CN114450224A - 进行更为安静的超音速飞行的空气动力学技术和方法 - Google Patents
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Abstract
本专利专注于如何进行更为安静的超音速飞行。有多种技术和方法被研制出来专门用于解决超音速飞行的噪音问题。超音速飞行的噪音是从飞机传播到地面的，所以在两者之间增加干涉媒介(202)可以有效地阻止噪音向地面传播。使用特别设计的飞机机翼同样可以减少噪音水平。这种特别设计的机翼部分灵感是源自鸟群的飞行。使用主动发射的冲击气流把飞机迎风面的前缘的气流吹开，或者利用在飞机机身底部设置的小洞(901)把机身底部的气流导走同样可以减少从飞机传播到地面的噪音。
Description
背景技术
协和号超音速客机和图-144超音速客机的出现，被认为是商业航空历史上追求更高速度客机的一个里程碑。虽然这两种超音速客机创造了商业飞行新的世界记录，但是飞行时巨大的噪音也是常常被人诟病的地方。也正因为如此，美国联邦航空管理局（FAA）制定了规定禁止超音速客机在陆地上空飞行，这限制了超音速客机在大多数内陆型国家国内航空领域的使用。从那时起，很多人进行尝试以期望解决飞行噪音的问题，但直到今天怎么解决飞行中的噪音问题仍然是超音速飞机设计的一项挑战。
发明内容
综述：
本专利专注于如何实现更为安静的超音速飞行。本文介绍了几种技术和方法用于解决超音速飞行中的噪音问题。虽然每一种方法都可以减少噪音，但是这些方法的组合使用有助于实现最佳的静音效果。本专利的部分理论基础与传统的关于超音速飞行的经典理论略有不同， 部分技术的灵感源自鸟群飞行的飞行动力学特征。超音速飞行中的噪音是从飞机传播到地面的，因此在这两者之间增加干涉媒介用于阻止噪音的传播可以减小传到地面的噪音。使用特别设计的飞机机翼同样可以减少噪音水平。这种特别设计的机翼部分灵感是源自鸟群的飞行。使用主动发射的冲击气流把飞机迎风面的前缘的气流吹开，或者利用在飞机机身底部设置的小洞把机身底部的气流导走同样可以减少从飞机传播到地面的噪音。
当飞机配置平底的机身并且以0度迎角做高超音速飞行时，就能产生更少的噪音，当然这需要配备特别设计的机翼。虽然大多数飞机依靠向前推进产生升力用于平衡重力，但是再机身和机翼底部仍然会和空气发生“碰撞”，而这有可能是噪音的另一个来源。因此在机身底部增加小洞把底部的气流导走可以进一步减少这种“碰撞”从而降低噪音的特征水平。
根据在此提出的一种可以实现的技术，本文介绍了一种与飞机各部件产生的膨胀波进行干涉的方法。该方法包括利用通过连接机身的喷嘴喷射气流与飞机各部件产生的膨胀波进行干涉。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种减少超音速飞行噪音的装置。该装置包括一个气流产生源，一个导管，一个连接在导管上的喷嘴用于喷射气流与飞机各部件产生的膨胀波进行干涉。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种更为安静的超音速飞机。该飞机包括一个气流产生源，一个导管，一个连接在导管上的喷嘴用于喷射气流与飞机各部件产生的膨胀波进行干涉。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种与飞机各部件产生的膨胀波进行干涉的方法。该方法包括使用一种干涉媒介，通过连接机身的喷嘴喷射气流与飞机各部件产生的膨胀波在干涉媒介处相遇并且发生干涉，并以此阻止膨胀波向地面传播。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种减少超音速飞行噪音的装置。该装置包括一个气流产生源，一个导管，一个连接在导管上的喷嘴用于喷射气流，一个干涉媒介用于喷嘴喷出的气流与飞机各部件产生的膨胀波在此相遇并进行干涉。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种更为安静的超音速飞机。该飞机包括一个气流产生源，一个导管，一个连接在导管上的喷嘴用于喷射气流，一个干涉媒介用于喷嘴喷出的气流与飞机各部件产生的膨胀波在此相遇并进行干涉。