CN110282118B - 垂直稳定器和舵的主动流控制 - Google Patents

Abstract

本申请涉及垂直稳定器和舵的主动流控制。本文描述的系统和方法提供对飞行器的垂直控制表面上的流的控制以增强由表面产生的力。根据本文提供的公开的一个方面，飞行器的垂直控制表面接合主动流控制致动器，所述致动器与环境空气流相互作用以改变空气流的一个或多个特征。致动器控制系统检测流控制事件，并且作为响应而启动主动流控制致动器来改变空气流。根据其他方面，流控制事件与空气流的分离相关，通过启动适当的主动流控制致动器，增大由飞行器的垂直控制表面产生的力来矫正空气流的分离。

Description

垂直稳定器和舵的主动流控制

本申请是申请日为2011年10月13日、发明名称为“垂直稳定器和舵的主动流控制”的中国专利申请No.201110317725.X的分案申请。

背景技术

常规商业飞行器被设计为具有垂直尾翼，垂直尾翼用于在偏航轴线上提供稳定性。飞行器的垂直尾翼可包括固定的垂直稳定器和可移动舵，所述可移动舵被铰接在垂直稳定器的尾缘处。在正常飞行运行期间，垂直尾翼提供允许驾驶员适当地调准并且保持控制飞行器的力。驾驶员能够通过使舵转向加大由垂直尾翼产生的力，进而在飞行器上提供期望的偏航力矩。垂直尾翼的尺寸根据所设计的飞行包线确定，在设计的飞行包线中，飞行器将以必要的力运行以保持受控制的飞行处于所述包线的边界内。例如，在例如发动机失效或者极高侧风的紧急情况下，由垂直尾翼产生用以保持控制飞行器所需的力可以是最大的。在飞行器设计期间，这种力被计算并且垂直尾翼被相应地定尺寸，从而在期望飞行包线的边界处发生那些紧急情况或飞行运行的情况下保证产生这种力的能力。

然而，随着垂直尾翼尺寸的加大，飞行器相应的重量也增加，由垂直尾翼产生的阻力大小也增加。随着重量和阻力的增大，制造和运行这种飞行器的成本也增大。即使在正常飞行期间为保持稳定性需要由飞行器垂直尾翼产生的力允许减小常规垂直尾翼的尺寸，由于准备好在所设计的飞行包线的边缘处运行的需要，减小垂直尾翼的尺寸也是不可行的。

本文关于这些因素和其他方面，描述了此处所作出的公开。

发明内容

应该理解提供本发明内容以简化形式介绍了构思方案的选择，并且下面在具体实施方式中进一步描述。本发明内容并不意图用来限制所要求保护的主题的范围。

本文描述了提供主动流控制系统的系统和方法，主动流控制系统用来控制飞行器垂直控制表面上的空气流。利用此处所描述的构思，由飞行器的垂直尾翼产生的力能够被选择性地增加并且当在整个所设计的飞行包线上保持偏航控制飞行器时，允许垂直尾翼的尺寸和相应重量与常规飞行器尾翼相比明显地降低。

根据本发明提供的一个方面，主动流控制系统包括垂直控制表面、一个或更多个主动流控制致动器，和致动器控制系统。主动流控制致动器被安装在垂直控制表面上或其内，并且当被启动时，改变表面上空气流的一个或更多个特征。致动器控制系统检测期望空气流致动的流控制事件。响应于事件的检测，致动器控制系统启动流控制致动器以控制空气流。

根据另一方面，控制飞行器垂直控制表面上的空气流的方法包括检测与表面相关的流控制事件。响应于流控制事件的检测，一个或更多个主动流控制致动器被启动。主动流控制致动器与环境空气流相互作用，从而在空气流经过垂直控制表面上时将其改变。

根据又一方面，用于控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的主动流控制系统包括垂直控制表面、若干个主动流控制致动器和致动器控制系统。主动流控制致动器被安装在若干个区域内的垂直控制表面内。当被启动时，主动流控制致动器改变空气流的流特征。致动器控制系统被连接至致动器并且包括若干个传感器和一个控制器。这些传感器收集关于流控制事件的数据。控制器利用所收集的数据来检测流控制事件。在检测事件之后，控制器识别要启动的致动器的总数的子集。该子集对应于这样的区域，该区域中成员致动器的启动响应于流控制事件在控制空气流中是有效的。控制器启动所识别的区域或致动器子集内的致动器。

