CN109665090B - 一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，所述变形襟翼上端设有长条形的吹气缝，同时需要增加前缘增升装置，以减小前缘的气流分离，在低速状态下，变形襟翼弯曲成月牙形，同时吹气缝吹出高速射流层，由于科恩达效应的存在，射流层紧贴曲面流动，沿曲面发生偏转，最后向斜下方吹出，此时月牙形的襟翼相当于环量控制技术的圆弧形后缘，这一过程大大增加了机翼的环量，提高了升力系数，同时巡航状态下，襟翼保持平直状态，不会增加额外阻力，本发明结构简单，不需要增加机翼厚度，适用于超音速薄翼型，可以大大提高超音速机翼在低速状态下的升力系数。

Description

一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼

技术领域

本发明涉及超音速飞行器气动设计领域，具体涉及一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼。

背景技术

现有技术中超音速机翼为了降低波阻，一般使用薄翼型，而薄翼型的低速性能较差，在起飞着陆阶段速度较低时，需要打开增升装置以增加升力，同时采用较大的迎角。

目前飞机机翼上常用的增升装置一般是机械式的襟翼，在机翼的前缘或后缘伸出或偏转控制面，从而增大机翼弯度，增加机翼面积，进而提高机翼的升力系数，大型客机上使用的典型襟翼是开缝襟翼，这种襟翼在机翼后方展开多段翼面，每个翼面之间存在间隙，机翼下方压力较高的气流通过间隙流动到每段襟翼的上表面，为上表面的附面层补充能量，使上表面气流不容易分离。

除了机械式的襟翼，另外一种增加升力的方法是环量控制，环量控制是指在机翼上通过吹气等方法提高环量，从而大幅提高升力，典型的环量控制机翼的后缘设置有弧形曲面，弧形曲面前方设置有吹气缝，气流从吹气缝吹出，形成一薄层高速气流，在科恩达效应的作用下，气流沿弧形曲面流动并附着在曲面上，流动到一定位置后分离，该射流同时带动附近的气流发生偏转，最终增大机翼对流过机翼表面的空气的下洗作用，大幅增加环量，从而增大升力，环量控制需要在机翼的后缘设置弧形曲面以产生科恩达效应，使其后缘较厚，在飞机巡航期间不需要增升装置的时候，较厚的后缘会产生很大的阻力。

现有的超音速翼型上设置的增升装置一般为简单的无缝襟翼或开缝襟翼，使用时向下偏转，由于超音速机翼展弦比很小，翼型厚度很薄，即使襟翼展开，其升力系数提高的程度也十分有限，同时超音速翼型的厚度很薄，亚音速客机使用的开缝襟翼由于结构复杂，体积庞大，无法应用于超音速翼型上，同样的原因，环量控制由于需要在翼型后缘设置弧形曲面，需要较厚的翼型，也无法应用于超音速翼型。

因此本发明所要解决的问题是超音速机翼在低速状态下升力较小，同时超音速机翼由于厚度太薄，无法使用环量控制等手段提高升力的问题。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供一种通过机翼变形与环量控制技术结合的方式，在低速状态下机翼后缘可以弯曲，同时在上表面设有吹气缝，吹出高速的射流层，利用科恩达效应，大幅增加环量，从而提高升力系数，同时巡航状态下后缘保持平直，不破坏机翼形状，不会增加额外的阻力，同时增加前缘增升装置，以减小前缘的气流分离，从而提高升力系数。

本发明提供如下技术方案：

一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，包括：前缘增升装置、吹气缝和变形襟翼，其特征是：所述前缘增升装置置于机翼的前端，所述吹气缝为长条形的窄缝，其展向长度与变形襟翼相近，所述吹气缝位置位于变形襟翼上方，并且紧贴变形襟翼，所述变形襟翼设有巡航状态与低速状态两种不同形态。

所述前缘增升装置包括前缘襟翼或者前缘流动控制喷口，所述前缘襟翼位于机翼前缘，向前下方翻转，既增大机翼面积，又增大了翼切面的弯度，因此具有很好的增升效果，所述前缘流动控制喷口置于机翼前缘，以此减缓前缘的气流分离。

所述可变形襟翼位于机翼后缘，并且小于机翼长度，所述可变形襟翼在飞机低速飞行状态时可弯曲成月牙形，通过后缘处引出的射流的附壁效应来产生环量或升力；

所述可变形襟翼在飞机巡航状态时保持平直状态，该状态下可变形襟翼保持水平状态，有效减少巡航时飞机所受阻力；

所述吹气缝位置位于可变形襟翼前端，并且紧贴可变形襟翼，吹气缝内设有气源，所述气源可以是来自发动机引气、空气压缩机、或压缩空气瓶等，使吹气缝吹出的射流层与襟翼上表面相切，同时吹气缝吹出高速射流层，由于科恩达效应的存在，气流沿弧形曲面流动并附着在曲面上，流动到一定位置后分离，该射流同时带动附近的气流发生偏转，最终增大机翼对流过机翼表面的空气的下洗作用，大幅增加环量，从而增大升力。

