CN107472511A - 基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，包括气动控制面、作动系统和混合控制系统；气动控制面设有后缘控制面和扰流板，混合控制系统发送指令，通过作动系统控制后缘控制面和扰流板，对飞机进行控制。本发明单独设置了扰流板作为偏航控制，相比于一般的开裂式阻力方向舵，简化了最外侧后缘舵面的机械结构，减轻了结构重量，减小了滚转方向转动惯量，对于提高飞机的滚转率、提高飞机结构效率有利。

Description

基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面

技术领域

本发明属于航空领域，具体涉及一种飞翼布局飞机的气动舵面。

背景技术

飞翼布局是仅有机翼的一种飞机气动布局形式，由于外形简洁，被飞行器设计界认为是气动效率最高的布局。与此同时，外形简洁使得飞翼布局飞机本身具有较小的雷达散射面积，在采用边缘平行等准则进行修形后，飞翼布局飞机可以达到远高于常规布局飞机的雷达隐身水平。相对于常规布局飞机而言，飞翼布局飞机机体长度较短，俯仰阻尼不足，俯仰控制舵面力臂较短，俯仰控制能力较弱；没有垂直尾翼使得其航向稳定性和航向阻尼都较差，航向操纵效率相对正常式布局飞机也很低，这些不利因素限制了这种布局的应用。

现有飞翼布局飞机多采用机翼梢部后缘布置的开裂式阻力方向舵(SDR)进行航向操纵。SDR通过改变飞机左右两侧的阻力，解决了飞翼航向控制的问题，结合飞行控制系统，可以进一步解决飞翼的航向稳定性问题。然而传统SDR也存在许多方面的不足：1.传统SDR占据了翼梢位置，使得副翼只能布置在内侧位置；对于小展弦比飞翼布局飞机，仅在内侧布置副翼使得其滚转控制效率出现了明显的下降。2.传统SDR需要将后缘舵面进一步在高度上一分为二，由于后缘结构高度本身较小，由此容易带来舵面刚度不足的问题。除传统的SDR外，近年来也出现了一些新型的飞翼布局飞机控制方式，如专利“一种飞翼布局飞行器飞行姿态控制结构”(ZL201621038403.6)中，利用同侧后缘舵面差动偏转实现飞机航向控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，在解决现有飞翼布局飞机操纵效率低的情况下，保证.滚转控制效率不受影响，飞行状态下隐身性能不被破坏。

一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，包括气动控制面、作动系统和混合控制系统；

气动控制面设有后缘控制面和扰流板，混合控制系统发送指令，通过作动系统控制后缘控制面和扰流板，对飞机进行控制。

本发明的优点在于：

(1)本发明单独设置了扰流板作为偏航控制，相比于一般的开裂式阻力方向舵，简化了最外侧后缘舵面的机械结构，减轻了结构重量，减小了滚转方向转动惯量，对于提高飞机的滚转率、提高飞机结构效率有利；

(2)本发明最外侧后缘舵面可以作为升降副翼使用，相比于一般的开裂式阻力方向舵极大地提高了滚转控制效率；

(3)本发明相比于其他的舵面系统，由于存在扰流板，影响了更大面积的机翼，因此具有更高的偏航控制和空气刹车效率。

附图说明

图1是飞翼布局无人机的整机的俯视图；

图2是飞翼布局无人机的整机的等轴测视图；

图3是舵面剖视位置示意图；

图4是舵面剖切面A；

图5是作动系统的结构示意图。

图中：

1—最左侧后缘舵面 2—后缘舵面 3—后缘舵面

4—后缘舵面 5—后缘舵面 6—最右侧后缘舵面

7—右侧扰流板 8—左侧扰流板 9—伺服舵机

10—球头连杆 11—#1翼段 12—#2翼段

13—#3翼段

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，包括气动控制面、作动系统和混合控制系统；

其中气动控制面是产生气动力的部件，作动系统是操纵气动控制面的伺服系统，这两者都是硬件，混合控制系统是控制气动控制面和作动系统的运动规律的系统，本质上是各个部件的运动逻辑，属于软件。

气动控制面包括后缘控制面和扰流板，后缘控制面类似于传统的升降副翼，其具体布置方式为，机翼按照几何形状，用平行于弦线的线划分为若干梯形或曲边梯形的块。如果两个块的后缘是在同一条直线上的，合并为一个块。对于每个块，如果后缘长度在全机平均气动弦长(MAC)的0.5～1.5倍之间，应布置至少一个后缘舵面；如果后缘长度达到MAC的1.5～2.5倍，应布置两个后缘舵面，以此类推，即：从0.5倍开始，后缘长度每多出一倍MAC，就增加一片后缘舵面。一侧的机翼上可能有若干后缘舵面。后缘舵面的弦长为主要翼面(产生大部分升力的翼面)的弦长的20％到30％之间。舵面在不偏转时，弦线与舵面所在位置的机翼弦线重合，规定此时角度为0°，并规定旋转时使舵面后缘高于机翼上表面的旋转角度为正，正常工作时舵面的活动范围为±30°之间。

