CN113306704A - 飞行器、竖向尾翼、流量控制系统前缘结构及其操作方法 - Google Patents

飞行器、竖向尾翼、流量控制系统前缘结构及其操作方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于飞行器的流量控制系统的前缘结构、即简化且更有效的前缘结构，前缘结构包括以弯曲方式围绕增压室的前缘面板，具有第一侧部分和第二侧部分，包括面向增压室的内表面和与环境流接触的外表面并包括形成增压室与环境流之间的流体连接的多个微孔，空气出口布置在第一侧部分或第二侧部分上并流体连接至增压室以将空气从增压室排出到环境流中。提供简化且更有效的前缘结构的目的实现的原因是，空气出口形成为包括出口面板的固定空气出口，出口面板从前缘面板以固定方式延伸到环境流中使得在前缘面板与出口面板的后缘之间形成面向后的出口开口。还公开了控制单元和前缘结构的系统、飞行器的竖向尾翼、带前缘结构的飞行器、操作前缘结构的方法。

Description

飞行器、竖向尾翼、流量控制系统前缘结构及其操作方法
技术领域
本发明涉及用于飞行器的流量控制系统、特别是用于混合层流控制系统的前缘结构，在混合层流控制系统中，空气被吸入流本体的多孔表面中以使层流的区域沿着流本体延伸。本发明的其他方面涉及控制单元和这种前缘结构的系统、包括这种前缘结构或这种系统的竖向尾翼(VTP)、包括这种前缘结构、这种系统或这种竖向尾翼的飞行器、以及用于操作这种前缘结构的方法。还可能且优选的是，前缘结构是用于飞行器的水平尾翼(HTP)的或机翼的一部分。
背景技术
前缘结构包括以弯曲的、即弓形的方式围绕增压室的前缘面板。增压室沿翼展方向延伸穿过前缘结构。
当在横跨翼展方向的横截面中观察时，前缘面板具有第一侧部分，第一侧部分从前缘点、即从前缘结构的前梢延伸至前缘结构的第一侧部上的第一附接端部，第一附接端部构造成用于附接至位于前缘的下游的其他结构。此外，前缘面板具有与第一侧部分相对的第二侧部分，其中，第二侧部分从前缘点延伸至前缘结构的与第一侧部相对的第二侧部上的第二附接端部，第二附接端部构造成用于附接至在前缘的下游的其他结构。
前缘面板包括面向增压室的内表面和与环境流接触或构造成与环境流接触的外表面。此外，前缘面板包括多个微孔、比如穿孔，所述多个微孔形成增压室与环境流之间的流体连接，使得来自环境流的空气可以通过微孔被吸入到增压室中。
此外，在前缘面板的第一侧部分或第二侧部分中布置有空气出口。空气出口构造成用于将空气从增压室排放到环境空气流中，从而在增压室中产生负压(underpressure)，使得来自环境流、特别是来自边界层的空气通过微孔被吸入到增压室中。前缘面板可以一体地形成，或者可以由在翼展方向上彼此相邻地布置的两个或更多个单独的面板部件分开地形成，其中，第一面板部件包括微孔，并且第二面板部件包括空气出口。空气出口优选地经由管道流体地连接至增压室以将空气从增压室排出到环境流中的。
这种前缘结构在混合层流控制系统的领域中是已知的。特别地，已知将第一空气入口/出口装置布置在飞行器的VTP的第一侧部上并且将第二空气入口/出口装置布置在竖向尾翼的第二侧部上。每个空气入口/出口装置均包括两个门：一个入口门，该入口门朝向前部打开以使来自环境流的空气进入，以净化孔；以及一个出口门，该出口门朝向后部打开以使空气排出到环境流中，以在孔处引起抽吸。具有可移动门以及入口和出口两个功能的这种空气入口/出口装置是需要多个不同部件和复杂的密封件的复杂装置，从而增加了相关飞行器的成本和重量。
因此，本发明的目的是提供一种简化且更有效的前缘结构。
发明内容
该目的实现的原因在于，空气出口形成为包括出口面板的固定的空气出口，该出口面板从前缘面板以固定的、不可移动的方式向后、即沿下游方向延伸到环境流中、即外模线的外部，使得在前缘面板与出口面板的后缘之间形成面向后的出口开口，以使来自增压室的空气排出到环境流中。优选地，前缘结构仅包括空气出口而没有空气入口，其中，微孔的清洁仅通过抽吸来完成。空气出口可以具有相对的侧壁，相对的侧壁将出口面板的相对的侧向侧部与前缘面板连接，使得出口开口形成在侧壁的后缘、出口面板的后缘与前缘面板之间。
通过前缘结构的这种设计，可以避免可移动部件、致动器和复杂的密封件，从而大大地简化了前缘结构并减少了部件，由此降低成本和重量。
