CN108454823A - 小翼及设计小翼的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器(5)，该飞行器(5)包括机翼(3)和机翼的端部处的小翼(1)，小翼包括：根部(7)；尖端(9)；远离根部延伸的过渡区域(11)；以及从过渡区域的远端延伸至尖端的翼状区域(13)。当飞行器的机翼(3)处于最差情况的静负载下时，小翼的尖端位于小翼(1)的最大翼展范围处，但是当飞行器的机翼(3)处于空载条件下时，翼状区域(13)向内倾斜，使得小翼(1)的尖端(9)位于小翼的最大翼展范围的内侧。

Description

小翼及设计小翼的方法

技术领域

本公开涉及一种用于飞行器的小翼、一种设计小翼的方法、一种制造小翼的方法以及一种使用这种方法设计和/或制造的小翼。

背景技术

小翼是众所周知的并且可以采取多种形式。US 5,348,253、US6,484,968、WO2008/061739、WO 2008/155566、WO 2012/007358、US5,275,358和WO 2012/171023示出了小翼或包含小翼的翼尖装置的示例。一般而言，小翼通过增加安装有小翼的飞行器的有效翼展来力图减少诱导阻力。

机场运营规程有效地限制了最大飞行器翼展(对于给定的ICAO附件14机场代码字母)，该机场运营规程管理在机场上机动时所要求的各种通行许可(例如登记口和安全滑行道使用所要求的翼展和/或离地间隙)。对于一些高翼展飞行器，设计者已经考虑放弃使用固定的翼尖装置，而专注于提供可移动的翼尖装置，该翼尖装置可在飞行构型(超出允许的门极限翼展)与地面构型(在该地面构型中，翼尖装置脱离飞行构型，使得飞行器的翼展减小到门极限内)之间移动。这种可移动的翼尖装置的示例可以在WO 2015150835或WO2015162399中找到。

但是，仍然希望提供适于在高翼展飞行器上使用的固定的翼尖装置。WO 2012/007358示出了用于在高翼展飞行器上使用的固定的翼尖装置的示例。在该布置中，当飞行器在地面上时，翼尖装置的上部翼状元件满足翼展极限，并且在1g的飞行负载下，下部翼状元件布置成补偿一些由于机翼发生气动弹性变形使得上部翼状元件向内移动而发生的翼展减小。US 2013/0256460公开了具有固定的上部小翼和下部小翼的另一种布置，但是，其中的下部小翼布置成在1g的飞行负载下增大全翼展。

从上文可以理解的是，当面对施加在翼展上的尺寸约束时，翼尖装置的设计的焦点近来倾向于提供可移动的翼尖装置，或者提供具有上部小翼和下部小翼的装置。

当设计翼尖装置时，翼尖装置的形状通常基于所谓的“夹具形状”(即，空载条件下的形状)来考虑。许多公开的翼尖装置倾向于以这种夹具形状示出。例如，US 5,275,358公开了小翼处于“空载”状态的形状。

实际上，翼尖装置的形状倾向于受使用该翼尖装置的飞行器的操作条件支配。例如，当机翼处于1g的飞行条件时(在该条件下，机翼和小翼气动弹性地偏转)或者当机翼处于飞行器静止在机场时的静负载条件时(在该条件下，机翼倾向于通过其自身的结构重量和燃料负载重量弹性地偏转)，翼尖装置的形状和取向倾向于不同于夹具形状。设计成夹具形状是有益的，因为它与所制造的翼尖装置的形状相匹配。但是，实际上，一旦将翼尖装置安装在飞行器的机翼上，翼尖装置的形状和/或取向可能不完全与夹具形状相匹配。

本发明的方面力图提供一种改进的翼尖装置，特别是在面对翼展约束的情况下。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种飞行器，飞行器包括机翼和机翼的端部处的小翼，小翼包括：根部；尖端；远离根部延伸的过渡区域；以及从过渡区域的远端延伸至尖端的翼状区域，其中，当飞行器的机翼处于最差情况的静负载下时，小翼的尖端位于小翼的最大翼展范围处，但是，当飞行器的机翼处于空载条件下时，翼状区域向内倾斜，使得小翼的尖端位于小翼的最大翼展范围的内侧。

本发明认识到，当机翼处于最差情况的静负载条件下时，通过考虑小翼的翼展可以获得有益的小翼设计。更具体地，通过在机翼处于最差情况的静负载下时确保小翼的尖端处于最大翼展范围处，飞行器应当始终符合机场兼容性门极限，同时优化小翼的尖端的位置。此外，通过使翼状区域在空载条件下向内倾斜(使得小翼的尖端位于小翼的最大翼展范围的内侧)，可以获得具有相对较长的展开长度的小翼(在下文中更详细地讨论)。

