CN112607032A - 实现飞行器流动控制和冰形感控的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：包括：固定设置于飞行器机翼的回形等离子体激励器、调制单元和控制单元；所述回形等离子体激励器包括高压电极、低压电极和绝缘层介质，所述高压电极采用金属电极条以首尾连接的方式形成回形，所述低压电极为金属平板，所述高压电极的正投影均在所述金属平板内，所述绝缘层介质设置于高压电极与低压电极之间，所述绝缘层介质对高压电极和低压电极进行物理隔离；本申请结合等离子体在飞行器流动控制和减阻方面的应用，将等离子体结冰感应和防除冰冰形于一身，采用回形等离子激励器，实现飞行器结冰感应、展向的流动控制和防除冰，以及飞行器弦向减阻和防除冰。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器气动性能控制技术领域，尤其涉及一种实现飞行器流动控制和冰形感控的装置及方法。
背景技术
空中飞行的飞行器在起飞着陆、盘旋、大迎角或做大机动飞行时容易造成机翼表面流场的失速分离，以及在过冷环境下飞行遇到过冷水滴时易造成机翼表面结冰，失速分离和结冰等都会降低飞行器的气动性能，影响飞行安全。飞行器失速分离主要表现在机翼表面附面层的分离，造成的后果是飞行器的升力急剧下降，阻力增大，气动性能变差；飞行器飞行过程中所受的阻力有压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干扰阻力和激波阻力等，飞行器自身为了减少阻力对它的影响，发动机会产生一个较大的推力来平衡阻力，因而对飞行器的耗能较高；飞行器表面结冰会改变机翼原来的型面，表面流场会变得很不稳定，结冰状态下的飞行安全包线范围缩小，升力急剧减小，阻力增加，严重威胁飞行安全。
为了改善流场的失速分离，通常要对流场进行控制来促进附面层的再附着，现有的流动控制方式有被动流动控制和主动流动控制，被动流动控制是一种安装在飞行器表面上不可拆卸且在特定的飞行状态下才能发挥较为明显效能而在其它飞行状态下则可能会影响飞行器气动性能的控制方式，而人们更希望在需要进行流场控制的时候实施控制，因而主动流动控制技术更加适用于流场的控制。主动流动控制技术在需要进行控制时进行控制而在不需要控制时对飞行器气动性能无影响，现有对主动流动控制技术的研究较为深入，有吹吸气、振荡射流、声激励、微机电技术和等离子体流动控制。基于介质阻挡放电的等离子体流动控制的激励器在飞行器前缘展向布置的控制效果最佳，激励器施加后等离子体诱导涡流场促进失速分离的附面层再附，此外，等离子体激励器沿弦向布局时，存在有对飞行器表面的减阻效果，结合展向和弦向布局的等离子体激励器将能够更好地促进增升减阻效果。但现有的等离子体激励器仅具备流动控制、或者减阻、或者结冰感应、或者防除冰控制中的一种功能，若需要实现上述四种功能则需要多个等离子激励器共同完成，其导致无人机搭载增加且接线困难。
因此，亟需一种能整合流动控制、减阻、结冰感应和防除冰控制于一体的装置及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：包括：固定设置于飞行器机翼的回形等离子体激励器、调制单元和控制单元；
所述回形等离子体激励器包括高压电极、低压电极和绝缘层介质，所述高压电极采用金属电极条以首尾连接的方式形成回形，所述低压电极为金属平板，所述高压电极的正投影均在所述金属平板内，所述绝缘层介质设置于高压电极与低压电极之间，所述绝缘层介质对高压电极和低压电极进行物理隔离；
所述调制单元包括升压单元和脉冲调制单元，所述升压单元用于对飞行器机载电源电压进行升压，所述脉冲调制单元用于对升压后的电压进行调制形成脉冲电压，所述调制单元的高压输出端与所述高压电极的尾端连接，所述调制单元的低压输出端与所述低压电极的金属平板连接；
所述控制单元包括处理器和采集单元，所述采集单元用于实时采集回形等离子体激励器的高压电极和低压电极的电压和电流，并将所述电压和电流数据传输至处理器，所述处理器与所述脉冲调制单元通信连接用于接收指令并将所述指令转换为电信号传输至所述脉冲调制单元。
进一步，所述高压电极和低压电极采用铜箔。
进一步，所述高压电极相邻两个电极条之间设置有间隙。
进一步，所述脉冲调制单元包括信号发生器，所述信号发生器用于发出矩形脉冲信号。
相应地，本发明还提供一种实现飞行器流动控制和冰形感控的方法，所述方法适用于权利要求1-4任一所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，所述方法包括：
S1：将所述装置搭载于目标飞行器，并将所述回形等离子体激励器设置于目标飞行器机翼的前缘及机翼中间位置；