根据优选的实施方式，前缘结构还包括出口阀，该出口阀用于控制通过空气出口排出到环境流中的空气的质量流量。出口阀可以是例如电动节流阀或机械节流阀，优选地包括用于在通过阀之前从空气中过滤污染物的空气过滤器。特别地，优选的是，出口阀布置在将增压室流体连接至空气出口的管道中。通过这种阀，可以在不需要可移动的出口门或相关致动器的情况下控制通过空气出口的空气的质量流量并且因此控制通过微孔从环境流吸入的空气的质量流量，从而使前缘结构简化而不会遭受性能的损失。
进一步优选的是，阀构造成用于被控制以至少在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作。在流量控制模式中，阀允许适于在前缘面板的外表面处实现预定的流量控制、即适于产生通过微孔进入增压室中的预定的边界层抽吸的第一质量流量通过。在清洁模式中，阀允许适于由液体、冰或灰尘通过抽吸来清洁微孔、即适于将液体、冰或灰尘从微孔吸入到增压室中的第二质量流量通过。以这种方式，微孔的清洁可以仅通过抽吸来进行，而清洁微孔不需要将空气从增压室通过微孔吹出。这进而意味着，微孔的清洁不需要空气入口，从而进一步使前缘结构简化。
优选的是，第二质量流量比第一质量流量大，优选地大100％至2000％，更优选地大于400％至1000％，最优选地大于500％至800％。优选地，第二质量流量与在前缘面板的外表面与内表面之间的至少5kPa的压差有关。以这种方式，可以实现有效的清洁而无需对管道的形式和尺寸进行实质性改变。
根据优选的实施方式，微孔仅布置在前缘面板的前缘区域中。优选地，前缘区域从前缘点向下游延伸直至前缘面板的全翼弦范围的10％至70％，优选地20％至50％，更优选地30％至40％，该全翼弦范围优选地是在前缘面板的根部端部、即靠内侧端部处测量的。以这种方式，微孔仅布置在前缘面板的下述区域中：微孔上的外部压力高使得通过抽吸进行清洁是可能的且有利的，而在前缘区域的下游的下述区域中省去了微孔：微孔上的外部压力低使得不能合理地通过抽吸进行清洁并且只能通过吹气进行清洁。然而，为了避免必须通过吹气来清洁微孔，为了省去相关部件并因此使前缘结构简化，前缘区域的下游的任何微孔全部省去。通过前缘结构的相关简化的主要益处，补偿了由于前缘区域的下游的这些微孔的省去而导致的流量控制性能上的损失。
根据另一优选的实施方式，前缘面板包括在翼展方向上彼此相邻地布置的第一面板部件和第二面板部件，其中，第一面板部件包括微孔，并且第二面板部件包括第一空气入口/出口装置和第二空气入口/出口装置。第一面板部件和第二面板部件一体地形成为一个共同的部件，或者单独地形成为可以安装在一起或者彼此相邻地安装的两个单独的部件。以这种方式，微孔和第一空气入口/出口装置以及第二空气入口/出口装置不需要布置在前缘面板的同一翼展水平处或布置在同一面板部件中，但可以相对于翼展方向布置在前缘面板的续接(subsequent)部件中。
本发明的另一方面涉及一种控制单元和根据上述实施方式中的任一实施方式的前缘结构的系统。控制单元构造成、特别是被编程成用于控制阀以至少在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作。在流量控制模式中，阀允许适于在前缘面板的外表面处实现预定的流量控制、即适于产生通过微孔进入增压室中的预定的边界层抽吸的第一质量流量通过。在清洁模式中，阀允许适于由液体、冰或灰尘通过抽吸来清洁微孔、即适于将液体、冰或灰尘从微孔吸入到增压室中的第二质量流量通过。控制单元还可以构造成用于控制阀以在多个不同的流量控制模式和/或多个不同的清洁模式中操作，涉及允许通过阀的多个不同的质量流量。结合前缘结构所描述的特征和优点适用于该系统。
本发明的另一方面涉及用于飞行器的竖向尾翼。竖向尾翼包括具有前翼梁的竖向尾翼箱、以及根据在本文中所描述的实施方式中的任一实施方式的前缘结构或系统。竖向尾翼箱具有带有第一附接部分的第一侧向面板和带有第二附接部分的相对的第二侧向面板。第一侧向面板和第二侧向面板优选地安装至前翼梁。前缘结构的第一附接端部附接至第一附接部分，并且第二附接端部附接至第二附接部分，使得前缘面板的第一侧部分与竖向尾翼箱的第一侧向面板形成连续的流表面，并且前缘面板的第二侧部分与竖向尾翼箱的第二侧向面板形成连续的流表面。结合前缘结构和系统所描述的特征和优点适用于竖向尾翼。
根据优选的实施方式，第一面板部件和第二面板部件在翼展方向上彼此相邻地布置在竖向尾翼箱处，使得优选地，第一面板部件更靠外地(further outbound)布置，并且第二面板部件更靠内地(further inbound)布置，即更靠近竖向尾翼的根部、即更靠近机身。以这种方式，通过微孔的环境空气流独立于通过第一入口/出口装置和第二入口/出口装置的环境空气流。
