子体无人飞行器的侧面立体示意图，

图2是等离子体无人飞行器的轴向立体示意图，

图3为典型表面介质阻挡放电SDBD等离子激励器结构示意图，

图4是微型化等离子体电源的原理框图，

图5是采用程序和遥控控制等离子体电源参数的原理框图，

图6是飞行器上关闭等离子体的流线图，

图7是飞行器上开启等离子体的流线图，

图8是等离子体对飞行器升力的控制曲线，

图9是等离子体对飞行器俯仰力矩的控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，一种等离子体飞行器，主要包括机身1和左机翼2以及右机翼3，左机翼2和右机翼3分别连接在机身1两侧，在所述左右机翼2、3的前缘分别布置第一等离子体激励器4、7、在¼弦线处分别布置第二等离子体激励器5、8，在最大厚度处分别布置第三等离子体激励器6、9。所述飞行器还包括动力装置10、前起落架11、后起落架12。飞行器布局不限于飞翼布局，可以是常规布局或者其他布局类型。

如图3所示，所述等离子体激励器为质阻挡放电等离子体激励器，包括连接在AC电源16两端的两个非对称电极，中间由绝缘介质14隔开，其中一个是暴露在空气中的裸露电极13，另一个被绝缘介质14覆盖的覆盖电极15。

所述等离子体激励器所用电源是一种微型化电源，放置在飞行器内部。如图4所示，微型化电源的原理是，首先由锂、镍、铅锌等小型直流电池提供5~30伏的电压，通过波形发电路将直流电压转换为脉冲、方波或者正弦交流信号，再经升压器将信号升压为幅值为5~30KV的高压脉冲、方波或者正弦交流信号。

等离子体激励器的开关以及相关电压参数的控制通过无线遥控器实现。如图5所示，发射机发出含有等离子体电源控制信号的PWM(脉冲宽度调制)信号，飞行器上的接收机接收到PWM信息，再经PWM转直流电路系统，将PWM信号转换成控制等离子体电源的开关、幅值、频率的模拟信号。

当要进行飞行器的气动性能改善时，通过无线或者程序控制等离子体电源放电，左机翼2和右机翼3上的等离子体激励器同时开始工作，就可以改善飞行器上的流场特性，图6是飞行器上关闭等离子体的流线图，图7是飞行器上开启等离子体的流线控制结果。等离子体能够用于飞行器的气动性能改善，是因为：将等离子体激励器布置在机翼表面流场特别敏感的地方，等离子体射流增强了附面层的抗逆压梯度能力，到达抑制分离的目的。通过等离子体控制飞行器上的流动分离，就可以直接或者间接的改善飞行器的气动特性，具体就是增升、减阻、抑制流动分离，提高升阻比。

当要使飞机做俯仰机动动作时，通过无线或者程序控制等离子体电源放电，开起左机翼的等离子体激励器，左机翼2的升力增大，如图8所示，由于左、右机翼2、3的升力不对称，就可以产生使飞行器向右翻滚的力矩，如图9所示，就可以控制飞机右翻滚机动动作。反过来，开起右机翼3的等离子体激励器，右机翼3的升力增大，由于左、右机翼2、3的升力不对称，就可以产生使飞行器向左翻滚的力矩，就可以控制飞机左翻滚的机动动作。

当要控制飞行器做俯仰机动动作时，只需要通过无线遥控器或者程序控制等离子体电源放电，同时开起左右机翼的等离子体激励器，就可以使飞机产生俯仰力矩，使飞行器抬头或者低头。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种等离子体飞行器，主要包括机身（1）、左机翼（2）和右机翼（3），左机翼(2)和右机翼(3)分别连接在机身（1）两侧，其特征在于：在所述机身（1）、左机翼(2)和右机翼(3)表面布置若干个等离子体激励器。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体飞行器，其特征在于：在所述左、右机翼（2、3）的前缘分别布置第一等离子体激励器（4、7）、在¼弦线处分别布置第二等离子体激励器(5、8)，在最大厚度处分别布置第三等离子体激励器(6、9)。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体飞行器，其特征在于：左机翼（2）和右机翼（3）每对相对称的位置上所布置的等离子体激励器的数量相同。

4.根据权利要求1、2或3任意一项权利要求所述的一种等离子体飞行器，其特征在于：所述等离子体激励器为介质阻挡放电等离子体激励器。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体飞行器，其特征在于：所述介质阻挡放电等离子体激励器包括连接在AC电源(16)两端的两个非对称电极，其中一个是暴露在空气中的裸露电极（13），另一个被绝缘介质（14）覆盖的覆盖电极（15）。

6.根据权利要求1、2、3或5任意一项权利要求所述的一种等离子体飞行器，其特征在于：所述等离子体激励器所用电源是一种微型化电源。

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