渦流發生器設備、氣流控制系統和控制舵面上氣流的方法與流程

2023-05-08 01:34:41 1

本發明涉及一種用於飛機的渦流發生器設備。所述渦流發生器設備包括表面部件，其形成與在工作中的飛機周圍的氣流相互作用的氣流表面。所述表面部件包含開口。所述渦流發生器設備還包括渦流產生裝置，可在縮回位置和伸出位置之間移動。在伸出位置，所述渦流產生裝置延伸穿過所述開口進入氣流中，且在縮回位置，所述渦流產生裝置不會延伸穿過所述開口進入氣流中。此外，渦流發生器設備包括用於將所述渦流產生裝置保持在縮回位置的保持裝置、用於朝向伸出位置偏置所述渦流產生裝置的偏置裝置，和用於從所述保持裝置釋放所述渦流產生裝置、使得所述渦流產生裝置可以向伸出位置移動的釋放裝置。本發明還涉及一種包括用於飛機的垂直尾翼和控制單元的氣流控制系統、一種包括氣流控制系統的飛機和一種用於控制在飛機舵面上的氣流的方法。

背景技術：

飛機的垂直尾翼和安裝到垂直尾翼上的垂直舵主要提供方向穩定性和用於使飛機繞其垂直或偏航軸轉動的偏航力矩。可以由舵產生的最大偏航力矩取決於垂直舵的大小和該舵可繞舵軸線偏轉的程度。簡單地說，可以用較大的舵或可繞更大的角度被偏轉的舵來產生更大的偏航力矩。由於舵只能被偏轉有限的角度以避免在所述舵處的氣流失速，最大偏航力矩在很大程度上由舵的總體尺寸確定。

由於在正常操作條件下從不需要最大偏航力矩，大部分可由垂直舵的產生偏航力矩在正常操作條件下是不會被使用的。換句話說，在正常操作條件下大部分垂直舵只產生拖曳力(drag)，且對於控制飛機是不需要的。在拖曳力增大時，燃料消耗增加，這降低了飛機的最大範圍航程，因此應當避免任何不必要的拖曳力。

技術實現要素：

考慮到上述情況，可以認為是本發明的一個目的是改善垂直尾翼和垂直舵的氣流，而無需必然增大垂直尾翼的尺寸。

在第一個方面，本發明提供了上述類型的渦流發生器設備，它還包括密封裝置，用於在渦流產生裝置處於縮回位置時完全密封所述開口。此外，所述密封裝置適於使得在從縮回位置移動到伸出位置時所述渦流產生裝置可以永久破壞所述密封裝置對所述開口的密封。

換句話說，在第一方面，本發明涉及一種渦流發生器設備，它被提供用於在垂直尾翼以及特別是在垂直舵處降低失速的風險，如果垂直舵被偏轉以產生最大可用偏航力矩的話。因此，當根據本發明的渦流發生器設備被部署在垂直尾翼時，帶有渦流發生器設備的垂直尾翼的總體尺寸可以減小為較小尺寸的尾翼，其可以產生與不含根據本發明的渦流發生器設備的較大尾翼同樣大的偏航力矩。所述渦流發生器設備包括一個表面部件，它可以例如形成飛機的垂直穩定器的外表面或氣流表面的一部分。所述表面部件包括一個開口，所述渦流產生裝置例如葉片可以穿過所述開口在縮回位置和伸出位置之間移動。在縮回位置，所述渦流產生裝置被設置在表面部件的不受飛機周圍的氣流吹到的一側上，其中使用了渦流發生器設備。所述渦流產生裝置可以例如被設置在垂直尾翼內。因此在縮回位置，所述渦流產生裝置不受飛機周圍的氣流所影響，並且特別是不產生額外的拖曳力。所述渦流發生器設備包括一個保持裝置，它將渦流產生裝置保持在縮回位置，並防止其意外運動到伸出位置。

例如，當需要渦流發生器設備的支撐件用於降低在垂直舵處失速的風險時，所述渦流產生裝置可以移動穿過在表面部件中的開口到伸出位置，在所述伸出位置其產生附加渦流，所述附加渦流改善了在垂直舵處的氣流。在縮回和伸出位置之間的運動可以是例如沿著縱向方向的線性運動或者其中所述渦流產生裝置繞一個旋轉軸旋轉的旋轉運動。設置了一個偏置裝置，例如彈簧的形式，用於將所述渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置。所述彈簧可以是例如用於沿著直線路徑移動渦流產生裝置的卷簧，或者用於將所述渦流產生裝置繞旋轉軸線旋轉的扭力彈簧。利用彈簧或其他機械偏置裝置具有的優點是提供了用於在縮回和伸出位置之間移動所述渦流產生裝置的特別堅固的驅動裝置，因為不需要外部的電力或液壓動力源。

