專利名稱：機翼后邊緣等離子流控制設備和方法
機翼后邊緣等離子流控制設備和方法 相關申請的交叉引用本申請總體上涉及同時于2007年5月25日提交的序列號為 11/753,876(波音檔案號No.06-0438)和序列號為U/753,869(波音檔案號No. 07-0455)的美國申請的主題。本公開總體上還涉及轉讓給了波音公司的于2006年4月12日(4/12/06) 提交的序列號為11/403,252的美國申請的主題。上面提及的所有申請在此引入本公開作為參考文獻。技術領域本公開涉及等離子流作動器，更具體地，涉及一種流動控制系統和方 法，其結合應用到康達(Coanda)表面的等離子流作動器以修改康達表面之上 的邊界層流動。
背景技術：
本部分的聲明僅提供與本公開有關的背景信息，可并不構成現有技術。 為了是有空氣動力效率的，航空運動平臺例如航空器應當具有高度集 成的構型，其結合良好的性能、有用的有效載荷和和良好的穩定性以及控 制特征。為了實現該目的，運動平臺構型應該具有有效率、有效果和穩健 的控制效應器組件。去除傳統的控制表面提供改善的空氣動力和結構效率 的益處，但會降級空中運載工具的穩定性和控制。這對于無尾航空器構型 尤其如此，對于其無鉸鏈偏航控制構思直到今天也難以實現。氣動促動循環控制裝置提供類似于傳統的運動控制的空氣動力控制的 潛在性，但是需要供應高壓氣體給作動器。這會使得大體積的、重的和難 以包封在航空運動平臺的很多部分中的熱供應結構成為必要。電促動聲學 控制裝置依靠諧激勵來改變邊界層。諧激勵通過使用類似于揚聲器的裝置 而產生，其包括運動部件。但是，在運動平臺設計中，在降低與平臺典型 地采用的各種和許多子系統相關的運動部件的數量方面存在興趣。發明內容法。在一實施例中，公開用于4元空運動平臺的流動控制方法，其包括在運 動平臺的后邊緣表面上安置等離子作動器。電壓施加到等離子作動器并受 控以電離鄰近所述后邊緣的等離子作動器周邊的空氣。這導致用以影響后 邊緣表面之上的邊界層流動的附著或分離的至少之一的感生流動。在一特 定實施例中，控制器用于控制電壓到等離子作動器的施加，并且電壓是至少約3000伏的交流(AC)電壓。在上面實施例的變體中，多個等離子作動器布置在后邊緣表面上。后 邊緣表面可形成康達表面。等離子作動器可以選擇性地賦能以影響康達表 面之上的邊界層流動以延遲邊界層流動從康達表面的分離，或者使得邊界 層分離。在一實施例中，公開一種飛行控制系統，其利用布置在運動平臺的康 達表面的第一部分上的至少一個等離子作動器，和布置在康達表面的第二 部分上的第二等離子作動器。電壓源用于選擇性地賦能等離子作動器。通 過選擇性地賦能等離子作動器，賦能的作動器可以使得其周邊空氣電離。 這感生在康達表面之上的特定方向的流體流動，其要么有助于延遲康達表 面之上的邊界層流動的分離，要么有助于促進邊界層從康達表面的分離。在一實施例中，公開一種航空器，其利用具有布置在航空器的康達表 面上的至少一個等離子作動器的飛行控制系統。電壓源用于選擇性地賦能 等離子作動器以影響康達表面之上的邊界層的流動。在另 一 實施例中，多個雙模式等離子作動器被用在需要對邊界層的分 離和附著進行控制的表面上。
在此所述的圖表僅僅是為了示出性目的，并不意在以任何方式限制本 公開的范圍。