已经讨论的特征、功能和优点可通过本公开的各种实施例独立地实现或者在其他实施例中被组合，其进一步的细节能够参考下面描述和附图看出。

一种控制飞行器垂直控制表面上的空气流的主动流控制系统，其包括：

垂直控制表面；

至少一个主动流控制致动器，所述主动流控制致动器接合所述垂直控制表面，并且当被启动时运行以改变所述垂直控制表面上的空气流的流特征；以及

通信地连接至所述至少一个主动流控制致动器的致动器控制系统，所述致动器控制系统运行以检测流控制事件，并且响应于检测所述流控制事件启动所述至少一个主动流控制致动器。

所述系统，其中所述至少一个主动流控制致动器包括合成射流致动器、扫射流致动器、挡板或者主动涡流产生器。

所述系统，其中所述至少一个主动流控制致动器包括定位在所述垂直控制表面的多个区域内的多个主动流控制致动器，并且其中所述致动器控制系统能够进一步运行以根据区域从属关系启动所述多个主动流控制致动器。

所述系统，其中所述多个区域被从所述垂直控制表面邻接飞行器机身的根部顺序地垂直地排列至与所述根部相反的所述垂直控制表面的顶部。

所述系统，其中所述多个区域包括所述多个主动控制致动器的主动流控制致动器的任何子集，其中所述致动器控制系统能够进一步运行以根据所述流控制事件识别用于启动的主动流控制致动器的所述子集，并且其中致动所述至少一个主动流控制致动器包括致动主动流控制致动器的所述子集。

所述系统，其中所述流控制事件包括在所述多个区域的一个区域内的流分离指示，其中所述致动器控制系统运行以检测所述流控制事件包括所述致动器控制系统运行以检测所述区域内的流分离指示，并且其中所述致动器控制系统运行以启动所述至少一个主动流控制装置包括所述致动器控制系统运行以启动所述区域内一个或更多个主动流控制装置。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，其中所述流控制事件包括流分离指示，并且其中所述致动器控制系统包括位于所述垂直稳定器或所述舵上的至少一个压力传感器，以便所述至少一个压力传感器运行以检测对应于所述垂直稳定器或舵的流分离指示。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，其中所述致动器控制系统包括运行以检测舵的偏转角度的至少一个舵偏转传感器，并且其中所述流控制事件包括至少一个舵阈值偏转角度。

所述系统，其中所述流控制事件包括输入到所述飞行器的飞行控制系统的一个或更多个输入。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，并且其中所述多个主动流控制致动器靠近所述垂直稳定器的前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，并且其中所述多个主动流控制致动器靠近所述舵的前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，并且其中所述多个主动流控制致动器靠近所述舵的前缘被基本线性地定位在所述舵上或者所述舵内。

所述系统，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，其中所述多个主动流控制致动器包括第一多个主动流控制致动器和第二多个主动流控制器，并且其中所述第一多个主动流控制致动器靠近所述垂直稳定器的前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内，并且所述第二多个主动流控制致动器靠近所述舵的前缘基本线性地定位。

一种控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的方法，所述方法包括：

检测与所述垂直控制表面相关的流控制事件；

响应于检测所述流控制事件，启动与所述垂直控制表面相关的一个或更多个主动流控制致动器，从而改变所述垂直控制表面上的空气流。

所述方法，其中所述一个或更多个主动流控制致动器包括多个定位在所述垂直控制表面的多个区域内的多个主动流控制致动器，并且其中启动所述多个主动流控制致动器包括启动对应于与所述流控制事件相关的区域的所述多个主动流控制致动器的子集。

所述方法，其中检测所述流控制事件包括检测大于预定阈值角度的舵偏转角度，检测与表明即将发生的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，检测输入至飞行器的飞行控制系统的控制输入，或者检测流控制飞行参数。

所述方法，其还包括确定对应于所述流控制事件的一个或更多个主动流控制致动器的降低的动力输入，并且其中启动所述多个主动流控制致动器包括将所述降低的动力输入提供至所述一个或更多个主动流控制致动器。

所述方法，其中所述垂直控制表面包括垂直稳定器和舵，其中检测所述流控制事件包括使用多个压力传感器检测与表明即将发生的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，并且其中启动与所述垂直控制表面相关的一个或更多个主动流控制致动器包括启动靠近所述舵的前缘的一个或更多个主动流控制致动器。

