CN107933891A - 一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涵道式飞行器低噪音机匣及舵面，机匣分唇口环、机匣主体及锯齿底环，三者依次从上向下排列，通过四个螺孔使用长螺栓与螺母连接和固定；尾部导向舵面安装在锯齿底环内侧，尾缘处有三角形锯齿。锯齿底环尾部锯齿为正弦型，锯齿端面与机匣内侧圆柱面垂直。进行了机匣处理后的机匣主体能更有效的吸收螺旋桨产生的噪声；锯齿底环通过影响速度剪切层结构，能有效降低涵道飞行器的射流噪音；尾部导向舵面尾缘处的锯齿结构加宽了尾迹区域并加快了尾涡的破碎，有效降低了舵面后的湍流噪声。与传统多旋翼和涵道飞行器相比，使用本发明提出的机匣及舵面的飞行器飞行时更安静，能够让飞行器执行有高隐蔽性需求的任务，有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无人飞行器领域，涉及一种涵道式飞行器低噪音机匣及舵面，具体涉及一种具有锯齿尾缘结构并进行了机匣处理的涵道式垂直起降飞行器机匣和一种含有锯齿尾缘结构的尾部方向舵。
背景技术
涵道式垂直起降飞行器是一种将螺旋桨与动力装置包裹在横截面具有一定厚度与形状的涵道机匣内部的小型无人飞行器，因其机匣的包裹性使得该种飞行器拥有高于常见多轴飞行器的安全性与稳定性，但其工作时产生的噪声问题仍需进一步解决。
涵道式垂直起降飞行器工作时的噪声来源有三部分，分别是螺旋桨旋转产生的噪声、涵道底部出射尾流对周围静止空气冲击和剪切产生的喷流噪音，以及尾流冲刷尾部方向舵产生的湍流噪声。涵道机匣的存在对螺旋桨产生的噪声起到了一定的阻隔作用，因此喷流噪声与湍流噪声成为整个飞行器主要的噪声源。速度剪切层的发展对噪声的影响非常明显，通过改变速度剪切层的结构，控制湍流结构的发展、变化和消失，可以有效地控制速度剪切层的湍流特性，从而降低射流噪声。同时为了进一步从源头吸收螺旋桨噪声而不仅靠阻隔降低噪音，需要设计低噪声吸声机匣。另外，涵道飞行器常用来改变飞行姿态的尾部方向舵，常常在尾流的冲刷下工作，因此它的噪声也需要关注并进行低噪声设计。
一般通过主动控制技术和被动控制技术来实现噪声的降低。主动控制技术主要通过吹气、吸气等措施控制射流噪声，而被动控制技术通过隔声、吸声、使用结构增强掺混等措施控制噪声。在涵道飞行器机匣上采用机匣处理、在机匣出口边缘和尾部导向舵面尾缘采用锯齿结构是一种十分高效的控制措施，但是目前并没有针对涵道飞行器机匣采取的降噪措施，现有对于机匣降噪及锯齿尾缘的研究主要集中于轴流风扇叶片与航空发动机喷口，例如，专利CN106704229公开了“一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构”，通过在风机叶片吸力面上设置弹簧、锯齿滑块结构，利用风扇不同转速下的离心力控制锯齿滑块的伸长尺寸，从而实现不同转速下风扇叶片的降噪。但该专利设计的锯齿结构控制复杂，且无法用于涵道飞行器机匣。又如，专利CN101809272公开了一种设置在涡轮发动机尾喷口的V形尾缘，以减弱发动机喷口处的射流噪音。但是航空发动机尾流流速很高，而涵道式飞行器出口尾流为低马赫数，射流速度从临界马赫数附近降低到可将空气看为不可压缩状态的马赫数条件，这种条件的改变对于锯齿形尾缘喷嘴的气动性能有着很大的影响，不能直接将在航空尾喷管上取得的研究成果应用于涵道机匣，需重新对锯齿各参数进行设计和验证。专利CN105620727A提到了一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，在螺旋桨的前缘与后缘处设计了不同形状的锯齿结构，以消除螺旋桨工作时产生的噪音。但螺旋桨与本发明提到的尾部导向舵面的工作方式和工作环境都相差甚远，在螺旋桨上效果很好的降噪结构不能直接应用于本发明提出的尾部导向舵面，因此对于本发明提到的导向舵面，需重新设计降噪锯齿。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为弥补现有技术的不足，有效降低涵道式垂直起降飞行器的射流噪声与湍流噪声，使其能够完成一些特殊任务，本发明提出一种涵道式飞行器低噪音机匣及舵面。