本发明的另一方面涉及一种飞行器，该飞行器包括根据在本文中所描述的实施方式中的任一实施方式的前缘结构，包括根据在本文中所描述的实施方式中的任一实施方式的系统，或包括根据在本文中所描述的实施方式中的任一实施方式的竖向尾翼。结合前缘结构、系统以及竖向尾翼所描述的特征和优点适用于飞行器。
本发明的另一方面涉及一种用于操作根据上述实施方式中的任一实施方式的前缘结构的方法，其中，阀优选地通过控制单元控制，以至少在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作。在流量控制模式中，阀允许适于在前缘面板的外表面处实现预定的流量控制、即适于产生通过微孔进入增压室中的预定的边界层抽吸的第一质量流量通过。在清洁模式中，阀允许适于由液体、冰或灰尘通过抽吸来清洁微孔、即适于将液体、冰或灰尘从微孔吸入到增压室中的第二质量流量通过。以上结合前缘结构、系统、竖向尾翼以及飞行器描述的特征和优点适用于本方法。
附图说明
在下文中通过附图更详细地描述本发明的优选实施方式。附图中示出：
图1是根据本发明的飞行器的立体图，
图2是根据本发明的竖向尾翼的侧视图，
图3是根据本发明的第一实施方式的在安装至竖向尾翼箱的前缘结构的第一面板部件的区域中横跨翼展方向的横截面图，
图4是根据本发明的第一实施方式的在安装至竖向尾翼箱的前缘结构的第一面板部件的区域中横跨翼展方向的横截面图，
图5是根据本发明的第二实施方式的在前缘结构的第二面板部件的区域中横跨翼展方向的示意性横截面图，以及
图6是以第二面板部件为焦点的图5中所示的前缘结构的立体图。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的实施方式的飞行器1。根据本发明的实施方式，飞行器包括机身3、机翼5、水平尾翼7和竖向尾翼9。在图2中更详细地示出了竖向尾翼9。竖向尾翼9包括根据本发明的实施方式的前缘结构11。在图3至图6中更详细地示出了前缘结构11的各种实施方式，其中，图3和图4示出了在第一面板部件13a的区域中在第一翼展水平处的横截面，而图5和图6示出了在第二面板部件13b的区域中在第二翼展水平处的横截面和立体图。
如图2至图4中所示，前缘结构11构造成用于混合层流控制并且前缘结构11包括前缘面板13和后壁15，前缘面板13包括第一面板部件13a和第二面板部件13b。第一面板部件13a和第二面板部件13b单独地形成为两个单独的部件并且在翼展方向19上彼此相邻地安装至竖向尾翼9，其中，第一面板部件13a更靠外地布置，并且第二面板部件13b更靠内地布置，参见图2。前缘面板13以弯曲的方式围绕增压室17。增压室17在翼展方向19上延伸穿过前缘结构11。当在横跨翼展方向19的横截面中观察时，前缘面板13具有第一侧部分21，第一侧部分21从前缘点23延伸至前缘结构11的第一侧部上的第一附接端部25。此外，前缘面板13具有与第一侧部分21相对的第二侧部分27，其中，第二侧部分27从前缘点23延伸至前缘结构11的与第一侧部相对的第二侧部上的第二附接端部29。后壁15将前缘面板13的第一附接端部25与第二附接端部29连接，从而在与前缘点23相对的一侧上围封增压室17。
也如图2至图4中所示，竖向尾翼9包括具有前翼梁32的竖向尾翼箱30，并且前缘结构11安装至竖向尾翼箱30。竖向尾翼箱30具有带有第一附接部分36的第一侧向面板34以及带有第二附接部分40的相对的第二侧向面板38。前缘结构11的第一附接端部25附接至第一附接部分36，并且第二附接端部29附接至第二附接部分40，使得前缘面板13的第一侧部分21与竖向尾翼箱30的第一侧向面板34形成连续的流表面，并且前缘面板13的第二侧部分27与竖向尾翼箱30的第二侧向面板38形成连续的流表面。
也如图3和图4中所示，前缘面板13具有包括内壁元件31和外壁元件35的双壁形式，内壁元件31具有面向增压室17的内表面33，外壁元件35具有与环境流39接触的外表面37。前缘面板13在内壁元件31与外壁元件35之间包括多个长形的加强件41，所述多个长形的加强件41在翼展方向19上延伸并且彼此间隔开，使得在内壁元件31与外壁元件35之间于每对相邻的加强件41之间形成中空腔室43。加强件41以夹层(sandwich)形式与内壁元件31一体地形成，并且加强件41具有实心的梯形横截面。内壁元件31由纤维增强塑料(FRP)形成。外壁元件35形成为钛片，并且外壁元件35包括多个微孔45，微孔45形成中空腔室43与环境流39之间的流体连接。内壁元件31包括开口47，开口47形成中空腔室与增压室17之间的流体连接。
