用于固定翼飞行器的增升装置及其制造方法与流程

1.本发明涉及飞行器领域，主要是固定翼飞行器的领域。具体来说，本发明涉及一种用于固定翼飞行器的增升装置以及一种用于固定翼飞行器的增升装置的制造方法。


背景技术：

2.后缘襟翼是为提高飞机起飞/着陆构型下机翼升力系数、减少滑跑距离的一个活动舵面。后缘襟翼一般安装在机翼后缘安装，平时紧贴在机翼下表面上。使用时，后缘襟翼沿下翼面后退，它可以增大机翼弯度和面积，提高升力系数增大升力。
3.在后缘襟翼设计过程中，一般根据飞机的起飞、着陆性能要求，确定增升装置的设计目标（如最大升力系数增量），进而确定增升装置的形式、平面形状等，再进行二维襟翼设计，确定襟翼外形及缝道量、重叠量、偏转角度等位置参数。现代飞行器越来越要求起降速度低、滑跑距离短，因此要求增升装置具备较强的增升能力，而较强的增升能力需要后缘襟翼有较大的后退量，以增加机翼面积，提高增升效果。
4.具体来说，一方面，更大的升力系数可以减小飞机起飞与降落的速度，从而减小对飞行跑道的要求，提高飞机的机场适应性；另一方面，襟翼收放过程中，不可避免的会产生失速，一方面，襟翼失速后的分离尾流会导致平尾抖振，另一方面由失速带来的疲劳载荷，对襟翼本体和运动机构会产生不利的影响。因此，增升装置的设计无论是对飞机起降的安全性，还是对飞机的经济性都有着很大的影响。
5.目前已知专利文献us8960593b2设计了一种旋翼飞行器，该旋翼包括在末端处的多个凹凸部分，这些凹凸部分主要是用于容纳传感器、天线或者其它电子设备，因此并不是有助于提高升力的设计，且不能用于固定翼飞行器中。
6.为此，在飞行器、尤其是固定翼飞行器的领域中，始终希望有一种增升装置的改进的解决方案，其能既有效提高襟翼升力，又能对襟翼大攻角情况下的失速问题进行有效的控制。


技术实现要素：

7.本发明提供一种用于固定翼飞行器的增升装置，其可包括：前翼段；后翼段，后翼段与前翼段沿增升装置的弦向分隔开；其中，在前翼段与后翼段之间形成缝道，前翼段包括背离缝道的前翼段前缘以及面向缝道的前翼段后缘，而后翼段包括面向所述缝道的后翼段前缘，以及其中，前翼段前缘、前翼段后缘和后翼段前缘中的至少一者设计成沿增升装置的展向包括波形段。
8.借助增升装置的波形段，可以在飞机起降阶段有效控制襟翼失速的基础上增加升力，而内部缝道则能够在控制襟翼失速的基础上进一步增加升力。具体来说，本发明的波形设计（尤其是凹凸前缘）可以有效导流，让一部分流体在小攻角下首先分离，而使另一部分流体在大攻角下仍不分离，避免了吸力面（上翼面）流体同时分离现象的发生。因此，波形设计（尤其是凹凸前缘）能够有效避免失速并显著提高大攻角下翼面的升力特性。由于襟翼只
在大攻角下使用，这种波形（段）能够有效提高襟翼的性能。
9.优选的是，波形段可呈正弦曲线的形状。正弦曲线的形状被证明是可以在一定的攻角下显著提高升力，且升力系数随攻角的变化不会出现突然下降的风险。
10.更优选的是，前翼段后缘和所述后翼段前缘均设计成沿所述展向均包括波形段，波形段呈相同的正弦曲线的形状，并且彼此对准以使得所述缝道也包括正弦曲线的形状。在此，术语“对准”是指波形段的展向范围大致对准，但更佳的是不但展向范围大致对准，而且正弦曲线（的波峰和波谷）也可以大致对准。
11.更佳的是，前翼段前缘、前翼段后缘和后翼段前缘三者设计成沿展向均包括波形段，波形段均呈相同的正弦曲线的形状。由此，产生具有凹凸前缘和凹凸内部缝道的增升装置，其流体力学性能进一步提高。
12.可选的是，前翼段前缘和前翼段后缘可以设计成沿着整个前翼段在展向上呈正弦曲线的形状，以及后翼段前缘可以设计成沿着整个后翼段在展向上呈正弦曲线的形状。由此，增升升力的范围更大，流体动力学效果更佳。
13.此外，本发明还提供一种用于固定翼飞行器的增升装置的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a) 提供前翼段，所述前翼段包括前翼段前缘以及沿所述增升装置的弦向与所述前翼段前缘相对的前翼段后缘；(b) 提供后翼段，所述后翼段包括后翼段前缘；(c) 对所述前翼段前缘、所述前翼段后缘和所述后翼段前缘中的至少一者进行加工以使得其沿所述增升装置的展向包括波形段；其中，所述前翼段和所述后翼段之间沿所述弦向分隔开以形成缝道，且所述前翼段后缘与所述后翼段前缘面向所述缝道彼此对置。