圖1是應用在航空器的機翼的康達表面上的飛行控制系統的一個示例 性實施例的側視圖，其中所述系統利用定位在康達表面上的多個等離子作 動器；圖1A示出圖1 4幾翼的一部分的透i見圖，其采用多排間隔開的圖1所示的等離子作動器；圖2是圖1所示的等離子作動器之一的放大側視圖；圖3是圖1的機翼的側視圖，示出沒有等離子作動器被促動時邊界層 流會呈現為怎樣，例如，等離子作動器16a, 16b， 16c和16d沒有賦能；圖4示出圖1的機翼，但是只有在較低表面上的至少一個等離子作動 器賦能，具有在沿著康達表面的邊界層流中所導致的變化以及機翼部分周 圍的循環和流線的相關修正(modify)(也就是，使得尾流向上偏轉)，例如， 等離子作動器16c和16d賦能，16a和16b沒有賦能；圖5示出圖1的機翼，但是只有在較上表面上的至少一個等離子作動 器賦能，具有在沿著康達表面的邊界層流中所導致的變化以及機翼部分周 圍的循環和流線的相關修正(也就是，使得尾流向下偏轉)，例如，等離子 作動器16a和16b賦能，16c和16d沒有賦能；圖6是圖1的機翼的視圖，示出當較上表面和較低表面二者上的至少 一個作動器被促動時邊界層流離開機翼(也就是，對于尾流沒有明顯改變)， 例如，所有的等離子作動器16a， 16b, 16c和16d賦能;圖7示出多個雙模式等離子作動器如何應用在康達表面上；圖8更加詳細地示出圖7中圈出的一個雙模式等離子作動器，其第一 和第三電極連接跨越AC電壓源以感生有助于延遲邊界層分離的流動；和圖9示出圖8的雙模式等離子作動器，第二和第三電極連接跨越AC 電壓源以感生用以促進相反方向的邊界層流動的流動。
具體實施方式
下面的描述在本質上僅僅是示例性的，并不意在限制本公開、應用或 使用。參照圖1,示出用在運動平臺12的機翼14上的流控制系統10。在該 例子中，運動平臺12是航空器，并且為了方便，在下面的整個討論中，稱 之為"航空器12"。但是，應當立即意識到，本公開的教導并不僅限于用在 采用機翼的航空運動平臺，例如商用和軍用航空器，而可以容易地應用到 無人空中飛行器(UAV)、導彈、旋翼航空器、陸地車輛和甚至高速水上船只。在圖1中，系統IO采用沿著機翼14的康達表面18間隔開的多個等離子作動器16。盡管僅示出四個等離子作動器16,但是更多或更少的多個可 以應用以滿足特定應用的需要。在該例子中，兩個等離子作動器16a、 16b 設置在康達表面18的上半部分，而另外兩個等離子作動器16c、 16d設置在 康達表面的下半部分。應當認識到，康達表面18并不需要與航空器機翼相 關聯，相反可以與任何部件例如陸地車輛的后擾流器相關聯。如果等離子 作動器結合在航空器或者其它形式的運動平臺的垂直尾翼上，那么，應當 認識到的是，稱謂"上半部，，和"下半部，，可以替代地變為術語"左舷部" 和"右舷部"。同樣地，在實踐中，可預見的是，很多應用可以需要多個等 離子作動器16a、 16b、 16c和16d在展向沿著機翼14或者其它形式的空氣 動力表面間隔開。該安置的一個例子在圖1A中示出。等離子作動器16的 精確放置可以根據需要變化以滿足特定應用。例如，等離子作動器16的安 置也可以是作動器安置為其長軸在弦向，而作動器的很多沿著翼展陣列以 便于對粘滯渦流的分離控制。控制器20和高壓交流(AC)電壓源22與每一個等離子作動器16連通。 控制器22獨立控制優選地在約3,000VAC-20，000VAC之間或者甚至可能更 高的高壓信號施加到每一等離子作動器16。賦能任一等離子作動器16使得 作動器電離在鄰近康達表面18的外表面18a附近的空氣。電場也與所施加 的AC電壓的幅值直接成比例地產生。電場作用在電離的空氣上以在賦能的 等離子作動器16之上產生感生流動，其在當其在康達表面運動時趨于向著 康達表面18拖曳邊界層。這有助于延遲邊界層從康達表面18的分離。參照圖2，更詳細地示出一個等離子作動器16a。該形式的作動器也在 于2006年4月12日提交的，序列號為11/403,252的共同的未授權美國申 請中討論，該申請轉讓給了波音公司，其已經在此引用作為參考。然而， 筒單地說，等離子作動器16a包括用介電材料28分開的第一電極24和第二 電極26。介電材料28可形成布置在電極24和26之間并包封電極24和26 的不同層，如圖2所示。優選地，電極24和26凹陷地安置在康達表面18 的外表面18a中以使得不與其光滑表面輪廓干涉。