一種用於科恩達效應飛行器的開口式控制舵面的製作方法

2023-06-24 08:54:46 2

專利名稱：一種用於科恩達效應飛行器的開口式控制舵面的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型飛行器飛行姿態控制舵面的設計，屬於航空飛行器的結構與氣動設計領域。
背景技術：
近年來，無人飛行器的垂直起降和懸停能力越來越受到關注，是實用化無人飛行器研究的熱點。為了追求更高的使用性能，近年來研製出了多種新型布局飛行器，基於科恩達效應的飛行器就是其中的一例。科恩達效應(Coanda Effect)亦稱附壁效應，即流體(水流或氣流)有離開本來的流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。這種作用以羅馬尼亞發明家亨利·科恩達為名。當射流的一側有壁面限制，且射流與壁面的交角不大時(< 15° )，由於射流的抽吸作用，射流與壁面有限空間中的流體被吸走，壓力不斷下降，使射流不斷向壁面靠近，直到穩定的貼壁流動，此即為附壁效應。利用這一附壁效應可以產生提供飛行器起飛的升力。這類飛行器的主要機體結構由若干曲面殼體組成，在殼體上方設計有狹縫結構，利用鼓風裝置通過狹縫在殼體表面上形成一股射流，通過以下兩種途徑產生升力I)其一是利用曲面殼體將氣流引導至向下方向流動，通過改變氣流的動量來產生豎直方向的力；2)其二是當氣流沿著殼體表面流動時，殼體上表面靜壓減小，如此在殼體兩側產生壓力差，這個壓力在垂直方向上的分力即是產生的升力。科恩達效應飛行器除升力之外的另一個重要問題就是控制系統的設計。一架飛行器必須有良好的控制裝置才能夠進行有效的機動飛行，並在飛行中保持足夠的穩定性。科恩達效應飛行器的飛行原理不同於一般固定翼飛行器和旋翼飛行器，因此控制原理和方式也會不同。由於該飛行器的升力源於氣流在曲面殼體表面流動產生的氣動力，因此在曲面殼體上設計氣動舵面來控制飛行姿態是可行的研究方向。目前應用在科恩達效應飛行器上的氣動舵面均為滑流式的，這種舵面布置在曲面殼體底部，如圖4。通過舵面偏轉改變氣流流出殼體的方向，即改變氣流的動量變化，從而改變局部曲面殼體的升力大小，產生控制力矩。該舵面方案能夠有效的控制飛行姿態，但是有以下不足I)舵面布置在殼體邊緣，發生碰撞等意外事故時很容易造成控制失效；2)舵面布置在殼體邊緣，遠離重心，控制系統的重量相對重心的轉動慣量較大，對操縱和穩定性能不利；3)氣流流至舵面時，已在殼體表面流過了較長的距離，經過了充分的擴散，氣流能量損失較大，舵面控制效能也大打折扣。基於以上情況，有必要研究一種新型的氣動控制舵面，在保證對飛行器進行有效姿態控制的前提下，克服滑流式舵面存在的缺點，使之更好的實現對飛行器操縱機動靈活、 穩定性及安全性好等目的。

發明內容
本發明提供了針對科恩達效應飛行器曲面殼體結構的一種氣動控制舵面，其偏轉時能夠有效地改變局部升力面的升力大小，從而對飛行姿態進行控制。根據本發明的一個方面，提供了一種科恩達效應飛行器，其特徵在於包括殼體，其包括多個環形連接的曲面部分；設置在所述殼體上方的導風口和狹縫，用於產生射流；其中至少兩個所述曲面部分的靠上位置處的舵面。


圖1是根據本發明的一個實施例的科恩達效應飛行器的舵面設置總體布局示意圖。圖2是圖1的實施例的航面處於關閉位置的氣流流動不意圖。圖3是圖1的實施例中左側舵面內偏呈開口狀態時的氣流流動示意圖。
具體實施例方式飛行器的曲面殼體是其主要的升力面，當其表面狀態完整時，可以通過殼體上下表面的壓差來有效地產生升力；當其表面狀態不完整，即有開口時，殼體上下表面壓力差會減小，從而使殼體的升力減小，這就是開口的減升作用。這一升力大小的變化可以對飛行姿態產生一定的控制作用。本方案就是在殼體上分離一定面積的結構作為舵面，其偏轉時會在殼體表面上開口，產生控制作用。