CN108190020B - 涵道螺旋桨系统以及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涵道螺旋桨系统，包括：涵道螺旋桨装置和等离子体流动控制系统；其中，涵道螺旋桨装置包括涵道本体、螺旋桨、桨毂；螺旋桨位于涵道直线段，形成桨尖间隙；涵道螺旋桨装置用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；等离子体流动控制系统位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对桨尖间隙处的气动进行主动流动控制。本申请可以在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。而采用本申请这种主动流动控制的方式，控制作用能在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。此外，本申请还提供了一种无人机，具有上述有益效果。

Description

涵道螺旋桨系统以及无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种涵道螺旋桨系统以及无人机。

背景技术

近年来，无人机发展迅猛，消费者对无人机的要求越来越高，搭载更多的任务载荷、持续更长的续航时间以及能在复杂环境中执行飞行任务是未来无人机发展的方向。涵道式无人机具有垂直起降和悬停的飞行特性，由于涵道本体自身的附加拉力效果以及环扩安全性等优点，其在结构尺寸、隐蔽性和飞行性能上都具有独特的优势。

然而，涵道螺旋桨系统存在自身的不足：由于桨尖间隙不可能做到无限小，桨尖涡的存在也就无法避免，而且桨尖涡与涵道壁面存在气动干扰。转速越高气动干扰越明显。桨尖涡是涵道螺旋桨难以避免的，涡的存在伴随着能量的损失，影响涵道螺旋桨的气动效率，对其飞行控制、操纵性以及稳定性产生不利影响。

现有公开的专利技术中，针对涵道螺旋桨桨尖涡的抑制，大都是从被动流动控制的思路出发，通过改变涵道壁的材料结构、外形外貌等特征来实现，这个需要提前预知流场环境，设计工作状态。一旦流场实际情况偏离设计状态时，就无法达到最佳控制效果，缺乏实用性。同时，涵道壁的材料结构、外形外貌等特征的改变，实现起来并不容易。鉴于此，提供一种针对不同的飞行工况对涵道螺旋桨系统中的分离涡进行抑制、以提升系统的飞行效率的技术是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种涵道螺旋桨系统以及无人机，以解决现有涵道螺旋桨系统在流场实际情况偏离设计状态时，无法达到最佳控制效果的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种涵道螺旋桨系统，包括：涵道螺旋桨装置和等离子体流动控制系统；

其中，所述涵道螺旋桨装置包括涵道本体、螺旋桨、桨毂；所述螺旋桨位于涵道直线段，形成桨尖间隙；

所述涵道螺旋桨装置用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；所述等离子体流动控制系统位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对所述桨尖间隙处的气动进行主动流动控制。

可选地，所述等离子体流动控制系统包括：预测传感器、控制器、执行器以及校正传感器；

其中，所述预测传感器用于实时测量流动参数，并将测量得到的所述流动参数发送至所述控制器；

所述控制器用于根据所述流动参数对流动状态进行预测，采用预先建立的控制策略生成对执行器进行控制的控制指令；

所述校正传感器用于对控制后的流动参数进行实时测量，并将控制后的流动参数反馈至所述控制器，以便所述控制器对控制动作进行实时校正；

所述执行器用于接收所述控制指令，形成等离子体，以驱动周围气体运动。

可选地，所述控制器具体用于当转速在指定范围内时，生成对所述执行器进行控制的控制命令。

可选地，所述预测传感器与所述校正传感器设置在所述涵道本体的内壁上，所述执行器环绕所述涵道本体内壁表面，位于桨尖间隙的上方，所述预测传感器与所述校正传感器分别设置于所述执行器的上下游。

可选地，所述预测传感器与所述校正传感器均匀分布在所述涵道本体的内壁上，所述预测传感器位于涵道唇口下部距离桨盘0.05R处，所述校正传感器位于所述预测传感器的下方0.15R-0.3R处，R为桨盘的半径。

