CN118163936A - 组合合成射流式环量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种组合合成射流式环量控制系统及方法。所述系统包括机翼上表面和机翼下表面，在机翼上表面与所述机翼下表面之间设置有流体腔室，流体腔室内设置有振动膜，流体腔室内还设置有驱动组件，驱动组件一侧与机翼后缘滑动配合；驱动组件分别与机翼上表面、机翼下表面之间形成射流出口，机翼后缘靠近驱动组件一侧设置有与射流出口相对应的凹腔；驱动组件驱动机翼后缘沿接触面滑动，使凹腔与对应的射流出口打开、连通或相对封堵。本申请通过驱动组件与机翼后缘的滑动配合，控制机翼后缘上下移动，以形成柯恩达射流和逆向射流的组合流动控制，两种流动控制效果叠加，比单纯的柯恩达射流或逆向射流控制效率更高。

Description

组合合成射流式环量控制系统及方法

技术领域

本申请涉及空气动力学技术领域，特别是涉及一种组合合成射流式环量控制系统及方法。

背景技术

后缘环量控制作为一种典型的主动流动控制技术，其核心原理在于通过在机翼后缘射出切向流动，利用柯恩达效应使射流附着于后缘的柯恩达(Coanda)曲面上，并夹带周围流体绕过柯恩达(Coanda)曲面进行偏转。这种流线的偏转导致翼型产生气动型弯曲，从而改变翼型的环量，进而影响翼型升力的增大或减小。在左右机翼后缘差动射流的作用下，可以实现对飞行器的滚转姿态控制，展现了替代传统副翼的潜力。与传统舵面相比，后缘环量控制设备不仅显著提升了飞翼布局的隐身特性，还具备体积小、重量轻、可靠性高和气动噪声小等优点，因而备受广泛关注。

然而，环量控制技术的核心难点在于飞行速度增大后，环量控制能力显著下降。因此，如何改进环量控制机翼后缘构型，提升环量控制效率，改善环量控制效果是环量控制技术演进的主要方向。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提升环量控制效率，增加环量控制能力的组合合成射流式环量控制系统及方法。

一种组合合成射流式环量控制系统，包括机翼上表面和机翼下表面，在所述机翼上表面与所述机翼下表面之间设置有流体腔室，所述流体腔室内设置有振动膜，所述流体腔室内还设置有驱动组件，所述驱动组件一侧与机翼后缘滑动配合；所述驱动组件分别与所述机翼上表面、所述机翼下表面之间形成射流出口，所述机翼后缘靠近所述驱动组件一侧设置有与所述射流出口相对应的凹腔；所述驱动组件驱动所述机翼后缘沿接触面滑动，使凹腔与对应的射流出口打开、连通或相对封堵。

一种组合合成射流式环量控制方法，所述方法包括：

当为无环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘，使所述凹腔对应封堵所述射流出口；

当需要转换为正环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘向上滑动，下凹腔向上移动，下射流出口打开；上凹腔向上突出所述机翼上表面，且上凹腔的下端与上射流出口的下端光滑连接；振动膜接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，则下射流出口射出的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；上射流出口射出的射流沿上凹腔的内壁向机翼上表面逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以减小升力；

当需要转换为负环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘向下滑动，上凹腔向下移动，上射流出口打开；下凹腔向下突出所述机翼下表面，且下凹腔的上端与下射流出口的上端光滑连接；振动膜接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，则上射流出口射出的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；下射流出口射出的射流沿下凹腔的内壁向机翼下表面逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以增大升力。

相较于现有技术，本申请提出的组合合成射流式环量控制系统及方法具有以下效果：

1.通过驱动组件与机翼后缘的滑动配合，控制机翼后缘上下移动，以形成柯恩达射流和逆向射流的组合流动控制，两种流动控制效果叠加，比单纯的柯恩达射流或逆向射流控制效率更高，解决了飞行速度增大后环量控制能力显著下降的问题。

2.通过驱动组件控制机翼后缘的移动，以控制射流出口的开合状态，可以快速方便地实现无环量控制、正环量控制和负环量控制三种组合射流控制构型的状态切换，无需额外装置，减少了体积重量，增加系统的可靠性。