以下說明本發明具體實施的技術方案I)舵面設置總體布局如圖1，根據本發明的一個實施例的科恩達效應飛行器包括殼體，該殼體具有八個環形連接的曲面部分(I);曲面部分(I)上方設置有用於產生射流的導風口(2)和狹縫(3);其中在對稱的四個曲面部分(I)靠上的位置有一定面積的分離結構作為舵面(4)，舵面(4)的上邊緣通過鉸鏈(5)與曲面部分(I)連接；舵面(4)的偏轉通過曲面部分(I)內部的作動裝置(未顯示)來實現。2)舵面控制以飛行器繞水平軸滾轉方向的控制為例，如圖2，飛行器機體呈水平狀態，左右曲面殼體(I)上的舵面(4)處於關閉位置時，曲面殼體(I)保持了原來的形狀，氣流(6)由於附壁效應沿著曲面殼體(I)向下流動，此時左右產生的氣動力保持平衡。如圖3，當例如飛行器左側的舵面(4)向下偏轉形成開口時，由於附壁效應，殼體的曲面部分(I)表面的一部分氣流(7)隨著舵面(4)表面流動到殼體下表面，殼體上下表面壓力差減小，產生的升力也就減小；此時右側的舵面(4)保持關閉狀態，所以右側的曲面部分(I)相對左側的曲面部分產生較大的升力，形成向左的滾轉力矩，飛行器就會向左做滾轉運動；同理，當右側的舵面(4)打開，而左側的舵面(4)保持關閉時，飛行器左側的曲面部分(I)產生較大的升力，飛行器就會向右做滾轉運動。舵面(4)的偏轉角度越大，開口越大，分離的氣流量也越大，殼體的曲面部分(I)升力的損失量也就越大，對飛行姿態的控制力也就越大。這種開口式舵面(4)的控制是一種減升控制，它利用了流體流動的附壁效應。根據本發明的一個具體實施例，舵面偏角保持在15度以內，以使氣流能順利附到舵面表面流動。在根據本發明的一個實施例中，所述的開口式舵面沿飛行器中面對稱布置，從而可以控制飛行器沿一個軸向的滾轉運動。在根據本發明的一個實施例中，按照十字交叉的方式對稱布置四個開口式舵面，從而可以利用舵面不同偏轉情況的組合，控制飛行器沿水平各個方向軸的滾轉運動。在根據本發明的一個進一步的實施例中，對用來產生射流的鼓風裝置(未顯示)的動力大小進行控制，從而滿足一架科恩達效應飛行器飛行控制的需要。有益效果本發明的優點包括一提供了一種科恩達效應飛行器，其具有結構簡單，效率高的氣動控制機構；一該氣動控制機構的開口式舵面遠離飛行器曲面殼體結構的外邊緣，在發生碰撞等特殊情形下能夠有效保持對飛行姿態的控制力，增強了飛行器的安全性和可靠性；一該開口式舵面靠近飛行器的重心，所需的傳動裝置等附件機構也靠近重心，這樣有利於減小飛行器全機的轉動慣量，有利於提高飛行機動性；一該開口式舵面靠近狹縫出口，表面流速較快，氣流能量損失較小，有利於提高舵面控制效能。
權利要求
1.科恩達效應飛行器，其特徵在於包括 殼體，其包括多個環形連接的曲面部分(I); 設置在所述殼體(I)上方的導風口(2)和狹縫(3)，用於產生射流(6); 其中至少兩個所述曲面部分(I)的靠上位置處的舵面(4)。
2.根據權利要求1所述的科恩達效應飛行器，其特徵在於 所述舵面(4)是一個具有一定面積的分離結構，舵面(4)的上邊緣通過鉸鏈(5)與曲面殼體(I)連接； 舵面(4)的偏轉通過曲面殼體(I)內部的作動裝置(未顯示)來實現。
3.根據權利要求2所述的科恩達效應飛行器，其特徵在於 所述科恩達效應飛行器包括八個環形連接的所述曲面部分(1)，其中在對稱的四個曲面部分(I)靠上的位置設有所述舵面(4)。
4.根據權利要求3所述的科恩達效應飛行器，其特徵在於 當飛行器機體呈水平狀態且左右曲面殼體(I)上的舵面(4)處於關閉位置時，殼體的曲面部分(I)保持原來的形狀，所述射流(6)由於附壁效應沿著曲面部分(I)向下流動，從而使左右側的曲面部分(I)所產生的氣動力保持平衡， 當所述殼體的一側的一個第一曲面部分(I)上的舵面(4)向下偏轉形成開口時，由於附壁效應，該第一曲面部分(I)表面的一部分氣流(7)隨著舵面(4)表面流動到該曲面部分(I)下表面，使該第一曲面部分(I)上下表面的壓力差減小，產生的升力也就減小，而所述殼體的另一側的一個第二曲面部分(I)的舵面(4)保持關閉狀態，所以該第二曲面部分(I)相對所述第一曲面部分(I)產生較大的升力，從而形成向所述第一曲面部分(I) 一側的滾轉力矩，使所述科恩達效應飛行器向所述第一曲面部分(I) 一側做滾轉運動； 當所述第二曲面部分(I) 一側的舵面(4)打開，而所述第一曲面部分(I)上的舵面(4)保持關閉時，所述第一曲面部分(I)產生較大的升力，從而使科恩達效應飛行器向所述第二曲面部分(I)一側做滾轉運動。