一种用于控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的主动流控制系统，其包括：

所述垂直控制表面；

多个主动流控制致动器，其根据多个区域被安装在所述垂直控制表面内，并且当被启动时运行以改变所述垂直控制表面上的空气流的流特征；以及

致动器控制系统，其被通信地连接至所述多个主动流控制致动器，所述致动器控制系统包括：

多个传感器，所述传感器运行以收集与流控制事件相关的数据，以及

控制器，所述控制器运行以利用所述数据检测所述流控制事件，以响应于所述流控制事件识别对应于控制空气流的区域的所述多个主动流控制致动器的子集，并且启动所述多个主动流控制致动器的所述子集。

所述系统，其中所述多个传感器包括多个压力传感器，其中所述控制器运行以利用所述数据来检测所述流控制事件包括所述控制器运行以利用压力传感器数据来检测与表明即将到来的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，并且其中所述控制器还运行以识别与所述多个主动流控制致动器的所述子集相关的动力输入水平，以便启动所述多个主动流控制致动器的所述子集包括提供所识别的动力输入水平至所述子集的每一个主动流控制致动器。

附图说明

图1A和图1B分别是根据本文描述的实施例的常规飞行器垂直尾翼和改良的流控制尾翼的侧视图，其示出两个垂直控制表面之间的尺寸比较；

图2是根据本文描述的一个实施例的飞行器的改良的流控制尾翼的侧视图，其示出带有被定位在垂直稳定器的尾缘处的主动流控制致动器的主动流控制系统的部件；

图3是根据本文描述的一个实施例的飞行器的改良的流控制尾翼的侧视图，其示出带有被定位在舵的前缘处的主动流控制致动器的主动流控制系统的部件；

图4是根据本文描述的一个实施例的飞行器的改良的流控制尾翼的侧视图，其示出带有定位在垂直稳定器的前缘和尾缘处的主动流控制致动器的主动流控制系统的部件；

图5是根据本文描述的一个实施例的飞行器的改良的流控制尾翼的侧视图，其示出带有定位在垂直稳定器的前缘和舵的前缘上的主动流控制致动器的主动流控制系统的部件；

图6是示出根据本文描述的多种实施例的主动流控制系统的部件的方块图；

图7是图示说明根据本文描述的多种实施例控制垂直控制表面上的空气流的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述针对控制飞行器垂直控制表面周围的空气流以改良/增加(enhance)由该表面产生的力的系统和方法。如以上简单讨论的，一般的飞行器垂直尾翼表面显著大于正常飞行运行所需的表面。然而，由于需要保持飞行器在所设计的飞行包线的外边界处的运行期间的稳定性和控制，常规的飞行器垂直稳定器和相应地舵的依此定尺寸，从而在飞行期间产生了不期望的重量和阻力缺陷。

然而，利用本文描述的构思和技术，主动流控制致动技术被用来选择性地改良垂直尾翼表面上的环境空气流特征，并且随后增大由表面产生的力。这样，垂直尾翼表面的相对尺寸可被显著减小，同时保持常规尺寸的、未被致动的飞行器垂直尾翼的性能能力。

在随后的详细描述中，对附图进行了参考，这些附图形成了该说明书的一部分并且以图示说明、具体实施例或示例方式被示出。现参考附图，其中相同的编号在几个附图中始终代表相同的元件，主动流控制系统和方法将被描述。图1A和图1B示出常规飞行器垂直尾翼100和根据本文描述的实施例的改良的流控制尾翼120之间的对比。图1A示出常规飞行器垂直尾翼100的示例。常规飞行器尾翼100包括安装到后机身部分104的垂直控制表面102。

根据本文示出并且描述的多种实施例，垂直控制表面102包括垂直稳定器106和舵108，舵108经由铰链附接至垂直稳定器106并且可围绕铰链旋转以根据相应的偏转角度提供适当的偏航力。常规垂直控制表面102的尺寸被对应常规跨距110A和常规平均弦长112A的尺寸箭头示出。应理解这些附图未按比例绘制，仅是为了图解目的而接近的。垂直尾翼部件的精确尺寸和配置可根据具体的实施方式改变。此外，应理解垂直控制表面102不限于这些附图中示出的垂直稳定器106和舵108的精确配置。此外，垂直控制表面102可包括被配置为控制飞行器偏航的任何控制表面。

相比较来说，图1B示出利用本文描述的构思的改良的流控制尾翼120的示例。改良的流控制尾翼120包括安装到机身部分104的垂直控制表面122，该机身部分104与在图1A中示出的常规飞行器垂直尾翼100的机身部分104相同。垂直控制表面122包括垂直稳定器126和舵128，舵128经由铰链被附接至垂直稳定器126并且可围绕铰链旋转以根据相应的偏转角度提供适当的偏航力。在利用以下描述的技术的改良的流控制尾翼120和以上描述的常规飞行器垂直尾翼100之间可观察到明显不同是尺寸的不同。虽然未按比例绘制，但是可看出在图1B中垂直控制表面122的跨距110B小于常规垂直控制表面102的跨距110A。相似地，垂直控制表面122的平均弦长112B同样小于常规垂直控制表面102的平均弦长112A。