3.相较于传统高压射流系统，本申请提供的系统无需额外的气源、阀门等装置，减少了体积重量，增加了系统可靠性。

附图说明

图1为一个实施例中组合合成射流式环量控制系统无环量控制状态时结构示意图；

图2为一个实施例中组合合成射流式环量控制系统正环量控制状态时结构示意图；

图3为一个实施例中组合合成射流式环量控制系统负环量控制状态时结构示意图；

附图标记说明：

机翼1，机翼上表面11，机翼下表面12，上流体腔室31a，下流体腔室31b，振动膜32，机翼后缘41，科恩达曲面42，上凹腔43，下凹腔44，上射流出口51，下射流出口52，齿轮61，齿条62，防护壳63，逆向射流71，科恩达射流72，逆向来流73。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参阅图1至图3，为本实施例提供的组合合成射流式环量控制系统，包括机翼上表面11和机翼下表面12，在机翼上表面11与机翼下表面12之间设置有流体腔室，流体腔室内设置有振动膜32，流体腔室内还设置有驱动组件，驱动组件一侧与机翼后缘41滑动配合；驱动组件分别与机翼上表面11、机翼下表面12之间形成射流出口，机翼后缘41靠近驱动组件一侧设置有与射流出口相对应的凹腔；驱动组件驱动机翼后缘41沿接触面滑动，使凹腔与对应的射流出口打开、连通或相对封堵。

具体地，流体腔室主要用于产生射流，其可以有两种设置方式，第一种设置方式如图1所示，流体腔室为一个，然后通过振动膜32将其分为上流体腔室31a和下流体腔室31b，两个流体腔室共用一个振动膜32，振动膜32由电信号驱动，使上下合成射流形成特定的相位差。第二种设置方式图中未示出，具体来说，流体腔室设置两个，分别为上流体腔室31a和下流体腔室31b，上流体腔室31a与下流体腔室31b通过隔板隔开。在上流体腔室31a和下流体腔室31b中分别设置有振动膜32，优选地，振动膜32设置在远离机翼后缘41的一端，上流体腔室31a和下流体腔室31b分别通过对应的振动膜32独立控制合成射流的开启和关闭，以实现控制精调。本实施例中主要通过第一种设置方式来描述整体系统结构。

驱动组件设置在靠近机翼后缘41的一端，包括齿轮61和齿条62，其中，齿轮61置于防护壳63内，然后将防护壳63固定在流体腔室中靠近机翼后缘41的一端，防护壳63与机翼上表面11之间具有间隔，以形成上射流出口51；防护壳63与机翼下表面12之间具有间隔，形成下射流出口52，通过上射流出口51和下射流出口52形成射流。当流体腔室内的射流从射流出口喷出时，通过防护壳63的弧度顺滑过渡至凹腔上，最从从凹腔流出，以降低射流流通时的阻力，保证射流强度。可以理解，上射流出口51、下射流出口52的形状可以根据实际需求进行设定，包括但不限于收敛型喷口、收敛发散型喷口、单边膨胀喷口或后向台阶式喷口。可以理解，收敛型喷口为基础型喷口，通过喷口的收敛形状增加压力，从而加速。收敛发散型喷口则是通过先收敛后扩张的形状设计，能够产生更高的速度和更低的压力，让速度进一步提升到超声速，增强控制效果。单边膨胀喷口为在收敛发散型喷口的基础上，在一侧额外设置凸起或膨胀结构，能够调整激波的分布，让射流对科恩达曲面的附着能力增强。而后向台阶式喷口，通过设置阶梯式结构，增强射流对科达曲面的附着能力，以便让射流在高速的情况下不脱离科恩达曲面。基于此，防护壳63的形状具体根据上射流出口51、下射流出口52的形状进行设计。

在本实施例中，上射流出口51与下射流出口52为收敛型喷口，因此，防护壳63优选设计为半圆形结构。该半圆形结构具有一弧形面和一竖直面，弧形面朝向流体腔室内，且弧形面的中心处与振动膜32连接，从而将流体腔室对称分为结构相同的上流体腔室31a和下流体腔室31b。竖直面作为机翼的后端端面，在竖直面中心处开设有通孔，以使齿轮61的部分结构外露，与齿条62啮合。齿条62设置在机翼后缘41上，机翼后缘41为滑动科恩达后缘，其靠近机翼的一侧为滑动竖直面，远离机翼的一侧为科恩达曲面，科恩达曲面的形状可以根据情况进行设计，优选设计为半圆弧形面。齿条62设置在滑动竖直面的中间段，其长度根据上凹腔43与下凹腔44的大小来确定。滑动竖直面的两端分别设置上凹腔43与下凹腔44，上凹腔43与下凹腔44的开口大小不能小于射流出口。在设置了上凹腔43与下凹腔44后，机翼后缘41滑动竖直面的两端为尖角结构。

其中一个实施例中，上射流出口51与下射流出口52为后向台阶式喷口时，可以在收敛型喷口的基础上，在半圆形结构的上和/或下两端设置阶梯式凸缘，该阶梯式凸缘可以为一层阶梯或多层阶梯，当为多层阶梯时，阶梯形状沿机翼后缘41方向递进。同理，也可以在收敛发散型喷口、单边膨胀喷口的基础上，进一步增设阶梯，从而形成台阶式喷口。