5.根據權利要求4所述的科恩達效應飛行器，其特徵在於 一個所述舵面(4)的偏轉角度越大，開口越大，分離的氣流量也越大，該舵面(4)所在曲面部分(I)的升力的損失量也就越大，對所述科恩達效應飛行器的飛行姿態的控制力也就越大； 通過對用來產生射流的一個鼓風裝置的動力大小進行控制，滿足所述科恩達效應飛行器飛行控制的需要。
6.根據權利要求4所述的科恩達效應飛行器，其特徵在於 所述舵面的偏角保持在15度以內，以使氣流能順利附到舵面表面流動； 按照十字交叉的方式對稱布置四個所述開口式舵面，從而可以利用舵面不同偏轉情況的組合，控制飛行器沿水平各個方向軸的滾轉運動；
7.科恩達效應飛行器的飛行姿態控制方法，所述科恩達效應飛行器包括一個殼體，所述殼體包括多個環形連接的曲面部分(I )，其中至少兩個所述曲面部分(I)的靠上位置處的舵面(4)， 其特徵在於包括 用設置在所述殼體曲面部分(I)上方的導風口(2)和狹縫(3)產生射流(6);控制所述舵面(4)開合，從而控制所述科恩達效應飛行器的飛行姿態。
8.根據權利要求7的方法，其特徵在於 所述舵面(4)是一個具有一定面積的分離結構，舵面(4)的上邊緣通過鉸鏈(5)與曲面部分(I)連接； 舵面(4)的偏轉通過曲面部分(I)內部的作動裝置來實現； 所述科恩達效應飛行器包括八個環形連接的所述曲面部分(1)，其中在對稱的四個曲面部分(I)靠上的位置設有所述舵面(4)。
9.根據權利要求7或8的方法，其特徵在於 在飛行器機體呈水平狀態時，通過使殼體左、右側的所述曲面部分(I)上的舵面(4)處於關閉位置，使殼體的曲面部分(I)保持原來的形狀，所述射流(6)由於附壁效應沿著曲面部分(I)向下流動，從而使左右側的曲面部分(I)所產生的氣動力保持平衡； 當所述殼體的一側的一個第一曲面部分(I)上的舵面(4)向下偏轉形成開口時，由於附壁效應，該第一曲面部分(I)表面的一部分氣流(7)隨著舵面(4)表面流動到該曲面部分(I)下表面，使該第一曲面部分(I)上下表面的壓力差減小，產生的升力也就減小，而所述殼體的另一側的一個第二曲面部分(I)的舵面(4)保持關閉狀態，所以該第二曲面部分(I)相對所述第一曲面部分(I)產生較大的升力，從而形成向所述第一曲面部分(I) 一側的滾轉力矩，使所述科恩達效應飛行器向所述第一曲面部分(I) 一側做滾轉運動； 當所述第二曲面部分(I) 一側的舵面(4)打開，而所述第一曲面部分(I)上的舵面(4)保持關閉時，所述第一曲面部分(I)產生較大的升力，從而使科恩達效應飛行器向所述第二曲面部分(I)一側做滾轉運動。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於 通過加大所述舵面(4)的偏轉，加大分離的氣流量，從而加大該舵面(4)所在曲面部分(O的升力的損失量，加大對所述科恩達效應飛行器的飛行姿態的控制力； 使所述舵面的偏角保持在15度以內，以使氣流能順利附到舵面表面流動； 按照十字交叉的方式對稱布置四個所述開口式舵面，從而可以利用舵面不同偏轉情況的組合，控制飛行器沿水平各個方向軸的滾轉運動； 控制用來產生射流的一個鼓風裝置的動力大小，滿足所述科恩達效應飛行器飛行控制的需要。
全文摘要
本發明提供了一種科恩達效應飛行器，其特徵在於包括殼體，其包括多個環形連接的曲面部分(1)；設置在所述殼體(1)上方的導風口(2)和狹縫(3)，用於產生射流(6)；其中至少兩個所述曲面部分(1)的靠上位置處的舵面(4)。本發明所提供的針對科恩達效應飛行器曲面殼體結構的氣動控制舵面，其偏轉時能夠有效地改變局部升力面的升力大小，從而對飛行姿態進行控制。
文檔編號B64C21/02GK103057694SQ20131000127
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者萬志強, 李航, 朱斯巖 申請人:北京航空航天大學