CN106553749B - 用于uav的气动改进性能的低速翼型设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于UAV的气动改进性能的低速翼型设计。一种被配置为用于在无人驾驶飞行器(100)中的低速性能的翼型(106)包括：具有上表面部分(164)的上表面(120)，所述上表面部分(164)具有在翼弦(128)的分段(168)处小于5度的顶部局部表面角大小；以及具有下表面部分(166)的下表面(122)，所述下表面部分(166)具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。翼弦(128)由在翼型(106)的前缘(124)处起始并且延伸到翼型(106)的后缘(126)的线定义。

Description

用于UAV的气动改进性能的低速翼型设计
技术领域
本公开一般涉及在飞行器中使用的翼型，并且更具体地涉及适于无人驾驶飞行器的翼型设计。
背景技术
一些飞行器设计，特别是无人驾驶飞行器使用用于改进低速性能的复杂机翼或翼型形状。这些翼型通常表现出防止飞行器在全范围状况下操作的严重失速特性。进一步地，这些复杂的形状难以制造，具有受限的内部容积，并且可能不利于附接外部部件，诸如后缘襟翼。
现有技术的翼型10的侧视图在图1中示出。翼型10具有上表面12和下表面14。为了实现在低速时的良好性能，翼型10由增加结构重量和制造复杂性二者的复杂曲率表征。薄的后缘16使得难以或不可能整合后缘襟翼。薄的轮廓和高弯度(camber)减少内部容积并且相应地减少燃料储存容量。高弯度也增加了包括有必要用于将可部署(折叠)机翼集成到机身内的结构部件的难度。
发明内容
在实施例中，一种被配置为用于在无人驾驶飞行器中的低速性能的翼型包括：具有上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角大小；以及具有下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义。
在另一个实施例中，一种无人驾驶飞行器(UAV)包括：机身；推进单元，其机械地耦接到机身；以及翼型，其耦接到机身。翼型包括：具有上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角；以及具有下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角。翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义。
在又一个实施例中，组装无人驾驶飞行器的方法包括：提供机身，将推进单元附接到机身，以及将翼型附接到机身。翼型具有：包括上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角；以及包括下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角。翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义。
已经讨论的特征、功能和优点能够在各种实施例中独立地实现，或者可以在另一些实施例中被组合，参考以下的说明和附图能够看出另一些实施例的进一步细节。
附图说明
为了所公开的方法和设备的更透彻理解，应参考关于附图更详细说明的实施例，其中：
图1是在无人驾驶飞行器(UAV)中使用的现有技术的低速翼型的侧视图；
图2是代表性UAV的透视图；
图3是图2的UAV的翼型的一部分的横截面视图；
图4是图2的UAV的翼型的另一实施例的一部分的横截面视图；
图5是示出用于图3和图4的翼型的上表面和下表面的局部表面角的图表。
图6是图3的翼型的另一横截面视图；以及
图7是在组装具有根据当前公开的图3或图4的翼型的UAV中执行的操作的说明。
应当理解，附图不一定按比例绘制，并且所公开的实施例有时被示意性地示出并且在局部视图中示出。在某些情况下，其细节没有必要用于所公开的方法和设备的理解，或可能已经省略难以察觉的其它细节。当然应当理解，本公开并不限于在此说明的特定实施例。
具体实施方式
图2是无人驾驶飞行器(UAV)100的透视图。UAV 100包括机身102和推进单元104，该推进单元104可直接或间接地耦接到机身102。也就是说，在一些实施例中，推进单元104可以耦接到机翼或翼型106，或者在另一些实施例中，推进单元104可直接耦接到机身102。在另一些实施例中，多个推进单元104可以耦接到翼型106。翼型106被配置成相对于在零攻角的升力(lift)提高UAV 100的性能，并且降低对翼型106的下表面的阻力，如下面更详细讨论的。
