CN103732492A - 分裂融合式小翼 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有第一一般地上突的机翼端部和第二一般地下突的机翼端部的分裂式小翼。第二一般地下突的机翼端部可以与第一一般地上突的机翼端部一体地形成以形成小翼组件，或者可以单独地附连到现有的上弯小翼之上。

Description

分裂融合式小翼

优先权：本申请要求2011年6月9日递交的美国临时申请No.61/495,236的优先权，所述申请通过引用被整体并入本申请。

背景技术

小翼是一般地平面的机翼的一般地上倾的端部。小翼减小由机翼末梢涡流产生的阻力。然而，小翼生成增大机翼上的弯矩的升力。

各种机翼末梢装置以及几何结构已被描述，例如，美国专利公开No.2007/0252031（题为“机翼末梢装置”，2007年11月1日公开）、美国专利公开No.2007/0114327（题为“机翼负载缓和设备及方法”，2007年5月24日公开）、美国专利No.6,722,615（题为“机翼的机翼末梢延伸部”，2004年4月20日授权）、美国专利No.6,827,314（题为“具有机翼翘曲主动控制的飞行器”，2004年12月7日授权）、美国专利No.6,886,778（题为“有效的机翼末梢装置及将这样的装置结合到现有的机翼设计中的方法”，2005年5月3日授权）、美国专利No.6,484,968（题为“具有椭圆小翼的飞行器”，2002年11月26日授权）、美国专利No.5,348,253（题为“融合式（blended）小翼”，1994年9月20日授权），这些文献中的每个都通过引用被并入本申请，就像在本文中被全文阐述一样。

发明内容

本文中描述创新的包括分裂式小翼（split winglet）的小翼构思，所述分裂式小翼包括分开的在翼弦平面上方和下方的延伸部。分裂式小翼包括类似于现有的小翼的上倾元件和下斜元件（腹鳍）。腹鳍对抗由机翼末梢与下机翼表面之间的相互作用产生的涡流。

分裂式小翼被设计为在不产生在现有的小翼设计中发现的增大的弯矩的情况下减小阻力。分裂式小翼设计据信会使燃料燃耗相对于未经修改的机翼改进大约1.5%至9.5%或者使阻力相对于未经修改的机翼减少大约1.5%至9.5%并且使巡航性能相对于现有的融合式（blended）小翼构型提高大于40%。

如本文中所描述的实施方案可以适应于各种机翼和机翼末梢设计。实施方案可以包括在机翼末梢作为单个单元附连的一体化分裂融合式小翼，或者可以包括被设计为附连到现有的融合式小翼的单独的腹鳍。

附图说明

可以参照附图更好地理解所公开的系统和方法。附图中的组件不一定按比例绘制。

图1是根据本发明的实施方案的示例性分裂式小翼的三视图图示。

图2图示说明根据本发明的实施方案的具有分裂式小翼的机翼的示例性负载分布的主要特性。

图3是根据本发明的实施方案的示例性一体化分裂式小翼的两视图图示。

图4图示说明附连到飞机的分裂式小翼设计的示例性实施方案。

图5图示说明根据本发明的实施方案的包括不同的末梢构型的示例性分裂式小翼。

具体实施方式

融合式小翼产生优越的减阻结果和飞机性能中的其他改进。如本文中所描述的分裂式小翼的实施方案在基本上不改变除了基本融合式小翼设计所需的结构支撑之外还需要的结构支撑的情况下提供另外的性能益处。分裂式小翼通常涉及将附加表面放置在翼弦平面下方。在一个实施方案中，所述附加表面与弯曲小翼一体地构造。在另一个实施方案中，腹鳍是现有的融合式小翼的附加组件。使描述并示出某些实施方案的以下描述和附图以非限制性的方式说明根据本公开的各个方面和特征的分裂式小翼的几种可能的构型。

图1是示例性分裂式小翼的三视图图示。图1A是具有腹鳍102的示例性小翼100的前视图；图1B是底视图；图1C是侧视图。小翼包括在A处附连到机翼104的主表面，该主表面具有融合式小翼的几何特征，包括近似平面的外面板B、末梢构型C以及机翼与小翼外面板之间的过渡段A-B。腹鳍102在翼弦平面下方突出，并且包括腹面D。