技术人员将容易地理解最差情况的静负载。通常情况下，该最差情况的静负载是飞行器的机翼在正常使用期间会遇到最高的静负载(例如，当飞行器静止在地面上并且燃料充足时)。

本文中提及的“小翼的最大翼展范围”将被理解为意指在相应的指定负载条件下小翼的位于最外侧的结构。位于最大翼展范围处的小翼的部分可以根据机翼的负载条件而改变(例如，当飞行器的机翼处于最差情况的静负载下时，最大翼展范围可以位于小翼的尖端处，但是当飞行器的机翼处于空载条件下时，最大翼展范围可以位于沿小翼向下的位置(例如，远离尖端))。

应当理解的是，小翼是三维结构。当尖端的下(最外)表面处于最大翼展范围处时(即使上(最内)表面和前缘，由于结构的厚度，在尖端处必然稍微位于内侧)小翼的尖端被认为位于小翼的最大翼展范围处。小翼的尖端将容易识别，并且可以包括尖端帽。

应当理解的是，根据机翼所处的负载条件，飞行器的翼展可以是不同的。当飞行器的机翼处于最差情况的静负载下时，小翼的最大翼展范围的翼展优选地是由机场兼容性极限(例如，与建筑物、标志、其他飞行器的间隙限制有关)设定的参数。兼容性极限优选为门极限。当飞行器的机翼处于空载时，小翼的最大翼展范围的翼展可以小于兼容性极限。

小翼是固定的小翼。对于提及的在空载条件下向内倾斜的翼状区域将被理解为指的是“被动的”变化(即，由于不同的负载条件而导致的斜度的变化)，而不是小翼本身上的任何被致动的或可移动的部件。

翼状区域可以是弯曲的。在翼状区域是弯曲的实施方式中，翼状区域可以是过渡区域的延伸。翼状区域可以比过渡区域弯曲更少。在本发明的优选实施方式中，翼状区域可以包括平面部分。平面部分可以远离尖端延伸。平面部分可以包括小翼的尖端。当飞行器的机翼处于最差情况的静负载下时，平面部分可以从小翼的尖端竖直向下延伸，并且优选地使其沿着小翼的最大翼展范围放置。在空载条件下，平面部分可以向内倾斜超过竖直方向。已经发现，提供沿着翼展极限延伸的平面部分(在最差情况的静负载条件下)有助于相对较长的小翼的展开长度，因为它向外“推动”过渡区域，在根部位置和尖端位置固定时，这增加了这些端点之间的长度，并且因此增加了小翼的展开长度(参见图1至图6b，特别是下面描述的图6a和图6b)。

在一些实施方式中，所有的翼状区域大致可以是平面的。过渡区域优选为弯曲的。大致的平面部分可以从弯曲的过渡区域的远端切向地延伸。大致的平面部分不一定完全是平面的。例如，大致的平面部分可以是锥形部段的一部分，锥形部段具有足够高的半径以致可以被认为大致是平面的。

在飞行期间，飞行器的机翼经受负载，并倾向于经受气动弹性变形。当飞行器的机翼处于1g的飞行条件下时，相对于飞行器的机翼处于空载条件下时，翼状区域可以进一步向内倾斜，使得小翼的尖端位于小翼的最大翼展的更内侧。

飞行器优选为客机。客机优选地包括客舱，其包括用于容纳大量乘客的多排和多列座椅单元。飞行器可以具有至少20名乘客，更优选地至少50名乘客，更优选地多于50名乘客的容量。飞行器优选为动力飞行器。飞行器优选地包括用于推进飞行器的发动机。飞行器可以包括装于机翼上的发动机，并且优选为翼下发动机。

根据本发明的第二方面，提供了一种设计用于飞行器的机翼的小翼的方法，该方法包括以下步骤：(i)设计小翼使得当飞行器的机翼处于最差情况的静负载时，小翼的尖端位于小翼的最大翼展处；(ii)设计小翼的所需夹具形状以实现步骤(i)的小翼设计。通过针对最差情况的静负载条件进行设计，然后设计所需夹具形状(即，针对空载条件)，在使用中小翼应当始终符合机场兼容性门极限，但可以具有优化的形状以达到该翼展。设计夹具形状的步骤(步骤(ii))优选在步骤(i)之后。

针对最差情况的静负载条件进行设计的步骤可以包括沿着小翼的最大翼展范围从小翼的尖端将平面部分定向成竖直向下的步骤。

设计夹具形状的步骤可以包括将翼状区域向内倾斜使得小翼的尖端位于小翼的最大翼展范围的内侧的步骤。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造小翼的方法，其中使用上述方面的方法，并且随后根据该设计制造小翼。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述方法设计的小翼。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述方法制造的小翼。

