CN110104159B - 一种飞行器异构主动流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行器异构主动流动控制方法，包括如下步骤：在飞行器上的不同位置布置主动流动控制作动器；获取飞行器上各个位置的流场参数；根据各流场参数制定与各流场参数对应的主动流动控制作动器的控制策略，并根据控制策略控制各主动流动控制作动器运行。通过在飞行器不同部位布置传感器以及具有不同功能的主动流动控制作动器形成异构主动流动控制系统，分别实现飞行器上不同部位的流动控制目标；再控制系统实施控制，使得飞行器上各部位主动流动控制作动器协调工作并发挥最大效率，最终实现飞行器多种并发问题的流动控制。本发明应用于流体力学、空气动力学、流动控制领域。

Description

一种飞行器异构主动流动控制方法

技术领域

本发明涉及流体力学、空气动力学、流动控制领域，尤其涉及一种飞行器异构主动流动控制方法、系统及飞行器。

背景技术

21世纪以来，飞行器的发展进入新纪元，各类飞行器对快速到达、减阻降噪、节能增效、可靠度等指标都提出了更高的要求，也面临更多的挑战。以民用飞机为例，巡航时面临阻力偏大导致燃油能耗过高的问题，大迎角工况下飞行器还有失速、升阻比急剧减小等问题，穿越复杂气流时，常伴随着机翼颤振等问题。

流动控制技术是解决以上问题的有效手段，采用高效的流动控制技术能够达到减小阻力、增加升力、减小脉动升力、提高飞行稳定性等目标，最终解决一系列飞行问题。对于飞行器而言，以上多种问题常一并发生，但目前多数流动控制技术仅可针对某一单项问题起到控制作用，亟需发展全新概念的流动控制系统与方法，同时解决以上并发问题。

发明内容

针对现有技术存在的流动控制技术仅可针对飞行器某一单项的流场问题起到控制作用的不足，本发明的目的是提供一种飞行器异构主动流动控制方法、系统及飞行器。

本发明采用的技术方案是：

一种飞行器异构主动流动控制方法，包括如下步骤：

在飞行器上的不同位置布置主动流动控制作动器；

获取飞行器上各个位置的流场参数；

根据各流场参数制定与各流场参数对应的主动流动控制作动器的控制策略；

根据控制策略控制各主动流动控制作动器运行。

作为上述技术放进的进一步改进，所述在飞行器上的不同位置布置主动流动控制作动器，具体为：

在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处或多处的位置布置主动流动控制作动器，各主动流动控制作动器在飞行器上组成异构结构，其中，所述布置的方式采用单独布置或阵列布置。

一种飞行器异构主动流动控制子装置，设在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处，包括：

流场参数获取单元，用于获取飞行器上对应位置的流场参数；

主动流动控制作动器单元，用于根据流场参数控制飞行器上对应位置的流场。

一种飞行器异构主动流动控制系统，包括：

至少一组上述飞行器异构主动流动控制子装置，布置在飞行器上的不同位置，用于获取飞行器上不同位置处的流场参数以及调节飞行器上不同位置处的流场；

控制中心，集成于飞行器的控制系统上，根据各流场参数制定与各主动流动控制作动器单元对应的控制策略，并将控制策略下达至主动流动控制作动器单元；

电源，布置在飞行器上并与各飞行器异构主动流动控制子装置电性相连，用于向各飞行器异构主动流动控制子装置提供能源。

作为上述技术放进的进一步改进，所述控制中心包括：

信号接收单元，用于接收各流场参数获取单元上传的流场参数并存储；

信号处理单元，对流场参数进行转码处理，输出与各流场参数获取单元对应的控制数据；

策略库单元，根据各控制数据输出与各主动流动控制作动器单元对应的控制策略；

作动器控制单元，根据各控制策略控制对应的主动流动控制作动器单元的运行；

显示器单元，将各控制数据显示在飞行器的控制系统集成的显示屏幕上。

作为上述技术放进的进一步改进，每一飞行器异构主动流动控制子装置中主动流动控制作动器单元的数量至少为一个；

当主动流动控制作动器单元中仅含有一个主动流动控制作动器时，则该主动流动控制作动器以单独布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机、起落架中的一处；