在示例性实施方案中，小翼几何结构可以在常用范围内变化（即，大小（h₁）、斜面角（φ₁）、掠角（Λ₁）、弧高（ε）和扭转角（θ）），而没有明显损及腹面D的优化或分裂式小翼的总性能。末梢段C的每个表面的几何结构可以单个地被设计为提供与每个表面负载相应的椭圆形末梢负载。

外面板B被设计为承载大部分负载。外面板B大致是平面的，以斜面角φ₁从机翼末梢突出。外面板B的前缘E以角度Λ₁后掠。外面板B在机翼104的平面上方延伸到高度h₁。机翼与小翼外面板之间的过渡段A-B被优化来最小化气动干扰。在示例性实施方案中，过渡段A-B一般地是曲率半径为r的近似径向曲线。末梢构型C针对椭圆负载进行优化。

腹面D的大小和方位符合特定物理约束，并且腹面D被优化为提供与在对机翼弯矩的影响最小时的最大益处相应的负载。腹鳍102从弯曲小翼的过渡段A-B突出。腹面D以斜面角φ₂从弯曲小翼成直线地突出。腹鳍102在机翼平面下方距离h₂处创建下突表面。

由于分裂式小翼而导致的减阻远好于对于与主表面B相同大小的融合式小翼的减阻。当腹面D的长度大约为主表面的高度的0.4倍（h₂=0.4×h₁）时，这一增量可以为2%或更大。其他气动特性被类似地增强，这导致更高的巡航海拔高度、更短的爬升时间、改进的抖震裕度、降低的噪声以及更高的第二段重量极限。预期对于飞机可控性或处理质量没有不利影响。

机翼的结构刚度特性的任何改进将导致另外的与机翼气动扭转的减小相应的阻力益处。如果机翼具有可用的结构裕度或者机翼可以在结构上被修改来使得弯矩可以增大，则阻力益处将增大。除了由小翼单独生成的弯矩之外，机翼修改与减阻之间的权衡可以有利于弯矩的适度增大。

腹鳍102可以在与上突弯曲机翼末梢一般地相同的展向机翼（spanwise wing）位置从机翼平面射出。腹鳍102还可以从沿着机翼末梢（包括沿着过渡段A-B或者外面板B的较下的面对表面）的其他位置射出。例如，腹鳍可以从径向A-B过渡部分的一般中间点射出。

在示例性实施方案中，上突弯曲机翼末梢可以从机翼连续地过渡。上突小翼可以包括这样的段，该段使机翼的上表面和下表面沿着前缘和后缘连续地延伸，使得上突小翼平滑地与机翼表面合成一体。上突小翼可以连续地且平滑地向上弯曲，以从机翼轮廓无缝地过渡到一般地平面的机翼末梢轮廓。上突机翼末梢然后以相对于垂直线的一角度以一般地平面的方式延伸，并且端接于小翼末梢。上突小翼的前缘110可以包括以角度Λ₁扫掠的一般地直线的段112。前缘110可以在段114从机翼的前缘连续地且平滑地过渡到一般地直线的段112。前缘然后可以在116从一般地直线的段112起弯曲，使得前缘靠近一般地平行于飞机主体（未示出）的气流方向118。上突小翼后缘120可以是一般地直线的，并且在弯曲的向上方向上过渡以从机翼后缘连续地过渡到小翼后缘。小翼可以具有比机翼更大程度的扫掠和锥度。

腹鳍可以是上弯曲小翼下方的一般地平面的突出部，并且以相对于垂直线的一角度一般地在机翼的平面下方延伸。腹鳍可以一般地是机翼的形状，使得它被扫掠和呈现锥形。腹鳍前缘122可以是一般地直线的，从弯曲小翼延伸并且在腹鳍末梢沿着连续曲线朝着气流方向118过渡。腹鳍的后缘可以是一般地直线的。在一个实施方案中，腹鳍前缘122可以是一般地弯曲的，使得机翼表面与腹鳍之间的不连续性减少。因此，前缘122可以更靠近小翼的表面，背离机翼表面过渡到一般地直线的段，然后最终过渡到末梢形状。

腹鳍在与机翼附连的位置处的弦长可以等于或短于机翼或上突机翼末梢在附连位置处的弦长。如在图1B中所见的，腹鳍的弦长短于弯曲小翼部分在附连位置处的弦长。腹鳍的后缘从沿着弯曲小翼的后缘的点射出。腹鳍的前缘从弯曲小翼的底面射出。

