CN113955088A - 一种流体推力矢量激励器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞行器流动增升减阻技术领域，具体公开了一种流体推力矢量激励器，包括机体、双稳态膜片、激励片、和两个特斯拉单向阀，所述机体具有开口的腔室，并且该腔室具有流体进口和流体出口；所述双稳态膜片固定密封于腔室的开口；所述激励片是压电复合纤维膜片，并贴伏于所述双稳态膜片，受交变电压作用，驱动双稳态膜片实现模态转变，实现对腔室内流体容积的改变；两个所述特斯拉单向阀分别连通于流体进口和流体出口；本发明具有结构轻薄、紧凑，无机械连杆运动部件等特点，可灵活布置在机翼后缘内部，改变机翼局部升阻力，形成俯仰或滚转力矩，形成流体推力矢量控制，也能够起到“压气机”的作用，能够用于边界层吹气及吸气。

Description

一种流体推力矢量激励器
技术领域
本发明涉及飞行器流动增升减阻技术领域，特别是涉及流体推力矢量激励器。
背景技术
主动流动控制可以在流场中直接施加适当的扰动并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。其优势在于在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。吹/吸气流动控制技术可以有效地对边界层流动进行干预和控制，吹/吸气流动控制技术与修型相结合的混合层流技术是目前最具有发展前景和应用价值的流动控制技术之一。
研究表明，开展机翼前缘吸气和后缘吹气，对机翼表面的边界层内流动进行干预，能够有效延迟边界层内流动的分离，增大机翼表面层流区，达到增升减阻和流动控制的目的。随着结构设计和流固耦合分析能力不断积累、智能材料的应用开拓，提出了基于微型激励器研制及主动流动控制技术研究。
流体矢量控制的气源主要有三种：发动机引气、机载气源、离心风扇。发动机引气可以控制较大空速的飞机，但会影响发动机的效率（约5%）；搭载额外的气源则存在续航、重量、空间的协调，以上两种还涉及引气管路设置，在重量和空间上又有额外的需求。离心风扇在低速是较为便捷可用的方案，但带来了较多的附加质量。在最新研究中，合成射流环量控制开展了探索性研究，但目前应用较少。另一方面，传统推力矢量喷管结构复杂，质量大，与无人机轻巧特点矛盾。
发明内容
因此，为克服上述不足，本发明在此提供一种设计合理，结构简单，基于智能材料的微型激励器，该激励器可灵活布置在机翼后缘内部用于矢量控制，同时也能够起到“压气机”的作用，能够用于边界层吹气，本发明结构轻薄、紧凑，无机械连杆运动部件等特点，使其能灵活布置在机翼后缘内部。
具体的，一种流体推力矢量激励器，包括机体、双稳态膜片、激励片、第一特斯拉单向阀和第二特斯拉单向阀，
所述机体，具有开口的腔室，并且该腔室具有流体进口和流体出口；
所述双稳态膜片，固定密封于腔室的开口；
所述激励片是压电复合纤维膜片，贴伏于所述双稳态膜片，受交变电压作用，驱动双稳态膜片实现模态转变，实现对腔室内流体容积的改变；
所述第一特斯拉单向阀，完成流体的进入，其出口端连通于所述腔室的流体进口；
所述第二特斯拉单向阀与第一特斯拉单向阀轴对称布置，完成流体的排出，其进口端连通于所述腔室的流体出口。
本发明基于碳纤维双稳态结构膜片，以压电复合纤维膜片驱动，并配合特斯拉单向阀，结构轻薄紧凑，无机械连杆运动部件的微型激励器。通过吹气和吸气的方法实现机翼主动流动控制，并能进一步延伸用于流体矢量控制，促进飞行器机动性能提升。
当所述压电复合纤维膜片在交变驱动下，双稳态膜片能够快速转换到另一状态，从而周期性压缩或膨胀气腔，从而吸入或排出气体。在单向阀的作用下，激励器能够形成连续性的单向流动。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明设计合理，结构轻薄、紧凑，无机械连杆运动部件，质量轻，驱动形式简单，能够用于机翼边界层控制和飞行器姿态调节。