当主动流动控制作动器单元中包含有多个主动流动控制作动器时，多个主动流动控制作动器则以阵列布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处。

作为上述技术放进的进一步改进，所述主动流动控制作动器包括但不限于合成射流激励器、等离子体激励器、定常吸/吹气装置、非定常或脉冲吸/吹气装置、定常/脉冲射流装置。

作为上述技术放进的进一步改进，所述电源为多功能电源。

一种飞行器，所述飞行器上安装有上述飞行器异构主动流动控制系统。

本发明的有益技术效果：

本发明通过在飞行器不同部位布置传感器以及具有不同功能的主动流动控制作动器形成异构主动流动控制系统，分别实现飞行器上不同部位的流动控制目标；再通过控制系统实施多目标控制，使得飞行器上各部位主动流动控制作动器协调工作并发挥最大效率，最终实现飞行器多种并发问题的流动控制，可以有效的克服多数现有控制技术适应性及普适性差、灵活性差、可靠性低等缺点，也拥有更宽广的控制域，更契合解决工程实际问题，具有很好的应用潜力与前景。

附图说明

图1是本发明中飞行器异构主动流动控制方法的流程示意图；

图2是本发明中单独布置的方式与阵列布置的方式的结构示意图；

图3是本发明中飞行器异构主动流动控制系统的结构示意图；

图4是本发明中控制中心的结构示意图；

图5是本发明中飞行器的实施例示意图；

图6是本发明中飞行器的机翼实施例示意图；

图7是图5中机翼处的局部放大示意图；

图8是图5中发动机处的局部放大示意图。

具体实施方式

如图1所示的飞行器异构主动流动控制方法，具体包括如下步骤：

101，在飞行器上的不同位置布置主动流动控制作动器；

102，获取飞行器上各个位置的流场参数；

103，根据飞行器的流场参数制定与各流场参数对应的主动流动控制作动器的控制策略，并根据控制策略控制各主动流动控制作动器运行。

在101中，主动流动控制作动器布置在飞行器上的位置可以是飞行器上的机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处或多处或飞行器上的其他位置，如起落架等，各主动流动控制作动器在飞行器上组成异构结构；主动流动控制作动器在飞行器上的每一处布置位置采用单独布置的方式或阵列布置的方式。本实施例中的单独布置的方式或阵列布置的方式的解释为：

参考图2，图中的双缝代表合成双射流激励器的两个出口，当飞行器上机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处选择布置合成双射流激励器时；若采用单独布置的方式，则如图2(a)所示；若采用阵列布置的方式，则如图2(b)所示。从图中可是，阵列布置的方式中多个合成双射流激励器出口的总长度与单独布置的方式中一个合成双射流激励器出口的长度相同。但是当采用单独布置的方式时，即仅有一个合成双射流激励器，单个合成双射流激励器失效则整个系统失去效应；若采用阵列布置的方式，整体效果与单独布置的合成双射流激励器控制效果一致，但多个激励器阵列布置时，则某单个激励器断联(可能是损坏或断电等)，则只影响该一个激励器的控制范围，整体内控制效果影响不大，进而提高了系统的抗干扰能力和容错率，即鲁棒性概念。因此本实施例中优选的采用阵列布置的方式。

在102中，飞行器上各个位置的指的是包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机的位置，通过在飞行器上的各个位置布置传感器来实现流场参数的获取。

在103中，根据各流场参数制定与各流场参数对应的主动流动控制作动器的控制策略具体包括控制该主动流动控制作动器的启用与否以及该主动流动控制作动器在启用时的相关工作参数。