在示例性实施方案中，分裂式小翼可以是一体的，使得弯曲小翼和腹鳍被设计为连续的机翼末梢结构。弯曲小翼因此创建上突表面，腹鳍创建下突表面。腹面D可以在近似直线轮廓处从弯曲小翼的下表面突出。弯曲小翼和腹鳍的交叉点是连续的，构成融合式交叉点，以最小化气动干扰并且生成最佳负载。弯曲小翼和腹鳍可以从同一展向机翼位置射出。

在示例性实施方案中，腹鳍可以通过附连到机翼或已经从机翼末梢突出的弯曲小翼来单独地附连到机翼。腹鳍可以通过螺栓紧固到或者以其他方式附连到机翼末梢段。腹鳍102可以包括一般地直线的腹面D。腹鳍可以在弯曲小翼的过渡段A-B的中间点附近附连到弯曲小翼。腹鳍102可以在机翼下方突出。

根据上述几何结构和设计考虑因素，图2图示说明具有分裂式小翼的机翼的负载分布的主要特性。负载分布针对主表面B的指向板内的负载和腹面D上的指向板外的负载进行优化。这为主表面和腹面的任何组合提供最大阻力益处，所述主表面和腹面被选定尺寸使其负载不超过由机翼结构能力建立的极限。主表面B和腹面D的负载一般地是椭圆形的。主表面B和腹面D的端部处的负载接近于零，而这些表面从机翼表面起的原点承载更大的负载。机翼末梢处的被指示为l₁的负载一般地等于主表面B和腹面D的原点处的负载的总和（即，l_1B+l_1D）。

图3图示说明根据本发明的实施方案的示例性一体化分裂式小翼。图3A图示说明小翼的示例性前视图，而图3B图示说明示例性侧视图。示例性一体化分裂式小翼被设想为可以在位置A处直接附连到机翼末梢的单元。然而，显然，它可以容易地分离为两个或更多个部分，包括极其类似于融合式小翼的上元件以及可以在小翼上元件与机翼末梢之间的过渡部分（即，过渡段BC）附连到第一元件的下元件（腹鳍）。

上元件一般地由配接段（AB）、过渡段（BC）和桨叶段（CD）组成。配接段AB被构造为将分裂式小翼配合到现有的机翼端部上，并且一般地对应于从A延伸的机翼表面。如从上方看到的，配接段AB将一般地是梯形的。过渡段BC在B处的延伸机翼表面与C处的桨叶段之间提供连续过渡的表面。过渡段BC具有可以变化的曲率半径R。桨叶段CD一般地是平面的，并且被设计为承载大部分负载。不同段被串联地连接以形成由连续的前缘和后缘曲线勾画的第一元件，这些曲线界定上表面和下表面以形成具有翼型剖面的立体。

过渡段BC可以具有沿着其长度的可变半径；因此，可以就平均半径R_A和沿着过渡部分的任何点处的最小半径R_M对该段进行描述。上元件的过渡段BC可以具有主展向发生器的平均曲率半径R_A和任何点处的满足以下标准的最小曲率半径R_M：

$\frac{R_A}{h}=K_A\frac{1}{\sqrt{1+\sin {\mathrm{\φ}}_1}}$

其中，K_A优选地在0.25与0.7之间，更优选地在0.25与0.35之间。最小半径与平均半径之间的比率R_M/R_A优选地在0.3与1.0之间，更优选地在0.5与1.0之间。

过渡段BC在前缘附近的翼型几何结构受到前缘掠角Λ、翼型鼻部弧高η与鼻部弧高的弦向广度ξT之间的以下关系约束：

$\mathrm{\&eta;}/{\mathrm{\&eta;}}_N={(1-\frac{\mathrm{\&xi;}}{{\mathrm{\&xi;}}_T})}^2;0<\mathrm{\&xi;}<{\mathrm{\&xi;}}_T$

η₂＝1ξ_Ｔ＝.006tan1-2Λ

下元件一般地由腹鳍EF组成。下元件具有附连到第一元件的一般地是翼状的构型。下元件可以沿着过渡段BC以一般地90°的角度附连到第一元件，一般地90°的角度允许相对于局部机翼矢量调整第二元件。