根据本发明的又一方面，提供了一种飞行器，其包括机翼和机翼的端部处的小翼，其中，当飞行器的机翼处于最差情况的静负载下时，小翼沿着机场门兼容性极限翼展大致竖直延伸，但是，当飞行器的机翼处于空载条件下时，小翼向内倾斜，使得小翼的尖端位于小翼的最大翼展范围的内侧。

应当理解的是，除非另有说明，否则本文所涉及的小翼(或其部分)的形状是指在正面投影中(即，在y-z平面上)的形状。小翼的形状可以由沿着小翼行进的1/4翼弦线限定。可以相对于竖直方向(即，y轴)测量倾斜度。y轴优选地在绝对参考系中。

应当理解的是，关于本发明的一个方面描述的特征可以并入本发明的其它方面中。例如，本发明的方法可以结合有参照本发明的装置描述的任何特征，反之亦然。

附图说明

现在将参照示意性附图仅以示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的飞行器的机翼上的小翼的正视图，飞行器的机翼处于最差情况的静负载下；

图2示出了处于空载条件的图1的小翼的正视图；

图3示出了在飞行器处于1g的飞行条件下图1的小翼的正视图；

图4将图1至图3的小翼叠置在一幅图中；

图5示出了本发明的第一实施方式中的飞行器的正视图；

图6a示出了当飞行器处于最差情况的静负载时，先前提出的小翼与图1的小翼之间的比较；

图6b示出了当飞行器处于1g的飞行条件时，先前提出的小翼与图1的小翼之间的比较；并且

图7将本发明的第二实施方式的小翼叠置在一幅图中。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施方式的飞行器5的机翼3的端部处的小翼1的正视图(即，在y-z平面中)(图5示意性地示出了飞行器)。小翼包括根部7、尖端9、弯曲过渡区域11以及从过渡区域11的远端11'延伸至尖端9的、大致呈平面向上延伸的翼状区域13。小翼的前缘显示为虚线。

在图1中，示出了机翼3，其中，飞行器静止在地面上并具有满载燃料负载(即，最差情况的静负载)。在该负载条件下，平面部分13从尖端9竖直向下延伸。如竖直虚线15所示，因此，小翼1的最大翼展范围由小翼的尖端9和从小翼的尖端9向下延伸的竖直平面部分13限定(在图1中标记在两个X之间)。

理想的是，在关于翼展的任何机场限制的界限内使机翼的有效长度最大化。因此，尖端9和竖直部分13也处于由机场门兼容极限(例如参见FAA组I至IV或ICAO代码A至F中的翼展)设定的最大翼展处(S_最大)。

在图2中，示出了处于空载条件的机翼3和小翼1(即，处于其夹具形状)。在夹具形状中，平面部分13向内倾斜，使得尖端9向内移动(相对于最差情况的静负载条件)。因此，小翼1的最大翼展范围随后沿着小翼1向下转移至过渡区域11与平面部分13之间的接合点11'(在图2中用X标记)。该翼展的幅度也略有减小(参见图6a)。

在图3中，示出了处于1g的飞行条件的机翼3和小翼1。在飞行条件下，机翼3在气动弹性负载下向上弯曲，并且平面部分13进一步向内倾斜，使得尖端9进一步向内移动(相对于最差情况的静负载条件和空载条件)。小翼的最大翼展范围转移至过渡区域11上(在图3中用X标记)。该翼展的幅度也进一步减小。

图4将图1至图3的三种负载条件下的小翼的图像叠置，其示出了翼展的幅度以及小翼上最大翼展点的位置的上述变化。

如从图4中明显的，当机翼处于最差情况的静负载时，小翼的尖端9和平面部分13处于最大翼展范围，但是以夹具形状向内倾斜(有时被称为“过度倾斜”)。这种布置是有益的。首先，这种布置确保飞行器应当始终符合机场兼容性门极限，因为这种布置针对最差情况的负载方案来确定尺寸。其次，通过提供沿翼展极限延伸的尖端和平面部分(在最差情况的静负载条件下)，小翼的总的展开长度相对较长，因为它向外“推动”过渡区域，在根部位置和尖端位置固定时，这增加了这些端点之间的长度，并且因此增加了小翼的展开长度。

这些益处可以在图6a和图6b中看出，其将本发明的第一实施方式的小翼1与先前提出的小翼101(在图6a/图6b的最左侧示出)进行比较。首先，参照图6a，示出了在附接至共同的机翼3时彼此叠置的小翼1、101。图6a示出了处于最差情况的静负载下的机翼。