但是，也可以直接在康達 表面上安置至少第一電極24。如果直接安裝在康達表面18上，那么第一電 極24將典型地不能由介電材料28完全包封。等離子作動器16還可每個安 置在康達表面18上以使得第二電極26相對于邊界層流動的方向定位在第 一電極24的下游。交流電壓源22連接在控制器20和第二電極26之間。開關30介于交 流電壓源22和第一電極24之間。開關30可以是半導體開關，或者其可以 是由適當的電信號促動的機電開關。本質上，任何形式的滿足特定應用的 需要的開關都可使用。當控制器20合上開關30時，通過第一電極24和第二電極26施加的 高壓AC信號(典型地至少約3,000VAC)使得電極24和26附近以及緊鄰康 達表面18的外表面18a的空氣電離。電場同樣在電極24和26之間產生。 電場作用在電離的空氣上以感生緊鄰外表面18a的流動32，其從第一電極 24運動越過外表面18a,和越過第二電極26。感生流動32用以將邊界層流 抵著外表面18a向下拖曳，其有助于延遲邊界層開始從康達表面18分離。電極24和26的構型的特定性可以相當地變化以滿足特定應用的需要。 電極24和26可以由任何傳導材料制成。銅是一種特別適合的材料。電極 24和26可以形成為薄帶，可以是箔帶，并可具有約0.001-0.005英寸(0.0254 -0.127mm)數量級的典型厚度。每一個電極24和26的長度和寬度可以根據 需要變化以適應特定應用，但是應當認識到，在很多航空器應用中，每個 電極的尺度可以典型地長度在1-20英寸(2.54cm-50.08cm)數量級，寬度在 0.12-0.20英寸(3-5cm)數量級。介電材料28可包括任何適當的介電材料，例 如石英、KAPTON⑧或者TEFLON⑧的介電材料。其它介電材料也可適于使 用，所用的確切介電材料可以由特定應用的需求確定。優選地，介電材料 28分別在第 一和第二電極24和26之間提供約0.005-1.0英寸(0.127-25.4mm) 的厚度層。現參照圖3-6,將描述通過選擇性地賦能等離子作動器16的各個而提 供到邊界層流動上的影響。首先參照圖3，示出當沒有等離子作動器16(不 可見)^皮賦能時4交上和豐支低表面流線36和38在康達表面18之上運動。在該 圖中，由系統IO感生的增量升力系數(AQJ等于由系統感生的增量俯仰力矩 系數(ACm),并且二者都為零。在圖4中，康達表面18的下半部上的等離子作動器16c和16d已經被 賦能，而上半部上的等離子作動器16a和16b沒有賦能。這產生在箭頭40 方向的正的俯仰力矩(+AC一和負的升力系數(-ACO 。流線42表明作動器16c 和16d已經怎樣稍微修改邊界層流動以改變其從康達表面18的分離。注意 到流線36的部分36a比圖3所示的稍微更加提升。參照圖5,等離子作動器16a和16b^皮貝武能而等離子作動器16c和16d 沒有賦能。這產生正的升力系數(+ACO和負的俯仰力矩(-ACm)(用流線箭頭 46表示)。流線42表明等離子作動器16a和16b已經延遲邊界層分離的開 始，流線36a和38a已經^修改為稍;微向下導向。圖6示出所有的等離子作動器16都賦能的流效果。在該例子中，尾流 分離被降低，從而降低機翼14上的阻力，而并不改變俯仰力矩或升力。系統10的應用是很多的，包括商用和軍用航空器、無人空中飛行器 (UAV)和導彈。在機動陸地車輛例如汽車和卡車的各空氣動力表面上同樣可 實現所述優點。系統IO通過產生不對稱的阻力為無尾航空器提供無鉸鏈偏航控制。通 過控制循環控制翼型尾流中的分離或者在正和負循環增量之間感生展向的 變化，其產生升高的誘導阻力而不會伴隨升力或俯仰力矩變化，從而產生 不對稱阻力。系統IO使得能無鉸鏈空氣動力控制以增加空氣動力和結構效率。空氣 動力效率通過機翼和類似空氣動力表面上的升降副翼邊緣和鉸鏈線間隙的 消除而改善。