为了允许垂直控制表面122减小表面面积，本文描述的多种实施例利用了主动流控制系统130。除将在以下相对图6更详细地描述的其他部件外，主动流控制系统130还包括致动器控制系统132和多个主动流控制致动器134。虽然致动器控制系统132被描绘为两条水平线并且主动流控制致动器被描述为分别平行于垂直稳定器的前缘和尾缘的两条线，但是应理解所描绘的这些部件在垂直控制表面122上的位置仅为说明目的示出。从图2-图4和相应的描述中将清楚的是主动流控制系统130的位置和部件可根据具体的实施方式改变。

现转向图2，将根据一个实施例描述改良的流控制尾翼200。改良的流控制尾翼200包括垂直稳定器126和附接的舵128。根据该实施方式，多个主动流控制致动器被安装在垂直稳定器126内。虽然在图2中示出了八个主动流控制致动器134，但是在本公开的范围内可利用任何数目的主动流控制致动器134。所利用的精确数目可能依赖所使用的致动器类型、使用致动器的飞行器的类型、致动器的布置和任何其他可应用的设计因素。

该示例的主动流控制致动器134被示出靠近并且平行于垂直稳定器126的尾缘220线性对齐。允许来自主动流控制致动器134的致动空气与环境空气流在舵128的前缘上相互作用的位置对于一个或更多个主动流控制致动器134是有利的位置，因为舵128围绕舵铰链的偏转产生可能导致不期望的流分离的压差，特别是随着舵偏转角度的增大。在舵128偏转期间对这种分离的控制增大了由飞行器的垂直控制表面产生的空气动力学力，随后允许更小的垂直尾翼而对飞行包线的边界没有不利的影响。

主动流控制致动器134可以是任何类型的流控制致动器，包括但不限于合成喷射器、扫射喷射器、挡板(flipperons)、主动涡流产生器和/或它们的任何组合。例如，压电盘可被用为主动流控制致动器134，以控制在改良的流控制尾翼200上的流。应该明确的是在附图中示出的主动流控制致动器134的形状和配置并不意图限制。可在本文描述的各种实施例内利用的主动流控制致动器的示例包括于2008年9月23日提交的标题为“Shaping aFluid Cavity of a Flow Control Actuator for Creation of Desired WaveformCharacteristics”的共同待审的美国专利申请序列号12/236,032，和于2010年1月29日提交的标题为“Multi-Stage Flow Control Actuation”的美国专利申请序列号12/696,529中描述的那些，它们中的每个均以其整体通过引用并入本文。应理解主动流控制致动器134可被电动或气动地启动，或者根据以其所使用的致动器的类型的任何期望的方法启动。

根据一个实施例，致动流控制致动器134可被配置在区域内并且以区域从属关系(membership)被利用。通过根据区域致动垂直控制表面122上的流，能够管理并且仅仅分配动力给那些需要在给定时刻控制流的致动器。因为飞行运行期间内的动力管理是非常重要的因素，所以通过主动流控制系统130最小化动力消耗量是在此关于各种实施例所描述的区域-致动的流控制的有益特性。此外，通过最小化在给定时间内启动的致动流控制致动器134的数目，主动流控制系统130的致动器和相关部件上的磨损也被最小化。

用来将主动流控制致动器134分组的各区域可根据沿垂直控制表面122的致动器的物理位置被限定。在图2示出的示例中，从垂直控制表面122邻近飞行器机身104的根部到垂直控制表面122与根部相反的顶部顺序设置三个区域202、204、206，它们的边界通过虚线描绘出。顶部区域206包括致动器1和2，中部区域204包括致动器3-5，并且根部区域202包括致动器6-8。作为区域致动流控制的一个示例，如果主动流控制系统130在舵128靠近垂直控制表面122的顶部的前缘222处舵铰链线附近检测到流分离状况，那么顶部区域206的单元致动器1和2可被启动而同时保持致动器3-8依然未启动。取决于舵的偏转和对应于飞行器运行的其他飞行参数以及在致动时周围环境的特征，有益的是根据不同区域顺序启动主动流控制致动器134。