所述变形襟翼采用形状记忆合金，压电材料，偏心梁驱动机构，瓦楞结构等。

本发明的有效效果是：结构简单，不需要增加机翼厚度，适用于超音速薄翼型，可以大大提高超音速机翼在低速状态下的升力系数，本发明通过变形的方式，在低速状态下机翼后缘可以弯曲，同时在上表面设有吹气缝，吹出高速的射流层，利用科恩达效应，大幅增加环量，从而提高升力系数，同时巡航状态下后缘保持平直，不破坏机翼形状，不会增加额外的阻力。

说明书附图

图1为本发明在巡航状态时形态；

图2为本发明在低速状态时形态；

图3为本发明前缘增升装置细节图；

图4为本发明环量控制变形襟翼流场迹线分布图；

图5为本发明前缘吹气流场迹线分布图；

图6为本发明后缘吹气流场迹线分布图；

图7为本发明普通襟翼流场迹线分布图；

图8为不同襟翼升力系数对比图；

图中，1、机翼；2、气源；3、吹气缝；4、变形机翼；5、前缘增升装置；6、前缘襟翼；7、前缘流动控制喷口。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，包括：吹气缝3和变形襟翼4，其特征是：所述吹气缝2为长条形的窄缝，其展向长度与变形襟翼4相同，所述变形襟翼4设有巡航状态与低速状态两种不同形态；

在超音速机翼的前缘设置前缘增升装置5，利用从发动机引出的压缩空气或燃气流，通过前缘襟翼6后缘的前缘流动控制喷口7沿整个翼展向后上方以高速喷出，形成一片喷气幕，从而起到襟翼的增升作用。

在超音速机翼的后缘设置一段可变形材料制成的襟翼，变形襟翼4上方设置吹气缝3，使吹气缝3吹出的射流层与变形襟翼4上表面相切。

当飞机处于巡航状态时，变形襟翼4保持平直状态，不会带来额外的阻力；

当飞机处于低速状态时，例如起飞和着陆阶段，变形襟翼部4分弯曲成月牙形，此时吹气缝3内气源2工作，通过吹气缝3射出高速射流层，由于科恩达效应的存在，气流沿弧形曲面流动并附着在曲面上，流动到一定位置后分离，该射流同时带动附近的气流发生偏转，最终增大机翼对流过机翼表面的空气的下洗作用，此时月牙形的襟翼相当于环量控制技术的圆弧形后缘。 这一过程大大增加了机翼的环量，提高了升力系数。

使用计算流体力学方法对翼型的流场进行模拟，并记录不同工作状态下的升力系数，图4、图5、图6分别展示了本发明所用的翼型在0.15马赫的速度下的流场迹线分布图，可见气流流过翼型后大幅度的向下偏转，产生较大升力，其中图5和图6 展示了前缘和后缘喷口喷出的气流。

图7展示了普通的襟翼向下偏转时的流场，可见翼型后方气流向下偏转的程度远小于图4，说明其升力提高的幅度小于环量控制变形襟翼。

为了精确对比不同状态下的升力系数，利用计算流体力学方法计算出了各工况下的升力系数，如图8，其中机翼迎角均为0度，风速为0.15马赫，普通襟翼在偏转15度时，提高的升力系数为0.756，而变形襟翼在无吹气状态下是1.586，增加前缘和后缘吹气时是2.224，可见，采用本发明提供的方法可以大幅度增加升力系数。

由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其理论实质或必要特征的实施方案来实现，因此，上述提到的具体方案只是举例说明，并不是仅有的，本发明的设计方法适用于任何尺寸的具有超音速飞行能力的飞行器的机翼后缘的设计，所有在本发明权利要求的保护范围内或等同于本发明的保护范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，包括：前缘增升装置（5）、吹气缝（3）和变形襟翼（4），其特征是：所述前缘增升装置（5）置于机翼的前端，所述吹气缝（3）为长条形的窄缝，其展向长度与变形襟翼（4）相近，所述吹气缝（3）位置位于变形襟翼（4）上方，并且紧贴变形襟翼（4），所述变形襟翼（4）设有巡航状态与低速状态两种不同形态。

所述变形襟翼（4）在飞机低速飞行状态时可弯曲成月牙形，后侧形成圆弧形后缘；

所述变形襟翼（4）在飞机巡航状态时保持平直状态；

所述吹气缝（3）内设有气源（2），所述气源（2）来自发动机引气、空气压缩机或压缩空气瓶。

2.根据权利要求1所述的一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，其特征是：所述变形襟翼（4）位于机翼（1）后缘，并且小于机翼（1）的翼展长度。

3.根据权利要求1所述的一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，其特征是：所述前缘增升装置包括前缘襟翼（6）或者前缘流动控制喷口（7），所述前缘襟翼（6）位于机翼前缘，所述前缘流动控制喷口（7）置于机翼前缘。

4.根据权利要求1所述的一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，其特征是：所述变形襟翼（4）采用形状记忆合金、压电材料、偏心梁驱动机构或瓦楞结构。