為使渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置，設置了一個釋放裝置，它將所述渦流產生裝置從保持裝置斷開或釋放。釋放裝置可以是例如致動器，它將保持裝置從第一位置移動到第二位置，在第一位置所述保持裝置抵靠由偏置裝置施加的力而將所述渦流產生裝置保持在縮回位置，和在第二位置所述偏置裝置不再將渦流產生裝置保持在縮回位置並使能朝向伸出位置的運動。所述釋放裝置和偏置裝置不需要是不同單元或元件。

最後，該渦流發生器設備包括一個密封裝置，用於在所述渦流產生裝置處於縮回位置時密封所述表面部件中的開口。所述密封裝置可以由一個膜來提供。所述密封裝置有利地防止了任何氣流和例如水或汙垢的任何其它環境影響可能進入渦流發生器設備內部。為此，所述密封裝置最好形成為單件式，其永久性地附著在圍繞所述開口的表面部件的邊緣。所述密封裝置進一步有利地消除了將由表面部件中的開口產生的額外的拖曳力，如果開口將未被覆蓋的話。

所述密封裝置還設計成由所述渦流產生裝置破壞或者至少永久地從渦流發生器組件脫離，當渦流產生裝置穿過所述開口從縮回位置移動到伸出位置時。渦流產生裝置可以是例如將所述密封裝置或密封膜切割成兩片或多片或者將所述密封裝置推到開口之外。

因此，一旦所述渦流發生器設備已經通過將渦流產生裝置移動到伸出位置而被激活，它就不能簡單地被停用，因為至少由密封裝置提供的密封被永久破壞。因此，渦流發生器設備不包括任何裝置用於將渦流產生裝置從伸出位置返回到縮回位置。一旦被激活，所述渦流發生器設備只能由維修人員來更換或維修，例如通過恢復密封裝置和手動地將渦流產生裝置返回到縮回位置。

根據本發明的渦流發生器設備僅準備用於在需要使用最大偏航力矩的情況下。當伸出時，所述渦流發生器設備防止了垂直舵的失速，使得垂直舵可以比常規的操作條件下被進一步偏轉。有利的是，一旦它已經被激活，所述渦流發生器設備僅產生額外的拖曳力。但是，這種額外的拖曳力的量不很高，使得飛機可以在不受約束下操作，即使渦流發生器設備已被激活。因此，如果意外激活根據本發明的一個或多個渦流發生器設備，所述飛機可以繼續其正常的操作且所述渦流發生器設備不必立即更換或修理。

在所述開口被密封裝置從環境完全密封時，其在渦流產生裝置伸出時將被破壞或移除，所述渦流發生器設備的內部，且具體地說所述偏置裝置、所述保持裝置和釋放裝置被可靠地固定以避免例如水或汙垢的任何環境影響。因此，提供了根據本發明的渦流發生器設備的可靠和低維護操作。

在一個優選實施方案中，所述密封裝置是密封膜，它在渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置時可由渦流產生裝置破壞。所述密封膜可以是例如適於在所述渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置而被碰到時由渦流產生裝置切割成兩片或多片或者爆裂成多個片。

可替代地或另外地，當渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置時，所述密封膜或密封裝置優選地是可由渦流產生裝置從渦流發生器設備拆卸的。所述密封膜可以例如通過壓力配合被連接到表面部件上，且該壓力配合的保持力比所述渦流產生裝置在向伸出位置移動時施加在密封膜上的力弱。所述密封膜隨後將簡單地被渦流產生裝置從所述開口向外推開。可替代地或另外地，所述密封膜可使用粘合劑粘附到表面部件上，且該粘合劑的粘合力可能比由渦流產生裝置所施加的力小。所述密封膜隨後將簡單地從圍繞所述開口的表面部件脫落。壓力配合和粘接劑的組合也是可行的。可被破壞或拆卸的密封膜的組合也是可行的，以確保渦流發生器設備的可靠操作。

