用于飞行器的可收缩涡流发生器系统和飞行器的制作方法

本发明属于空气流控制领域，尤其是属于藉由涡流生成来进行空气动力学表面的边界层操纵技术的领域。更具体地说，本发明在航空工业中对于延迟边界层的分离同时使所生成的阻力最小化具有特别的相关性。特别地，本发明提供了一种用于飞行器的可缩回涡流发生器系统。

背景技术：

在航空工业中，涡流发生器多年来一直被用作被动的流控制装置，该流控制装置安装在空气动力学本体(例如飞行器机翼)的外表面上以延迟边界层的分离，从而因此有助于防止与所述分离相关的影响。这些影响可能会导致升力表面的效率降低或者甚至在低飞行速度和高迎角时失速。因此，涡流发生器降低了着陆和起飞速度，并且允许机翼产生更多升力，从而因此提高爬升速率。

特别地，边界层的分离的延迟是由于事实而实现的：涡流发生器将边界层的上部部分和外部部分中存在的具有高动量的流体作为涡流向下输送到更靠近空气动力学表面的低动量区域。因此，从所述上部部分和外部部分吸取能量，并将能量传输到正经受不利压力梯度的下部部分，该压力梯度倾向于使边界层从空气动力学表面分离。这样，涡流重新激励边界层，从而使边界层变得更薄并且更耐关于边界层分离的所述不利压力梯度。

涡流发生器通常位于飞行器的不同临界表面(例如水平安定面和垂直安定面)上从而提高方向舵效率，或者位于机翼的上表面上，如上所述。而且，安装涡流发生器最常见的位置之一是在副翼之前。在飞行器机翼失速从而经受所生成的升力突然减小事件中，边界层从机翼的外表面分离。因此，所述气流脱离在与副翼相互作用之前发生，这使得副翼失效。在副翼前实施涡流发生器允许副翼在即使机翼的其余部分失速的情况下也能提供对飞机的控制。

关于涡流发生器的机械实施，涡流发生器通常直接安装或胶合在飞行器的空气动力学表面上，从而在所有飞行阶段都存在对气流的干扰(即使在不需要它们的时候)。

因此，涡流发生器只安装在潜在地需要的地方，从而避免由于涡流发生器存在于所有飞行阶段中而使总阻力不适当地增大。

技术实现要素：

本发明通过本发明技术方案的可缩回涡流发生器和飞行器提供了用于前述问题的解决方案。在下面的描述中，限定了本发明的优选实施例。

在第一发明方面，本发明提供了一种用于飞行器的可缩回涡流发生器系统，所述系统包括：

-蒙皮，

-布置在所述蒙皮上的狭缝，

-包括轮廓的板件，所述板件被配置用于激励空气流的边界层，以及

-驱动装置，所述驱动装置被配置用于使所述板件在第一位置与第二位置之间旋转，

其中，在所述第一位置，所述板件的轮廓的至少一部分穿过所述狭缝突出，并且

在所述第二位置，所述板件缩回。

在整个本文件中，应理解的是，可缩回涡流发生器系统被配置成安装在飞行器的空气动力学表面上。当系统安装在飞行器上时，系统的蒙皮和飞行器的空气动力学表面提供了干净的空气动力学表面。这就是说，蒙皮将与空气动力学表面齐平，从而提供空气动力学连续性。

因此，应理解的是，当系统安装在飞行器上时，当板件处于第一位置(a)时，所述板件的一部分贯穿系统的狭缝突出，以便与周围的空气场接触。在这个意义上，术语“上方”用来表示板件从狭缝、也就是从飞行器的外表面向外突出到飞行器的外部部分。

因此，当所述板件缩回时，应理解的是，板件的任何部分不从飞行器的表面向外突出。相反，整个板件被容纳为从飞行器的外表面向内。

如前一节所陈述的那样，传统的涡流发生器(vg)通常藉由粘接结合而固定在飞行器的外表面(例如机翼)上，因此在所有飞行阶段会生成不期望的阻力，从而在不需要涡流生成的那些阶段中具有特别不利的影响。

因此，根据本发明的可缩回涡流发生器系统提供了vg的有益效果，例如降低失速速度和增大临界迎角，同时避免了当它们缩回到飞行器外表面内时的不希望的阻力。

进一步，如上所述，传统vg提供被动流动控制，因为一旦它们被固定到表面上，它们就不能被任何装置致动。有利地，根据第一发明方面的可缩回涡流发生器系统提供边界层的主动控制，如下文所述。

