一种自适应台阶高度的环量控制翼型

1.本发明属于飞行器主动流动控制领域，尤其是涉及一种自适应台阶高度的环量控制翼型。


背景技术：

2.对于传统固定翼飞机，飞行控制系统依赖于各种舵面，如副翼、襟翼、扰流板等。这些传统控制面以强行改变来流状态来进行增升和控制，形成了复杂的机械系统。
3.环量控制，是基于柯恩达效应发展而来的主动流动控制技术，通过控制绕翼型环量，改变升力和气动力矩，以达到增升控制的效果。通过翼型后缘狭缝通道产生切向射流，使射流与外流混合后沿着后缘柯恩达曲面流动，大大提高了绕翼型的环量，进而增大了翼型升力。同时，还可以利用机翼后缘柯恩达射流形成虚拟舵面，对飞行飞行姿态进行控制。与传统机械舵面相比，环量控制翼型的后缘较钝，活动部件少，减少了零部件的数量，既有助于减轻系统重量，又有助于提高机翼结构的可靠性和维修性。在军用飞机方面，更是可以有效增强隐身性能，提高机动能力。
4.环量控制装置通过改变射流总压来改变射流的动量系数，从而调整射流在后缘柯恩达表面的附着能力。当飞机以跨声速飞行时，亚声速射流难以实现有效控制，为使柯恩达射流能够有效附着在后缘曲面，获取足够的环量控制性能，射流速度需要达到超声速。通过采用收缩-扩张喷管或在喷口后设置台阶的方式，可以有效促进射流膨胀，使射流在出口处达到超声速，减弱激波-边界层的相互作用，提高射流的临界分离压比。
5.实际工程应用中，由于环量控制装置尺寸微小，收缩-扩张喷管加工难度较大，为达到相同的环量控制效果，多采用喷口后设置台阶的方法。专利cn111532419a公开了一种提高超声速柯恩达射流附着压比的环量控制单元，通过引入喷口后向台阶，促进了射流的膨胀，显著增大了射流的超声速柯恩达射流的附着压比。但其所述台阶的高度是固定的，在增强高压比工况下环量控制性能的同时，又减弱了低压比工况下的环量控制性能。除此之外，在常规固定台阶的设计中，由于上下两个喷口装置的对称性以及翼型后缘的厚度约束，台阶的高度设计范围较小。同时由于不同压比的射流所需的膨胀回流区大小不同，固定的台阶高度限制了环量控制装置的有效压比范围以及增升效率，进而限制了飞行器的操控性能。


技术实现要素：

6.针对现有环量控制装置中由于台阶高度固定导致有效工作压比范围较小的问题，本发明提出一种自适应台阶高度的环量控制机翼，能够通过将柯恩达型面与翼型主体滑动连接，实现喷口后台阶高度的自适应变化，从而扩大有效工作压比范围，并增强其范围内各压比工况下的环量控制效率。
7.本发明的技术方案为：
8.所述一种自适应台阶高度的环量控制机翼，机翼主体的截面翼型为超临界翼型，
在机翼主体后缘部分设置环量控制装置；
9.所述环量控制装置包括两套射流单元、一个可移动柯恩达型面以及驱动机构；
10.第一射流单元包括第一射流气腔、第一喷口；第二射流单元包括第二射流气腔、第二喷口；第一喷口和第二喷口分别处于翼型上下表面；所述第一射流气腔与所述第一喷口连通，所述第二射流气腔与所述第二喷口连通；通过第一射流气腔产生高压气体，从第一喷口喷出；通过第二射流气腔产生高压气体，从第二喷口喷出；
11.在第一喷口与第二喷口之间设置柯恩达型面；柯恩达型面与机翼主体滑动连接，通过驱动机构能够驱动柯恩达型面向第一喷口或第二喷口滑动；当柯恩达型面处于第一喷口与第二喷口之间的中间位置时，第一喷口与柯恩达型面之间构成第一台阶，第二喷口与柯恩达型面之间构成第二台阶；当驱动机构驱动柯恩达型面向第一喷口或第二喷口滑动时，能够调节第一台阶或第二台阶高度变化。
12.本方案的基本原理为，射流由气腔产生，通过喷口射出，并由于柯恩达效应沿柯恩达型面流动，进而使射流方向发生偏转，提高绕翼型的环量，进而增大翼型升力。此外，在喷口与柯恩达弧面之间设置台阶，可以促进射流膨胀，减弱射流激波-边界层相互作用的强度，避免射流分离。同时通过液压系统调节柯恩达型面与机翼主体的相对位置，进而实现台阶高度的变化，可以对不同压比的柯恩达射流附着效果进行控制，提高射流的临界分离压比，以及各工作压比下环量控制效率。