组合时，防护壳63的竖直面与机翼后缘41的滑动竖直面相接触，且齿轮61与齿条62啮合，通过电机驱动齿轮61，使齿轮61带动齿条62运动，以驱动机翼后缘41沿机翼上下方向滑动，从而使凹腔与对应的射流出口打开、连通或相对封堵，形成不同形式的组合合成射流。

也就是说，凹腔与对应的射流出口存在三种状态关系，分别为：

状态一，凹腔对应封堵射流出口，机翼后缘41的两端与机翼上下两端相接，射流系统处于关闭状态。

状态二，凹腔打开射流出口，凹腔的下端与射流出口的上端光滑连接，射流出口的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流。

状态三，凹腔连通射流出口，凹腔的上端突出机翼表面，且凹腔的下端与射流出口的下端光滑连接，射流出口的射流沿机翼表面逆方向流动，形成逆向射流。

具体来说，在上凹腔43封堵上射流出口51时，下凹腔44也对应封堵下射流出口52，此种构型为无环量控制的常规翼型，形成无环量控制构型。

而状态二和状态三进行组合时，则可能形成两种构型状态，分别称之为正环量控制构型和负环量控制构型。其中，正环量控制构型为：上凹腔43连通上射流出口51，下凹腔44打开下射流出口52。负环量控制构型为：下凹腔44连通下射流出口52，上凹腔43打开下射流出口52。

即本申请提供的组合合成射流式环量控制系统存在无环量控制构型、正环量控制构型和负量控制构型三种结构状态，分别对应机翼3的无环量控制状态、正环量控制状态和负量控制状态三种状态。

参阅图1，为无环量控制构型，上凹腔43、下凹腔44分别对应封堵上射流出口51、下射流出口52，机翼后缘41的两端与机翼上下两端相接，振动膜32无电信号激励，上凹腔43与下凹腔44不进行射流，此时的翼型与常规机翼翼型无异。

参阅图2，为正环量控制构型，上凹腔43连通上射流出口51，下凹腔44打开下射流出口52。此时，上射流出口51射出的射流沿上凹腔43的内壁向机翼上表面11逆方向流动，形成逆向射流71；下射流出口52射出的射流沿机翼后缘41的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流72。通过两股流体组合叠加作用以减小升力。

参阅图3，为负环量控制构型，其与正环量控制构型正好相反。下凹腔44连通下射流出口52，上凹腔43打开下射流出口52。此时，下射流出口52射出的射流沿下凹腔44的内壁向机翼下表面12逆方向流动，形成逆向射流71；上射流出口51射出的射流沿机翼后缘41的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流72。通过两股流体组合叠加作用以增大升力。

可以理解，在进行组合合成射流时，通过科恩达射流72加速一侧流动，通过逆向射流71减速相对侧流动，通过两者的共同作用，可以显著提升环量控制效果，相较于单纯的柯恩达射流或逆向射流控制效率更高。

由于振动膜32由电信号驱动，因此可以在机翼内部布置线缆，便捷地将环量控制装置分布式布置于机翼后缘，从而避免使用额外引气管路。振动膜32采用高分子材料制成。

另一方面，还可以改变射流出口的长度，或者将多个/多组射流间隔布置，具体根据需求进行设置。

实施例2

在本实施例中，提供了一种组合合成射流式环量控制方法，所述方法包括：

当为无环量控制状态时，通过驱动组件驱动机翼后缘41，使凹腔对应封堵射流出口。

当需要转换为正环量控制状态时，通过驱动组件驱动机翼后缘41向上滑动，下凹腔44向上移动，下射流出口52打开；上凹腔43向上突出机翼上表面11，且上凹腔43的下端与上射流出口51的下端光滑连接；振动膜32接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，下射流出口52射出的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；上射流出口51射出的射流沿上凹腔43的内壁向机翼上表面11逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以减小升力。可以理解，电机驱动齿轮61逆时针旋转，从而带动齿条62与机翼后缘41向上滑动，下凹腔44向上移动，下射流出口52打开；上凹腔43向上突出机翼上表面11，且上凹腔43的下端与上射流出口51的下端光滑连接，从而在上端形成逆向射流71，下端形成科恩达射流72。同时，机翼下表面2的来流沿科恩达曲面表面偏转，形成逆向来流73，也就是说，除了逆向射流71与科恩达射流72，还有逆向来流73一起叠加，三股流体组合叠加显著减小升力。