14.在此，术语“加工”可以是指各种方式的加工，包括但不限于机加工、材料增加、模制工艺等。
15.可以理解到，上述步骤(a)和(b)无须同时进行，可以先后进行，且次序不论。另外，步骤(c)可以在步骤(a)和(b)之后进行（例如，先分别制成前翼段和后翼段，在对其前后缘进行加工），或者步骤(c)也可以在步骤(a)和(b)之前进行，例如可以先对具有基础翼型的整个增升装置的前缘、即前翼段前缘进行加工以使得其沿增升装置的展向包括波形段。不论是哪种制造步骤顺序，加工出的增升装置的波形段可以在飞机起降阶段有效控制襟翼失速的基础上增加升力。
附图说明
16.通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：图1示意性地示出根据本发明的一种实施例的增升装置的立体图，其中，前翼段、后翼段及其连接构件均安装就位；图2示意性地示出根据图1的实施例的增升装置的分解立体图；图3示意性地示出根据本发明的增升装置的凹凸前缘和凹凸后缘的构造方法；图4示意性地示出根据本发明的增升装置的内部缝道的构造方法；图5示意性地示出根据本发明的一种实施例的增升装置的基础翼型模型的立体
图；图6示意性地示出在图5的基础翼型模型的基础上加工出的包含凹凸前缘的翼型模型的立体图；图7示意性地示出在图6的翼型模型的基础上加工出的包含凹凸前缘和后缘以及凹凸内部缝道的翼型模型的立体图；图8示意性地示出三种不同翼型模型下的升力系数随攻角变化的曲线图；以及图9示意性地示出三种不同翼型模型下的模型表面流线和分离涡的对比图，其中，攻角取18度。
17.附图标记列表：100
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增升装置；101
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左端肋；102
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右端肋；103、104
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铰接点；105
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前翼段；105a
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前翼段前缘；105b
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前翼段后缘；106
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后翼段；106a
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后翼段前缘；107
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缝道。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
19.首先，本发明涉及飞行器领域、主要是固定翼飞行器，即由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的飞行器。民用飞机属于常见的一种固定翼飞行器。本发明不涉及旋翼式飞行器，因为旋翼式飞行器与本发明的固定翼飞行器的机翼、尤其是后缘襟翼的升力要求和工作方式有明显的不同。
20.本发明的用于固定翼飞行器的增升装置优选是后缘襟翼，但也不限于此。本发明的增升装置通常包括翼型，该翼型具有展向和弦向。在此，术语“展向”是指增升装置的翼展方向，例如可以为几何形状中的最长方向（但不限于此），而术语“弦向”是指增升装置的前后缘之间距离的弦长方向。增升装置的展向和弦向可以是彼此垂直的（例如，参见图1中所示的x方向为增升装置的弦向，y方向为增升装置的展向）在本发明中，增升装置在弦向上包括翼型的前缘和后缘。在此，术语“前缘”是指增升装置的更靠近图1中左侧（即，x轴线数值减小的方向）的边缘，而“后缘”指增升装置的更靠近图1中右侧（即，x轴线数值增大的方向）的边缘。可以理解到，无论是前缘还是后缘都沿增升装置的展向延伸，且所谓的“缘”不一定仅是一条边缘，而也可以是一个端面（例如，下面将详述的前翼段后缘105b）。