尽管在图3中所示的实施方式中，包括加强件41和中空腔室43的前缘面板13的微孔45和双壁夹层结构基本上沿着前缘面板13的全翼弦范围(full chord extension)设置，但是在图4中所示的实施方式中，微孔45和相关的夹层结构仅布置在前缘面板13的前缘区域16中。在前缘面板13的在前缘区域16的下游的区域中，前缘面板13形成为整体式的单壁结构。在图4的实施方式中，前缘区域16从前缘点23向下游延伸直至前缘面板13的全翼弦范围的约35％。
如图5和图6中所示，在前缘面板13的第一侧部分21或第二侧部分27中布置有空气出口49。空气出口49构造成用于将空气从增压室17排放到环境流39中。空气出口49经由在第一面板部件13a与第二面板部件13b之间沿翼展方向19延伸的管道53流体连接至增压室17。
空气出口49形成为包括出口面板54的固定的空气出口，出口面板54从前缘面板13以固定的方式向后延伸到环境流39中，使得在前缘面板13与出口面板54的后缘61之间形成面向后的出口开口56，出口开口56用于将来自增压室17的空气排出到环境流39中。前缘结构11仅包括一个空气出口49但没有空气入口，使得微孔45的清洁仅通过抽吸完成。空气出口49具有相对的侧壁57，相对的侧壁57将出口面板54的相对的侧向(lateral)侧部59与前缘面板13连接，使得出口开口56形成在侧壁57的后缘62、出口面板54的后缘61与前缘面板13之间。
前缘结构11还包括出口阀63，该出口阀63用于控制通过空气出口49排出到环境流39中的空气的质量流量。出口阀63布置在将增压室17流体连接至空气出口49的管道53中。阀63由设置在飞行器1中的控制单元65控制，以在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作。在流量控制模式中，阀63允许这样的第一质量流量通过：第一质量流量适于在前缘面板13的外表面37处实现预定的流量控制，即适于产生通过微孔45进入增压室17中的预定的边界层抽吸。在清洁模式中，阀63允许这样的第二质量流量通过：第二质量流量适于由液体、冰或灰尘通过抽吸对微孔45清洁，即适于从微孔45将液体、冰或灰尘抽吸到增压室17中。在本实施方式中，第二质量流量比第一质量流量大700％。
通过前缘结构11的这种设计，可以避免可移动部件、致动器和复杂的密封件，从而大大地简化前缘结构11并且减少部件，由此降低成本和重量。

Claims (12)

1.一种用于飞行器(1)的流量控制系统的前缘结构(11)，所述前缘结构(11)包括：
前缘面板(13)，所述前缘面板(13)以弯曲的方式围绕增压室(17)，所述增压室(17)沿翼展方向延伸，
其中，所述前缘面板(13)具有第一侧部分(21)，所述第一侧部分(21)从前缘点(23)延伸至第一附接端部(25)，
其中，所述前缘面板(13)具有与所述第一侧部分(21)相对的第二侧部分(27)，所述第二侧部分(27)从所述前缘点(23)延伸至第二附接端部(29)，
其中，所述前缘面板(13)包括面向所述增压室(17)的内表面(33)、以及与环境流(39)接触的外表面(37)，并且
其中，所述前缘面板(13)包括多个微孔(45)，所述微孔(45)形成所述增压室(17)与所述环境流(39)之间的流体连接，
其中，在所述前缘面板(13)的所述第一侧部分(21)或所述第二侧部分(27)中布置有空气出口(49)，并且
其中，所述空气出口(49)流体连接至所述增压室(17)以将空气从所述增压室(17)排出到所述环境流(39)中，
其特征在于，
所述空气出口(49)形成为包括出口面板(54)的固定的空气出口，所述出口面板(54)从所述前缘面板(13)以固定的方式延伸到所述环境流(39)中，使得在所述前缘面板(13)与所述出口面板(54)的后缘(61)之间形成面向后的出口开口(56)。
2.根据权利要求1所述的前缘结构(11)，还包括出口阀(63)，所述出口阀(63)用于控制通过所述空气出口(49)排出到所述环境流(39)中的空气的质量流量。