在一個示例性優選實施例中，所述渦流產生裝置適於使得在渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置時所述渦流產生裝置只點狀接觸密封裝置。換句話說，所述渦流產生裝置的形狀使得在密封裝置和渦流產生裝置之間沒有延伸接觸，而僅僅在一個或多個點狀位置上接觸。這有利地改善了局部引入到密封裝置上的力，因此改進了該密封裝置被由渦流產生裝置成功破壞的可能性。所述渦流產生裝置可以例如包括面對密封膜形式的密封裝置的鋒利葉片，其優選地相對於密封裝置在其中延伸的平面傾斜，使得可以確保局部接觸。在其他的實施例中，所述渦流產生裝置可具有用於切割穿過所述密封膜的齒形表面。

在一個優選的實施方案中，所述保持裝置由一個銷形成。當所述銷處於第一位置時，所述銷適於防止渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置。所述銷可由釋放裝置從第一位置移動到第二位置，用於從保持裝置釋放所述渦流產生裝置，其中在第二位置所述銷不阻止所述渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置。

在一個替換優選實施方案中，所述保持裝置是由帶子或線材形成，並且釋放裝置以適於切割帶子或線材的火工切割器(pyrotechniccutter)的形式提供，用於從保持裝置釋放渦流產生裝置。已經發現這種火工切割器即使在惡劣的工作條件下也是非常可靠的。

所述渦流發生器設備優選地包括一個殼體，其中所述表面部件和/或密封裝置形成所述外殼的外表面，且其中所述渦流產生裝置和所述偏置裝置、保持裝置和釋放裝置中的至少一個被設置在所述殼體內。設置在單個外殼中的渦流發生器設備可有利在激活後一件式更換以進行常規維護或更換或修理，這減少了維護或更換的時間，且因而降低了維護或更換的成本。在某些情況下可能有利的是將釋放裝置放置在殼體外面，例如以方便火工切割器形式的釋放裝置的維修。

在第二方面，所述問題通過一種包括用於飛機的垂直尾翼和控制單元的氣流控制系統來解決。所述垂直尾翼包括垂直穩定器、至少一個舵面和根據任一前述實施方案的多個渦流發生器，其中所述至少一個舵面可以相對於所述垂直尾翼圍繞舵軸線偏轉，並且其中所述多個渦流發生器被設置在垂直穩定器上並沿著所述舵軸線，並且其中所述控制單元適於致動所述多個渦流發生器的裝置裝置，使得所述多個渦流發生器的渦流產生裝置從縮回位置移動到伸出位置，其中所述控制單元適於僅在所述舵繞舵軸線的偏轉超過預定值時致動所述釋放裝置。

舵偏轉的預定值被有利地選擇為使得它只在舵被偏轉超過在常規操作過程中的最大偏轉時被超出。由於最大舵偏轉被飛機的飛行控制系統所限制，這種最大偏轉在在地面上僅在速度低於最小起飛速度時發生。因此，如果預定值被設置得足夠高，可以防止多個渦流發生器設備被意外激活。然而，如果根據本發明的渦流發生器設備被激活了，它們有利地減小了在該舵處的氣流擾動，並由此增大了垂直舵可以被偏轉的最大角度而不會產生氣流失速的風險。

該氣流控制系統的進一步優點對應於該系統包含的渦流發生器設備的優點。

優選的是，所述控制單元還適於僅在需要最大可用偏航力矩時致動所述釋放裝置。這種情況可以例如是被飛機的飛行控制系統檢測到並傳送到氣流控制系統的控制單元。所述控制單元可以例如是飛機的飛行控制系統的一部分。

在一個示例性優選實施例中，所述釋放裝置適於釋放所述渦流產生裝置，如果所述控制單元出現故障或者如果釋放裝置從控制單元斷開的話。因此這有利地確保了渦流發生器設備總是可被激活的。由於在伸出位置的渦流產生裝置不會對飛機的飛行表現造成相當大的不利影響，渦流發生器設備的意外激活相對於發生故障的風險是優選的。

在第三方面，所述問題是由包括根據上述任一優選實施例的氣流控制系統的飛機來解決的。所述飛機的優點對應於其中使用的氣流控制系統的優點。

最後在第四方面，所述問題是通過控制在飛行器的舵面上的氣流的方法來解決的，所述飛機包括垂直尾翼，其中所述垂直尾翼包括垂直穩定器、至少一個舵面和根據任一前述實施方案的多個渦流發生器，其中所述至少一個舵面相對於垂直穩定器圍繞一個舵軸線是可偏轉的，並且其中所述多個渦流發生器被設置在所述垂直穩定器上並沿著所述舵軸線。多個渦流發生器的釋放裝置被致動，使得所述多個渦流發生器的渦流產生裝置僅在檢測到至少一個舵面的偏轉超過預定值時從它們的縮回位置移動到伸出位置。