从图6a中可以看出，本发明的第一实施方式的小翼上的过渡区域11必须进一步向外(相比先前提出的小翼101上的区域111)，以便融入到竖直平面部分13中。由于根部3和尖端9、109的位置对于两个小翼1、101在很大程度上是相同的，所以第一实施方式的小翼1的展开长度比先前提出的小翼101的展开长度更长。这提供了具有更长的有效长度和更开放的过渡区域的小翼，这两者导致了改进的空气动力学性能(主要在减阻方面)。

图6b示出了处于1g的飞行负载下的机翼。可以看出，在该负载条件下，先前提出的小翼101具有基本上竖直的平面部分113，而在本发明的第一实施方式的小翼上，小翼的尖端9向内移动，使得平面部分13过度倾斜。小翼1的最大翼展范围沿着小翼向下移动至过渡区域。因此，在该负载条件下，两个不同小翼的尖端9、109基本上重合，但是，具有本发明的第一实施方式的小翼的飞行器的总翼展更大。

虽然已经参照第一实施方式描述并说明了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，本发明自身会产生许多不同的变型。举例来说，小翼还可以用作具有向下延伸的小翼201b的翼尖装置的一部分。图7示出了这种实施方式，其示出了处于三种负载条件(最差情况的静负载(最下面的图)、空载条件(中间的图)和1g的飞行负载(最上面的图)下的翼尖装置201。向上延伸的小翼201a基本上与第一实施方式相同，但是，向下延伸的小翼201b力图补偿飞行器处于1g的飞行时所经历的一些翼展减小。

在前面的说明中，当提及整体或元件具有已知的、明显的或可预见的等同物时，则这样的等同物如同单独提出一样并入本文。应当参照权利要求来确定本发明的真实范围，其应当被解释为包含任何这样的等同物。读者还应当理解，被描述为优选的、有利的、便利的等的本发明的整体或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解的是，在本发明的一些实施方式中可能有益的这样的可选的整体或特征在其他实施方式中可能是不可取的，因此可能不存在。

Claims (12)

1.一种飞行器，包括机翼和所述机翼的端部处的小翼，所述小翼包括：根部；尖端；远离所述根部延伸的过渡区域；以及从所述过渡区域的远端延伸至所述尖端的翼状区域，其中，

当所述飞行器的所述机翼处于最差情况的静负载下时，所述小翼的所述尖端位于所述小翼的最大翼展范围处，

但是，当所述飞行器的所述机翼处于空载条件下时，所述翼状区域向内倾斜，使得所述小翼的所述尖端位于所述小翼的所述最大翼展范围的内侧。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述翼状区域包括延伸至所述小翼的所述尖端的平面部分。

3.根据权利要求2所述的飞行器，其中，当所述飞行器的所述机翼处于所述最差情况的静负载下时，所述平面部分从所述小翼的所述尖端竖直向下延伸，使所述平面部分沿着所述小翼的所述最大翼展范围放置，并且当所述飞行器的所述机翼处于所述空载条件下时，所述平面部分向内倾斜超过竖直方向。

4.根据权利要求2或3所述的飞行器，其中，所述翼状区域整个大致是平面的。

5.根据任一项前述权利要求所述的飞行器，其中，当在飞行中所述飞行器处于1g的飞行条件下时，相对于所述飞行器的所述机翼处于所述空载条件下的情况，所述翼状区域进一步向内倾斜，使得所述小翼的所述尖端位于所述小翼的最大翼展的更内侧。

6.一种设计用于飞行器的机翼的小翼的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)设计所述小翼使得当所述飞行器的所述机翼处于最差情况的静负载下时，所述小翼的尖端位于所述小翼的最大翼展处；

(ii)设计所述小翼的所需夹具形状以实现步骤(i)的小翼设计。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤(ii)包括将所述翼状区域向内倾斜使得所述小翼的所述尖端位于所述小翼的所述最大翼展的内侧的步骤。

8.一种制造小翼的方法，包括：使用根据权利要求6或7所述的方法设计小翼；以及随后根据该设计制造所述小翼。

9.一种使用根据权利要求6或7所述的方法设计的小翼。

10.一种使用根据权利要求8所述的方法制造的小翼。

11.一种飞行器，包括机翼和所述机翼的端部处的小翼，其中，

当所述飞行器的所述机翼处于最差情况的静负载下时，所述小翼沿着机场兼容性门极限翼展大致竖直延伸，

但是，当所述飞行器的所述机翼处于空载条件下时，所述小翼向内倾斜，使得所述小翼的尖端位于所述小翼的最大翼展范围的内侧。

12.一种小翼，用作根据权利要求1至5中的任一项或权利要求11所述的飞行器上的所述小翼。