在设计vg时，并且当规划它们在特定空气动力表面的安装和位置时，必须考虑许多关键参数。关于几何形状，vg的形状、高度和长度是最重要的。关于它们的位置，例如在飞行器机翼中的位置，必须仔细处理弦向定位和展向间距，因为对于过失速区中的给定点，vg只有在被定位在分离线之前的情况下才是有效的。通常，vg应该被放置在从层流到湍流的转变点之前。然而，将vg定位为太靠近前缘将大大增大在较低迎角时的阻力。

可缩回涡流发生器系统提供了具有预定形状的板件，该板件通过狭缝突出到飞行器外表面之外，从而将所述板件引入周围的空气场内以用于生成微小的涡流。因此，所述形状制约了所述涡流的性质以及所生成的阻力的量。有利地，由于板件的几何形状不受在所有飞行阶段中暴露于空气场的事实制约(这在现有技术的vg的情况下出现)，由根据本发明的系统提供的可缩回能力允许所述板件设有适合于特定目的(这些目的其他情况下将被忽略)的任何几何形状。

有利地，可以设计适合于不同飞行条件的组合几何形状(矩形、三角形或抛物线形等)，因为驱动装置可以仅使板件的一部分通过狭缝突出到飞行器表面之外。在示例性实施例中，板件的轮廓可以具有第一半圆形前缘，当板件通过驱动装置进一步旋转时，该第一半圆形前缘向后移动，从而为矩形前缘让开。

进一步，还需要边界层厚度来确定vg的尺寸。在vg操纵和控制边界层时，期望的是它们总是在边界层内。进一步，vg的突出在边界层上方的部分将被证明对提供流动控制是无效的，同时不适当地增大总阻力。

在通用航空飞行器上，在从层流到湍流的理论转变点之前，vg高度通常为层流边界层的80％的值左右。

由于边界层厚度可以根据飞行条件变化，具有高度调节能力的可缩回涡流发生器系统证明对于固定的被动vg是有利的。通过使本发明的板件旋转，可以调节所述板件通过狭缝从空气动力学表面突出的部分，从而确保将vg保持在边界层内。

类似地，可以调节板件的突出狭缝外的部分的有效长度。这就是说，通过使板件旋转，可以控制板件的突出狭缝外的部分的尺寸，从而增大前缘与后缘之间的距离。

关于系统在飞行器的任何特定空气动力学表面上的位置，传统的vg在固定位置被结合到所述表面上。有利地且以与高度和长度调节类似的方式，板件的旋转移动能力允许板件的前缘和后缘沿着狭缝的轴线纵向移位，从而使它们向前和向后移动。

如上所述，在所有飞行阶段，传统vg被认为暴露于周围的空气场。因此，在设计飞行器时，必须考虑和处理这个事实。因此，传统vg在飞行器上的实施方式受到很大制约，因为它们对增大总阻力有贡献，因此努力要尽可能减少它们的数量、尺寸和位置。

有利地，利用根据本发明的可缩回涡流发生器系统，飞行器设计设有改进的设计灵活性，因为当不需要涡流生成时，vg的使用不再受飞行所有阶段中引起的阻力的限制。

在特定实施例中，所述轮廓被成形为具有基本平坦的部分，所述基本平坦的部分被适配成在所述板件在所述第二位置缩回到所述狭缝内时与所述狭缝相匹配，从而与所述蒙皮一起提供干净的空气动力学表面。

有利地，当系统的板件缩回在系统内、在飞行器外表面下方时，板件的轮廓被成形为与狭缝相匹配，从而封闭所述狭缝。这样，系统的蒙皮与板件的轮廓的基本平坦的部分一起封闭了狭缝，从而提供空气动力学连续性，即干净的空气动力学表面，这避免了可能导致附加的阻力的与周围空气场的任何不希望的空气动力学干扰。

在特定的实施例中，所述板件具有被弦截断的大致圆形形状，并且其中，所述弦是被成形为在所述板件处于所述第二位置时与所述狭缝相匹配的部分。

在特定实施例中，所述系统包括壳体，其中，所述板件和所述驱动装置至少部分地被容纳在所述壳体中。有利地，该系统可以被制成是紧凑的，最小化总占用体积，还提供改进的设计可行性。同样有利地，容纳在壳体内的紧凑构型允许更简单地实施在飞行器中，例如实施在所述飞行器的舱中。

在特定实施例中，所述壳体包括被配置用于排水的多个孔。在某些操作条件下，水可能通过系统内的狭缝泄漏，从而积聚在其中，这可能涉及系统的风险，导致对元件的其余部分的潜在损害，例如在所述积聚的水结冰的事件中。水可以来自不同的来源，例如，冷凝在系统的蒙皮中的水，或者在板件从一个位置转换到另一位置期间、或者在系统操作的任何其他阶段期间泄漏到系统内的雨水。有利地，所述水可以从系统中排出，以便避免对系统的元件的任何损害。