可选地，所述执行器为DBD等离子体激励器。

可选地，所述DBD等离子体激励器由两块电极以及绝缘材料组成，第一电极裸露在大气中，第二电极嵌在所述绝缘材料中，所述第一电极与所述第二电极之间施加高压交流电源。

可选地，所述第一电极的长度为2.5mm-3mm，所述第二电极的长度为6mm-8mm，所述绝缘材料的厚度低于0.25mm，所述第一电极与所述第二电极的厚度均低于20μm。

可选地，所述第一电极与所述第二电极均为铜电极。

本发明还提供了一种无人机，包括上述任一种所述的涵道螺旋桨系统。

本发明所提供的涵道螺旋桨系统，包括：涵道螺旋桨装置和等离子体流动控制系统；其中，涵道螺旋桨装置包括涵道本体、螺旋桨、桨毂；螺旋桨位于涵道直线段，形成桨尖间隙；涵道螺旋桨装置用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；等离子体流动控制系统位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对桨尖间隙处的气动进行主动流动控制。本申请可以在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。而采用本申请这种主动流动控制的方式，控制作用能够在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。此外，本申请还提供了一种无人机，具有上述相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的涵道螺旋桨系统的一种具体实施方式的结构框图；

图2为本发明所提供的涵道螺旋桨系统的具体工作流程图；

图3为本发明提供的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的等轴侧视图；

图4为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的主视图；

图5为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的剖视图A-A；

图6为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统局部放大图B；

图7为本发明所述的等离子体主动流动控制系统示意图；

图8为本发明所述的DBD等离子体激励器示意图；

其中，1-涵道螺旋桨装置；2-DBD等离子体流动控制系统；

11-涵道本体；12-螺旋桨；13-桨毂；14-涵道唇口；15-涵道直线段；16-涵道扩散口；17-桨尖间隙；

21-预测传感器；22-控制器；23-执行器；24-校正传感器；

51-裸露的电极；52-嵌在绝缘材料中的电极；53-绝缘介质；54-等离子体；55-诱导气流；56-高压交流电源。

具体实施方式

涵道螺旋桨系统中，桨尖涡的抑制可以采用流动控制的方法来解决。流动控制又可以分为被动流动控制和主动流动控制。被动控制是通过被动流动控制装置来改变流动环境，这种流动控制方式是预先确定的，当流场实际情况偏离设计状态时，就无法达到最佳控制效果。主动流动控制则是在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。主动流动控制的优势在于它能在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。结合不同的飞行工况条件，本发明提出了等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的涵道螺旋桨系统的一种具体实施方式的结构框图如图1所示，该系统具体包括：涵道螺旋桨装置1和等离子体流动控制系统2；

其中，所述涵道螺旋桨装置1包括涵道本体11、螺旋桨12、桨毂13；所述螺旋桨12位于涵道直线段，形成桨尖间隙；

所述涵道螺旋桨装置1用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；所述等离子体流动控制系统2位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对所述桨尖间隙处的气动进行主动流动控制。

本发明所提供的涵道螺旋桨系统，包括：涵道螺旋桨装置和等离子体流动控制系统；其中，涵道螺旋桨装置包括涵道本体、螺旋桨、桨毂；螺旋桨位于涵道直线段，形成桨尖间隙；涵道螺旋桨装置用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；等离子体流动控制系统位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对桨尖间隙处的气动进行主动流动控制。本申请可以在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。而采用本申请这种主动流动控制的方式，控制作用能够在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。

作为一种具体实施方式，本申请中等离子体流动控制系统2可以具体包括：预测传感器21、控制器22、执行器23以及校正传感器24；

其中，所述预测传感器21用于实时测量流动参数，并将测量得到的所述流动参数发送至所述控制器；

所述控制器22用于根据所述流动参数对流动状态进行预测，采用预先建立的控制策略生成对执行器进行控制的控制指令；

所述校正传感器24用于对控制后的流动参数进行实时测量，并将控制后的流动参数反馈至所述控制器，以便所述控制器对控制动作进行实时校正；

所述执行器23用于接收所述控制指令，形成等离子体，以驱动周围气体运动。

预测传感器对流动参数实时测量，提供给控制器；控制器对流动状态进行辨识和预测，决策控制动作；执行器按控制器指令施行控制动作；校正传感器对控制后流动参数进行实时测量，反馈给控制器；控制器对控制效果进行评估，对控制动作做实时修正和优化，完成对动作的自适应控制。