根据可替代实施例，这些区域没有根据以上描述的根部、中部和顶部位置被顺序分离，而是包括各种预定的致动器组合。例如，第一区域可包括致动器1、3和6；第二致动器包括2、4和7；第三致动器包括致动器4和8。在这种情况下，第一区域可被首先启动以提供横跨垂直控制表面122的整个跨距的一定程度的流致动。随着进一步致动的需要，第二区域可被致动，必要时之后是第三区域被致动。

应该理解这些区域和对应的致动器元件可以任何适当的方式被限定。根据另一实施例，这些区域根据具体的期望的流致动的例子中的具体飞行参数在飞行运行期间被动态地限定。例如，主动流控制系统130可决定应启动致动器1和2以防止流在舵128的外侧部分的分离。在下一个例子中，由于驾驶员对于飞行控制系统的输入变化或者侧风的变化或者其他环境因素，系统可决定应该启动致动器1、4和6并且并不启动致动器2。一般地，该实施例允许响应于飞行器和/或环境的当前条件选择性启动主动流控制致动器134的总数的任何子集。

根据另一实施方式，除了以上的区域致动流控制技术之外或者与以上的区域致动流控制技术相组合，主动流控制系统130可通过控制分配至致动器的输入动力控制被启动的流控制致动器134的输出。例如，如果在给定飞行条件下仅需特定致动器的一半输出能力来阻止或校正垂直控制表面122上特定位置的流分离，那么主动流控制系统130可相应地降低输入动力，以提供降低的输出致动流。

当由致动器控制系统132触发时，主动流控制致动器134的启动发生。致动器控制系统132包括具有一个或更多个传感器的事件检测系统，所述传感器能够检测流控制事件。为本公开的目的，流控制事件包括飞行器或飞行器行驶的周围环境的任何条件或参数，其中在此描述的主动流控制技术将是可期望的。

流控制事件的一个示例是流分离指示的检测。流分离指示可包括代表流分离正在垂直控制表面122上发生的任何数据，或者将发生的对于分离优化的条件。流分离指示的一个示例是压力梯度的检测，压力梯度与表明即将发生或当前流分离的空气流相关。另一流分离指示可包括舵超过阈值偏转角度的偏转。其他流控制事件可包括但不限于驾驶员或飞行系统控制输入，其指示增大的偏航控制需求、需要增大的偏航控制的发动机输出或其他紧急状态，以及对应于飞行器运行状态和/或环境状态的一个或更多个流控制飞行参数，所述飞行器运行状态和/或环境状态例如飞行器速度、高度、侧滑角度、环境空气流压力或它们的任何组合。

如以上描述的，致动器控制系统132包括具有一个或更多个传感器的事件检测系统，所述一个或更多个传感器能够检测流控制事件。这些传感器可包括压力传感器210、舵偏转传感器212、控制输入传感器214、飞行参数传感器216、或者关于它们的组合。仅为说明目的，图2示出了多排压力传感器210，它们根据多种位置和安装密度被配置。在垂直稳定器126上示出三排压力传感器210。这些中的一些被示出从垂直稳定器126的前缘218延伸至垂直稳定器126的尾缘220。一排压力传感器210被示出从前缘218延伸至垂直稳定器126的大约中间弦的位置。其他压力传感器210被示出从舵128的前缘更密集地线性排列至舵128的尾缘224。

应理解为了提高表示流区域在垂直控制表面122上的流动的准确性，应增加压力传感器210的数目。图2示出了压力传感器210的几种示例配置，以图示说明压力传感器可在垂直稳定器126和/或舵128上的任何翼展位置被线性对齐并且可利用任何数目的传感器。然而，实践上，仅可利用小数目的压力端口以提供流特征的估计，同时最小化关于压力传感器210的成本和维护。根据一个实施例，多排压力传感器210可沿区域边界或者靠近区域边界线性排列，例如在根部区域202和中部区域204之间，以及在中部区域204和顶部区域206之间。

与事件检测系统一起使用的另一传感器是舵偏转传感器212。舵偏转传感器212连接至舵218并且能够感测对应于舵128的偏转的偏转角度。随着偏转角度的增大，在垂直控制表面122上的流分离的潜在性也增大。当舵128的偏转超过阈值偏转角度时，利用主动流控制致动器134可有益于防止或延迟流分离。因此，致动器控制系统132可使用舵偏转传感器212，以监控舵128的偏转并且当适当时启动适当的主动流控制致动器134。

