專利名稱：一種新型的基于氣動力和直接力的復合控制舵面的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種新型的基于氣動力和直接力的復合控制舵面，屬于航空航天控制技術領域。
背景技術：
在現代飛行器上普遍采用各種基于氣動力的舵面作為飛行控制的主要手段，通過偏轉舵面改變飛行器所受的氣動力，提供操縱力矩。但是常規(guī)氣動舵面在大偏角下出現的流動分離會降低舵面的控制效率，嚴重影響飛行器的操縱特性。帶弦向吹氣的控制舵面在常規(guī)氣動舵面的基礎上能夠改善舵面在大偏角下出現的流動分離，其中以吹氣襟翼和噴氣襟翼為典型代表。吹氣襟翼技術是將偏轉的襟翼直接置于發(fā)動機高速噴流的下游，利用發(fā)動機的高速噴流吹除分離氣流并增加翼型環(huán)量；噴氣襟翼技術則是利用從發(fā)動機引出的壓縮空氣或燃氣流，通過機翼后緣的縫隙沿整個翼展向后下方以高速噴出，加速上翼面流速并提高翼型環(huán)量。以上兩種基于氣動力的控制舵面都是通過提高舵面升力系數從而增大飛行器的操縱力矩。針對具有重要戰(zhàn)略價值的臨近空間，空氣稀薄直接導致飛行器飛行雷諾數明顯下降，即使在小迎角下，機翼繞流都可能產生分離氣泡，分離氣泡的位置和發(fā)展必然會主導翼面及舵面的氣動特性。尤其是當偏轉舵面改變飛行器姿態(tài)時，舵面上將出現十分嚴重的流動分離現象。同 時，由于飛行器飛行動壓減小，根據空氣動力學可知，氣動力正比于氣動力系數與飛行動壓的乘積。因此，飛行高度越高，改變飛行器姿態(tài)所需要的氣動力系數越大。綜上所述，由于臨近空間的高度大于20Km，單一的采用帶弦向吹氣的控制舵面改善流動分離的能力有限，提高氣動力系數的能力也受到限制，不能為飛行器提供足夠的操縱力矩。因此有必要發(fā)展新型的控制舵面，提高飛行器的操縱力矩，改善飛行器的操縱特性。

發(fā)明內容
針對上述存在的問題和困難，本發(fā)明提出了一種新型的基于氣動力和直接力的復合控制舵面，目的是同時利用氣動力與直接力，提高飛行器的操縱力矩，改善飛行器的操縱特性。該復合控制舵面通過在舵面上表面前緣氣流分離點附近設置沿展向分布的吹氣縫并沿切線方向吹氣，一方面可以消除舵面流動分離，提高舵面升力系數，從而增大飛行器的氣動操縱力矩；另一方面，該吹氣氣流會產生一個反作用力，當舵面偏轉時，該直接力的作用線會偏離飛行器的重心，從而可以為飛行器提供一個額外的操縱力矩。相比于方向固定、隨飛行高度增加而迅速減小的氣動力，該直接力方向可調、大小不隨飛行高度而變化，對臨近空間飛行器的發(fā)展有重要的應用價值。本發(fā)明的復合控制舵面需要確定舵面吹氣位置(圖2)。通過測壓實驗、數值模擬等方法可以得到舵面上下表面壓力分布(圖1)，在舵面前緣流動分離點附近吹氣可以降低消除舵面流動分離所需的吹氣壓力，提高舵面氣動效率。
本發(fā)明的復合控制舵面需要確定供氣與流量調節(jié)裝置(圖3)。供氣氣源可以采用發(fā)動機引氣、高壓儲氣罐等多種形式，氣源的高壓氣體通過減壓閥將壓力減小，通過流量計和壓力表進行流量調節(jié)，然后將氣體管路與舵面吹氣口連接，實現吹氣供給。本發(fā)明的復合控制舵面需要調節(jié)舵面氣動力的大小(圖4)。通過改變吹氣方向、吹氣口形狀與吹氣動量系數可以調節(jié)舵面氣動力的大小。本發(fā)明的復合控制舵面需要調節(jié)直接力的大小與方向(圖5)。通過改變吹氣方向可以調節(jié)直接力的方向，通過改變吹氣動量系數可以調節(jié)直接力的大小。


圖1舵面上下表面壓力分布；圖2舵面吹氣位置示意圖；圖3流量調節(jié)機構示意圖；圖4氣動力作用示意圖；圖5直接力作用示意圖；圖中標號如下:I流動分離點1.1吹氣位置