参照图2本发明所提供的涵道螺旋桨系统的具体工作流程图，下面对本发明所提供的涵道螺旋桨系统的具体工作过程进行阐述，该过程具体包括：

步骤S101：螺旋桨旋转到一定转速，在桨尖部位产生桨尖涡，并且与涵道内壁相互干扰。转速进一步提高，桨尖涡干扰越明显。

步骤S102：预测传感器以及校正传感器将实施测得流动参数传递给控制器，控制器通过辨识、预测，做出控制决策。当转速在指定范围内时，控制器对执行器发出控制指令。其中，上述指定范围可以由所需拉力、桨盘载荷等因素综合考虑得到，其可根据具体情况由使用者自行确定，这均不影响本发明的实现。作为一种具体实施方式，指定范围可以为3000r/min～4000r/min。

步骤S103：执行器接收到控制器指令，在两电极之间施加电压，形成等离子体，驱动周围气体运动。诱导的空气速度平行于物面，抑制边界层的流动分离，控制桨尖涡的发展。

步骤S104：桨尖涡得到抑制后，校正传感器测得的流动参数传递给控制器，控制器经过分析、判断，暂停向执行器发出指令。如此往复循环，达到抑制桨尖涡的目的。

气体在高温或强电磁场下，会变为等离子体。等离子体是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态，其特性与前三者截然不同。等离子体流动控制属于空气动力学流动控制中的主动流动控制方法，主要包括介质阻挡放电(DBD)等离子体流动控制、直流电晕放电等离子体流动控制，其中DBD等离子流动控制是目前国内外研究最为成熟的技术。DBD等离子体流动控制技术诱导的气流速度目前最大约为8m/s，适合抑制低速的流场分离，对于涵道螺旋桨系统中的分离涡可以达到抑制的效果，提升系统的飞行效率。本申请实施例具体可以采用DBD等离子体进行流动控制。DBD等离子体流动控制系统由预测传感器、控制器、执行器和校正传感器四部分组成，形成一个闭环控制系统，其中执行器具体为DBD等离子体激励器。

下面结合针对DBD等离子流动控制，对本申请所提供的涵道螺旋桨系统进行进一步阐述。参照图3-6，其中，图3为本发明提供的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的等轴侧视图；图4为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的主视图；图5为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统的剖视图A-A；图6为本发明所述的基于等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统局部放大图B。

本发明中等离子体流动控制桨尖涡的涵道螺旋桨系统包括涵道螺旋桨装置1和DBD等离子体流动控制系统2。

参照图7本发明所述的等离子体主动流动控制系统示意图，DBD等离子体流动控制系统2又由预测传感器21、控制器22、执行器23以及校正传感器24组成，形成一个闭环控制系统。预测传感器21对流动参数实时测量，提供给控制器22；控制器22对流动状态进行辨识和预测，决策控制动作；执行器23按控制器指令施行控制动作；校正传感器24对控制后流动参数进行实时测量，反馈给控制器22；控制器22对控制效果进行评估，对控制动作做实时修正和优化，完成对动作的自适应控制。

整个系统只有传感器和执行器位于涵道本体表面，厚度在0.3mm～0.5mm之间。其中，预测传感器21和校正传感器24均匀布置在涵道本体11内壁上，分别置于执行器23的上下游。预测传感器21位于涵道唇口下部距离桨盘约0.05R(R为桨盘半径，以下同)处，校正传感器24位于预测传感器21的下方约0.15R～0.3R处，执行器23环绕涵道1内壁表面位于桨尖间隙处，控制器22放置于涵道本体11外部，与其他控制器整合在一起。

