具有一系列激波凸起的空氣動力結構的製作方法

2023-10-18 04:30:44

專利名稱：具有一系列激波凸起的空氣動力結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括從表面延伸的一系列激波凸起的空氣動力結構和操作該結 構的方法。
背景技術：
圖1是飛機機翼上表面的俯視圖。機翼具有機翼前緣1和機翼後緣2，它們都相對 於自由流方向向後方掠過。在跨音速時，掠過激波4與機翼上表面垂直形成。如Holden，H. Α.和Babinsky， H，2003，《利用三維裝置控制激波/邊界層的相互作用》(2003年1月6日至9日美國內華 達州裡諾第41屆航空航天科學會議和展覽，NO. AAIA 2003-447)所描述，三維激波凸起能 用來產生λ狀波型的拖尾激波底部(smeared shock foot)。按照慣例，這些凸起的的弦向位置由激波4的預期位置決定。然而，無論是層流還 是紊流狀態的機翼，該位置都是馬赫數與升力係數的複合函數。通過使用三維激波凸起能 降低與激波相關的波阻，當激波位於凸起的特定位置時益處達到最大。因此，當飛行狀況變 化時，激波可能離開該最佳位置。解決該問題的傳統方法是配置變曲率的機翼後緣，以修正機翼形狀從而修正激波 位置，這將導致額外的重量和系統複雜性。因此，難題在於找到一種不依賴於機翼截面形狀 和翼展負荷分配而能固定激波的方法。US2006/0060720使用激波控制凸起產生從機翼下表面延伸出的激波。

發明內容
本發明的第一方面提供了一種空氣動力結構，該空氣動力結構包括一系列從其表 面延伸的激波凸起，所述激波凸起沿著一條線布置，該線的平均掠角比非擾動激波的平均 掠角小，所述非擾動激波在該結構沒有激波凸起的情況下、在所述結構的跨音速運動過程 中接近所述表面形成。激波凸起沿著掠角比非擾動激波的平均掠角小的線布置，而不是沿著非擾動激波 的線布置。也就是說，如果非擾動激波後掠，那麼所述線不後掠或者只後掠較小的掠角。同 樣，如果非擾動激波是前掠的，那麼所述線不前掠或者只前掠較小的掠度。換句話說，激波 凸起使激波「反掠」。本發明的第二方面提供了一種操作空氣動力結構的方法，該空氣動力結構包括一 系列從其表面延伸的激波凸起，所述方法包括使所述結構以跨音速運動；臨近所述結構 的表面形成激波；用所述一系列激波凸起擾動激波，以減小其掠角。通常，所述激波凸起使激波形成階梯式平面形狀，並具有一系列折點。通常，每個激波凸起產生具有λ狀波型的拖尾激波底部。通常，所述一系列激波凸起中的第一激波凸起定位成與非擾動激波的位置一致， 所述一系列激波凸起中的其它激波凸起定位在非擾動激波位置的前方或後方(取決於非擾動激波是前掠還是後掠)。通常，每個凸起具有前緣、後緣、內側緣和外側緣。所述凸起在其邊緣處可逐漸融 入表面，或者在一個或更多個其邊緣處可具有突然的不連續凹部。通常，每個凸起基本上沒有尖銳的凸緣或凸點。通常，激波凸起成形和定位成修正非擾動激波的結構。這與US2006/0060720形成 對比，US2006/0060720使用激波控制凸起產生激波，否則在沒有激波控制凸起時該激波不存在。所述結構可包括機翼，如飛機機翼、水平尾翼或操縱面；飛機結構，如機艙、掛架或 翼；或任何其它空氣動力結構，如渦輪葉片。在機翼的情況下，激波凸起可定位在機翼的高壓力表面(即，在這種情況下的機 翼下表面)，但是更優選地，所述表面是機翼的低壓表面(即，在這種情況下的機翼上表 面)。並且通常每個凸起具有頂點，該頂點朝向機翼的後緣定位，換句話說，其定位在50% 弦線之後。凸起的頂點可以是單個點或平臺。在平臺的情況下，平臺的前緣朝向機翼的後 緣定位。