本发明的技术方案是：一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面结构，包括唇口环(1)、若干舵机安装架(9)、机匣主体(2)和若干尾部导向舵面(4)；所述唇口环(1)为环状体；机匣主体(2)为两端开口的柱状空腔体，一端与唇口环(1)固连，另一端周向均布有若干连接装置，且连接装置和连接装置之间周向开有锯齿；机匣主体(2)内壁上开有若干球形槽；尾部导向舵面(4)整体为板状，数量和连接装置的数量相同，尾部导向舵面(4)远离机匣主体(2)的一侧开有锯齿；四个尾部导向舵面(4)靠近飞行器中心的一端与连接装置连接，构成旋转副，另一端分别与对应的舵机连接。
本发明的进一步技术方案是：所述舵机安装架(9)为板状体，一端与机匣主体(2)固连，另一端开有凹槽，凹槽轴线指向机匣主体(2)的内径方向。
本发明的进一步技术方案是：所述尾部导向舵面(4)为四个，呈十字状分布。
本发明的进一步技术方案是：所述机匣主体(2)采用发泡率为20％～40％的EPP泡沫材料制成。
本发明的进一步技术方案是：所述若干球形槽在机匣主体(2)内壁上周向分布一圈为一组，共有若干组，且每组和每组之间为交错排列。
本发明的进一步技术方案是：每个球形槽的球心到机匣主体内壁面的距离为s1，球形槽的外径为d，s1为0.4d～0.45d。
本发明的进一步技术方案是：机匣主体(2)内壁面的周长为r，每一组中相邻两个球形槽的球心距为s3，s3为0.003r～0.01r；相邻两组上下两个球形槽球心距为s2，s2为0.5d～d。s2是两行球形空腔的垂直距离，两行球形空腔是以叉排的形式排列的，即下一行的球形空腔开在上一行两个球形空腔之间。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面。机匣分唇口环、机匣主体及锯齿底环，唇口环与机匣主体之间、机匣主体与锯齿底环之间通过四个螺孔使用长螺栓与螺母进行连接，舵机安装架与锯齿底环为一体式成型，均匀分布在锯齿底环底部。每个尾部导向舵面对应的与锯齿底环舵机安装架上安装的舵机相连接。机匣主体内壁面密布的球形空腔能够使声波在进入空腔后发生多次反射以有效的衰减声波的能量，锯齿底环底部正弦锯齿的使用能够有效的控制射流与静止空气间速度剪切层的湍流特性，尾部导向舵面尾缘处的三角形锯齿能够改变流动下游的涡系结构，这些措施对涵道式飞行器的噪声有显著抑制效果，能够让涵道式飞行器在飞行过程中有更好的声学品质。与传统的多旋翼和涵道飞行器相比，使用本发明提出的机匣的飞行器飞行时更安静，能够让飞行器执行有高隐蔽性需求的任务，因此有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面的轴测示意图。
图2为本发明涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面的剖视图。
图3为本发明机匣主体内壁面机匣处理段局部放大图。
图4为本发明机匣主体剖视图侧壁局部放大图。
图5为本发明锯齿底环锯齿部分局部放大图。
图6为本发明低噪音舵面示意图及舵面尾缘锯齿放大图。
图7为本发明具有锯齿尾缘结构的涵道式垂直起降飞行器机匣实施例的轴测图。
附图标记说明：1.唇口环 2.机匣主体 3.锯齿底环 4.尾部导向舵面 5.螺栓安装孔 6.走线孔 7.机匣处理段 8.锯齿尾缘锯齿 9.舵机安装架 10.舵面尾缘锯齿 11.设备舱 12.转子叶片 13.舵面安装架
具体实施方式