扰流板类似于传统的扰流板，其具体布置方式为：按照最外侧后缘控制面在展向的位置，在弦长的25％～35％处布置扰流板。每侧的机翼上仅布置一个扰流板。扰流板的弦长为主要翼面弦长的20％到30％之间。扰流板的轴布置在前缘。不偏转时，扰流板上表面与机翼上表面重合，规定此时角度为0°，并规定旋转时使舵面后缘高于机翼上表面的旋转角度为正；正常工作时的活动范围为0°到90°之间。

扰流板控制偏航的原理为：扰流板打开角度较小时，扰流板破坏了飞机机翼表面的附着气流，气流分离使得当地的阻力增加。扰流板打开角度较大时，扰流板显著增加了迎风面积，且扰流板不具有流线型外形，气流分离严重，会产生很大的阻力。只有一侧扰流板打开时，由于两侧阻力不对称，产生了偏航力矩。

对于隐身飞机，所有的气动控制面还有如下要求：气动控制面的俯视图平面形状均为平行四边形，并保证四条边与飞机的前缘和/或后缘平行，以减少散射方向，缩减散射主波瓣宽度；气动控制面的侧面需要修整，使可以在作动中露出的侧面不与飞机表面垂直，而是成至多60°的二面角，避免形成角反射器。

作动系统包括作动器和相应的连杆等组件。作动器可以是液压缸、气缸、伺服电机、直线伺服电机等部件。由于作动器的不同，连杆组件也有所区别。对于使用伺服电机的系统，气动控制面与球头连杆连接，球头连杆另一侧连接伺服舵机摇臂，形成经典的四连杆机构，即可达到作动的目的；对于使用直线作动部件的系统，可以由作动器直接推动气动控制面，二者使用球铰链连接。

混合控制系统通过作动系统对气动控制面进行控制，具体的控制方式如下：

俯仰控制：通过飞机的所有后缘舵面完成，具体操作为，所有后缘舵面同步下偏，控制飞机低头；所有后缘舵面同步上偏，控制飞机抬头。

滚转控制：通过飞机的外侧后缘舵面完成，所述的外侧后缘舵面具体指舵面气动中心在飞机半展长的1/3之外的后缘舵面。具体操作为，左侧的外侧后缘舵面同步上偏，对称舵面同步下偏，控制飞机向左滚转；右侧的外侧后缘舵面同步上偏，对称舵面同步下偏，控制飞机向右滚转。

偏航控制：通过飞机的扰流板做主要控制，最外侧后缘舵面做辅助控制，具体操作为，右侧扰流板上偏，飞机右偏航。由于扰流板破坏了最外侧机翼上表面气流的附着状态，该侧升力会减小，因此需要在打开扰流板的同时下偏最右侧后缘舵面，以使飞机保证俯仰轴和滚转轴的水平姿态。后缘舵面的辅助控制偏转角度为扰流板打开角度的40％～60％。

空气刹车：通过飞机的扰流板控制，最外侧后缘舵面辅助控制，具体操作为，两侧扰流板同时上偏，提供主要的阻力；同时两侧最外侧后缘舵面同时下偏，使飞机保证俯仰轴的水平姿态，并提供一小部分阻力。

上述所有控制均以指令直接叠加的方式加在各个舵面上，超过舵面偏转角度限制的部分进行限幅。

实施例：

本发明的基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，硬件部分包括气动控制面、作动系统，软件方面包括混合控制系统；

气动控制面具体的划分为：最左侧后缘舵面1、后缘舵面2、后缘舵面3、后缘舵面4、后缘舵面5、最右侧后缘舵面6、右侧扰流板7和左侧扰流板8，作动系统包括伺服舵机9和球头连杆10。

图1给出了舵面配置示意图。按照示例机机翼的几何平面形状，右侧机翼按照弦线划分为#1翼段11、#2翼段12、#3翼段13。根据每个翼段后缘长度与MAC的比例，在#1翼段11上布置1个舵面(即后缘舵面4)、#2翼段12上布置2个舵面(后缘舵面5、最右侧后缘舵面6)、#3翼段13上不布置舵面。左侧机翼与右侧机翼对称设置。

图3和图4给出了后缘舵面3的示意图，图3为平面图，图4给出了截面A-A的断面图，可见舵面侧面形状与舵面缺口侧壁不垂直，不存在形成角反射器的情况；

左侧舵面包括最左侧后缘舵面1、后缘舵面2和后缘舵面3，右侧舵面包括后缘舵面4后缘舵面5、最右侧后缘舵面6，上述舵面的可用活动范围为±30°，右侧扰流板7、左侧扰流板8的可用活动范围为0°～90°。

图5给出了一个典型的作动系统的连接方式，作动器为伺服舵机。舵面、连杆、舵机的连接方式如图5所示：气动控制面与球头连杆10的一端连接，球头连杆10另一侧连接伺服舵机9的摇臂，形成经典的四连杆机构，由伺服舵机9驱动舵面动作；