控制输入传感器214可包括用来检测从驾驶员或自动导航至飞行器的飞行控制系统的控制输入的任何数目和类型的传感器。例如，控制输入传感器214可包括检测发动机推力设定和/或舵踏板偏转的变化的传感器。这些控制输入通过给出输入自身以及与来自一个或更多个压力传感器210和/或飞行参数传感器216的数据组合，被致动器控制系统132用来决定在垂直控制表面130上的空气流的致动是否合适。飞行参数传感器216可以是提供可应用的当前环境和/或飞行数据至致动器控制系统132的任何传感器。例如，飞行器速度、高度、姿态、侧滑数据、爬升速率或下降速率，以及环境压力均可以是通过致动器控制系统132利用的因素，以决定是否启动任何主动流控制致动器134。

现转向图3，可替代实施例被示出，其中改良的流控制尾翼300具有安装在舵128内而不是安装在垂直稳定器126内的主动流控制致动器134。这样，来自主动流控制致动器134的致动流与舵本身、靠近舵的前缘222的环境流相互作用。因为流分离通常发生在前缘222的舵尾部，所以主动流控制致动器134在舵128内的位置是有利的。然而，取决于具体的实施方式，在舵126内的结构限制可影响主动流控制致动器134在垂直稳定器126内的定位，因此来自致动器的致动流与靠近稳定器的尾缘220的环境流相互作用以最小化在舵128上的流分离的影响。

在图4中示出另一实施例，其带有改良的流控制尾翼400，所述改良的流控制尾翼400包括两组线性对齐的主动流控致动器134。第一组被安装在垂直稳定器126内靠近前缘218处。第二组被安装在垂直稳定器126内靠近尾缘220处。另一实施例被示出在图5中，改良的流控制尾翼500同样包括两组线性对齐的主动流控制致动器134。然而，根据该实施例，第一组主动流控制致动器134被安装在垂直稳定器126内靠近前缘218处，而第二组主动流控制致动器134被安装在舵128内靠近前缘222处。应理解可替代实施例可包括位于垂直稳定器126的尾缘220和/或舵128的尾缘224处的第三组或第四组主动流控制致动器134。

通过具有多组主动流控制致动器134，可对环境流保持额外的控制。例如，通过致动垂直稳定器126的尾缘220附近的流，在垂直稳定器126的前缘218的流被以一种从在前缘218处的流致动中获益的方式被干扰。从对改良的流控制尾翼200、300和400的描述中，应该明确的是本文的公开预期了任何数目、布置和区域配置的主动流控制致动器134。

现参考图6，主动流控制系统130将被更详细地描述。如以上讨论的，主动流控制系统130包括致动器控制系统132和若干个主动流控制致动器134。致动器控制系统132包括事件检测系统602、检测系统控制器604和主动流控制致动器(AFCA)控制器606，事件检测系统602收集对应于流控制事件的数据，检测系统控制器604用于判读来自事件检测系统602的传感器的数据以确定流控制事件是否已经发生，主动流控制致动器控制器606用来响应于流控制事件发生的确定而识别将启动的主动流控制致动器134，并且启动适当的主动流致动器134。

如以上描述的，事件检测系统602可包括任何数目和类型的传感器，包括但不限于压力传感器210、舵偏转传感器212、控制输入传感器214和飞行参数传感器216。事件检测系统602传递传感器的数据至检测系统控制器604，其作出关于流控制事件是否已经发生的决定。该决定和所有适当的数据(例如事件类型、事件位置和事件的严重性)被发送至AFCA控制器606。AFCA控制器606利用了该流控制事件数据选择适当的主动流控制致动器134(启动所有可用主动流控制致动器134或者启动确定的区域的主动流控制致动器134子集)并且启动这些致动器。应理解检测系统控制器604和AFCA控制器606可以是分离的控制器或者可以是运行以实施两种控制器功能的单个控制器。每个控制器可以是计算机硬件和/或被编程以实施在此描述的操作的软件。

转向图7，现在将详细描述提供在垂直控制表面122上的致动流的说明性程序600。应理解可实施比在图7中示出并且在此描述的更多或更少的操作。此外，这些操作还可以与那些在此描述不同的顺序被实施。程序600在操作702处开始，在此流控制事件被检测。流控制事件可以是流分离指示或其他从事件检测系统602的一个或更多个传感器中收集的任何其他数据。该流控制事件已经发生的确定可由检测系统控制器604或AFCA控制器606做出。