在該方法的一個優選實施方案中，僅在已經檢測到需要最大可用偏航力矩時致動所述釋放裝置。

根據本發明的用於控制在舵面上的氣流的方法的優點分別對應於在前述段落中描述的、具有相應特徵的根據本發明的氣流控制系統的實施例的優點和在該方法中使用的渦流發生器設備的實施例的優點。

附圖說明

在下面的段落中參考附圖描述了根據本發明的渦流發生器設備的示例性實施例、根據本發明的氣流控制系統和用於控制在舵面上的氣流的方法，在附圖中：

圖1示出了根據本發明的渦流發生器設備的第一示例性實施例的剖視圖，

圖2示出了根據本發明的渦流發生器設備的第二示例性實施例的剖視圖，

圖3示出了根據本發明的氣流控制系統的示例性實施例的平面圖，和

圖4示出了根據本發明的飛機的示例性實施例的透視圖。

在附圖中相同的參考標號用於表示相同的元件。

具體實施方式

圖1中顯示了用於飛機的渦流發生器設備1的第一示例性實施例。渦流發生器設備1包括一個殼體3。殼體3部分地由表面部件5界定，所述表面部件適於形成與在飛機飛行時圍繞飛機的氣流相互作用的氣流表面。外殼3優選具有圓形或橢圓形的柱體形式，分別具有圓形或橢圓形的基部。外殼3的這些基部之一由表面部件5形成。表面部件5還包括開口7，其沿圓周被表面部件5的邊緣9環繞。通過可以是例如具有圓形、橢圓形或類似狹縫形狀的開口7，殼體3的內部可以與圍繞所述渦流發生器設備1的環境流體連通。具體地，在渦流發生器設備1使用時碰到表面部件5上的氣流可能會流入殼體3的內部。

渦流發生器設備1還包括具有葉片11形式的渦流產生裝置11。渦流產生裝置11是在縮回位置13和伸出位置15之間可移動的，在縮回位置13中所述渦流產生裝置11如實線所示，在伸出位置15中所述渦流產生裝置11如虛線所示。在縮回位置13中，所述渦流產生裝置11完全設置在外殼3的內部。因此，它不會延伸或突出穿過開口7到殼體3的外部。特別是，所述渦流產生裝置11不會影響在表面部件5上經過的任何氣流。在伸出位置中，所述渦流產生裝置11延伸穿過所述開口7進入到在表面部件5上經過的氣流中且通過產生一個或多個渦流而影響氣流。

為將該渦流產生裝置11從縮回位置13移動到伸出位置15，設置了兩個卷簧17形式的偏置裝置17。偏置裝置17將渦流產生裝置11向伸出位置15偏置。換句話說，偏置裝置直接或間接地施加力到所述渦流產生裝置11上以推動所述渦流產生裝置11穿過開口7和到外殼之外。

為將渦流產生裝置11保持在縮回位置13中，設置了保持裝置19。在圖1所示的示例性實施例中，保持裝置19由銷19形成，如圖1所示銷19可在第一位置之間移動，其中在第一位置中所述銷與用於支承和引導渦流產生裝置的軸21接合。所述銷19可以通過一個致動器23形式的釋放裝置23移動到其中銷19不再與軸21接合的第二位置。因此，所述渦流產生裝置11從該保持裝置19釋放和由偏置裝置17從縮回位置13移動到伸出位置15。

所述渦流發生器設備1還包括密封膜25形式的密封裝置25，其在渦流產生裝置11處於縮回位置13時緊緊密封在表面部件中的開口7。所述密封膜25可以例如是使用粘合劑粘附到表面部件5上以提供特別緊密的密封。有利的是，所述密封膜25完全密封所述殼體3以避免環境影響，使得可以防止水和灰塵進入所述殼體內部且不會損害渦流發生器裝置的可操作性。此外，密封膜25提供了在表面部件5連續性的氣流表面，並降低了由渦流發生器設備所造成的額外拖曳力。密封膜25優選地是單件式的。