13.进一步的，所述驱动机构采用液压驱动机构，包括第一液压腔和第二液压腔；在工作过程中，根据第一液压腔或第二液压腔中的液体流量变化，能够监测柯恩达型面的位移数据。
14.进一步的，所述第一喷口由第一喷口外壁和机翼主体构成；所述第二喷口由第二喷口外壁和机翼主体构成；翼型主体弦长为c，后缘厚度为1.2％c，第一喷口外壁和第二喷口外壁厚为0.05％c，第一喷口和第二喷口的开口高度为0.025％c。
15.进一步的，柯恩达型面选为圆弧面，圆弧面半径为0.5％c。台阶高度变化范围为0～0.05％c。
16.进一步的，第一射流单元和第二射流单元在机翼主体后缘部分上下对称放置。
17.进一步的，柯恩达型面内部沿展向设置减轻孔，以减小环量控制装置重量。
18.进一步的，根据射流总压以及第一喷口或第二喷口的射流静压，通过对柯恩达型面进行驱动位移，实现台阶高度自适应调整，增强射流在柯恩达型面上的附着效果。
19.进一步的，实现台阶高度自适应调整的方法为：
20.当第一喷口和第二喷口高度给定时，通过数值模拟，首先在工作压比一定的情况下，设置不同的第一台阶高度，得出特定压比下，环量控制效果最佳的第一台阶高度值；其次设置一系列工作压比值，重复上述过程以获取不同工作压比的最佳第一台阶高度值；最后将工作压比与最佳高度值进行拟合；在实际应用中，实时获取工作压比值，根据拟合数据得到最佳第一台阶高度值，进而控制驱动机构，实现台阶高度的自适应变化。
21.进一步的，第一射流气腔和第二射流气腔内部为高压气体，且气体总压能够调节。
22.进一步的，第一喷口和第二喷口为仅收缩喷口或收缩-扩张喷口。
23.有益效果
24.本发明公开了一种自适应台阶高度的环量控制机翼，所述环量控制机翼的机翼主
体截面翼型为超临界翼型，在机翼主体后缘设置环量控制装置。通过将柯恩达型面与机翼主体滑动连接，并使用一套驱动控制系统控制其相对位置，使柯恩达型面可以在射流工作过程中实现在第一、第二喷口之间的精准移动，最终实现了根据射流气腔的工作压比对喷口后台阶高度的自适应调整，显著扩大了环量控制装置的有效工作范围，并在其有效工作压比范围内射流均处于最佳附着状态，提高了环量控制效率。此外，台阶高度的变化不会引起其他环量控制装置外形如柯恩达弧面等的变化，提高了环量控制装置的稳定性，降低了设计难度。
25.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
27.图1是本发明自适应台阶高度环量控制机翼的截面结构示意图；
28.图2是本发明环量控制装置的结构示意图；
29.图3是本发明环量控制装置第一喷口区域的放大结构示意图；
30.图4是本发明柯恩达型面的结构示意图；
31.图5是本发明柯恩达型面与机翼主体相对位置示意图；
32.图6是本发明柯恩达射流压比为7时无台阶射流流场图；
33.图7是本发明柯恩达射流压比为7时有台阶射流流场图；
34.图8是本发明无/有台阶工况下升力增量比随射流动量系数变化曲线图。
35.附图标记：
36.1.机翼主体，2.环量控制装置，3.第一射流气腔，4.第一液压腔，5.第一喷口区域，6.柯恩达型面，7.第二喷口区域，8.第二液压腔，9.第二射流气腔，10.第一喷口外壁，11.第一喷口，12.第一台阶，13.柯恩达弧面，14.减轻孔，15.射流分离区，16.下游回流区，17.射流膨胀区。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。