上述的飞行器异构主动流动控制方法，通过在飞行器不同部位布置传感器以及具有不同功能的主动流动控制作动器，进而别实现飞行器上不同部位的流动控制目标，使得飞行器上各部位主动流动控制作动器协调工作并发挥最大效率，最终实现飞行器多种并发问题的流动控制，可以有效的克服多数现有控制技术适应性及普适性差、灵活性差、可靠性低等缺点，也拥有更宽广的控制域，更契合解决工程实际问题，具有很好的应用潜力与前景。

如图3所示的飞行器异构主动流动控制系统，包括控制中心301以及若干组飞行器异构主动流动控制子装置与电源304，图3中一共有n组飞行器异构主动流动控制子装置，n≥3。

其中，电源304可以是与各飞行器异构主动流动控制子装置相互对应；也可以采用多功能电源，例如可以采用北京海德嘉业科技有限公司生产的MP822型号多功能应急电源，可输出12V直流电(主机)、110V交流电(直流变交流转换器，功率从150W到1000W任选)、220V交流电(直流变交流转换器，功率从150W至1000W任选)，可实现给多类型作动器供电，节约空间，更体现集成的优势。本实施例中的电源为多功能电源。

每一组飞行器异构主动流动控制子装置均包括有：

主动流动控制作动器单元302，用于根据接收控制中心下达的控制策略调节飞行器上不同位置处的流场；当主动流动控制作动器单元302中仅含有一个主动流动控制作动器时，则该主动流动控制作动器以单独布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机、起落架中的一处；当主动流动控制作动器单元302中包含有多个主动流动控制作动器时，多个主动流动控制作动器则以阵列布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机、起落架中的一处；

流场参数获取单元303，本实施例中的流场参数为各种类型的传感器，例如压力传感器，结冰传感器等，流场参数获取单元303布置在飞行器上与对应主动流动控制作动器单元302相邻的位置，用于获取飞行器上对应主动流动控制作动器单元302位置的流场参数并上传至控制中心。

参考图4，控制中心301包括：

信号接收单元401，用于接收各流场参数获取单元上传的流场参数并存储；

信号处理单元402，调用信号接收单元401存储的流场参数并处理，处理包括转码、计算等，输出与各传感器经过处理后的控制数据，其中，控制数据可以是简单处理后的传感器数据，也可以是根据传感器数据计算所得的二次数据，例如，压力传感器只能获取压力系数，升力系数的获取要根据压力系数积分计算获得；

策略库单元403，根据各控制数据输出与各主动流动控制作动器单元的控制策略；

作动器控制单元404，依靠大量实验获得数据库，根据飞行器的特征数据、飞行工况等匹配对应的控制策略，控制策略具体到飞行器上某位置某作动器以某工作参数工作，根据各控制策略控制对应的主动流动控制作动器单元的运行；

显示器单元405，将各控制数据显示在飞行器的控制系统集成的显示屏幕上。

以上所提到的主动流动控制作动器包括但不限于合成射流激励器、等离子体激励器、定常吸/吹气装置、非定常或脉冲吸/吹气装置、定常/脉冲射流装置，其中，合成射流激励器可以采用合成双射流激励器或合成冷/热射流激励器。

通过控制中心301以及若干组飞行器异构主动流动控制子装置集成为飞行器异构主动流动控制系统，各飞行器异构主动流动控制子装置相互独立，控制中心301可直接控制各飞行器异构主动流动控制子装置进而控制整套飞行器异构主动流动控制系统，并使系统内各子装置协调工作，最终实现飞行器多种并发问题的流动控制。

本发明还提供一种飞行器，所述飞行器上安装有上述飞行器异构主动流动控制系统。为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。

图5以飞机为例，解释本发明给出的飞行器异构主动流动控制系统以及飞行器，图5中飞机的机头501、机身502、机翼503、尾翼504、发动机505上均安装有上述的飞行器异构主动流动控制子装置。参考图6，以机翼为例，上述的飞行器异构主动流动控制子装置由单部位的传感器601、主动流动控制作动器602、电源603组成，传感器601、主动流动控制作动器602、电源603均与控制中心电性相连，传感器601、主动流动控制作动器602均与电源603电性相连。