参见图1-图7，本发明包括唇口环、机匣主体、锯齿底环及尾部导向舵面。唇口环、机匣主体和锯齿底环三者依次从上向下排列，尾部导向舵面安装在锯齿底环内侧，在尾缘处分布有三角形锯齿。其中机匣主体使用发泡率为20％～40％的EPP泡沫材料，唇口环、机匣主体和锯齿底环之间可通过四个螺孔使用长螺栓与螺母进行连接和固定。EPP泡沫制成的机匣主体能对螺旋桨噪声进行阻隔，进行机匣处理后能更有效的吸收螺旋桨产生的噪声；锯齿底环通过影响速度剪切层结构，改变射流势流核心长度，能够有效降低涵道飞行器的射流噪音；尾部导向舵面尾缘处细小的锯齿结构加宽了尾迹区域并加快了尾涡的破碎，产生了额外的马蹄涡，有效的减小了舵面后部的湍流脉动强度，从而有效降低了舵面后的湍流噪声。
所述机匣主体采用EPP泡沫材料，对占机匣主体高度60％～65％的部分进行了机匣处理。所进行的机匣处理为在机匣主体内壁开半开放式空腔结构，即在机匣主体内部切削出许多球形空腔，每个球形空腔的球心距机匣主体内壁面的距离为s1。球形空腔直径d为0.01h2～0.03h2,球心距内壁表面距离s1为0.4d～0.45d，每一排两球形空腔之间弧线距离s3为0.003r～0.01r，球形空腔从上至下以叉排的形式布置，每排间隔s2以上下两排球形空腔的球心间距衡量，为0.5d～d。其中h2为机匣主体高度，r为机匣主体内壁面周长。通过这种机匣处理，声波进入球形空腔内会发生多次反射，其拥有能量会在这一过程中逐渐消耗，最终达到吸声的效果。
所述锯齿底环为薄壁盒式环形带锯齿结构，其横截面内侧型线为直线，外侧型线为翼型GOE 8K吸力面型线的前30％～40％段。
所述锯齿底环外侧面每隔86°～92°开有一矩形走线孔，以方便走线。
所述锯齿底环锯齿结构高度h4为1/3h3～2/3h3，且锯齿结构分为四段，与舵机安装架相间分布，每一段锯齿结构所对应的圆心角均为70°～75°。其中，h3为锯齿底环的高度。锯齿底环所使用锯齿为厚度渐变式锯齿，变化规律为GOE 8K翼型吸力面前缘1/6型线变化规律。锯齿沿法线的投影得到的齿型为正弦形，锯齿端面垂直于机匣内侧圆柱面，齿宽为b1。
所述尾部导向舵面使用的锯齿齿高h5为0.05a～0.1a，齿宽b2为0.025a～0.05a，锯齿厚度随尾缘型面变化，齿形为等腰三角形及与之相似的其他三角形。其中，a为尾部导向舵面的弦长。
参见附图，唇口环、机匣主体和锯齿底环三者依次从上向下排列，尾部导向舵面安装在锯齿底环内侧，在尾缘处分布有三角形锯齿。其中机匣主体使用发泡率为20％～40％的EPP泡沫材料，唇口环、机匣主体和锯齿底环之间可通过四个螺孔使用长螺栓与螺母进行连接和固定。
所述机匣主体采用EPP泡沫材料，对占机匣主体高度60％～65％的部分进行了机匣处理。所进行的机匣处理为在机匣主体内壁开半开放式空腔结构，即在机匣主体内部切削出许多球形空腔，每个球形空腔的球心距机匣主体内壁面的距离为s1。球形空腔直径d为0.01h2～0.03h2,球心距内壁表面距离s1为0.4d～0.45d，每一排两球形空腔之间弧线距离s3为0.003r～0.01r，球形空腔从上至下以叉排的形式布置，每排间隔s2以上下两排球形空腔的球心间距衡量，为0.5d～d。其中h2为机匣主体高度，r为机匣主体内壁面周长。通过这种机匣处理，声波进入球形空腔内会发生多次反射，其拥有能量会在这一过程中逐渐消耗，最终达到吸声的效果。
所述底环为薄壁盒式环形带锯齿结构，其横截面内侧型线为直线，外侧型线为翼型GOE 8K吸力面型线的前30％～40％段。
锯齿底环外侧面每隔86°～92°开有一矩形走线孔，以方便走线。
所述锯齿底环锯齿结构高度h4为1/3h3～2/3h3，且锯齿结构分为四段，与舵机安装架相间分布，每一段锯齿结构所对应的圆心角均为70°～75°。其中，h3为锯齿底环的高度。锯齿底环所使用锯齿为厚度渐变式锯齿，变化规律为GOE 8K翼型吸力面前缘1/6型线变化规律。锯齿沿法线的投影得到的齿型为正弦形，锯齿端面垂直于机匣内侧圆柱面，齿宽为b1。
尾部导向舵面使用的锯齿齿高h5为0.05a～0.1a，齿宽b2为0.025a～0.05a，锯齿厚度随尾缘型面变化，齿形为等腰三角形及与之相似的其他三角形。其中，a为尾部导向舵面的弦长。