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是給出一種基于氣動力和直接力的復合控制舵面。本發(fā)明一方面利用舵面前緣吹氣消除舵面流動分離，提高舵面氣動力；另一方面利用舵面前緣吹氣產生的反作用力，為飛行器提供額外的操縱力矩，明顯改善飛行器的操縱特性。具體技術方案如下:步驟一:確定舵面吹氣位置舵面吹氣位置的選擇對改善流動分離、提高氣動操縱力矩有很大影響。由于在舵面偏角較大時，舵面上翼面氣流在離開前緣很短的距離處就出現分離，整個舵面上翼面幾乎都處在分離區(qū)，舵面吹氣位置1.1選擇在舵面前緣流動分離點I附近，可以降低吹氣壓力。采用測壓實驗或數值模擬的方式，可以通過舵面上下表面的壓力分布確定舵面吹氣的位置,如圖1、圖2所示。步驟二:供氣與流量調節(jié)裝置供氣氣起源可以采用發(fā)動機引氣、高壓儲氣罐等多種形式，流量調節(jié)裝置如圖2所示。該流量調節(jié)裝置主要由:氣源、減壓閥、流量計、壓力表和氣體管路組成；氣源的高壓氣體通過減壓閥將壓力減小，通過流量計和壓力表進行流量調節(jié)，然后將氣體管路與舵面吹氣口連接，實現吹氣供給。步驟三:調節(jié)舵面氣動力的大小調節(jié)舵面氣動力的大小需要調節(jié)吹氣方向、吹氣口形狀與吹氣動量系數。圖3為氣動力作用示意圖。為了改善流動分離、提高氣動力，吹氣氣流方向應沿舵面弦向并與當地翼型切線方向相同，使吹氣能量直接注入邊界層低能區(qū)。吹氣口的形狀可以采用吹氣縫、吹氣孔等多種形式。吹氣動量系數是表征吹氣射流向主流輸送動量大小的參數，在固定飛行狀態(tài)下存在一個消除舵面流動分離的臨界吹氣動量系數，當按此臨界吹氣動量系數進行吹氣控制時，可以剛好消除分離；如果使用更大的吹氣動量系數，則在消除分離的基礎上可以進一步增加舵面升力，提高舵面的氣動操縱力矩。步驟四:調節(jié)直接力的大小與方向調節(jié)直接力的方向需要調節(jié)吹氣方向，由于直接力是舵面吹氣產生的反作用力，其方向與吹氣方向相反。調節(jié)直接力的大小需要調節(jié)吹氣動量系數，吹氣動量系數越大，直接力越大。圖4為直接力作用示意圖。當舵面出現嚴重的流動分離時，可以利用直接力產生的操縱力矩實現飛行器的快速機動。盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示 出與描述的圖例。
權利要求
1.新型的基于氣動力和直接力的復合控制舵面，其特征在于通過確定舵面吹氣位置、確定供氣與流量調節(jié)裝置、調節(jié)舵面氣動力的大小和調節(jié)直接力的大小與方向四個步驟，同時利用空氣動力與直接力，達到改善飛行器的操縱特性的目的。
2.根據權利要求I所述的確定舵面吹氣位置，其特征在于舵面前緣吹氣位置設置在舵面流動分離點處，通過測壓實驗、數值模擬等方法確定其具體位置。
3.根據權利要求I所述的確定供氣與流量調節(jié)裝置，其特征在于供氣氣源包括發(fā)動機引氣、高壓儲氣罐等多種形式，流量調節(jié)裝置由氣源、減壓閥、流量計、壓力表和氣體管路組成。
4.根據權利要求I所述的調節(jié)舵面氣動力的大小，其特征在于通過改變吹氣方向、吹氣口形狀與吹氣動量系數調節(jié)舵面氣動力的大小，吹氣口的形狀包括吹氣縫、吹氣孔等多種形式。
5.根據權利要求I所述的調節(jié)直接力的大小與方向，其特征在于通過改變吹氣方向調節(jié)直接力的方向，通過改變吹氣動量系數調節(jié)直接力的大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的基于空氣動力和直接力的復合控制舵面用于提高舵面的氣動效率，改善飛行器的操縱特性。該方法通過在舵面上表面前緣流動分離點附近設置沿展向分布的吹氣縫并沿切線方向吹氣，一方面可以消除舵面流動分離，提高舵面氣動力；另一方面利用吹氣產生的反作用力，為飛機提供額外的操縱力矩。這種控制技術可以明顯改善飛行器的操縱特性，對臨近空間飛行器的發(fā)展有重要的應用價值。
文檔編號B64C9/04GK103253366SQ201210034198
公開日2013年8月21日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權日2012年2月15日
發(fā)明者王延奎, 鄧學鎣, 鄭瑋琳, 周平, 田偉, 李巖 申請人:北京航空航天大學