40.本发明提供了一种自适应台阶高度的环量控制机翼，如图1～5所示，包括机翼主体1和环量控制装置2。所述环量控制机翼的机翼主体1的截面翼型为超临界翼型，在机翼主体1后缘设置环量控制装置2，可以通过此环量控制装置2产生控制飞行器飞行的力和力矩。
41.如图2所示，所述环量控制装置2包括两套射流单元、一个可移动柯恩达型面以及由两个液压腔组成驱动机构。其中两套射流单元包括第一射流气腔4、第一喷口区域5、第二射流气腔9、第二喷口区域7。两个射流气腔以及两个喷口区域相对于翼型上下表面对称设置。
42.根据图3所示第一喷口区域5结构示意图，第一喷口11由第一喷口上壁10和下方机翼主体1构成。第一喷口11与柯恩达型面6上的柯恩达弧面13构成了第一台阶12。容易理解，第二喷口区域7与第一喷口区域5结构对称相同，在此不加赘述。
43.柯恩达型面6结构如图4所示。其中包括柯恩达弧面13、减轻孔14。柯恩达型面内部沿展向设置减轻孔，以减小环量控制装置重量。柯恩达型面6与机翼主体1之间为一套液压驱动系统，其中包括第一液压腔4和第二液压腔8，实现对柯恩达型面进行精细位移调控，在工作过程中，其流量同步等量进出。
44.第一射流气腔3和第二射流气腔9内部为高压气体，且气体总压可以进行调节，气源优选但不限于航空发动机。第一喷口11和第二喷口分别与第一射流气腔3和第二射流气腔9直接连通。第一射流气腔3或第二射流气腔9内部高压气体经第一喷口11或第二喷口加速喷出，进一步地，第一喷口11和第二喷口可以为仅收缩喷口或收缩-扩张喷口。射流在第一台阶12或第二台阶处进行膨胀加速并形成回流区，促进射流在柯恩达弧面13上的附着。
45.在第一液压腔4和第二液压腔8的共同作用下，柯恩达型面6可以在第一喷口11和第二喷口之间精细移动。根据第一液压腔4或第二液压腔8中的液体流量变化，可以监测柯恩达型面6的具体位移数据。进一步地，可以根据射流总压以及第一喷口11或第二喷口的射流静压，实现第一台阶12或第二台阶高度的自适应调整，增强射流在柯恩达弧面13上的附着效果。如图5柯恩达型面与机翼主体相对位置所示，柯恩达型面6移动上限为第一台阶12高度等于0，移动下限为第二台阶高度等于0，以避免对第一射流气腔3和第二射流气腔9的正常工作切换产生影响。
46.柯恩达弧面优选但不局限于圆弧，可根据设计需求进行更改。同样，减轻孔形状不唯一，可根据设计需要改变其形状，此外也可在其中安装其他设备，在本具体实施方式中将其视为减小环量控制装置重量的减轻孔结构，但并不局限于此单一功能。
47.通过液压系统，使第一液压腔与第二液压腔同步运作，推动柯恩达型面在第一喷口与第二喷口之间移动，从而改变柯恩达型面与第一喷口或第二喷口之间的相对台阶高度。以第一射流气腔工作、第二射流气腔关闭为例，当工作压比较低时，射流出口所需膨胀区较小，台阶过高会导致回流区较大，不利于射流的附着，此时第二液压腔工作，推动柯恩达型面向第一喷口方向移动，减小第一喷口处台阶高度，从而减小台阶后回流区，增强射流的附着能力；当工作压比过高，射流临近脱离柯恩达弧面时，射流出口所需膨胀区较大，此时通过第一液压腔工作推动柯恩达型面向第二喷口方向移动，增大第一喷口处的台阶高度，可以促进射流膨胀，减弱射流与壁面的激波边界层干扰强度，增强射流附着能力，从而提高环量控制装置在高压比工况下的性能。通过上述工作过程，可以显著增大环量控制装
置的有效工作压比范围，提高了环量控制装置的效率。
48.这里，我们使用npr表示喷管工作压比：
[0049][0050]
其中，p0为射流入口总压，p
∞
为出口环境压力。随着射流工作压比逐渐增大，射流在柯恩达型面的附着效果逐渐减弱，当射流临近彻底脱离柯恩达型面时，此时射流工作压比即为临界分离压比。
[0051]
使用动量系数c
μ
表征射流强度：
[0052][0053]
其中，为射流出口处的质量流量，vj为喷口处射流速度，q为来流动压，s为参考面积。对于特定喷管形状和自由来流参数，射流动量系数随工作压比的增大而增大。