进一步有利地，排出通过狭缝泄漏的水防止水在狭缝的边界上积聚。因此，积冰被适当地减少，从而防止可能危及系统的运行的狭缝上的冰层增厚。相应地，在狭缝上出现冰层的事件中，由于不允许所述层由于其上的水的积聚而变得更厚，当板件由驱动装置从一个位置驱动到另一位置时，板件的动作将由此打破冰层。

在特定实施例中，所述轮廓包括成形在其中的至少一个槽口。有利地，当板件在第一位置(a)贯穿狭缝突出时，轮廓可以根据不同的几何形状成形，以用于在边界层中生成涡流。在特定的实施例中，轮廓包括v形槽口，使得当板件处于第一位置(a)时，板件的贯穿狭缝突出的部分的后缘基本上垂直于系统的蒙皮。

在特定的实施例中，所述狭缝包括密封件，所述密封件被配置用于防止固体颗粒进入所述系统内。

在特定实施例中，所述板件包括固定在其上的至少一个金属翻板，所述至少一个金属翻板被配置用于与所述板件一起绕旋转中心旋转，并且其中，所述驱动装置包括被配置为交替改变其极性的至少一个电磁体，

其中，当所述电磁体具有第一极性时，所述至少一个金属翻板在与所述板件的第一位置相对应的第一电磁平衡中抵靠所述电磁体，

其中，当所述电磁体具有第二极性时，所述至少一个金属翻板在与所述板件的第二位置相对应的第二电磁平衡中抵靠所述电磁体，并且

其中，所述电磁体极性的改变使得所述板件在所述第一位置与所述第二位置之间旋转。

在特定的实施例中，所述驱动装置包括被配置为交替改变其极性的两个电磁体，其中，所述两个电磁体被定位在所述旋转中心的相反侧上。

在特定的实施例中，所述驱动装置包括马达和传动杆机构，所述马达被配置用于机械地致动所述传动杆机构，以用于使所述板件在所述第一位置与所述第二位置之间旋转。

在特定实施例中，所述传动杆机构包括至少第一杆和第二杆，

其中，所述第一杆铰接地连接至所述板件，

所述第一杆藉由球形联结器进一步铰接地连接至所述第二杆，

并且，所述第二杆进一步铰接地连接至所述马达。

在特定实施例中，所述板件的轮廓包括至少一个突起，并且所述驱动装置包括：

-至少一个可移动止动元件，所述至少一个可移动止动元件被配置成在未锁定位置与锁定位置之间移动，以及

-至少一个弹性扭力元件，所述至少一个弹性扭力元件被配置为被在外部地致动，以便使所述板件在一个方向上旋转，同时存储势能，

其中，当所述至少一个可移动止动元件移动到所述锁定位置时，所述至少一个突起抵靠所述至少一个可移动止动元件，从而将所述板件可释放地锁定在所述第一位置或第二位置中的一个位置，

并且其中，在所述可移动止动元件从所述锁定位置向所述未锁定位置移动时，所述板件被释放，从而藉由所存储的势能从所述第一或第二位置中的一个位置移动到另一位置。

在特定实施例中，所述至少一个弹性扭转元件是第一扭力弹簧，所述驱动装置进一步包括与所述第一扭力弹簧平衡的第二扭力弹簧。

在特定的实施例中，所述驱动装置进一步包括多个电磁体，所述多个电磁体被配置用于致动相互平衡的所述第一扭力弹簧和第二扭力弹簧。

使用磁性接口以便利用磁性装置(例如电磁体)来致动扭力弹簧为系统提供了改善的鲁棒性和内在安全性，因为部件的减少意味着更低的故障源风险。进一步，磁联接件允许扭力弹簧的微调和更好的稳定性，这引起对板件的旋转的更精确的控制。此外，所述机械连接和致动器的减少抑制了与其使用相关联的缺点，例如噪音、磨损和不希望的振动，所有这些都允许同时降低维护操作的频率和范围。

在第二发明方面，本发明提供了一种飞行器，该飞行器包括根据第一发明方面的实施例的可缩回涡流产生系统。

附图说明

参考附图，鉴于本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他特性和优点，这些特征和优点从本发明的仅作为示例给出并且并不受其所限的优选实施例中变得显而易见。

图1此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的两个示意图，其中每个示意图分别示出了板件的第一位置和第二位置。