当需要转换为负环量控制状态时，通过驱动组件驱动机翼后缘41向下滑动，上凹腔43向下移动，上射流出口51打开；下凹腔44向下突出机翼下表面12，且下凹腔44的上端与下射流出口52的上端光滑连接；振动膜32接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，上射流出口51射出的射流沿机翼后缘41的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；下射流出口52射出的射流沿下凹腔44的内壁向机翼下表面12逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以增大升力。可以理解，电机驱动齿轮61顺时针旋转，从而带动齿条62与机翼后缘41向下滑动，下凹腔44向下突出机翼下表面12，且下凹腔44的上端与下射流出口52的上端光滑连接；上凹腔43向下移动，上射流出口51打开，从而在上端形成科恩达射流，下端形成逆向射流。同时，机翼上表面1的来流沿科恩达曲面表面偏转，形成逆向来流73，也就是说，除了逆向射流71与科恩达射流72，还有逆向来流73一起叠加，三股流体组合叠加显著增大升力。

相较于现有技术，本申请实现了柯恩达射流和逆向射流的组合流动控制，两种流动控制效果叠加，相比单纯的柯恩达射流或逆向射流控制效率更高；通过齿轮与齿条的传动配合，控制了上流体腔室与下流体腔室的开闭，形成了无环量控制、正环量控制和负环量控制三种组合射流控制构型，解决了飞行速度增大后环量控制能力显著下降的问题。并且，通过驱动组件控制机翼后缘的移动，以控制射流出口的开合状态，可以快速方便的切换控制状态，无需额外装置，减少了体积重量，增加系统的可靠性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种组合合成射流式环量控制系统，包括机翼上表面和机翼下表面，在所述机翼上表面与所述机翼下表面之间设置有流体腔室，所述流体腔室内设置有振动膜，其特征在于：

所述流体腔室内还设置有驱动组件，所述驱动组件一侧与机翼后缘滑动配合；

所述驱动组件分别与所述机翼上表面、所述机翼下表面之间形成射流出口，所述机翼后缘靠近所述驱动组件一侧设置有与所述射流出口相对应的凹腔；

所述驱动组件驱动所述机翼后缘沿接触面滑动，使凹腔与对应的射流出口打开、连通或相对封堵。

2.根据权利要求1所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述流体腔室为一个，通过振动膜将所述流体腔室分为两个。

3.根据权利要求1所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述流体腔室为两个，两个流体腔室内分别设置有振动膜。

4.根据权利要求2或3所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述振动膜通过电信号驱动。

5.根据权利要求2或3所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述驱动组件包括设置在机翼后端面上的齿轮，以及设置在所述机翼后缘的齿条，通过齿轮和齿条的配合驱动所述机翼后缘沿机翼上下方向滑动。

6.根据权利要求2或3所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述机翼后缘为滑动科恩达后缘，其靠近机翼的一侧为滑动竖直面，远离机翼的一侧为科恩达曲面。

7.根据权利要求6所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述科恩达曲面为半圆弧形面。

8.根据权利要求2或3所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述凹腔为弧形凹腔；

在所述凹腔对应封堵所述射流出口时，所述机翼后缘的两端与所述机翼上下两端相接；

在所述凹腔打开所述射流出口时，所述凹腔的下端与所述射流出口的上端光滑连接；

在所述凹腔连通所述射流出口时，所述凹腔的上端突出所述机翼表面，且所述凹腔的下端与所述射流出口的下端光滑连接。

9.根据权利要求8所述的组合合成射流式环量控制系统，其特征在于，所述射流出口为收敛发散型喷口或收敛型喷口或单边膨胀喷口或后向台阶式喷口。

10.一种组合合成射流式环量控制方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的组合合成射流式环量控制系统，所述方法包括：

当为无环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘，使所述凹腔对应封堵所述射流出口；

当需要转换为正环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘向上滑动，下凹腔向上移动，下射流出口打开；上凹腔向上突出所述机翼上表面，且上凹腔的下端与上射流出口的下端光滑连接；振动膜接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，则下射流出口射出的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；上射流出口射出的射流沿上凹腔的内壁向机翼上表面逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以减小升力；

当需要转换为负环量控制状态时，通过所述驱动组件驱动所述机翼后缘向下滑动，上凹腔向下移动，上射流出口打开；下凹腔向下突出所述机翼下表面，且下凹腔的上端与下射流出口的上端光滑连接；振动膜接收电信号后进行高频振动，流体腔室高频吹吸气体，则上射流出口射出的射流沿机翼后缘的科恩达曲面表面偏转，形成科恩达射流；下射流出口射出的射流沿下凹腔的内壁向机翼下表面逆方向流动，形成逆向射流，通过两股流体组合叠加作用以增大升力。