S2：在飞行器大仰角起飞过程中，控制单元接收指令，并根据所述指令输出特定频率的脉冲信号；所述特定频率包括用于流动控制的200HZ、用于减阻的1500HZ、用于结冰感应的5HZ和用于防除冰的6000HZ；
所述步骤S2具体包括：
在飞机大迎角起飞时，向控制器输入流动控制指令，所述控制器收到流动控制指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为200HZ的矩形脉冲信号；
或者，
当飞行器平飞中遇到不稳定气流或斜阵风导致的迎角增大时，向控制器输入减阻指令，所述控制器接收到减阻指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为1500HZ的矩形脉冲信号。
进一步，所述步骤S2还包括：
当飞行器行至环境温度较低的云层中时，向控制器输出结冰感应指令，所述控制器接收到结冰感应指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为5HZ的矩形脉冲信号；
所述控制器接收采集单元的数据，控制器根据所述数据判断是否结冰，若是，则向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为6000HZ的矩形脉冲信号，若否，则控制器不输出指令。
进一步，控制器根据所述数据判断是否结冰的具体步骤包括：
控制器根据所述采集单元的数据生成实时利萨如图形，并确定实时利萨如图形的边界；
将实时利萨如图形的边界与控制器预设的结冰利萨如图形的边界进行对比，当实时利萨如图形的边界小于结冰利萨如图形的边界时，则结冰，反之，则没有结冰。
本发明的有益技术效果：本申请结合等离子体在飞行器流动控制和减阻方面的应用，将等离子体结冰感应和防除冰冰形于一身，采用回形等离子激励器，实现飞行器结冰感应、展向的流动控制和防除冰，以及飞行器弦向减阻和防除冰。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是回形等离子体激励器结构示意图。
图2是调制单元集成装置图。
图3是无人机回形等离子体激励器安装图。
图4是不同飞行状态下进行激励控制的示意图。
附图标记说明：1、低压电极；2、高压电极；3、绝缘介质；4、直流电源；5、控制平台；6、半导体开关(IGBT)；7、升压端；8、无人机；9激励器展向布局。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：包括：固定设置于飞行器机翼的回形等离子体激励器、调制单元和控制单元；
所述回形等离子体激励器包括高压电极、低压电极和绝缘层介质，所述高压电极采用金属电极条以首尾连接的方式形成回形，所述低压电极为金属平板，所述高压电极的正投影均在所述金属平板内，所述绝缘层介质设置于高压电极与低压电极之间，所述绝缘层介质对高压电极和低压电极进行物理隔离；等离子体设计为回形可实现机翼展向的流动控制和防除冰，以及机翼弦向减阻和防除冰，从而使得流动控制、减阻、结冰感应、防除冰控制中的各项功能的一体化。
所述调制单元包括升压单元和脉冲调制单元，所述升压单元用于对飞行器机载电源电压进行升压，所述脉冲调制单元用于对升压后的电压进行调制形成脉冲电压，所述调制单元的高压输出端与所述高压电极的尾端连接，所述调制单元的低压输出端与所述低压电极的金属平板连接；所述升压单元采用现有的直流升压器件，如逆变器，实现直流转交流，变压器，实现交流升压。其连接方式如图2所示。
所述控制单元包括处理器和采集单元，所述采集单元用于实时采集回形等离子体激励器的高压电极和低压电极的电压和电流，并将所述电压和电流数据传输至处理器，所述处理器与所述脉冲调制单元通信连接用于接收指令并将所述指令转换为电信号传输至所述脉冲调制单元。在本实施例中，所述采集单元采用示波器，所述示波器实时显示回形等离子体激励器两端电压电流，同时，使用者可根据示波器波形的显示来判断激励器是否放电产生等离子体，因为未放电到放电的整个过程，电压和电路的变化加大，使用者可直观的通过示波器的显示来判断，可可通过控制器来判断，所述控制器采用现有的芯片，如AMDRyzen 7 1800X，在此不再赘述。
上述技术方案，结合等离子体在飞行器流动控制和减阻方面的应用，将等离子体结冰感应和防除冰冰形于一身，采用回形等离子激励器，实现飞行器结冰感应、展向的流动控制和防除冰，以及飞行器弦向减阻和防除冰。
在本实施例中，所述高压电极和低压电极采用铜箔。铜箔导电性好，经济性好，实现较强的放电，产生等离子体。
在本实施例中，所述高压电极相邻两个电极条之间设置有间隙。设置两高压电极的间隙宽度为10mm，是由于等离子体在较高电压下，如9KV电压，放电的细丝宽度为5mm，从而等离子体放电区域可进行防除冰。