在本实施例中，锯齿底环上的锯齿为周期性正弦曲线沿其法线拉伸出的曲面垂直于机匣内侧圆柱面切割而成，尾部导向舵面尾缘锯齿则为锯齿型线沿其法线拉伸出的曲面垂直于舵面翼型弦线切割而成。唇口环、锯齿底环及尾部导向舵面均以ABS树脂为材料，通过3D打印的方式一体成型，机匣主体采用EPP泡沫通过线切割的方式制作而成，然后使用特殊刀头在内壁面切削出密布的球形空腔。唇口环、机匣主体及锯齿底环之间通过四个螺孔使用长螺栓与螺母进行连接，尾部导向舵面的一端分别与安装在锯齿底环舵机安装架上的四个舵机相连接，另一端通过金属销固定在安装架上。唇口环、机匣主体及锯齿底环的内径均为300mm，整个机匣外径最大处为388.9mm；唇口环高度为42mm，机匣主体高度为145mm，锯齿底环高度为35mm，锯齿高度为12mm，齿宽为20mm，尾部导向舵面弦长为60mm，锯齿齿高为5mm，齿宽为2.679mm。参照图7，本实施例的垂直起降飞行器主要由设备舱12、转子叶片13、舵面安装架14及本发明提出的涵道式飞行器低噪音机匣及舵面组成。
实施例在工作时，气流从唇口处流入，转动的转子叶片将气流加速并推向尾部出口。转子叶片工作时产生的噪音由于机匣的阻挡在机体内部来回反射，大部分声波进入机匣主体内壁上的球形空腔内并发生衰减，使转子叶片造成的噪音大大减小。同时，由于锯齿底环尾缘处正弦锯齿4及尾部导向舵面尾缘三角锯齿11的存在，舵面后缘流场的结构、出口射流流场的结构及其与周围静止空气的掺混受到影响，从而使该实施例相比常规多旋翼飞行器或常规涵道飞行器有着明显更低的噪声。
Claims (7)
1.一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，包括唇口环(1)、若干舵机安装架(9)、机匣主体(2)和若干尾部导向舵面(4)；所述唇口环(1)为环状体；机匣主体(2)为两端开口的柱状空腔体，一端与唇口环(1)固连，另一端周向均布有若干连接装置，且连接装置和连接装置之间周向开有锯齿；机匣主体(2)内壁上开有若干球形槽；尾部导向舵面(4)整体为板状，数量和连接装置的数量相同，尾部导向舵面(4)远离机匣主体(2)的一侧开有锯齿；四个尾部导向舵面(4)靠近飞行器中心的一端与连接装置连接，构成旋转副，另一端分别与对应的舵机连接。
2.如权利要求1所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，所述舵机安装架(9)为板状体，一端与机匣主体(2)固连，另一端开有凹槽，凹槽轴线指向机匣主体(2)的内径方向。
3.如权利要求1所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，所述尾部导向舵面(4)为四个，呈十字状分布。
4.如权利要求1所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，所述机匣主体(2)采用发泡率为20％～40％的EPP泡沫材料制成。
5.如权利要求1所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，所述若干球形槽在机匣主体(2)内壁上周向分布一圈为一组，共有若干组，且每组和每组之间为交错排列。
6.如权利要求1所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，每个球形槽的球心距机匣主体内壁面的距离为s1，球形槽的外径为d，s1为0.4d～0.45d。
7.如权利要求1或5或6所述的一种涵道式垂直起降飞行器低噪音机匣及舵面，其特征在于，机匣主体(2)内壁面的周长为r，每一组中相邻两个球形槽的球心距为s3，s3为0.003r～0.01r；相邻两组上下两个球形槽球心距为s2，s2为0.5d～d。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107933891B (zh) | 2024-02-02 |
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