图3是根据当前公开的翼型106的横截面。翼型106包括上表面120和下表面122。前缘124由UAV 100的运动被驱动到迎面而来的(oncoming)空气中。后缘126处于上表面120与下表面122相遇的与前缘124相对的地方。翼弦被定义为在前缘124和后缘126之间的直线。通常将翼型前后距离规范化为翼弦的长度，如在下面图4和图5中进行的。这备注为x/c，其中x是当前点，并且c是翼弦的长度。也就是说，翼弦的中心点被定义为0.5或50％的x/c。
平均弯度线130被定义为在上表面120和下表面122之间的竖直中点。翼型弯度132被定义为从翼弦128到平均弯度线130的最大距离。在翼型106的任何点处，局部表面角被定义为线与点相切的角度。第一局部表面角134为正，而第二局部表面角136为负。下面更详细地讨论局部表面角。
图4图示说明是图3的翼型106的变型的翼型140。在本实施例中，翼型140为两个部分，主部分142和襟翼144。襟翼144可附接到主部分142的尾端143以完成翼型140。当耦接在一起时，无论是固定地或可移动地，主部分142与完全缩回的襟翼144通常匹配图3的翼型106的形状。翼型106和140二者还可以包括箱146。在另一些实施例中，箱146可以通过简单地密封翼型106、140的内表面来创建，以使得燃料或其它液体能够被直接泵入翼型106、140的内部空间147。
图5是示出用于翼型106的上表面120的局部表面角152和用于翼型106的下表面122的局部表面角的图表150。随着上表面120从前缘124迅速上升，上表面局部表面角以非常高的正角开始，并随着上表面120变平而开始减小。局部表面角152在由线160指示的略小于20％的翼弦长度(x/c)划分的距离处降到小于5度(线156)。
下表面122具有自前缘124的高负局部表面角154，并在距前缘124约20％的x/c的距离处降到小于-5％。上表面120的局部表面角和下表面122的局部表面角二者具有小于约5％的大小(绝对值)，直到下表面122的局部表面角在由线162指示的略小于50％的x/c处超过5％。上表面120和下表面122二者具有重叠部分，该重叠部分具有在从翼弦的约27％至翼弦的约38％(或更多)的翼弦的分段168处小于5度的局部表面角大小。在实施例中，其中上表面和下表面120和122二者具有小于5度的局部表面角的翼弦跨度的分段168是从前缘124测量的翼弦的30％至35％。在另一些实施例中，其中该重叠发生的翼弦跨度的分段可以改变，但一般是在翼型的前半部分中，并且通常覆盖翼型翼弦长度的5％或更多。
图6图示说明示出在线160和162之间的上述的分段168的翼型106的一个实施例。也就是说，分段168是具有上表面部分164和下表面部分166二者的翼型106的那部分，该上表面部分164和下表面部分166具有带有小于5度大小的局部表面角。在该图示说明的实施例中，分段168具有上表面部分164和下表面部分166二者，该上表面部分164和下表面部分166具有在线160和162之间发生的小于5度的局部表面角。
翼型106或翼型140的许多特征将它们的设计区别于顶部到底部更薄并且具有非常高弯度的常规UAV翼型，使得它们难以制造并具有小的内部容积。翼型106和140具有球根状前部。
翼型106、140借助于在前缘124上方的顶表面高度表现出“虚拟弯度”。上表面120和下表面122的长的平坦部分164、166在导致更好失速性能的零攻角处分别产生增加的升力。这允许UAV 100在没有灾难性失速风险下以更慢的速度操作。更具体地，与其它当前低速翼型相比，翼型106以更低的攻角实现最大升力/阻力比。所得到的在最大升力对阻力与失速攻角之间的攻角的宽裕度意味着即使存在与其它高性能低速翼型相比的大气湍流，翼型106也能够以其最大潜力操作。
下表面的低角度部分166减小阻力并提高飞行效率。在实施例中，下表面122具有可归因于上表面120的小于10％的阻力。机翼的增加高度增加了一般容纳机翼箱并且特别是燃料储存器的内部容积。在上表面120和下表面122之间的增加高度也允许分开的襟翼144被附接到主部分142，该主部分142对于不同工况产生可调节襟翼或更容易改变的尾部轮廓的可能性。最后，例如当折叠翼型有利于UAV 100的储存和运输时，增加的高度使得它更容易可移动地将翼型106附接到机身102。
图7是组装无人驾驶飞行器(UAV)100的方法200的流程图。在框202处，提供机身102。在框204处，推进单元104可附接到机身102。在各种实施例中，如在大多数单发动机UAV中可见，推进单元104可直接附接到机身102，或两个或更多个推进单元104可以附接到翼型106，该翼型106进而附接到如在图2中所示的机身102。