如图7所示是图5中机翼处的局部放大图，机翼翼尖处安装了翼尖涡合成射流控制装置701；机翼上表面安装了DBD等离子体激励器702与合成双射流作动器703用于抑制分离与环量控制；机翼前缘处安装了合成热射流防除冰装置704，四种飞行器异构主动流动控制子装置集成于机翼上，组成了一个局部的飞行器异构主动流动控制系统。

具体的，图5中，若干个未图示的压力传感器布置与机翼上下表面，用以获取机翼表面压力系数；若干个未图示的结冰传感器布置于飞机机翼前缘处，用以获取机翼前缘结冰情况；若干个未图示的位移传感器布置于机翼翼尖，用以获取机翼颤振幅度；异构主动流动控制系统的控制中心中的作动器控制单元包括各类型主动流动控制作动器的驱动装置(用于合成射流激励器等激励器驱动膜片振动的装置)、波形发生装置(给定合成射流激励器膜片振动信号的装置)等集成于飞机驾驶室，与飞机的飞行控制系统集成，便于飞行员操纵。

各传感器与控制中心电性连接，传感器将表面压力系数、结冰状况、振动幅度等传递给控制中心；控制中心通过表面压力系数计算飞机机翼升力特性，根据压力与升力特性判断机翼是否出现失速；通过结冰传感器数据判断结冰厚度等参数，通过振动幅度评判飞机颤振特性。

当飞机处于小攻角爬升时，由传感器数据可判断，此时机翼无失速情况发生。当攻角增大至临界失速角，根据传感器实时测得并传输到控制中心所显示的压力与升力特性可以判断机翼即将出现失速或已经出现失速，此时控制中心制定控制策略：①打开DBD等离子体放电装置，利用等离子体射流抑制机翼流动分离并延缓失速，DBD等离子体射流放电装置工作参数由具体飞行工况确定，根据传感器传递的数据获取反馈，实时判断失速情况，并调整相关工作参数，当失速缓解，则继续爬升，爬升结束，关闭DBD等离子体放电装置，继续巡航；②若利用等离子体射流抑制机翼流动分离并延缓失速未达到既定目标，则继续开启合成双射流激励器，增强抑制分离延缓失速的能力，合成双射流激励器工作参数由具体飞行工况确定，根据传感器传递的数据获取反馈，实时判断失速情况，并调整相关工作参数，当失速缓解，则继续爬升，爬升结束，关闭DBD等离子体放电装置与合成双射流激励器，继续巡航。以上控制策略中，开启DBD等离子体激励器与合成双射流激励器的顺序不限，根据失速的严重程度，并不局限于开启所有种类的控制装置。

当飞机经历爬升后进入云层并遭遇复杂气流，飞机机翼出现结冰和颤振。由结冰传感器所获取的数据，控制中心实时判断机翼出现结冰，可能对机翼升力产生造成不利影响，控制中心制定控制策略：开启合成热射流除冰装置，确定初步除冰参数，开启除冰后，实时显示除冰进度与除冰效果，通过反馈达到最优除冰效果；当除冰目标达成，关闭除冰装置。由位移传感器所获取的机翼振动幅度，控制中心实时判断机翼颤振情况，当颤振超过一定幅度，控制中心制定控制策略：开启翼尖涡合成射流控制装置，产生射流矢量推力，抑制机翼颤振，翼尖涡合成射流控制装置初步控制参数由工况确定，后续参数由传感器反馈确定，当颤振消除或通过复杂气流，关闭颤振控制装置。

当飞机机翼颤振时，当飞机出现颤振，控制中心制定控制策略并给定翼尖涡合成射流控制装置激励电压、激励频率、激励频率等工作参数，翼尖涡合成射流控制装置开始控制翼尖涡来抑制颤振，此时传感器实时测量振动幅度并传递给控制中心，若控制中心判定初始工作参数已经控制效果良好，则以该参数进行颤振控制；若发现颤振控制效果不理想，则改变激励电压、激励频率、激励频率等工作参数，直至达到既定控制效果。