图2此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的分解示意图。

图3此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的两个示意性截面图，其中每个示意图分别示出了板件的第一位置和第二位置。

图4此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的示意性截面图，其中板件通过齿轮-杆机构连接至马达。

图5此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的两个示意性截面图，其中每个示意图分别示出了板件的第一位置和第二位置。

图6此图示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统的截面图，其中板件的轮廓包括平坦形状。

图7此图示出了包括可缩回涡流发生器系统的飞行器。

具体实施方式

图1和图2示出了根据本发明的可缩回涡流产生系统(1)的实施例的示意性表示。具体地，图1示出了系统(1)的、分别与板件(4)的第一位置(a)和第二位置(b)相对应的两个示意图。图2示出了系统(1)的元件的分解图。

两个图都示出了蒙皮(2)，一旦已经在该蒙皮中实施了系统(1)，该蒙皮就被适配成连接至飞行器(100)的外表面、与所述表面齐平，从而提供空气动力学连续性。

进一步，所述蒙皮(2)包括狭缝(3)。所述狭缝(3)允许板件(4)穿过该狭缝突出，该板件通过驱动装置(6)旋转，以便在需要涡流生成以防止空气流从飞行器(100)的表面脱离的事件中阻挡周围空气流并且激励局部边界层。

在图1中，所述板件(4)被表示为处于两个可能的操作位置(a，b)。在第一位置(a)，板件(4)从飞行器(100)的外表面向外贯穿狭缝(3)突出，以便激励周围空气流的局部边界层；并且在第二位置(b)，板件(4)缩回到狭缝(3)内，从而避免干扰周围的空气流，进一步避免引起附加的阻力。板件(4)包括轮廓(5)，该轮廓被配置成在板件(4)处于第一位置(a)时在周围空气流中生成涡流。在这个特定实施例中，板件(4)具有基本上圆形的形状，并且由弦(c)截断。所述弦(c)被成形为当板件(4)在第二位置(b)缩回到狭缝(3)内时与狭缝(3)相匹配，从而有助于提供干净的空气动力学表面并防止空气泄漏到系统(1)内。进一步，板件(4)的轮廓(5)被示出为包括v形槽口(8)。

在由蒙皮(2)和狭缝(3)两者限定的表面下方，在此实施例中，系统(1)的元件中的其余部分容纳在安装在飞行器(100)的舱中的壳体(7)内。特别地，如图2中可以看到的，壳体(7)被配置为半圆形框架，该框架设置有孔(20)，这些孔用于排出可能泄漏到狭缝(3)内从而进入系统(1)的水。同样在由蒙皮(2)和狭缝(3)限定的线下方，板件(4)设有固定在其上的金属翻板(9)，金属翻板(9)被配置用于将由驱动装置(6)的动作引起的移动转换成旋转移动，从而将板件(4)从第一位置(a)或第二位置(b)中的一个位置旋转到另一个位置。所述金属翻板(9)包括轴件(9.1)，该轴件被固定成沿位于板件(4)的旋转中心(19)的轴线突出。进一步，金属翻板(9)设有位于轴件(9.1)的相对侧的两个凸缘(9.2)。

驱动装置(6)包括两个电磁体(10)，每个电磁体被布置成面向金属翻板(9)的对应的凸缘(9.2)。驱动装置(6)可以变换电磁体(10)的电磁极性。通过这样做，两个电磁体(10)中的每一个电磁体将在它们对应的凸缘(9.2)中引起电磁反应，从而由此排斥或吸引凸缘(9.2)。因此，电磁体(10)和凸缘(9.2)可以处于第一电磁平衡状态或第二电磁平衡状态，这取决于由驱动装置(6)引起的电磁体(10)的极性。

在第一电磁平衡中，凸缘(9.2)在与板件(4)的第一位置(a)相对应的位置磁性地联接至电磁体(10)，所述板件(4)从飞行器(100)的外表面向外贯穿狭缝(3)突出。

在由驱动装置(6)引起的电磁体(10)的极性变换的事件中，凸缘(9.2)将背离第一电磁平衡移动，从而进入到第二电磁平衡，所述第二电磁平衡与板件(4)的第二位置(b)相对应，板件(4)缩回到狭缝(3)内。

因此，作为对由驱动装置(6)引起的电磁体(10)的极性变换的反应，板件(4)可以在顺时针和逆时针方向两者上旋转，板件(4)因此依据飞行条件根据需要从第一位置(a)进入到第二位置(b)，反之亦然。

图3示出了根据图1和图2的实施例的可缩回涡流发生器系统(1)的两个示意性截面图。特别地，图3示出了藉由包含在此特定实施例的驱动装置(6)中的电磁体(10)的极性变换而进行的在板件(4)的第一位置(a)与板件(4)的第二位置(b)之间的转变。

