CN108528675A - 一种动态格尼襟翼 - Google Patents

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    • B64C9/34—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders collapsing or retracting against or within other surfaces or other members
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Abstract

本发明公开了一种动态格尼襟翼，属于飞行器设计技术领域。本发明的动态格尼襟翼，安装于飞机机翼下表面靠近后缘处；在飞机起飞、降落阶段打开格尼襟翼，实现飞机增升控制，并通过格尼襟翼周期性振动提高增升控制效果，在巡航阶段收起格尼襟翼以减小附加阻力，提高飞行经济性；本发明的动态格尼襟翼的传动机构内置于机翼，对流场边界层干扰小，传动机构重量轻、体积小，结构简单且易于实现。

Description

一种动态格尼襟翼
技术领域
本发明涉及飞行器设计技术领域，具体涉及一种动态格尼襟翼。
背景技术
飞机升力主要由机翼提供，传统机翼的升力系数已经提高到极限，需要安装增升装置。格尼襟翼是航空工程领域常见的一种增升装置。通常格尼襟翼采用垂直贴附于机翼压力面靠近后缘处的扰流片形式。格尼襟翼高度通常为机翼弦长的0.5％-5％，却能大幅度提高机翼的升力。格尼襟翼主要应用在飞机的起飞、降落阶段，它可以极大缩短飞机的起飞、降落距离。但是，格尼襟翼带来高升力过程中不可避免产生附加阻力。特别是在飞机巡航阶段，固定式格尼襟翼产生额外阻力，降低飞行经济性。因此，需要设计并实现一种主动可控的动态格尼襟翼，在飞机起飞、降落阶段可实现增升，在巡航阶段可收起。
发明内容
本发明提供了一种动态格尼襟翼,是一种机械式、可收放、主动可控的动态格尼襟翼，安装于飞机机翼下表面靠近后缘处，在飞机起飞、降落阶段打开格尼襟翼，实现飞机增升控制，并通过格尼襟翼周期性振动提高增升控制效果，在巡航阶段收起格尼襟翼以减小附加阻力。
本发明提出的动态格尼襟翼，包括打开状态和收起状态两种工作状态，通过内置于机翼的传动机构实现格尼襟翼的打开、收起，以及打开状态下格尼襟翼的周期性振动。
飞机起飞、降落阶段，通过内置于机翼的传动机构打开格尼襟翼，使机翼压力分布发生改变，机翼下表面压力增加，上表面吸力增强，进而增加上下表面压力差；同时，上表面气流经过格尼襟翼时向下偏转，后驻点从机翼后缘移到格尼襟翼末端，延缓机翼上表面气流分离，翼型等效弯度增大。因此，在格尼襟翼控制下绕机翼的环量增大，机翼升力增大。
进一步，在打开状态下，格尼襟翼后方尾流区有旋涡周期性脱落，格尼襟翼前方回流区也有旋涡周期性生成、脱落，并与尾流区涡发生相互作用，进而主导流场特性。打开的格尼襟翼可以实施静态(固定位置)或者动态(周期振动)控制，静态控制与传统机械式固定格尼襟翼相似。动态控制格尼襟翼的周期性振动频率设定两种模式。低频模式：格尼襟翼振动频率为机翼后缘尾涡脱落频率的0.5倍到10倍；高频模式：格尼襟翼振动频率大于机翼后缘尾涡脱落频率的10倍。动态控制格尼襟翼的振幅可根据需要设定，最大可以达到90°。对格尼襟翼施加动态控制时，格尼襟翼周期性振动诱导产生旋涡，并与机翼后缘附近流场相互作用，诱导机翼后缘附近主涡脱落频率逐渐接近格尼襟翼振动频率，使尾流区涡强度减弱，提高增升控制效果。
飞机巡航阶段，通过内置于机翼的传动机构收起格尼襟翼。收起状态，相对于固定式格尼襟翼，动态格尼襟翼不会产生额外阻力。
本发明提出的动态格尼襟翼，其优点和效果在于：
1、飞机起飞、降落阶段可打开格尼襟翼实施静态控制，此时相当于机械式固定格尼襟翼情况。格尼襟翼可以使翼型有效弯度增大，机翼压力分布发生改变，后驻点从机翼后缘移到格尼襟翼末端，延缓机翼上表面气流分离，绕机翼的环量增大，机翼升力增大。
2、飞机起飞、降落阶段可打开格尼襟翼实施动态控制。动态控制格尼襟翼的周期性振动频率设定两种模式：低频模式和高频模式。动态控制格尼襟翼的振幅可根据需要设定，最大可以达到90°。施加动态控制可提高增升控制效果。