將參照附圖描述本發明的實施方式，附圖中圖1是飛機機翼頂部的俯視圖；圖2是根據本發明第一實施方式具有一系列激波凸起的飛機機翼頂部的俯視圖；圖3是通過一個凸起的中心沿著直線A-A的截面圖；圖4是展示了擾動激波和位於第一激波凸起外側的非擾動激波的平均掠角的俯 視圖；圖5是根據本發明第二實施方式具有一系列激波凸起的飛機機翼頂部的俯視圖。
具體實施例方式圖2是與圖1中機翼類似的跨音速氣流中的飛機機翼上表面的俯視圖。一系列激 波凸起的覆蓋區域標記為3a-3c，圖3是通過一個凸起的中心沿著直線A-A的縱向截面圖， 線A-A與自由流方向平行。在沒有激波凸起的跨音速巡航狀態，將在機翼表面附近形成非 擾動激波4。每個凸起從機翼的指定表面(nominal surface) 5處突出，並在前緣6a、後緣6b、 內側緣6c、外側緣6d處與指定表面5相接；每個凸起還具有頂點6e。凸起側面的較低部分 是凹面的，並逐漸融入指定表面5。例如，在圖3中，凸起前側的較低部分7在前緣6a處逐 漸融入指定表面5。可選地，在一個或更多個凸起的邊緣處存在突然的不連續。例如，凸起 前側的較低部分可以是平面的，如圖中虛線7a所示。在這種情況下，激波凸起的前側7a在 前緣6a處與指定表面5的相接存在突然的不連續。前/後截面A-A的頂點6e偏移到凸起 中心的後方。每個凸起3a-3c的頂點6e也定位在50%弦線的後方，通常介於60%到65% 弦線之間。注意，不同於渦流發生器，這些凸起沒有尖銳的凸緣或凸點，因此，當它們在最佳 位置操作時(即當激波在凸起頂點的正前方位於凸起上時)，氣流仍保持附著在這些凸起 上。
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通過產生如圖3所示的λ狀波型的拖尾激波底部8，激波凸起3a_3c修正了激波 的結構。當激波凸起3a_3c運行在它們的最佳狀態，如圖3所示，激波4位於凸起頂點6e 的正前方時，拖尾底部8具有λ狀波型，其具有朝向凸起前緣的單個前激波8a和位於頂點 6e稍前方的單個後激波Sb。可選地，拖尾底部可具有包括扇狀系列的前部激波的λ狀波 型，以代替只有單個前部激波8a。因為局部氣流一般略高於音速，氣流的擾動側向傳播，幾 乎與自由流方向垂直，並且不沿著非擾動激波4。如圖2所示，擾動激波線9與非擾動激波 4重合，直到它到達第一(最內側)激波凸起3a。在該點，激波凸起擾動激波，因此，擾動激 波線9如圖示那樣向前彎曲。在距第一凸起3a相同的翼展方向距離處，氣流回到它的非擾 動狀態，並試圖回到其最初弦向位置。這導致在擾動激波線9上產生了折點11。第二凸起 3b設置在凸起3a的外側激波線4的前方，以重新擾動激波，已知的是，獨立於最初的激波位 置4，第一凸起3a將指定拖尾λ狀激波的路徑。與此相似，第三凸起3c設置在凸起3b的 外側激波線4前方的合適位置，以重新擾動激波。可使用超過三個激波凸起，以朝著機翼末 端延伸該過程。激波凸起3a_3c使激波形成階梯式平面形狀9，平面形狀9具有一系列折點11。圖 4是示出線9a和線4a的俯視圖，線9a代表擾動激波9的平均掠角，線4a代表第一激波凸 起3a外側的非擾動激波4的平均掠角。如圖4所示，線9a的掠角小於線4a。激波的擾動位置9根據最內側的凸起3a的氣流確定，而不是根據升力係數或馬赫 數決定。這就排除了變曲率系統的需要，並能保持凸起在各種飛行狀況下都能運行在或接 近運行在最佳工況。激波凸起的中心沿著線10分布。線10的掠角也小於線4a。如圖2所示的實施例 中，所有的激波凸起3a_3c集中在直線10上。然而，在其它實施方式中，激波凸起的中心可 以不位於一直線上，例如圖5所示。