21.本发明的增升装置100的翼型包括前翼段105和后翼段106。在此，所谓的“翼段”是指构成整个翼型的主要部段。前翼段105和后翼段106是指彼此可独立设计和生产的两个翼
段。如前所述，“前翼段”和“后翼段”是相对于增升装置100的弦向而言的，其中，前翼段是指在更靠近图1中左侧（即，x轴线数值减小的方向）的翼段，而后翼段106指增升装置100的更靠近图1中右侧（即，x轴线数值增大的方向）的翼段。
22.通常，本发明的前翼段105和后翼段106沿增升装置100的弦向彼此分隔开一定距离（但也不限于此），以使得能在前翼段105和后翼段106之间形成缝道107。该缝道107不一定是从增升装置100的顶部可见的，但通常从底部看是能看到的，因此也被称为“内部缝道”。
23.在一般情况下，前翼段105和后翼段106沿增升装置100的展向是大致彼此对准的，如图1中所示。换言之，前翼段105和后翼段106的沿展向的左右端面优选是大致彼此对齐的，但也排除一个翼段的端面超出另一个翼段的同一侧的端面延伸。
24.本发明的前翼段105可包括面向缝道107的前翼段后缘105b以及背离缝道107的前翼段前缘105a。同样，后翼段106可包括面向缝道107的后翼段前缘106a和背离缝道107的后翼段后缘。换言之，前翼段105的前翼段前缘105a与前翼段后缘105b以及后翼段106的后翼段前缘106a与后翼段后缘均在弦向上彼此对置的。
25.优选的是，本发明的增升装置100还可以包括连接构件，该连接构件用于连接前翼段105和后翼段106并且将前翼段105和后翼段106保持在一定间距下。更优选的是，连接构件本身还可以根据飞行的需要受控地调节前翼段105和后翼段106之间的间距，但这不是必须的。此外，前翼段105和后翼段106可以借助该连接构架固定到飞行器上的所需位置，但也可以借助除了连接构件之外的其它部件进行紧固。鉴于这并不是本发明的重点，在此不再赘述。
26.如图2中最清楚所示，连接构件可以包括左端肋101和右端肋102，左端肋101和右端肋102可以构造成能从增升装置的两侧分别连接前翼段105与后翼段106。例如，在图1中示出了已经安装就位的增升装置100，其中，左端肋101和右端肋102已经分别安装到前翼段105与后翼段106的侧端面上。但可以理解到，本发明不限于图中所示的连接方式，例如连接构件也可以在内部缝道107的位置或者前翼段105与后翼段106上的其它合适位置处将前翼段105与后翼段106连接起来。可选的是，本发明的增升装置与机翼可通过连接构件上的铰接点（例如，左端肋101和右端肋102上所各设的一个铰链点103、104）进行连接。
27.为了提高增升装置100的升力，在本发明的各实施例中，前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少一者设计成沿增升装置的展向可以包括波形段。在此，术语“波形”是指波动的形状，即至少包括一个波峰和波谷的形状，而仅有一个弯曲凸部或凹部的形状并不在本发明的范围内。此外，“波形段”是指前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少一者沿展向包括至少一个具有波形的部段。本发明的波形（段）设计可以有效导流，让一部分流体在小攻角下首先分离，而使另一部分流体在大攻角下仍不分离，避免了吸力面（上翼面）流体同时分离现象的发生。因此，波形（段）设计能够有效避免失速并显著提高大攻角下翼面的升力特性。由于襟翼只在大攻角下使用，这种波形（段）能够有效提高襟翼的性能。
28.优选的是，前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少一者的波形段包括多个连续的波峰和波谷。所谓的“连续的”是指各个交替的波峰和波谷之间没有或者基本上没有用于连接波峰和波谷的平直段。更优选的是，这些波峰和波谷的波幅是大
致相同的。
29.根据图1