通过混合控制系统，气动舵面对飞机的具体的控制方式如下：

俯仰控制：通过飞机的所有后缘舵面完成，包括左侧舵面的最左侧后缘舵面1、后缘舵面2和后缘舵面3，右侧舵面的后缘舵面4后缘舵面5、最右侧后缘舵面6，具体操作为，所有后缘舵面同步下偏，飞机低头；所有后缘舵面同步上偏，飞机抬头。

滚转控制：通过飞机的外侧后缘舵面完成，包括最左侧后缘舵面1、后缘舵面2、后缘舵面5、最右侧后缘舵面6，具体操作为，最左侧后缘舵面1、后缘舵面2同步下偏，后缘舵面5、最右侧后缘舵面6同步上偏，飞机向右滚转；最左侧后缘舵面1、后缘舵面2同步上偏，后缘舵面5、最右侧后缘舵面6同步下偏，飞机向左滚转；

偏航控制：通过飞机的右侧扰流板7、左侧扰流板8和最左侧后缘舵面1、最右侧后缘舵面6控制，具体操作为，右侧扰流板7上偏，飞机右偏航，同时最右侧后缘舵面6下偏，以使飞机保证滚转轴和俯仰轴的水平姿态；左侧扰流板8上偏，同时最左侧后缘舵面1下偏，飞机左偏航。

空气刹车：通过飞机的右侧扰流板7、左侧扰流板8和最左侧后缘舵面1、最右侧后缘舵面6控制，具体操作为，右侧扰流板7、左侧扰流板8同步上偏，同时最左侧后缘舵面1、最右侧后缘舵面6下偏，以使飞机保证俯仰轴的水平姿态。

下面就控制的叠加进行举例说明。飞机进行大坡度的协调右转弯，右侧扰流板7打开60°，左副翼5°，升降拉杆10°，那么后缘舵面4的偏转角度应为10°，后缘舵面5的偏转角度应为10°-5°＝5°，后缘舵面2的偏转角度应为10°+5°＝15°，最右侧后缘舵面6的偏转角度应为60°×50％+10°-5°＝35°，由于最大偏角的限制，偏角为30°。

Claims (6)

1.一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，包括气动控制面、作动系统和混合控制系统；

气动控制面设有后缘控制面和扰流板，混合控制系统发送指令，通过作动系统控制后缘控制面和扰流板，对飞机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，所述的后缘控制面的设置具体为：

机翼按照几何形状，用平行于弦线的线划分为若干梯形或曲边梯形的块，如果两个块的后缘在同一条直线上，合并为一个块，对于每个块，如果后缘长度在全机平均气动弦长MAC的0.5～1.5倍之间，应布置一个后缘舵面，如果后缘长度在MAC的1.5～2.5倍之间，应布置两个后缘舵面，以此类推，从0.5倍开始，后缘长度每多出一倍MAC，就增加一片后缘舵面，后缘舵面的弦长为产生最大升力翼面弦长的20％到30％，后缘舵面在不偏转时，弦线与后缘舵面所在位置的机翼弦线重合，设此时角度为0°，设旋转时使舵面后缘高于机翼上表面的旋转角度为正，工作时，后缘舵面的活动范围为±30°之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，所述的扰流板的设置具体为：

最外侧后缘控制面在展向的位置，在弦长的25％～35％处布置扰流板，每侧的机翼上仅布置一个扰流板，扰流板的弦长为产生最大升力翼面弦长的20％到30％之间，扰流板的轴布置在前缘，不偏转时，扰流板上表面与机翼上表面重合，设此时角度为0°，并规定旋转时使舵面后缘高于机翼上表面的旋转角度为正，工作时，扰流板的活动范围为0°到90°之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，当针对隐身飞机时，后缘控制面和扰流板的俯视图平面形状均为平行四边形，四条边与飞机的前缘和/或后缘平行，后缘控制面和扰流板的侧面，在作动中，露出的侧面与飞机表面夹角最大为60°。

5.根据权利要求1所述的一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，所述的作动系统具体包括作动器和相应的连杆，作动器为液压缸、气缸、伺服电机或者直线伺服电机，针对伺服电机，气动控制面与球头连杆连接，球头连杆另一侧连接伺服舵机摇臂，形成四连杆机构，针对直线伺服电机，直线伺服电机直接推动气动控制面，二者使用球铰链连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于扰流板和后缘舵面配合的飞翼布局飞机的气动舵面，所述的混合控制系统通过作动系统对气动控制面进行控制，具体的：

俯仰控制：所有后缘舵面同步下偏，控制飞机低头；所有后缘舵面同步上偏，控制飞机抬头；

滚转控制：外侧后缘舵面指舵面气动中心在飞机半展长的1/3之外的后缘舵面；左侧的外侧后缘舵面同步上偏，对称舵面同步下偏，控制飞机向左滚转；右侧的外侧后缘舵面同步上偏，对称舵面同步下偏，控制飞机向右滚转；

偏航控制：右侧扰流板上偏，同时下偏最右侧后缘舵面，保证飞机俯仰轴和滚转轴的水平姿态，飞机右偏航；后缘舵面的辅助控制偏转角度为扰流板打开角度的40％～60％；

空气刹车：两侧扰流板同时上偏，同时两侧最外侧后缘舵面同时下偏，使飞机保证俯仰轴的水平姿态。