在該實施例中，激波凸起3a-3e沿著Z字形線IOa-IOd 布置。Z字形線IOa-IOd的平均掠角(標記為IOe)相對於第一凸起IOa外側的非擾動激 波4的平均掠角掠過一個較小的角度，類似於圖2中的線10。應注意，圖5中為了說明的目 的，Z字形線IOa-IOd相對直線平均線IOe的偏離被放大了。儘管在機翼的上表面示出了激波凸起，相似的裝置也可用於各種其它應用中，例 如圍繞著掛架和機艙。當應用於直升機旋翼和螺旋槳葉片的末端時，它們也能減少功率曲 線(profile power)禾口噪音。雖然已參照上述一個或更多個實施方式描述本發明，但應該認識到，在不超出所 附權利要求所要求保護的範圍的情況下，可進行各種改變或改進。
權利要求
一種空氣動力結構，該空氣動力結構包括一系列從其表面延伸的激波凸起，所述激波凸起沿著一條線布置，該線的平均掠角比非擾動激波的平均掠角小，所述非擾動激波是指在所述結構沒有所述激波凸起的情況下、在所述結構的跨音速運動過程中接近所述表面形成的激波。
2.如權利要求1所述的結構，其中，所述一系列激波凸起中的第一激波凸起定位成與 所述非擾動激波的位置一致，所述一系列激波凸起中的其它激波凸起定位在所述非擾動激 波的位置的前方或後方。
3.如上述任一權利要求所述的結構，其中，每個凸起具有前緣、後緣、內側緣和外側緣。
4.如權利要求3所述的結構，其中，每個凸起與所述表面在所述前緣、後緣、內側緣和 外側緣處相接。
5.如上述任一權利要求所述的結構，其中，每個凸起基本上沒有尖銳的凸緣或凸點。
6.如上述任一權利要求所述的結構，其中，所述激波凸起的形狀和位置被進行設置，以 便修正激波的結構。
7.如權利要求6所述的結構，其中，所述激波凸起的形狀和位置被進行設置，以便在激 波中產生λ狀波型的拖尾底部。
8.如上述任一權利要求所述的結構，其中，所述空氣動力結構是機翼，所述表面為所述 機翼的低壓表面。
9.如上述任一權利要求所述的結構，其中，所述空氣動力結構是具有前緣和後緣的機 翼，其中，第一系列的每個凸起具有頂點，該頂點朝機翼後緣定位。
10.一種操作空氣動力結構的方法，該空氣動力結構包括一系列從其表面延伸的激波 凸起，所述方法包括使所述結構以跨音速運動；臨近所述結構的表面形成激波；以及用所述一系列激波凸起使激波擾動，以減小其掠角。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述被擾動的激波具有階梯式平面形狀，並具有 一系列折點。
12.如權利要求10或11所述的方法，其中，所述激波凸起用於修正激波的結構。
13.如權利要求10至12中任一項所述的方法，該方法還包括使每個激波凸起產生入 狀波型的拖尾激波底部。
14.如權利要求10至13中任一項所述的方法，其中，至少一個所述激波凸起上的氣流 充分地完全附著。
全文摘要
一種空氣動力結構(1)，包括從其表面延伸的一系列激波凸起(3a，3b，3c)。激波凸起沿著一條線(7)布置，該線的平均掠角比非擾動激波(4)的平均掠角小，所述非擾動激波是指在所述結構沒有所述激波凸起的情況下、在所述結構的跨音速運動過程中接近所述表面形成的激波。激波凸起沿著掠角比非擾動激波的平均掠角小的線布置，而不是沿著非擾動激波的線布置。當該結構以跨音速運動時，在其表面附近形成激波，激波凸起使該激波(9)擾動，以減小其掠角。
文檔編號B64C23/04GK101932507SQ200980103812
公開日2010年12月29日 申請日期2009年2月17日 優先權日2008年2月29日
發明者諾曼·伍德 申請人:空中巴士英國有限公司