如图8所示是图5中发动机处的局部放大图，飞行器发动机进气道801入口短S弯进气道处安装有合成双射流装置802促进进气转捩，抑制分离；发动机前缘处安装有激波吹除装置，激波吹除装置由吹除管道803和气泵804组成。

在图5-8所示的实施例中，飞机机翼与发动机处的各种飞行器异构主动流动控制子装置组成了局部飞行器异构主动流动控制系统。实际上，整个飞行器异构主动流动控制系统可视为由若干个局部飞行器异构主动流动控制系统再组成或若干个飞行器异构主动流动控制子装置集成。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (7)

1.一种飞行器异构主动流动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在飞行器上的不同位置布置具有不同功能的主动流动控制作动器；

获取飞行器上各个位置的流场参数；

根据飞行器的流场参数制定与各流场参数对应的主动流动控制作动器的控制策略，并根据控制策略控制各主动流动控制作动器运行；

所述在飞行器上的不同位置布置具有不同功能的主动流动控制作动器，具体为：

在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处或多处的位置布置具有不同功能的主动流动控制作动器，各主动流动控制作动器在飞行器上组成异构结构，其中，所述布置的方式采用单独布置或阵列布置。

2.一种飞行器异构主动流动控制系统，其特征在于，包括：

至少一组飞行器异构主动流动控制子装置，布置在飞行器上的包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处，用于获取飞行器上不同位置处的流场参数以及调节飞行器上不同位置处的流场；

控制中心，集成于飞行器的控制系统上，根据流场参数制定与各主动流动控制作动器单元对应的控制策略，并将控制策略下达至主动流动控制作动器单元；

电源，布置在飞行器上并与各飞行器异构主动流动控制子装置电性相连，用于向各飞行器异构主动流动控制子装置提供能源；

其中，所述飞行器异构主动流动控制子装置包括：

流场参数获取单元，用于获取飞行器上对应位置的流场参数；

主动流动控制作动器单元，所述主动流动控制作动器单元为多种具有不同功能的主动流动控制作动器中的一种，用于根据流场参数控制飞行器上对应位置的流场。

3.根据权利要求2所述飞行器异构主动流动控制系统，其特征在于，所述控制中心包括：

信号接收单元，用于接收各流场参数获取单元上传的流场参数并存储；

信号处理单元，对流场参数进行转码处理，输出与各流场参数获取单元对应的控制数据；

策略库单元，根据各控制数据输出与各主动流动控制作动器单元对应的控制策略；

作动器控制单元，根据各控制策略控制对应的主动流动控制作动器单元的运行；

显示器单元，将各控制数据显示在飞行器的控制系统集成的显示屏幕上。

4.根据权利要求2或3所述飞行器异构主动流动控制系统，其特征在于，每一飞行器异构主动流动控制子装置中主动流动控制作动器单元的数量至少为一个；

当主动流动控制作动器单元中仅含有一个主动流动控制作动器时，则该主动流动控制作动器以单独布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机、起落架中的一处；

当主动流动控制作动器单元中包含有多个主动流动控制作动器时，多个主动流动控制作动器则以阵列布置的方式布置在飞行器上包括但不限于机头、机身、机翼、尾翼、发动机中的一处。

5.根据权利要求2所述飞行器异构主动流动控制系统，其特征在于，所述主动流动控制作动器包括但不限于合成射流激励器、等离子体激励器、定常吸/吹气装置、非定常或脉冲吸/吹气装置、定常/脉冲射流装置。

6.根据权利要求2或3任一项所述飞行器异构主动流动控制系统，其特征在于，所述电源为多功能电源。

7.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器上安装有权利要求2至6任一项所述飞行器异构主动流动控制系统。

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