在图3中示出的板件(4)的第一位置(a)，板件(4)的一部分从飞行器(100)的外表面向外贯穿狭缝(3)突出。特别地，板件(4)的突出的轮廓(5)包括成形在其中的v形槽口(8)。两个圆形箭头示出板件(4)的移动方向。特别地，箭头指示板件(4)正在逆时针方向上旋转。相应地，金属翻板(9)的凸缘(9.2)也被描绘成在逆时针方向上旋转。凸缘(9.2)由于电磁体(10)的极性变换而移动，这迫使凸缘(9.2)通过绕固定至板件(4)的旋转中心(19)的轴件(9.1)旋转而背离其先前的电磁平衡状态移动到另一电磁平衡状态。一旦凸缘(9.2)抵靠电磁体(10)，板件(4)就停止旋转，从而因此处于与板件(4)的第二位置(b)相对应的电磁平衡。在这个位置，板件(4)的轮廓(5)被成形为与狭缝(3)相匹配，从而封闭所述狭缝(3)、并且因此有助于与系统(1)的蒙皮(2)一起提供干净的空气动力学表面。

从这两个视图可以得出，随着板件(4)的旋转进行，板件(4)的伸出狭缝(3)的部分的高度和长度减小，直到该板件完全缩回到狭缝(3)内。

图4示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统(1)的示意性截面图。在这个特定实施例中，驱动装置(6)包括马达(12)和传动杆机构(13)，该传动杆机构用于将马达(12)的移动转化为板件(4)的旋转移动，从而使板件(4)从第一位置(a)旋转到第二位置(b)，反之亦然。马达(12)藉由传动杆机构(13)铰接地连接至板件(4)。特别地，传动杆机构(13)包括在连接点处铰接地连接至板件(4)的第一杆(14)。进一步，第一杆(14)藉由球形联结器(16)与第二杆(15)铰接地连接，这允许第一杆(14)与第二杆(15)之间进行相对旋转移动。第二杆(15)进一步铰接地连接至马达(12)，从而因此通过所述马达(12)移动，并且通过球形联结器(16)将所述移动传输到第一杆(14)。

图5示出了根据本发明的实施例的可缩回涡流发生器系统(1)的两个示意性截面图。特别地，图5示出了藉由板件(4)的两个内置突起(17)与驱动装置(6)的特定构型的相互作用而进行的在板件(4)的第一位置(a)与板件(4)的第二位置(b)之间的转变，该驱动装置包括两个可移动止动元件(18)和扭力弹簧(未示出)。

通过在外部地将扭矩施加到扭力弹簧上，将纯动量传输至板件(4)，从而使该板件旋转。因此，扭力弹簧可以将板件(4)从一个位置驱动到另一位置，同时存储弹性势能，该弹性势能可以在之后用于将板件(4)恢复到初始位置。

所述两个可移动止动元件(18)被配置用于在锁定位置与未锁定位置之间移动。当处于锁定位置时，可移动止动元件(18)移动而从内置狭缝中突出，从而进入板件(4)的突起(17)的旋转轨迹。

在此特定实施例中，在与第一位置(a)相对应的视图中，扭力弹簧已经被在外部地致动以使板件(4)在逆时针方向上旋转，从而存储弹性势能。进一步，位于视图的左侧上的可移动止动元件(18)处于锁定位置，从而止动抵靠其的突起(17)，因此将板件(4)阻挡在第一位置(a)。在视图的右侧上，可移动止动元件(18)处于未锁定位置，因此不干扰板件(4)的旋转轨迹，从而允许板件(4)自由地旋转。

在将左可移动止动元件(18)切换到未锁定位置时，突起(17)随后被释放，从而藉由扭力弹簧所存储的弹性势能释放板件(4)以进入到图5中示出的第二位置(b)。然后，视图的右侧上的可移动止动元件(18)已经被移动到锁定位置。因此，当突起(17)与可移动止动元件(18)邻接时，该突起被止动，从而将板件(4)阻挡在第二位置(b)。

图6示出了根据图5的实施例的可缩回涡流发生器系统(1)的示意性截面图，示出了板件(4)的轮廓(5)的特定形状。特别地，板件(4)的贯穿狭缝(3)突出的轮廓(5)被截断，包括当板件(4)在第一位置(a)突出时与狭缝(3)平行的平坦部分。

图7示出了一种飞行器(100)，该飞行器包括如前述附图中的任一个附图所示的可缩回涡流发生器系统(1)。