将激励器出口用于机翼环量控制，或采用科恩达后缘调控主流，从而改变机翼局部升阻力，形成俯仰或滚转力矩，用于飞行器机动和姿态调节，达到流体推力矢量调节效果。
将激励器入口布置在机翼上表面前缘，从而可形成边界层“吸”的效果，将出口布置在下表面尾缘，形成“吹”的效果，从而实现边界层吹吸控制。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是腔室内容积达到最大状态示意图（图1中A-A的剖视）；
图3是腔室的容积达到最小状态示意图（图1中A-A的剖视）；
图中：1、第一特斯拉单向阀；2、机体；3、双稳态膜片；4、激励片；5、第二特斯拉单向阀。
具体实施方式
下面将结合附图1-图3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种流体推力矢量激励器，包括机体2、双稳态膜片3、激励片4、第一特斯拉单向阀1和第二特斯拉单向阀5，
所述机体2，具有开口的腔室，并且该腔室具有流体进口和流体出口；
所述双稳态膜片3，固定密封于腔室的开口；
所述激励片4是压电复合纤维膜片，贴伏于所述双稳态膜片3，受交变电压作用，驱动双稳态膜片实现模态转变，实现对腔室内流体容积的改变；
所述第一特斯拉单向阀1，完成流体的进入，其出口端连通于所述腔室的流体进口；
所述第二特斯拉单向阀5与第一特斯拉单向阀1轴对称布置，完成流体的排出，其进口端连通于所述腔室的流体出口。
所述激励片4是压电复合纤维膜片，该压电复合纤维材料具有厚度薄、质量轻、柔性高、驱动力大、使用时间长及各向异性驱动特性等特点,使其在各类智能结构以及多个领域中得到广泛的应用,以实现结构健康监测、振动抑制、能量收集、驱动变形等功能；在施加电压下，压电纤维会伸长或收缩。
所述第一特斯拉单向阀和第二特斯拉单向阀是一种被动式流体控制装置，结构由直道和弯道构成，该结构设计使正向流动相对于反向流动更加容易，达到单向流动控制效果。
在本发明中压电复合纤维膜片通过施加交变电压，驱动压电复合纤维实现周期性伸长或收缩，驱动双稳态膜片实现模态转变，从而改变腔室内流体的容积。
如图2所示，腔室的容积达到最大状态，给压电复合纤维膜片施加负电压，此时压电复合纤维收缩，驱动双稳态膜片收缩弯曲，达到如图3所示的另外一个状态，此时腔室的容积达到最小，腔室中的容积被压缩排出。在第二特斯拉单向阀5的作用下，此时腔室内的流体排出。当给压电复合纤维膜片施加正电压，此时压电复合纤维伸长，驱动双稳态膜片伸长变形，恢复到如图2所示的状态，此时腔室的容积恢复到最大状态，空腔中的流体被膨胀，在第一特斯拉单向阀1的作用下，外界流体进入腔室；在施加周期性电压下，流体交替的从第一特斯拉单向阀1进入腔室，并从第二特斯拉单向阀5排出，并形成单向流动。
可见本发明公开的激励器没有电机、推杆等传统机械零部件，驱动形式简单，整个装置为薄壳结构，结构轻薄、紧凑，无机械连杆运动部件，质量轻，驱动形式简单，能够方便地布置在机翼内部。
在使用本发明时，将激励器布置在机翼内部，并将入口布置在机翼中部，将出口布置在机翼尾部，从而可以抽吸边界层，防止气流分离，延长层流流动长度和面积，从而起到增升作用。同时在后缘喷出，能够提升尾迹动量，减小压差阻力，综合达到增加升阻比的作用。

Claims (3)

1.一种流体推力矢量激励器，其特征在于：包括
机体，具有开口的腔室，并且该腔室具有流体进口和流体出口；
双稳态膜片，固定密封于腔室的开口；
激励片，贴伏于所述双稳态膜片，受交变电压作用，驱动双稳态膜片实现模态转变，实现对腔室内流体容积的改变；
第一特斯拉单向阀，完成流体的进入，其出口端连通于所述腔室的流体进口；以及
第二特斯拉单向阀，完成流体的排出，其进口端连通于所述腔室的流体出口。
2.根据权利要求1所述一种流体推力矢量激励器，其特征在于：所述激励片是压电复合纤维膜片。
3.根据权利要求1所述一种流体推力矢量激励器，其特征在于：所述第一特斯拉单向阀和所述第二特斯拉单向阀轴对称布置。
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