在框206处，翼型106可附接到机身102。翼型106具有：包括上表面部分164的上表面120，该上表面部分164具有在翼弦128的分段168处小于5度的顶部局部表面角大小，其中翼弦128由在翼型106的前缘124处起始并且延伸到翼型106的后缘126的线定义；以及包括下表面部分166的下表面122，该下表面部分166具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。也就是说，在横截面中查看的翼型的重叠部分中，上表面120和下表面122二者具有在-5度和+5度之间的局部表面角。在实施例中，翼型106具有从翼型的前缘124延伸翼弦的约20％至约40％的最大厚度。在翼型106的该区域中最大厚度创建在零攻角处增加升力的“虚拟弯度”。在另一个实施例中，翼弦128的翼型分段168包括距沿着翼弦128测量的翼型106的前缘124的30％的点。
可选地，在框208处，襟翼组件可附接到翼型140的主部分142的尾端143。
在框208处，燃料储存器可使用箱146或简单地密封翼型106的内部空间或翼型140的主部分142而设置在翼型106或翼型140中。
与常规低速翼型设计相比，使用带有具有上述形状的至少主部分的翼型106、140的UAV 100或常规飞行器表现出改进的失速特性、较小的低表面阻力并且具有更大的内部储存器。进一步地，根据该设计的翼型106、140更容易制造，因为与以前使用的机翼相比，它们具有较少和较低的半径曲线。例如，一些现有技术的翼型使用反射的弯度(reflexcamber)。根据当前描述的翼型具有非反射的弯度。
进一步地，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种被配置为用于在无人驾驶飞行器中的低速性能的翼型，该翼型包括：
具有上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角大小，其中翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义；以及
具有下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。
条款2.根据条款1的翼型，其中翼弦的分段覆盖从翼弦的27％到翼弦的38％的范围。
条款3.根据条款1的翼型，其中翼弦的分段覆盖从翼弦的30％到翼弦的35％的范围。
条款4.根据条款1的翼型，其中翼型的弯度位于翼弦的后1/3处，其中弯度是在翼弦和平均弯度线之间的最大距离。
条款5.根据条款1的翼型，其中下表面的至少75％位于翼弦处或低于翼弦。
条款6.根据条款1的翼型，其中翼型的最大厚度从翼弦长度的约20％延伸到约40％。
条款7.根据条款1的翼型，进一步包括在上表面和下表面之间的箱。
条款8.根据条款1的翼型，其中翼型具有非反射的弯度。
条款9.根据条款1的翼型，其中可归因于翼型的下表面的第一阻力小于可归于翼型的上表面的第二阻力的10％。
条款10.一种无人驾驶飞行器(UAV)，其包括：
机身；
推进单元，其机械地耦接到机身；以及
翼型，其耦接到机身，该翼型包括：
具有上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角大小，其中翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义，以及具有下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。
条款11.根据条款10的UAV，其中翼弦的分段包围翼弦上距翼型的前部30％的点。
条款12.根据条款11的UAV，其中翼型的弯度位于翼弦的后1/3处，其中弯度是在翼弦和平均弯度线之间的最大距离。
条款13.根据条款12的UAV，其中翼型的最大厚度从翼弦的约20％延伸到翼弦的约40％。
条款14.根据条款10的UAV，其中翼型被配置成储存燃料箱。
条款15.根据条款10的UAV，其中翼型包括附接的襟翼。
条款16.一种组装无人驾驶飞行器的方法，所述方法包括：
提供机身；
将推进单元附接到机身；以及
将翼型附接到机身，该翼型具有：包括上表面部分的上表面，该上表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的顶部局部表面角大小，其中翼弦由在翼型的前缘处起始并且延伸到翼型的后缘的线定义；以及包括下表面部分的下表面，该下表面部分具有在翼弦的分段处小于5度的底部局部表面角大小。