预测传感器21和校正传感器24的个数可以具体为四个。

如图8本发明所述的DBD等离子体激励器示意图所示，执行器23即等离子体激励器，是由两块电极以及绝缘材料组成，一块电极裸露的在大气中，另一块电极嵌在绝缘材料中，绝缘材料很薄，约在0.25mm以内，两块电极都很薄，约在20μm以内，整个激励器厚度可控制在0.5mm以内，可以放置于狭小的桨尖间隙中。桨尖间隙一般在1mm～5mm之间。裸露的电极长度约2.5mm～3mm，嵌在绝缘材料中的电极长度约6mm～8mm。在两电极之间施加高压交流电源，裸露的电极积累电荷并且持续增加，达到一定程度开始与绝缘材料中的电极进行放电，将周围的空气电离，并且将周围的空气诱导出一定速度，最大达到8m/s～10m/s。诱导出来的空气速度平行于物面，加速附面层内的气流流动，抑制住边界层的流动分离，达到抑制桨尖涡的目的。

其中，等离子体激励器的电极均为铜电极。

介质阻挡放电(DBD)等离子体流动控制系统本身结构简单、所占体积不大，尤其是激励器，厚度可控制在0.5mm以内，满足狭小的桨尖间隙的尺度要求。等离子体诱导出来的气流速度目前最大约为8m/s，适合抑制低速的流场分离。同时，诱导出来的气流平行于物面喷出，可以抑制边界层的流动分离，控制桨尖涡的发展。还有，介质阻挡放电(DBD)等离子体流动控制系统由预测传感器、控制器、执行器和校正传感器四部分组成，形成一个闭环控制系统，可以针对不同的飞行工况条件、流场状态，进行精确的流动控制，这是现有的被动流动控制技术所达不到的。

此外，本发明还提供了一种无人机，包括上述任一种涵道螺旋桨系统。本申请可以在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。而采用本申请这种主动流动控制的方式，能够在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的涵道螺旋桨系统以及无人机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种涵道螺旋桨系统，其特征在于，包括：涵道螺旋桨装置和等离子体流动控制系统；

其中，所述涵道螺旋桨装置包括涵道本体、螺旋桨、桨毂；所述螺旋桨位于涵道直线段，形成桨尖间隙；

所述涵道螺旋桨装置用于通过螺旋桨旋转带动气流运动，产生推力；所述等离子体流动控制系统位于涵道直线段桨尖间隙处，用于通过等离子体对所述桨尖间隙处的气动进行主动流动控制；

所述等离子体流动控制系统包括：预测传感器、控制器、执行器以及校正传感器；

其中，所述预测传感器用于实时测量流动参数，并将测量得到的所述流动参数发送至所述控制器；

所述控制器用于根据所述流动参数对流动状态进行预测，采用预先建立的控制策略生成对执行器进行控制的控制指令；

所述校正传感器用于对控制后的流动参数进行实时测量，并将控制后的流动参数反馈至所述控制器，以便所述控制器对控制动作进行实时校正；

所述执行器用于接收所述控制指令，形成等离子体，以驱动周围气体运动。

2.如权利要求1所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述控制器具体用于当转速在指定范围内时，生成对所述执行器进行控制的控制命令。

3.如权利要求1所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述预测传感器与所述校正传感器设置在所述涵道本体的内壁上，所述执行器环绕所述涵道本体内壁表面位于桨尖间隙的上方，所述预测传感器与所述校正传感器分别设置于所述执行器的上下游。

4.如权利要求2所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述预测传感器与所述校正传感器均匀分布在所述涵道本体的内壁上，所述预测传感器位于涵道唇口下部距离桨盘0.05R处，所述校正传感器位于所述预测传感器的下方0.15R-0.3R处，R为桨盘的半径。

5.如权利要求1所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述执行器为DBD等离子体激励器。

6.如权利要求5所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述DBD等离子体激励器由两块电极以及绝缘材料组成，第一电极裸露在大气中，第二电极嵌在所述绝缘材料中，所述第一电极与所述第二电极之间施加高压交流电源。

7.如权利要求6所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述第一电极的长度为2.5mm-3mm，所述第二电极的长度为6mm-8mm，所述绝缘材料的厚度低于0.25mm，所述第一电极与所述第二电极的厚度均低于20μm。

8.如权利要求6所述的涵道螺旋桨系统，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极均为铜电极。

9.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的涵道螺旋桨系统。

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