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3中所示的实施例，本发明的波形段优选呈正弦曲线的形状。在图3中所示的优选示例中，这种正弦曲线可以具体表示为：其中：x为增升装置的弦向坐标、y为增升装置的展向坐标、λ为正弦曲线的波长、a为正弦曲线的振幅。
30.优选的是，将增升装置100的前翼段后缘105b和后翼段前缘106a均设计成沿增升装置100的展向包括上述波形段。它们的波形段优选是大致彼此对准的（即，y坐标的范围大致相同）。当前翼段后缘105b和后翼段前缘106a的波形段彼此对准时，优选这些波形段呈相同的正弦曲线的形状。在此情况下，内部的缝道107可以呈正弦曲线的形状（即，包括该展向范围内的呈正弦曲线形状的缝道107段）。
31.特别优选的是，本发明的前翼段前缘105a、所述前翼段后缘105b和所述后翼段前缘106a设计成沿增升装置100的展向均包括波形段。更优选的是，这些波形段全部呈相同的正弦曲线的形状。
32.在最佳的实施例中，本发明的前翼段105的前翼段前缘105a和前翼段后缘105b可以设计成沿着整个前翼段105在展向上呈正弦曲线的形状，和/或后翼段106的后翼段前缘106a可以设计成沿着整个后翼段106在展向上呈正弦曲线的形状。尤其是，所有这些正弦曲线的形状可以是完全或者几乎相同的。此外，这些相同的正弦曲线的形状可以彼此对准，或者替代地各波峰和各波谷可以正好彼此错开。
33.下面，根据图4
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7来进一步阐释如何制造根据本发明的用于固定翼飞行器的增升装置。
34.在一个实施例中，可以提供增升装置100的前翼段105和后翼段106。可以理解到，前翼段105和后翼段106可以具有基础翼型。还可以理解到，也可以先提供一个具有基础翼型的增升装置100，而不分开提供前翼段105和后翼段106。具有基础翼型的前翼段105和后翼段106或者整个增升装置100的制造不在本发明的范围之内。
35.当分开提供增升装置100的前翼段105和后翼段106时，所提供的前翼段105可包括前翼段前缘105a以及沿增升装置的弦向与该前翼段前缘105a相对的前翼段后缘105b，而所提供的后翼段106则可包括后翼段前缘106a（以及沿增升装置的弦向与该后翼段前缘106a相对的后翼段后缘）。当先提供完整的增升装置100时，该增升装置100可总体上包括前缘和后缘，这实际上也对应于分开前翼段105和后翼段106之后的前翼段前缘105a和后翼段后缘。
36.根据本发明，对前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少一者进行加工以使得其沿增升装置的展向包括波形段。可以理解到，当先提供完整的增升装置100时，可以优选地先对其前缘、即前翼段前缘105a进行加工使其包括波形段，但当然前翼段前缘105a也可以不包括波形段（即，不对其进行加工）。
37.当分开提供增升装置100的前翼段105和后翼段106时，可以将前翼段105和后翼段106之间沿弦向分隔开以形成缝道107，且前翼段后缘105b与后翼段前缘106a面向缝道107彼此对置。当先提供完整的具有基础翼型的增升装置100时，可以在生产出前翼段105和后翼段106的同时使其二者间隔开，从而形成缝道107。
38.优选的是，将前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少一者的波形段、优选是三者的波形段加工成呈正弦曲线的形状。正弦曲线的加工造型可参照：其中：x为增升装置的弦向坐标、y为增升装置的展向坐标、λ为正弦曲线的波长、a为正弦曲线的振幅。
39.特别优选的是，可以将前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a中的至少两者、优选是三者的波形段加工成它们均呈相同的正弦曲线的形状。更佳的是，将前翼段前缘105a和前翼段后缘105b加工成沿着整个前翼段在展向上呈正弦曲线的形状，以及将后翼段前缘106a加工成沿着整个后翼段106在展向上呈正弦曲线的形状。
40.还较佳的是，将前翼段后缘105b和后翼段前缘106a加工成其波形段彼此对准，以因而内部的缝道107也包括正弦曲线的形状。
41.如图5中所示，在一个实施例中，先提供具有基础翼型的整个增升装置100。接着，如图6中所示，对该增升装置100的前缘、即前翼段前缘105a进行加工使其包括波形段、尤其是沿整个展向均为波形、优选为正弦曲线的形状。