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种具有特别设计机翼的飞机。该飞机包括机身，以及多个安装在机身顶部和/或者侧边的可旋转机翼。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种更为安静的超音速飞机。该飞机包括一个具有平底的机身，以及多个安装在机身顶部和/或者侧边的可旋转机翼。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种减少超音速飞行噪音的装置。该装置包括一个冲击气流产生器，一个喷嘴把冲击气流喷向飞机迎风面的前缘。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种更为安静的超音速飞机。该飞机包括一个冲击气流产生器，一个喷嘴把冲击气流喷向飞机迎风面的前缘。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种减少超音速飞行噪音的装置。该装置包括机身，以及嵌入在机身底部凹型的小洞。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种更为安静的超音速飞机。该飞机包括机身，以及嵌入在机身底部凹型的小洞以便在飞行过程中把飞机机身底部的气流导走。
根据在此提出的另一种可以实现的技术，本文介绍了一种具有最佳静音效果的超音速飞机。该飞机组合使用了了本文提到的多种减少噪音的技术。
附图简介：
图1.根据本文提到的技术的一个实例，从侧上方观察的配备与机身相连接的用于喷射气流的喷嘴的飞机图片。
图2.根据本文提到的技术的一个实例，从侧上方观察的配备与机身相连接的用于喷射气流的喷嘴以及干涉媒介的飞机图片。
图3.根据本文提到的技术的一个实例，由三种不同材质构成的干涉媒介。
图4.根据本文提到的技术的一个实例，用于计算干涉媒介位置和长度的图片。
图5.根据本文提到的技术的一个实例，用于介绍特别设计的飞机机翼以及其分布模式的图片。
图6.根据本文提到的技术的一个实例，近距离观察的不同类型的机翼。
图7.根据本文提到的技术的一个实例，配置了特殊设计的机翼以及具有平底机身的飞机侧面图。
图8.根据本文提到的技术的一个实例，配置了冲击波产生器，特殊设计的机翼，以及喷嘴的飞机侧面图。
图9.根据本文提到的技术的一个实例，机身底部嵌入凹型小洞的飞机底部图。
图10.根据本文提到的技术的一个实例，机身底部的凹型小洞的详细介绍图片。
图11.根据本文提到的技术的一个实例，近距离观察配置了特殊设计的机翼，底部具有凹型小洞的机身，冲击波产生器，以及喷嘴的飞机图片。
图12.根据本文提到的技术的一个实例，近距离观察在飞机机身顶部安装的与鸟群飞行类似的机翼的多种分布模式。
图13.根据本文提到的技术的一个实例，近距离观察的在飞机前部安装的特殊设计的机翼的分布。
详细介绍:
当飞机以超音速或者高超音速飞行时，会在其飞行路径的下方产生超音速噪音。以下是各种用于减少超音速飞行噪音的技术和方法。
技术 1：
超音速飞行的噪音是由飞机产生然后向地面传播的，所以技术1乃是在两者之间增加阻挡噪音的装置以减少噪音向地面传播。技术1包括一个主动的气流源，该气流源可以由气流源发生器产生也可以由飞机通风口导入，气流源的气流经过喷嘴喷射出去与飞机产生的膨胀波进行干涉从而减小由膨胀波产生的噪音。更进一步地，可以通过增加干涉媒介来阻挡膨胀波的传播。
图.1是一个飞机的侧面图，该飞机配置了一个气流源发生器104，一个喷嘴101，用于传送气流的管道103.喷嘴位于飞机下方以便于向后上方喷射气流。从喷催喷出的气流将会减少从飞机产生的膨胀波。
图.2采用了跟图.1类似的技术原理，增加了干涉媒介用于阻挡直接从飞机产生的膨胀波。图.2同样有气流源发生器204，管道203用于传输气流到喷嘴201，喷射气流与膨胀波将会在干涉媒介202相遇并发生干涉以阻挡膨胀波向地面传播。
图.4中的干涉媒介的位置和长度必须满足以下条件：
H >= L2;