从操作702处，程序600继续至操作704，在此AFCA控制器606根据流控制事件数据确定哪个主动流控制致动器134或主动流控制致动器134的区域应被启动以控制垂直控制表面122上的流。程序600继续至操作706，在此AFCA控制器606确定用于致动所选择的主动流控制致动器134的动力输入水平。如以上描述的，根据各种实施例，主动流控制致动器134可以低于全部动力运行以节约飞行器的动力。该确定可依赖于流控制事件的幅值、事件的位置、以及可用主动流控制致动器134的数目和位置。

在操作708处，AFCA控制器606根据所确定的区域和动力水平启动所选择的主动流控制致动器134。从操作708处，程序600继续至操作710，在此做出关于流控制事件是否已经完成的决定。如果事件不再适用，例如当导致流分离的条件已经结束，那么程序600结束。然而，如果在操作710处做出流控制事件尚未结束的确定，那么程序600返回至操作704并且如以上描述地继续。

从以上公开中应该明确的是在此描述的技术提供了在飞行器的垂直控制表面122上的改良流控制。当遇到如下情况时，使用以上描述的适当的流致动技术，即由飞行器垂直表面122产生以保持在所设计的飞行包线的外边界处对飞行器的控制所需的力不能没有流致动而产生的情况下。通过使用这些技术，飞行器的垂直控制表面122的尺寸与常规飞行器的垂直控制表面102相比，能被显著减小。

以上描述的主题仅以说明方式提供并且不应被理解为限制。可在不遵循图解和描述的示例实施例和应用并且不偏离权利要求所阐明的本发明的精神和范围的情况下针对本文所描述的主题做出多种变型和改变。

Claims (17)

1.一种控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的主动流控制系统，其包括：

所述垂直控制表面，所述垂直控制表面包括垂直稳定器、舵以及所述垂直稳定器的后缘与所述舵的前缘之间的舵铰链线，其中所述垂直控制表面具有多个区域；

至少一个主动流控制致动器，所述至少一个主动流控制致动器被定位成在所述舵内、靠近所述舵铰链线并与所述舵铰链线平行，并且被定位在所述垂直稳定器内、靠近所述垂直稳定器的前缘并与所述垂直稳定器的所述前缘平行，每个主动流控制致动器接合所述垂直控制表面并且当被启动时能够运行以提供改变所述垂直控制表面上的空气流的流特征的致动空气流；以及

通信地连接至所述至少一个主动流控制致动器的致动器控制系统，所述致动器控制系统包括：

事件检测系统，其包括：

多个传感器，其能够运行以收集与指示流分离的流控制事件相关联的数据，所述多个传感器包括从包括如下传感器的组中选择的至少两种类型的传感器：压力传感器、舵偏转传感器、控制输入传感器和飞行参数传感器；以及

控制器，其包括：

检测系统控制器；以及

主动流控制致动器控制器，即AFCA控制器，其中所述事件检测系统被设置成将所述数据从所述传感器传送到所述检测系统控制器，该检测系统控制器能够运行以利用所述数据来检测所述流控制事件并将这个决定和包括事件类型、事件位置和事件的严重性的所有适当的数据发送至所述AFCA控制器，该AFCA控制器被设置成识别对应于用于响应于所述流控制事件控制所述空气流的区域的主动流控制致动器的子集，并且启动所述区域中的所述主动流控制致动器的所述子集以改变所述空气流的所述流特征，从而防止流分离。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个主动流控制致动器包括合成射流致动器、扫射流致动器、挡板或者主动涡流产生器。

3.如权利要求1所述的系统，所述多个区域被从所述垂直控制表面邻接飞行器机身的根部顺序地垂直地排列至所述垂直控制表面的与所述根部相反的顶部。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述多个区域包括所述至少一个主动流控制致动器中的主动流控制致动器的任何子集，其中所述致动器控制系统能够进一步运行以根据所述流控制事件识别用于启动的主动流控制致动器的所述子集，并且其中致动所述至少一个主动流控制致动器包括致动主动流控制致动器的所述子集。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述流控制事件包括对所述多个区域中的一个区域内的流分离指示，其中所述致动器控制系统能够运行以检测所述流控制事件包括所述致动器控制系统被设置以检测所述区域内的流分离指示，并且其中所述致动器控制系统能够运行以启动所述至少一个主动流控制致动器包括所述致动器控制系统被设置以启动所述区域内的多个主动流控制致动器中的一个或更多个主动流控制致动器。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述流控制事件包括流分离指示，并且其中所述致动器控制系统包括位于所述垂直稳定器或所述舵上的至少一个压力传感器，以便所述至少一个压力传感器能够运行以检测对应于所述垂直稳定器或所述舵的流分离指示。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述致动器控制系统包括能够运行以检测舵偏转角度的至少一个舵偏转传感器，并且其中所述流控制事件包括至少一个阈值舵偏转角度。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述流控制事件包括到所述飞行器的飞行控制系统的一个或更多个控制输入。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个主动流控制致动器靠近所述垂直稳定器的所述前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个主动流控制致动器靠近所述舵的所述前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个主动流控制致动器靠近所述舵的所述前缘被基本线性地定位在所述舵上或者所述舵内。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个主动流控制致动器包括第一多个主动流控制致动器和第二多个主动流控制致动器，并且其中所述第一多个主动流控制致动器靠近所述垂直稳定器的所述前缘被基本线性地定位在所述垂直稳定器上或者所述垂直稳定器内，并且所述第二多个主动流控制致动器靠近所述舵的所述前缘基本线性地定位。