42.然后，如图7中所示，将该增升装置100分出前翼段105和后翼段106两者，并且优选将后翼段前缘106a和前翼段后缘105b分别沿展向加工出波形段、尤其是沿整个展向均为波形、优选为正弦曲线的形状。至此，该增升装置100从基础翼型变成了具有凹凸前后缘和内部缝道107的翼型。
43.在一个具体的示例中，可选取基本弦长c = 100mm，展长b = 200mm，振幅a = 2.5mm，波长λ = 50mm来分别加工波形段、尤其是整个前翼段前缘105a、前翼段后缘105b和后翼段前缘106a（即，三者具有相同参数的正弦曲线的形状）。但本发明显然不限于上述波形的取值。
44.在完成前翼段105和/或后翼段106的加工之后，可以将连接构件连接到前翼段105和后翼段106，例如从两侧将左端肋101和右端肋102连接到前翼段105和后翼段106上，以使二者连接并且保持一间距。
45.关于如何从具有基础翼型的整个增升装置100加工出前翼段105和后翼段106，可以参见图4，其构造方法包括如下步骤：1.以基础翼型的弦线方向作x轴，以弦平面内垂直x轴向上方向作z轴；2. 记坐标系原点为o，翼型尾缘与x轴交点为g，即，弦长为c=og；2.以点a为圆心作直径为φa（例如，可取φa＝0.8c）的圆a，圆a分别与z轴和基础翼型上轮廓相切。圆a与基础翼型下轮廓交于点c，圆a与基础翼型上轮廓切点为点d；
3.在点a右侧选一点b，点a和点b之间的距离可计为w（例如，可取w=0.1c）；4.以点b为圆心作直径为φb（例如，可取φb＝0.8c）的圆b，圆b与基础翼型上轮廓相切。圆b与基础翼型下轮廓交于点e，圆b与基础翼型上轮廓切点为点f；5.删除ce和df间基础翼型轮廓；6.圆弧cd与前段剩余轮廓组成前翼的段，圆弧ef和后段剩余轮廓组成后翼段106（例如，参见图4中的粗线条）。
46.总体上说，本发明提出一种带有凹凸前后缘和内部缝道的增升装置。通过设计和加工凹凸前缘达到控制失速的效果。然后，在含凹凸前缘的增升装置100的基础上，增加内部缝道的设计，该内部缝道可将动量有效导入附面层，消除或推迟上表面气流的分离，从而进一步提高升力。
47.将基础模型的增升装置、仅含凹凸前缘的增升装置和含凹凸前缘和凹凸内部缝道的增升装置三者进行试验，即实施水池试验，并且在试验中测量这三种模型的升力系数曲线，该试验的结果如图8中所示。
48.从图8中可以看出：1)当攻角大于13度时，含凹凸前缘和凹凸内部缝道107的翼型有明显的增升效果。通常情况下，增升装置100、例如后缘襟翼的打开角度都要大于13度，也就是说，当增升装置100、例如后缘襟翼打开时，本发明的方案对升力有显著的改善；2)含凹凸前缘和凹凸内部缝道107的增升装置100可有效改善最大升力系数cl
最大
，试验结果表明本发明的方案的最大升力系数cl
最大
比具有基础翼型的增升装置100可以提高39％；3)两个含凹凸前缘的翼型均能够有效地控制失速，没有出现升力系数曲线的突然“下坠”，而将凹凸前缘和内部缝道107相结合则能够在控制失速的同时增加升力。
49.在此，所谓的突然“下坠”是指在同一攻角或很小的攻角范围内升力系数的显著下降。因此，尽管含凹凸前缘和凹凸内部缝道107的增升装置100在约15度到18度左右的攻角范围内也有下降，但该下降仍是较平缓的，不属于前述突然“下坠”。
50.最后，通过对比15度攻角下三种模型的表面流线和分离涡（cfd仿真结果）（可参见图9），可以进一步证明本发明能够有效消除分离并大幅度增加升力。
51.在各实施例中给出的数值仅作为示例，而不作为对本发明范围的限制。此外，作为一个整体技术方案，还存在其他没有被本发明权利要求或说明书所列举的元器件或者步骤。而且，一个元器件的单个名称不排除该元器件的其他名称。
52.所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例（单独和彼此的各种组合和子组合）的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。
53.本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。