3、在飞机巡航阶段，通过内置于机翼的传动机构驱动收起格尼襟翼，避免格尼襟翼产生额外阻力，提高飞行经济性。
4、传动机构内置于机翼，对流场边界层干扰小。传动机构重量轻、体积小，结构简单且易于实现。
附图说明
图1A是安装有动态格尼襟翼的机翼结构示意图；
图1B是图1A中虚线所示区域的局部放大图；
图2是动态格尼襟翼打开状态示意图；
图3是动态格尼襟翼收起状态示意图；
图4是动态格尼襟翼的增升控制效果图。
图中：
1、控制系统； 2、步进电机a； 3、步进电机b；
4、万向联轴器a； 5、万向联轴器b； 6、支撑装置a；
7、蜗杆a； 8、蜗杆b； 9、蜗轮；
10、支撑装置b； 11、机翼； 12、格尼襟翼。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种动态格尼襟翼，由格尼襟翼和内置于机翼的传动机构构成,其中传动机构由控制系统、步进电机、万向联轴器、蜗轮、蜗杆和支撑装置等部件构成。传动机构内置于机翼,对流场边界层干扰小。传动机构重量轻、体积小，结构简单且易于实现。
本发明提出的动态格尼襟翼，通过内置于机翼的传动机构实现格尼襟翼的打开、收起，以及打开状态下格尼襟翼的周期性振动。动态格尼襟翼包括打开状态和收起状态两种工作模式。如图1A和1B所示，所述的格尼襟翼12安装于飞机机翼11下表面靠近后缘处，收起时内置于机翼11，打开时的平衡位置与机翼11下表面夹角为90°左右。所述格尼襟翼高度为机翼弦长的0.5％-5％，厚度1mm左右，长度小于等于机翼展向尺度。
本发明提出的动态格尼襟翼的传动机构如图1A、图1B所示。传动机构内置于机翼11，通过控制系统1控制步进电机a2，步进电机a2通过万向联轴器a4带动蜗杆a7转动；通过控制系统1控制步进电机b3，步进电机b3通过万向联轴器b5带动蜗杆b8转动，蜗杆a7、蜗杆b8之间安装蜗轮9，蜗杆a7、蜗杆b8两端分别由支撑装置a6、支撑装置b10约束，格尼襟翼12固联于蜗轮9。蜗杆a7、蜗杆b8均是右旋蜗杆，当步进电机a2、步进电机b3以相同转速、相反方向转动时，蜗轮9绕自身轴转动，转动方向与两步进电机转动方向相关。
动态格尼襟翼的传动机构有两种工作模式。模式I：步进电机a2顺时针、步进电机b3逆时针等速转动，带动蜗轮9顺时针转动；模式II：步进电机a2逆时针、步进电机b3顺时针等速转动，带动蜗轮9逆时针转动。蜗轮9的转动角度、转速由步进电机a2、步进电机b3 的转动角度、转速共同决定，步进电机a2、步进电机b3的转动情况由控制系统1编程实现。蜗轮9转动带动格尼襟翼12转动，实现格尼襟翼12打开或收起，以及打开状态下格尼襟翼 12振动。
动态格尼襟翼打开过程，传动机构工作方式为模式II，格尼襟翼12初始位置位于机翼内部平行于机翼压力面，控制系统1控制格尼襟翼12逆时针转动90°后止动，格尼襟翼12打开状态如图2所示。动态格尼襟翼12收起过程，格尼襟翼12初始位置垂直于机翼压力面，传动机构工作方式为模式I，控制系统1控制下格尼襟翼12顺时针(向机翼前缘方向转动)转动90°后止动，格尼襟翼12收起状态如图3所示。
对打开的格尼襟翼实施动态控制：对打开状态格尼襟翼12不施加任何控制时，其作用相当于机械式固定格尼襟翼，如图2所示。打开状态格尼襟翼12，传动机构工作方式在模式I、模式II之间周期性切换，格尼襟翼12将周期性振动。格尼襟翼12的振动频率、振动幅度由模式I、模式II之间切换的频率、两步进电机的转速共同确定。模式I、模式II及二者之间的切换，两步进电机的转速等都通过控制系统1编程实现。
飞机起飞、降落阶段，动态控制格尼襟翼的周期性振动频率设定两种模式。低频模式：格尼襟翼振动频率为机翼后缘尾涡脱落频率的0.5倍到10倍，建议为整数；高频模式：格尼襟翼振动频率大于机翼后缘尾涡脱落频率的10倍。动态控制格尼襟翼的振幅可根据需要设定，最大可以达到90°。
图4显示了本发明动态格尼襟翼对机翼升力系数的影响。图中横坐标表示攻角α，纵坐标表示升力系数CL。相对于无控制(格尼襟翼收起)情况，有控制(施加格尼襟翼控制)时机翼的升力系数,包括最大升力系数，在整个攻角范围内都得到增加。动态格尼襟翼的增升特性与传统机械式格尼襟翼的增升特性相似。流场分析表明，格尼襟翼使得机翼压力面的流场减速，吸力面的流场加速，亦即增加了压力面的压力以及吸力面的吸力，从而可以增加机翼的升力系数。