在本实施例中，所述脉冲调制单元包括信号发生器，所述信号发生器用于发出矩形脉冲信号。信号发生器发出的脉冲信号提供给IGBT，IGBT为半导体开关，从而控制电路通断，实现回形等离子体激励器的放电。
相应地，本发明还提供一种实现飞行器流动控制和冰形感控的方法，所述方法适用于权利要求1-4任一所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，所述方法包括：
S1：将所述装置搭载于目标飞行器，并将所述回形等离子体激励器设置于目标飞行器机翼的前缘及机翼中间位置；
S2：在飞行器大仰角起飞过程中，控制单元接收指令，并根据所述指令输出特定频率的脉冲信号；所述特定频率包括用于流动控制的200HZ、用于减阻的1500HZ、用于结冰感应的5HZ和用于防除冰的6000HZ；
所述步骤S2具体包括：
在飞机大迎角起飞时，向控制器输入流动控制指令，所述控制器收到流动控制指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为200HZ的矩形脉冲信号；
或者，
当飞行器平飞中遇到不稳定气流或斜阵风导致的迎角增大时，向控制器输入减阻指令，所述控制器接收到减阻指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为1500HZ的矩形脉冲信号。
所述步骤S2还包括：
当飞行器行至环境温度较低的云层中时，向控制器输出结冰感应指令，所述控制器接收到结冰感应指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为5HZ的矩形脉冲信号；
所述控制器接收采集单元的数据，控制器根据所述数据判断是否结冰，若是，则向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为6000HZ的矩形脉冲信号，若否，则控制器不输出指令。
控制器根据所述数据判断是否结冰的具体步骤包括：
控制器根据所述采集单元的数据生成实时利萨如图形，并确定实时利萨如图形的边界；
将实时利萨如图形的边界与控制器预设的结冰利萨如图形的边界进行对比，当实时利萨如图形的边界小于结冰利萨如图形的边界时，则结冰，反之，则没有结冰。
本发明以小型无人机为模型，所述小型无人机为模型的平均气动弦长为300mm，展长为3m，用来验证回形等离子体激励器流动控制与减阻和结冰感应与防除冰冰形的可行性。回形等离子体激励器的高压电极为铜箔电极，宽2mm，厚0.1mm，相邻两条电极条的间隔为10mm，所围成的面积为74mm×68mm，低压电极为厚0.1mm的铜箔板，围成与高压电极区域一样大小的铜箔板，以该形状大小的激励器为基本单元，每一激励单元分别并联在各自的升压端上，通过粘贴的方式置于机翼前缘。回形等离子体激励的作用在机翼上有沿展向的等离子体和沿弦向的等离子体，展向具有流动控制和防除冰的效果，弦向有减阻和防除冰的效果。所述升压单元为两级升压，将直流电源所输出的直流电压27V升高至220V，最后经过调制输出脉冲激励电压8kV，每个回形等离子体激励器均串联上一个升压端，以此加载电压。所述调制单元的信号发生器输出5V矩形波脉冲信号，脉冲频率根据流动控制、减阻、结冰感应和防除冰激励要求，分别设置为200Hz、1500Hz、5HZ和6000Hz。示波器测量回形等离子体激励器两端的电压电流，并生成李萨如图，通过李萨如图的变化来判断激励器表面是否结冰。确定结冰边界李萨如图，当实时的李萨如图小于结冰边界李萨如图时，开启等离子体激励防除冰。流动控制是在较大迎角即将失速时进行控制，减阻是在平稳飞行或大迎角飞行时开启的激励，冰形调控是在外界环境温度较低的情况下，开启回形等离子体激励器探测有无结冰，当探测出结冰后则再升高频率进行防除冰。输出脉冲波形的脉宽为20μs，不同状态下放电激励的单脉冲波形一致，但频率不同。
选取一架展长为3m，弦长为300mm的无人机，在机翼前缘及机翼中间位置粘贴好回形等离子体激励器，激励器通过引线与机身处的电源连接，引线内埋于机翼内，避免露在外面影响气动性能。调制电源的直流电源在机身处，升压端内埋于所加载的激励器附近。
无人机飞行平飞速度为30m/s，在无人机起飞、平飞和下降过程中，根据飞行条件需要适时采用不同形式的等离子体激励。大迎角起飞过程中，为减少起飞距离，同时为保持升力不受影响或减少阻力，开启等离子体流动控制，促进机翼表面的分离层附着。通过控制平台中信号发生器发出200Hz左右的信号使得回形等离子体激励器产生等离子体激励，进行控制。在平飞过程中，当遇到不稳定气流或是斜阵风导致的迎角增大，升力减少，也可开启等离子体激励促进分离流的再附。巡航阶段，为了减少飞行阻力，增大航程，可适时地间断性的输出较高频率(1500Hz)的脉冲电压，从而减少机翼表面的摩擦阻力，降低无人机燃油消耗。