上元件（用下标1标识）和下元件（用下标2标识）二者的总体几何结构由离机翼平面的高度（h₁和h₂）、斜面角（φ₁、φ₁）、入射角（i₁、i₂）、掠角（Λ₁、Λ₂）以及桨叶锥度（λ₁、λ₂）定义。几何结构确定对于飞机性能特性的增强是关键的气动负载。一般地，几何参数被选择来在不引起将抵消或损及阻力益处或者不利地影响其他特性的结构改变和重量改变的情况下最小化阻力。优化处理导致独立的几何参数的最佳组合、同时满足应用于针对给定应用选择的相关设计参数的约束。以上标识的参数是基本上独立的参数，但是它们可以被认为对于某些应用是相关的。另外的相关参数包括负载划分比、可允许的机翼弯矩、结构修改的程度、小翼大小、飞机操作限制、经济要求和企业要求以及适应性。对于分裂式融合式小翼的优化的设计限制将比传统的融合式小翼技术更复杂。

上元件和下元件相对于机翼法线成一斜面角定向。上表面的斜面角一般地在0°与50°之间（即，0°<φ₁<50°），而第二元件的斜面角在90°与180°之间（即，90°<φ₂<180°）。

第一元件和第二元件的每个包括锥形的近似平面的段。对于第一元件，这些段包括一般地在约0.28和0.33的范围（即，0.28<λ₁<0.33）内的锥度比，对于第二元件，这些段包括一般地在约0.33和0.4的范围（即，0.33<λ₂<0.4）内的锥度比。分裂式小翼包括与约.6和.7的范围内的设计升力系数C_L（即，0.6<C_LW<0.7）相应的表面积以及与在设计操作条件下满足以下标准的段寿命系数相应的厚度比：

Winglet M_crit=Wing M_crit+.01。

上元件和下元件二者的前缘302和303曲线随前缘掠角一直到65°单调地变化。前缘曲线和掠角与翼型剖面鼻部弧高相关以防止或减小前缘涡流的形成。这些元件在斜面角、曲率、高度和表面积方面受限，以在对影响重量、成本和飞机经济的机翼结构要求的影响最小的情况下在飞行包络线上保持最佳性能。

图4图示说明分裂式小翼设计的另一个实施方案。如在图4中所见的，分裂式小翼400是机翼402在上段404和下段406中的连续突出部，上段404在机翼402平面上方延伸，下段406在机翼402平面下方。上段和下段的前缘从沿着机翼末梢的前缘的共同点射出；而上段和下段的后缘类似地从沿着机翼末梢的后缘的共同点射出。上部分和下部分二者的前缘可以具有其中从机翼到直线部分平滑弯曲地过渡的一般地是直线的部分。上部分和下部分的小翼末梢可以朝着自由流空气方向（在图4上由箭头指示）弯曲。后缘可以一般地以直线方式突出到相应的小翼部分端部。上和/或下部分的后缘还可以包括从共同点起弯曲的段以缩短相应部分的弦长，使得上部分和下部分的锥度是可变的，并且沿着上和/或下部分的一部分的锥度可以大于从机翼起的锥度。机翼的上表面和下表面分别连续地延伸到小翼的上部分和下部分的上表面和下表面上。上部分的下表面与下部分的上表面之间的接合也可以是连续的。

图5图示说明包括一不同的末梢构型500的示例性分裂式小翼。上小翼段和下小翼段可以具有各种设计，包括前缘和后缘、小翼表面外形、小翼与机翼之间的过渡轮廓以及小翼末梢轮廓。如在前面所公开的，小翼部分的前缘和后缘可以是机翼前缘和后缘的连续延伸部。小翼段的锥度也可以大于机翼的锥度，并且可以是沿着其长度可变的。对于连续的前缘和后缘设计，到更大锥度的过渡可以沿着前缘或后缘或者前缘和后缘的组合发生。下部分（即，腹鳍）可以具有与上小翼部分和机翼相同的弦向跨度，或者可以缩小使得腹鳍的前缘和/或后缘从机翼或上弯曲小翼部分的下表面延伸。小翼末梢500还可以根据应用包括各种形式和曲率。如图5所示，附加末梢边缘502可以包括在前缘与后缘之间。小翼的上和下部分中的任何一个或这二者的前缘和/或后缘还可以朝着自由流空气方向弯曲。题为“弯曲的机翼末梢（Curved Wing Tip）”的美国公开号2010/018432描述了可应用于本分裂式小翼末梢的替代小翼末梢设计，该文献通过引用被整体并入本文中。