Claims (5)

1.一种动态格尼襟翼，其特征在于：包括格尼襟翼和内置于机翼的传动机构；所述的格尼襟翼安装于机翼下表面靠近后缘处，在飞机起飞、降落阶段打开格尼襟翼，打开状态下格尼襟翼周期性振动实现飞机增升控制；在飞机巡航阶段，收起格尼襟翼以减小附加阻力。
2.根据权利要求1所述的一种动态格尼襟翼，其特征在于：所述的格尼襟翼周期性振动的频率设定两种模式，低频模式：格尼襟翼振动频率为机翼后缘尾涡脱落频率的0.5倍到10倍；高频模式：格尼襟翼振动频率大于机翼后缘尾涡脱落频率的10倍；格尼襟翼的振幅在垂直于机翼压力面和向机翼前缘、后缘方向旋转90度位置之间。
3.根据权利要求1所述的一种动态格尼襟翼，其特征在于：所述格尼襟翼高度为机翼弦长的0.5％-5％，厚度1mm，长度小于等于机翼展向尺度。
4.根据权利要求1所述的一种动态格尼襟翼，其特征在于：所述的传动机构包括控制系统、步进电机a、步进电机b、万向联轴器a、万向联轴器b、支撑装置a、支撑装置b、蜗杆a、蜗杆b和蜗轮；
传动机构整体内置于机翼，通过控制系统控制步进电机a，步进电机a通过万向联轴器a带动蜗杆a转动；通过控制系统控制步进电机b，步进电机b通过万向联轴器b带动蜗杆b转动，蜗杆a、蜗杆b之间安装蜗轮，蜗杆a、蜗杆b两端分别由支撑装置a、支撑装置b约束，格尼襟翼固联于蜗轮；蜗杆a、蜗杆b均是右旋蜗杆，当步进电机a、步进电机b以相同转速、相反方向转动时，蜗轮绕自身轴转动，蜗轮的转动带动格尼襟翼转动，实现格尼襟翼打开或收起，以及打开状态下格尼襟翼振动。
5.根据权利要求1或4所述的一种动态格尼襟翼，其特征在于：所述的动态格尼襟翼的传动机构有两种工作模式，
模式I：步进电机a顺时针、步进电机b逆时针等速转动，带动蜗轮顺时针转动；
模式II：步进电机a逆时针、步进电机b顺时针等速转动，带动蜗轮逆时针转动。
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