13.一种通过使用根据权利要求1所述的主动流控制系统来控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的方法，所述飞行器包括垂直稳定器、舵以及所述垂直稳定器的后缘与所述舵的前缘之间的舵铰链线，所述方法包括：

收集与指示流分离的流控制事件相关的数据；

检测与所述垂直控制表面相关的指示流分离的流控制事件；

响应于检测所述流控制事件和包括事件类型、事件位置和事件的严重性的所有适当的数据，确定用于启动的与所述垂直控制表面相关的多个主动流控制致动器的子集；

确定用于所述子集的一个或更多个主动流控制致动器的降低的动力输入；

将所述降低的动力输入提供到所述一个或更多个主动流控制致动器；并且

控制器根据所确定的动力水平启动所述子集的所述一个或更多个主动流控制致动器以防止流分离，

其中启动所述子集的所述一个或更多个主动流控制致动器包括启动对应于与所述流控制事件相关联的区域的主动流控制致动器的子集。

14.如权利要求13所述的方法，其中检测所述流控制事件包括：检测大于预定阈值角度的舵偏转角度，检测与表明即将发生的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，检测至所述飞行器的飞行控制系统的控制输入，或者检测流控制飞行参数。

15.如权利要求13所述的方法，其中检测所述流控制事件包括使用多个压力传感器检测与表明即将发生的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，并且其中启动与所述垂直控制表面相关的所述一个或更多个主动流控制致动器包括启动靠近所述舵的前缘的所述一个或更多个主动流控制致动器。

16.一种用于控制飞行器的垂直控制表面上的空气流的主动流控制系统，其包括：

垂直控制表面，其具有多个区域；

多个主动流控制致动器，其根据所述多个区域被安装在舵内、靠近舵铰链线并与所述舵铰链线平行，并且被安装在垂直稳定器内、靠近所述垂直稳定器的前缘并与该前缘平行，每个主动流控制致动器包括压电盘，所述压电盘能够运行以产生致动流，当所述压电盘被启动并且所述致动流从所述主动流控制致动器被排出时，所述致动流改变所述垂直控制表面上的空气流的流特征；以及

致动器控制系统，其被通信地连接至所述多个主动流控制致动器，所述致动器控制系统包括：

事件检测系统，其包括：

多个传感器，所述多个传感器能够运行以收集与流控制事件相关的数据，所述多个传感器包括从包括如下传感器的组中选择的至少两种类型的传感器：压力传感器、舵偏转传感器、控制输入传感器和飞行参数传感器；以及

控制器，其包括：

检测系统控制器；以及

主动流控制致动器控制器，即AFCA控制器，其中所述事件检测系统被设置成将所述数据从所述传感器传送到所述检测系统控制器，该检测系统控制器能够运行以利用所述数据来检测指示流分离的所述流控制事件并且将这个决定和包括事件类型、事件位置和事件的严重性的所有适当的数据发送至所述AFCA控制器，该AFCA控制器被设置成识别对应于用于响应于所述流控制事件控制所述空气流的区域的所述多个主动流控制致动器的子集，并且启动所述区域中的所述多个主动流控制致动器的所述子集以防止流分离。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述多个传感器包括多个压力传感器，其中所述控制器能够运行以利用所述数据来检测所述流控制事件包括所述控制器能够运行以利用压力传感器数据来检测与表明即将到来的或当前的流分离的空气流相关的压力梯度，并且其中所述控制器还能够运行以识别与所述多个主动流控制致动器的所述子集相关的动力输入水平，以便启动所述多个主动流控制致动器的所述子集包括提供所识别的动力输入水平至所述子集的每一个所述主动流控制致动器。

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