L' >= L1 + M*H;
在此处H表示干涉媒介的起始点到飞机底部的垂直距离。
L2表示干涉媒介的起始点到飞机前端的水平距离。
L1表示干涉媒介的起始点到飞机尾端的水平距离。
L=L1+L2表示飞机的水平长度。
M是飞机飞行的最大马赫数。
L'表示干涉媒介的长度。
最优的H是 H=L2，从飞机前端产生的膨胀波必须能被干涉媒介阻挡到，第二个方程式表示从飞机尾端产生的膨胀波也必须被干涉媒介阻挡到。
举个例子，假设M=3.0，L2 = 0.5L，
L' >=L1+M*L2=L2+L1+(M-1)*L2
L' >= 2*L
具体的含义为，当飞机以最大3.0马赫的速度飞行时，干涉媒介的长度最少应为飞机长度的2倍。
图.3表示三种不同的用于制造干涉媒介的材料和材质。
* 干涉媒介301使用的材料与降落伞类似（例如尼龙，条纶，芳纶纤维，丝绸）。膨胀波和喷射气流将会在干涉媒介相遇并发生干涉，从而抵消掉部分的膨胀波。
* 干涉媒介302使用声学的超材料制作。在干涉媒介的上表面安装这种超材料用于控制膨胀波的传播和反射。这种超材料的详细介绍请参考【1】。
* 干涉媒介303同样使用声学的超材料制作。区别在于这种超材料具有开放的结构，可以反射声波但同时可以让气流通过。关于这种超材料的纤细介绍请参考【2】。
为了进一步减少图.1 中管道103 以及图.2中管道203的噪音水平，等离子体促动器的使用可参考【3】。
特别设计的机翼：
自从飞机出现以来，大多数飞机都有机翼。但是飞机机翼的形状和结构从一开始到现在很多年了都没有太剧烈的变化。虽然本专利介绍了一种机翼用于减少超音速飞行中的噪音，该机翼同样适用于其他机型。
图.5是一个飞机的侧面图，该飞机配置了具有离散型分布模式的特别设计的机翼。该机翼的设计灵感源对鸟群飞行中的更为先进的空气动力学特性的理解。机翼503是很多安装在飞机顶部的可旋转的小型机翼，它们的高度递增。机翼501和机翼502是很多安装在飞机两侧的可旋转的小型机翼。
图.6是从近处观察的安装上特别设计的机翼的飞机。机翼502的分布模式与机翼501类似，都是受鸟群飞行的启发。图.6中又清晰地显示出它们的区别，机翼501比机翼502距离机身的距离更远。
特别设计的机翼还有另外一个优势。对于大多数传统的商用客机，在起飞和降落时，机身必须相应地做出俯仰。然后对于配置了特别设计机翼的飞机在起飞和降落阶段机身保持水平，这会让乘客乘坐飞机变的更为舒适。配置了特别设计机翼的飞机，从理论上讲像失速这样的事情是永远不会发生的。
技术 2：
配备了特别设计机翼的飞机可以减少膨胀波向地面传播，是因为飞机的机翼装在了飞机机身的顶部。
如果飞机配备了平底的机身并且通过精确地动态调整每一个小型机翼的角度以保证飞机在飞行时保持0度的迎角，就可以产生更少传播的地面的噪音。
图.7是一个飞机的侧面图，该飞机配备了一个平底的机身和特别设计的机翼。机翼503可以在飞行中动态调节。有一个计算机***用来精确控制每一个小机翼的角度以确保飞机再飞行时能保持0度迎角.
技术 3：
为了解决超音速飞行的噪音问题，事实上只需要减少传播到地面的噪音水平甚至可以增加传播到上方的噪音。因为技术 3尝试将噪音改为向上而不是向下传播。这是通过由高能量的冲击波发生器，通过喷嘴把飞机前端的气流吹到上方从而减少飞机前方和下方所产生的膨胀波。
图.8是飞机的一个侧面图，该飞机配备了冲击波发生器801,喷嘴804向飞机前端喷射气流，喷嘴803向飞机上部喷射气流，这些喷嘴将让飞机前端的空气向上流动而不是聚集在前端。
技术 4：
虽然大多数飞机依靠向前推进产生升力用于平衡重力，但是再机身和机翼底部仍然会和空气发生“碰撞”，而这有可能是噪音的另一个来源。因此在机身底部增加小洞把底部的气流导走可以进一步减少这种“碰撞”从而降低噪音的特征水平。
图.9是飞机的底部视图，该飞机的机身底部配备了凹型小洞901.还有导管用于将机身底部的空气导出飞机。凹型小洞的大小和分布模式可以通过实验以求达到最佳的效率。也可以通过泵主动把凹型小洞和导管中的气流导出。在飞机机身底部的空气越少，越有可能飞机机身底部产生更少的噪音。
图.10显示凹型小洞901的剖面图，这包括一个腔体902，导管903用于将气体导出飞机，气流也可以通过泵被主动导出。