为保证各种复杂环境下的安全飞行，尤其是无人机表面结冰严重影响气动性能的恶劣环境下。当无人机飞行至环境温度较低的云层中时，信号发生器调制回形等离子体激励器输出5Hz高压脉冲，高压脉冲电压电流波形在有冰条件下计算得出的功率差别很大，基于此的李萨如图大小的变化量作为判断是否结冰的依据。结冰导致李萨如面积减小，不结冰则李萨如图大小变化量无明显变化。结冰后，调制输出频率(6000Hz)，进行等离子体防除冰，消除表面积冰。为了降低防除冰的功率消耗，回形等离子体激励器单个单元分开布置，对于结冰敏感的位置进行着重布置，前缘的冰形被产生的等离子体区域切割开，而在有调控冰的情况下可通过无人机的飞控系统配平，保证安全。在无人机降落过程中，容易受到扰流影响，开启等离子体流动控制功能促进附面层的再附，提高着陆的安全性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：包括：固定设置于飞行器机翼的回形等离子体激励器、调制单元和控制单元；
所述回形等离子体激励器包括高压电极、低压电极和绝缘层介质，所述高压电极采用金属电极条以首尾连接的方式形成回形，所述低压电极为金属平板，所述高压电极的正投影均在所述金属平板内，所述绝缘层介质设置于高压电极与低压电极之间，所述绝缘层介质对高压电极和低压电极进行物理隔离；
所述调制单元包括升压单元和脉冲调制单元，所述升压单元用于对飞行器机载电源电压进行升压，所述脉冲调制单元用于对升压后的电压进行调制形成脉冲电压，所述调制单元的高压输出端与所述高压电极的尾端连接，所述调制单元的低压输出端与所述低压电极的金属平板连接；
所述控制单元包括处理器和采集单元，所述采集单元用于实时采集回形等离子体激励器的高压电极和低压电极的电压和电流，并将所述电压和电流数据传输至处理器，所述处理器与所述脉冲调制单元通信连接用于接收指令并将所述指令转换为电信号传输至所述脉冲调制单元。
2.根据权利要求1所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：所述高压电极和低压电极采用铜箔。
3.根据权利要求1所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：所述高压电极相邻两个电极条之间设置有间隙。
4.根据权利要求3所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，其特征在于：所述脉冲调制单元包括信号发生器，所述信号发生器用于发出矩形脉冲信号。
5.一种实现飞行器流动控制和冰形感控的方法，所述方法适用于权利要求1-4任一所述实现飞行器流动控制和冰形感控的装置，所述方法包括：
S1：将所述装置搭载于目标飞行器，并将所述回形等离子体激励器设置于目标飞行器机翼的前缘及机翼中间位置；
S2：在飞行器大仰角起飞过程中，控制单元接收指令，并根据所述指令输出特定频率的脉冲信号；所述特定频率包括用于流动控制的200HZ、用于减阻的1500HZ、用于结冰感应的5HZ和用于防除冰的6000HZ；
所述步骤S2具体包括：
在飞机大迎角起飞时，向控制器输入流动控制指令，所述控制器收到流动控制指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为200HZ的矩形脉冲信号；
或者，
当飞行器平飞中遇到不稳定气流或斜阵风导致的迎角增大时，向控制器输入减阻指令，所述控制器接收到减阻指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为1500HZ的矩形脉冲信号。
6.根据权利要求5所述实现飞行器流动控制和冰形感控的方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：
当飞行器行至环境温度较低的云层中时，向控制器输出结冰感应指令，所述控制器接收到结冰感应指令后向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为5HZ的矩形脉冲信号；
所述控制器接收采集单元的数据，控制器根据所述数据判断是否结冰，若是，则向脉冲调制单元输出指令，使脉冲调制单元输出频率为6000HZ的矩形脉冲信号，若否，则控制器不输出指令。
7.根据权利要求6所述实现飞行器流动控制和冰形感控的方法，其特征在于：控制器根据所述数据判断是否结冰的具体步骤包括：
控制器根据所述采集单元的数据生成实时利萨如图形，并确定实时利萨如图形的边界；
将实时利萨如图形的边界与控制器预设的结冰利萨如图形的边界进行对比，当实时利萨如图形的边界小于结冰利萨如图形的边界时，则结冰，反之，则没有结冰。
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