尽管本发明已经依据具体的变化方式和示例性附图被描述，本领域的普通技术人员将意识到本发明不限于所描述的变化方式或附图。另外，在上述方法和步骤指示按某一顺序发生的某些事件的情况下，本领域的普通技术人员将意识到某些步骤的排序可以被修改并且这样的修改是符合本发明的变化方式。另外，某些步骤在可能时可以同时在并行处理中被执行，并且还可以如上所述那样被顺序地执行。因此，在一定程度上本发明存在这样的变化方式，所述变化在本公开的精神内或者等同于出现在权利要求书中的发明，所意图的是，本专利也将覆盖这些变化方式。描述了小翼的附连端。小翼可以被一体地形成，或者可以分开地通过螺栓紧固在一起。因此，附连端被制造为将通过螺栓紧固到或可以以其他方式单独地附连到现有机翼的端部包括到单独的小翼组件，或者可以通过弯曲小翼与机翼一体地形成。小翼的附连端于是将是小翼结构与现有机翼平面之间的、可以通过机翼和小翼的一体性附连的边界。术语附连、连接和耦连在本文中互换地用于包括结构之间的任何直接或间接的附连。本文中所描述的实施方案参照飞机机翼的端部轮廓进行了概括描述。本发明不如此受限，而是可以用在其中涉及由表面端部引起的阻力的其他飞行器中。

Claims (20)

1.一种机翼末梢，所述机翼末梢包括：

附连端，所述附连端被成形为附连到机翼末梢，所述附连端限定翼弦平面；

小翼，所述小翼耦连到所述附连端，在所述翼弦平面上方延伸；以及

鳍，所述鳍耦连到所述附连端，在所述翼弦平面下方延伸。

2.如权利要求1所述的机翼末梢，其中所述小翼具有包括一般地弯曲的过渡段和一般地直线的段的前部轮廓。

3.如权利要求2所述的机翼末梢，其中所述鳍从所述小翼的所述一般地弯曲的过渡段突出。

4.如权利要求3所述的机翼末梢，其中所述鳍具有一般地直线的前部轮廓。

5.如权利要求1所述的机翼末梢，其中所述小翼的前缘包括后掠的一般地直线的段和靠近自由流空气方向的末梢段。

6.如权利要求5所述的机翼末梢，其中所述小翼的后缘是一般地直线的。

7.如权利要求1所述的机翼末梢，其中所述鳍的前缘包括后掠的一般地直线的段和靠近所述自由流空气方向的末梢段。

8.如权利要求1所述的机翼末梢，其中所述小翼的后缘和所述鳍起始于共同位置。

9.一种可附连到机翼端部的、包括从展向机翼位置射出的上突表面和下突表面的机翼末梢。

10.如权利要求9所述的机翼末梢，其中当所述机翼末梢附连到所述机翼端部时，所述上突表面在所述机翼端部上方延伸，所述下突表面在所述机翼端部下方延伸。

11.如权利要求10所述的机翼末梢，其中所述下表面从所述展向机翼位置是一般地以直线方式突出。

12.如权利要求10所述的机翼末梢，其中所述上突表面在所述展向机翼位置的弦长大于所述下突表面在所述展向机翼位置的弦长。

13.如权利要求10所述的机翼末梢，其中所述上突表面的前缘在所述上突表面远离所述展向机翼位置的端部附近靠近所述自由流空气方向。

14.如权利要求9所述的机翼末梢，其中所述上突表面上的与所述展向机翼位置相邻的过渡段形成近似径向曲线。

15.如权利要求14所述的机翼末梢，其中所述上突表面从所述过渡段以一般地平面的方式延伸。

16.如权利要求14所述的机翼末梢，其中所述上突表面和所述下突表面的交叉点被融合以最小化气动干扰并且生成最佳负载。

17.如权利要求14所述的机翼末梢，其中所述下表面是耦连到现有的弯曲小翼的、包括所述上突表面的可单独地附连的鳍。

18.一种具有从主体突出的机翼的飞行器，所述机翼具有分裂式机翼末梢，所述分裂式机翼末梢包括：

第一机翼端部，所述第一机翼端部在所述机翼的平面上方突出；以及

第二机翼端部，所述第二机翼端部在所述机翼的所述平面下方突出。

19.如权利要求18所述的飞行器，其中所述分裂式机翼末梢还包括弯曲段，所述第一机翼端部是所述弯曲段在一般地平面的上突部中的连续延伸部，所述第二机翼端部从所述弯曲部分以一般地平面的方式突出。

20.如权利要求19所述的飞行器，其中所述第一机翼端部和所述第二机翼端部在第一机翼端部末梢和第二机翼端部末梢包括靠近平行于所述飞行器的纵轴的直线的前缘。

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