条款17.根据条款16的方法，进一步包括：
将襟翼组件附接到翼型的主部分的尾端。
条款18.根据条款16的方法，进一步包括：
将燃料储存器提供在翼型中。
条款19.根据条款16的方法，其中将翼型附接到机身包括，将翼型附接到其中翼弦的分段包括距翼型的前缘30％翼弦长度的点的机身。
条款20.根据条款16的方法，其中将翼型附接到机身包括将翼型附接到其中翼型具有自翼型前部延伸从翼弦的约20％至翼弦的约40％的最大厚度的机身。
虽然已经阐述了仅某些实施例，但是对于本领域的技术人员而言，替代和修改从以上描述将是显而易见的。这些和其它替代被认为是等同的并且处于该公开以及所附权利要求的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种用于无人驾驶飞行器(100)的翼型(106)，所述翼型包括：
具有上表面部分(164)的上表面(120)，所述上表面部分(164)具有在翼弦(128)的分段(168)处小于5度的顶部局部表面角大小，其中所述翼弦(128)由在所述翼型(106)的前缘(124)处起始并且延伸到所述翼型(106)的后缘(126)的线定义；
具有下表面部分(166)的下表面(122)，所述下表面部分(166)具有在所述翼弦的所述分段处小于5度的底部局部表面角大小；以及
被限定在所述上表面(120)和所述下表面(122)之间的最大厚度，其中所述最大厚度从所述翼弦(128)的大致20％延伸到所述翼弦(128)的大致40％的长度。
2.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述翼弦的所述分段(168)覆盖从所述翼弦的27％到所述翼弦的38％的范围。
3.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述翼弦的所述分段(168)覆盖从所述翼弦的30％到所述翼弦的35％的范围。
4.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述翼型的弯度(132)位于所述翼弦的后1/3处，其中所述弯度(132)是在所述翼弦(128)和平均弯度线(130)之间的最大距离。
5.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述下表面(122)的至少75％位于所述翼弦处或低于所述翼弦。
6.根据权利要求1所述的翼型(106)，进一步包括在所述上表面(120)和所述下表面(122)之间的箱(146)。
7.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述翼型具有非反射的弯度。
8.根据权利要求1所述的翼型(106)，其中所述底部局部表面角产生可归因于所述翼型的所述下表面(122)的下表面阻力，并且所述顶部局部表面角产生可归因于所述翼型的所述上表面(120)的上表面阻力，所述下表面阻力小于所述上表面阻力的10％。
9.一种无人驾驶飞行器，即UAV(100)，其包括：
机身(102)；
推进单元(104)，其机械地耦接到所述机身(102)；和
翼型(106)，其耦接到所述机身(102)，所述翼型(106)包括：
具有上表面部分(164)的上表面(120)，所述上表面部分(164)具有在翼弦(128)的分段(168)处小于5度的顶部局部表面角大小，其中所述翼弦(128)由在所述翼型(106)的前缘(124)处起始并且延伸到所述翼型(106)的后缘(126)的线定义；具有下表面部分(166)的下表面(122)，所述下表面部分(166)具有在所述翼弦的所述分段处小于5度的底部局部表面角大小；以及被限定在所述上表面(120)和所述下表面(122)之间的最大厚度，其中所述最大厚度从所述翼弦(128)的大致20％延伸到所述翼弦(128)的大致40％的长度。
10.根据权利要求9所述的UAV(100)，其中所述翼弦(128)的所述分段(168)包围在所述翼弦上距所述翼型(106)的前部30％的点。
11.根据权利要求10所述的UAV(100)，其中所述翼型的弯度(132)位于所述翼弦(128)的后1/3处，其中所述弯度(132)是在所述翼弦(128)和平均弯度线(130)之间的最大距离。
12.根据权利要求9所述的UAV(100)，其中所述翼型(106)被配置成储存燃料箱(146)。
13.根据权利要求9所述的UAV(100)，其中所述翼型(106，140)包括附接的襟翼(144)。
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