3.根据权利要求2所述的前缘结构(11)，其中，所述出口阀(63)布置在将所述增压室(17)流体连接至所述空气出口(49)的管道(53)中。
4.根据权利要求1或2所述的前缘结构(11)，其中，所述阀(63)构造成用于被控制以在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作，在所述流量控制模式中，所述阀(63)允许适于在所述前缘面板(11)的所述外表面(37)处实现预定的流量控制的第一质量流量通过，在所述清洁模式中，所述阀(63)允许适于通过抽吸清洁所述微孔(45)的第二质量流量通过。
5.根据权利要求4所述的前缘结构(11)，其中，所述第二质量流量比所述第一质量流量大，优选地大100％至2000％，更优选地大400％至1000％，最优选地大500％至800％。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的前缘结构(11)，其中，所述微孔(45)仅布置在所述前缘面板(13)的前缘区域(16)中，其中，所述前缘区域(16)从所述前缘点(23)向下游延伸直至所述前缘面板(13)的全翼弦范围的10％至70％，优选地20％至50％，更优选地30％至40％。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的前缘结构(11)，其中，所述前缘面板(13)包括在所述翼展方向(19)上彼此相邻地布置的第一面板部件(13a)和第二面板部件(13b)，其中，所述第一面板部件(13a)包括所述微孔(45)，并且所述第二面板部件(13b)包括第一空气入口/出口装置(49)和第二空气入口/出口装置(51)，并且其中，所述第一面板部件(13a)和所述第二面板部件(13b)是一体地形成的或形成为两个单独的部件。
8.一种控制单元(65)和根据在从属于权利要求4时的权利要求1至7中的任一项所述的前缘结构(11)的系统，其中，所述控制单元(65)构造成用于控制所述阀(63)以在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作，在所述流量控制模式中，所述阀(63)允许适于在所述前缘面板(13)的所述外表面(37)处实现预定的流量控制的第一质量流量通过，在所述清洁模式中，所述阀(63)允许适于通过抽吸清洁所述微孔(45)的第二质量流量通过。
9.一种用于飞行器(1)的竖向尾翼(9)，所述竖向尾翼(9)包括：
竖向尾翼箱(30)，所述竖向尾翼箱(30)具有带有第一附接部分(36)的第一侧向面板(34)以及带有第二附接部分(40)的相对的第二侧向面板(38)，
根据权利要求1至7中的任一项所述的前缘结构(11)或根据权利要求8所述的系统，
其中，所述第一附接端部(25)附接至所述第一附接部分(36)，并且其中，所述第二附接端部(29)附接至所述第二附接部分(40)，使得所述前缘面板(13)的所述第一侧部分(21)与所述竖向尾翼箱(30)的所述第一侧向面板(34)形成连续的流表面，并且所述前缘面板(13)的所述第二侧部分(27)与所述竖向尾翼箱(30)的所述第二侧向面板(38)形成连续的流表面。
10.根据在从属于权利要求7时的权利要求9所述的竖向尾翼，其中，所述第一面板部件(13a)和所述第二面板部件(13b)沿所述翼展方向(19)彼此相邻地布置在所述竖向尾翼盒(30)处，使得所述第一面板部件(13a)更靠外地布置并且所述第二面板部件(13b)更靠内地布置。
11.一种飞行器(1)，所述飞行器(1)包括根据权利要求1至7中的任一项所述的前缘结构(11)，包括根据权利要求8所述的系统，或者包括根据权利要求9或10所述的竖向尾翼(9)。
12.一种用于操作根据在从属于权利要求4时的权利要求1至7中的任一项所述的前缘结构(11)的方法，其中，所述阀(63)被控制以在流量控制模式和清洁模式中选择性地操作，在所述流量控制模式中，所述阀允许适于在所述前缘面板(13)的所述外表面(37)处实现预定的流量控制的第一质量流量通过，在所述清洁模式中，所述阀允许适于通过抽吸清洁所述微孔(45)的第二质量流量通过。
CN202110216518.9A 2020-02-27 2021-02-26 飞行器、竖向尾翼、流量控制系统前缘结构及其操作方法 Pending CN113306704A (zh)

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