此外，密封膜25被適配以使得所述渦流產生裝置11可永久地破壞所述開口7的由密封膜25所提供的密封，當它被偏置裝置17從縮回位置13推到伸出位置15時。為此，所述渦流產生裝置11可具有尖銳的邊緣27，以用於將密封膜25切割成兩個或多個部分。可替代地，密封膜25可以設置為使得其在被渦流產生裝置11衝擊時分散為多個部分。換句話說，渦流產生裝置11從縮回位置13穿過密封膜25移動到伸出位置15中且永久性地破壞密封膜25。

因此，如圖1所示的渦流發生器設備1是一種單次使用的渦流發生器設備1。一旦釋放裝置23從保持裝置19釋放了渦流產生裝置11，所述渦流產生裝置11從縮回位置13移動到伸出位置15，且不能自動地移動回到縮回位置13。由於渦流發生器設備1是意圖僅在需要最大可用偏航力矩時激勵邊界層的，它有利地不影響在其中按常規操作使用所述渦流發生器設備的航空器周圍的氣流。然而，因為由伸出的渦流產生裝置11產生的額外拖曳力對飛行路線不具有顯著的不利影響，不需要提供裝置來將渦流產生裝置11移動回到縮回位置13，一旦渦流發生器設備1已被激活的話。因此，渦流發生器設備1與以前已知的可伸出的渦流發生器設備相比相當簡單，這使得它更可靠。

最後，由於提供了偏置裝置以將所述渦流產生裝置11移動到伸出位置15，不需要用於致動渦流發生器裝置1的外部電源。所需要的唯一外部接觸是給釋放裝置23的信號，使得渦流產生裝置11從該保持裝置19釋放。

圖2中示出渦流發生器設備1的第二示例性實施例。圖2所示的示例性實施例與圖1所示的示例性實施例的區別僅在於所採用的保持裝置和釋放裝置。因此為簡單起見，不需重複同樣適用於在圖2所示的示例性實施例的上述考慮和解釋，而只討論不同之處。

圖2所示的渦流發生器設備1包括線材29形式的保持裝置29，其剛性地連接到形成殼體3的一部分的安裝裝置31。在圖2中，安裝裝置31僅示意地顯示為一個環。此外，提供了火工切割器33形式的釋放裝置33。火工切割器33包括活塞35、推進劑37和引爆器39。為釋放所述渦流產生裝置1，信號被發送到引爆器39。引爆器39點燃推進劑37，其使活塞35加速。然後所述活塞39撞擊線材29將其切為兩片或多片，從而從保持裝置29釋放所述渦流產生裝置1。這種火工切割器33已被發現是非常可靠的，即使在惡劣的工作條件下。

圖3示出了根據本發明的氣流控制系統41的示例性實施例。該氣流控制系統41包括垂直尾翼43和圖中未示出的控制單元。垂直尾翼43包括垂直穩定器45和垂直舵或舵面47。舵47可以相對於垂直穩定器45繞舵軸線49偏轉。氣流控制系統41還包括根據本發明的多個渦流發生器設備1，沿所述舵軸線49設置在垂直穩定器45的兩側。所述渦流發生器設備1可以是例如如圖1或2的渦流發生器設備1。

氣流控制系統41的控制單元適於監測垂直舵或舵面47繞舵軸線49的偏轉。如果偏轉超過預定值，所述控制單元激活所述渦流發生器設備1，並且更準確地說所述渦流發生器設備1的釋放裝置23、33，以從保持裝置19，29釋放渦流產生裝置11。所述渦流產生裝置11然後被從縮回位置13推到各自的伸出位置15，並影響圍繞垂直尾翼單元43的氣流。特別地，所述渦流產生裝置11改善了沿垂直舵47的氣流，使得垂直舵47可以繞舵軸線49進一步偏轉，而不用擔心氣流失速的風險。因此，可以提供附加的偏航力矩。

圖4示出了根據本發明的飛機51，包括兩個發動機53(只有一個可在圖4中看到)，並且是作為示於圖3中的氣流控制系統41一部分的垂直尾翼單元43。由於圖3的氣流控制系統41類似於在圖4所示的飛機中使用的氣流控制系統41，氣流控制系統41的之前描述及其優點適用於根據本發明的飛機51，反之亦然。

最後，圖3和圖4所示的氣流控制系統41可用於執行根據本發明的方法的一個示例性實施例。該方法包括以下步驟：確定所述垂直舵47已經繞舵軸線49被偏轉的一個值，和僅在所述值超過預定值時激活所述渦流發生器設備1。此外，渦流發生器設備1僅在已經另外檢測到需要最大可用偏航力矩時激活。根據本發明所述的方法的示例性實施例共享氣流控制系統41的優點。