[0054]
使用升力增量比作为环量控制装置效率的评价标准：
[0055][0056]
其中，c
l
为升力系数。
[0057]
为了验证上述自适应台阶高度的环量控制装置的上述特性，本实施例对所述环量控制装置进行了数值模拟分析。以第一射流气腔3工作、第二射流气腔9关闭为例，具体对上述环量控制装置2两种不同台阶高度的工况进行了对比，如图6～8所示。
[0058]
在本实施例中，机翼主体1的截面翼型优选为oat15a超临界翼型。翼型弦长为230mm，后缘厚度为2.76mm，第一喷口上壁厚度为0.115mm，第一喷口11、第二喷口高度为0.0575mm，优选柯恩达型面为圆弧，半径为1.15mm。自由来流马赫数为0.73，雷诺数为3
×
106，翼型攻角为2.5
°
，射流总温为300k。数值模拟方法中选择sa湍流模型，使用隐式求解方法、roe-fds二阶迎风格式，计算二维定常可压ns方程。射流工作压比从2开始逐渐增大，直至射流完全分离。
[0059]
图6、图7所示流场中，射流压比为7，动量系数为0.00347。从图6可以看出，在此压比工况下，第一台阶12高度为0时，第一喷口11后方形成一个较大的射流分离区15，下游射流的分离位置靠前，与通过翼型下表面的自由来流形成了较大的下游回流区16，环量控制效率较低，升力增量比为52.099。为了提高此压比工况下的环量控制效率，可以通过第一液压腔4，推动柯恩达型面6向下移动，增大第一台阶12的高度。本实施例中，优选第一台阶12高度为0.0575mm。其射流流场如图7所示。由于台阶的存在，射流经过第一喷口11得到了有效膨胀，形成了较大的射流膨胀区17，提升了射流的附着能力，下游回流区16也显著减小，升力增量比为59.571，提高了环量控制效率。
[0060]
如图8所示，通过对比以上两种无台阶和有台阶工况的环量控制效率，可以得出，当射流动量系数小于0.0019，即工作压比小于4时，无台阶工况的环量控制效率更高；当射流动量系数大于0.0019，即工作压比大于4时，有台阶工况的环量控制效率更高。此外，射流动量系数大于0.0047，即工作压比大于9.5时，无台阶工况的环量控制效率小于0，此时射流已完全分离，临界分离压比为9.5。而有台阶工况在动量系数大于0.0047时仍具有正的环量
控制效率，直至动量系数等于0.0059，即工作压比等于12时射流才完全分离，环量控制效果消失，此时临界分离压比为12。因此当环量控制效率为0时，有台阶工况具有更高的动量系数，临界分离压比更高。所以在不同工作压比下，可以通过第一液压腔4和第二液压腔8协同工作，调节第一台阶12的高度，使环量控制效率达到最优。
[0061]
进一步地，当第一喷口11和第二喷口高度给定时，可以通过数值模拟，首先在工作压比一定的情况下，设置不同的第一台阶12高度，得出特定压比下环量控制效果最佳的第一台阶12高度值；其次设置一系列工作压比值，重复进行第一步工作以获取不同工作压比的最佳第一台阶12高度值；最后将工作压比与最佳高度值进行拟合，将数据写入至自动控制系统中。在实际应用中，自动控制系统实时获取到工作压比值，通过已有拟合曲线输出最佳第一台阶12高度值并将其输入至液压控制系统中，对第一液压腔4和第二液压腔8进行自动控制，从而实现台阶高度的自适应变化。
[0062]
通过上述具体实施方式，本发明提出的自适应台阶高度的环量控制机翼，通过在超临界翼型后缘设置环量控制装置，并在柯恩达型面和机翼主体之间设置液压系统，实现了喷口后台阶高度的自适应调整，增强了射流在不同工作压比工况下的附着能力，提高了环量控制机翼的控制效率。
[0063]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。