一种最优设计的更为安静的超音速飞机:
根据本文提到的技术的一个实例，在此介绍一种具有最优静音效果的飞机。
这种具有最优静音效果的飞机与传统的飞机看上去非常不同原因在于再设计飞机时它将静音设定为更高的优先级。
图.11是一架具有最佳静音效果的飞机，正如图片显示的那样该飞机的形状更像是一个长方体盒子和一个四楞台组合而成。在飞机机身底部有在技术4中讲到的凹型小洞1106。虽然主要使用的是技术4，机身的设计用到了技术2中提到的尽可能“平”的机身底部。该飞机还包括一个冲击波发生器1104，图.11中显示的使用技术3的用于喷射冲击波的喷嘴1105。为取得最佳的静音效果，机翼被安装在机身的顶部。
图.12是在飞机上部安装的小型机翼群。机翼1101的分布灵感源自鸟群的飞行，机翼1101的高度随分布递增。机翼1102是互相平行的小型机翼，它们的高度也随着分布递增以获得更大的机翼迎风面。正如在图.11中显示的那样，该小型机翼群还包括与机翼1101与机翼1102类似的复制模式以填满整个飞机顶部（机翼1101a，机翼1101b,机翼1101c等等...）。
图.13是安装的飞机前部的小型机翼群1103.机翼1103是单独的可旋转的小型机翼。
所有的小型机翼（机翼1101，机翼1102，机翼1103）在飞行过程中都是可旋转的。并且还有一个计算机***用于精确控制每一个小机翼的旋转角度以期能正好平衡飞机的重量，这样就能保证在整个飞行过程中都能保持0度的迎角。这同时在起飞和降落阶段将会让飞机的乘客感觉更为舒适。
这个概念设计只提供了一个实例，很显然通过组合本专利提到的其他技术可以很容易地得到其他的设计。所有这些设计同样被认为是本专利的一部分。
在此提到的所有的技术和方法同样适用于高超音速飞行或者更高速度的飞行，所有使用本专利技术在这些领域的应用也当然地被认为是本专利的一部分。
以上提到的各种技术和方法的实现不应局限于解决噪音问题的方法实质。很显然可以通过组合使用本专利提到的技术和方法，而这些实例同样被认为是本专利的一部分。
参考目录：
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Claims (11)
1.一种减少超音速飞行中噪音的装置，由以下部分组成：
一个气流源；
一个气流传导设备；
一个用于喷射气流的喷嘴。
2.一架配备减少超音速飞行噪音装置的飞机，由以下部分组成：
机身；
一个气流源；
一个气流传导设备；
一个用于喷射气流的喷嘴。
3.一种减少超音速飞行中噪音的装置，由以下部分组成：
一个气流源；
一个气流传导设备；
一个用于喷射气流的喷嘴；以及
一种用于阻止噪音传播的干涉媒介。
4.一架配备减少超音速飞行噪音装置的飞机，由以下部分组成：
机身；
一个气流源；
一个气流传导设备；
一个用于喷射气流的喷嘴；以及
一种用于阻止噪音传播的干涉媒介。
5.一架配备特别设计机翼的飞机，由以下部分组成：
机身；
多个可旋转的机翼安装在飞机机身顶部和/或者机身侧边。
6.一架配备减少超音速飞行噪音装置的飞机，由以下部分组成：
有着平底的机身；
多个可旋转的机翼安装在飞机机身顶部和/或者机身侧边。
7.一种减少超音速飞行中噪音的装置，由以下部分组成：
一个冲击波产生器；
一个用于向飞机迎风面前缘喷射气流的喷嘴。
8.一架配备减少超音速飞行噪音装置的飞机，由以下部分组成：
机身；
一个冲击波产生器；
一个用于向飞机迎风面前缘喷射气流的喷嘴。
9.一种减少超音速飞行中噪音的装置，由以下部分组成：
一个底部有很多小洞的机身；
用于将机身底部气流导出到其他位置的导管。
10.一架配备减少超音速飞行噪音装置的飞机，由以下部分组成：
一个底部有很多小洞的机身；
用于将机身底部气流导出到其他位置的导管。
11.一架配置减少超音速飞行噪音装置的飞机以期达到最佳静音效果，由以下部分组成：
一个底部有很多小洞的机身；
多个可旋转的机翼安装在飞机机身顶部；
一个冲击波产生器；
用于向飞机迎风面前缘喷射气流的喷嘴。
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