結構效率通過增加力矩盒尺寸而改善，其降低重量，消除機 械促動重量和復雜性，并增加用于燃料的機翼內部體積等。系統10可以簡化航空器(尤其是具有高度復雜的多段襟翼的商用運輸) 的增升系統以提高低速性能，同時降低成本、重量和復雜性。系統10潛在 地可以用于代替商用航空器方向舵或升降舵上的配平片，消除主控制表面 上的副運動表面的機械復雜性。系統IO的使用可以產生比傳統運動表面效 應器更高的控制速率(高帶寬控制器)，因為系統IO僅受限于自由流流體流 的對流速度，而不受副翼效應器的機械運動的限制。這使得能控制更加高 度不穩定的機體，從而提升機動性和性能。在此所述的系統IO使得能低成 本、降低的復雜性的機翼設計，其對于薄的可展開的機翼(導彈或小的UAV) 尤其有用，其中控制表面由于控制作動安裝的難度而難以通過使用傳統的 方法集成。其它應用在不飛行的運載工具例如半掛車上是可能的，其通過 除去降低掛車基本阻力的作動裝置的作動而進行空氣輔助制動，或者通過 當康達表面沿著拖車基座周邊安裝時感生向下的力而進行牽引控制。同樣期望系統10提供更有效的方式(從結構上和空氣動力上說)來控制 航空運動平臺，從而增加任務飛行時間或者航程。通過控制裝置的新的機凈成4b(mechanizations),尤其是乂十于無尾航空器或具有可展開的飛4亍表面的空 中飛行器，使得設計能額外地靈活。增加的控制促動速率還可與降低的整 體復雜性一起實現。參照圖7，示出本公開的另一系統100，其利用多個集成到機翼14的 康達表面18中的雙模式等離子作動器102。該系統100除了使用雙模式作 動器102之外與圖1和1A的系統IO相同。雙模式等離子作動器102在序 列號—(波音檔案號No.06-0438; HDP檔案號7784-00106l)的共同未授權申 請中詳細討論，該申請已經被本公開引用作為參考。在該例子中， 一對雙 模式等離子作動器102a和102b布置在機翼14的康達表面18的上半部。第 二對等離子作動器102c和102d布置在下半部上。如參照圖1所述的系統 10,多個雙模式等離子作動器102可在展向沿著康達表面18間隔開。所用 雙模式等離子作動器102的確切數量、間距和安置可變化以滿足特定應用 的需要。參照圖8和9,雙模式等離子作動器102類似于等離子作動器16,但 是包括三個電極104、 106和108，而不是兩個電極。兩個開關110和112 使得AC電壓源26能跨越第一和第二電極對104和108或者在第二和第三 電極對106和108之間施加。第三電極108由合適的介電材料層109間隔 開，或者包圍在合適的介電材料中。當通過合上開關110并打開開關-112,來自AC電壓源26的AC電壓 跨越電極104和108而施加時，等離子作動器102以與上述的作動器16相 同的方式操作；也就是，產生感生流體流動114(圖8)。感生流動114的方 向與在作動器102上流動的邊界層流動的方向相同。借助等離子作動器16, 感生流體流動114作用在邊界層流動上以幫助防止邊界層流動從康達表面 18分離。但是，當電極對106和108通過閉合開關112而打開開關110而 賦能時，感生流動116產生，其在與感生流動114 (圖9)的方向相反的方向。 在這種情況下，當與康達表面的另一半部分的等離子作動器協作地操作時， 感生流動116有助于促進在康達表面18的機翼后緣的周圍的邊界層進一步 附著。系統IOO提供更大程度的流控制靈活度，因為等離子作動器102可具 有可以賦能的各個不同對的電極104、 106、 108以甚至更加顯著地影響邊 界層流動(也就是，更加顯著地促進邊界層流動的附著或分離)。例如，某等離子作動器102，例如4立于康達表面18的上半部的那些，可以纟皮f武能以產 生感生流動114(以促進邊界層的附著)，而其它位于康達表面18的下半部上 的作動器102可以凈皮賦能以產生感生流動116(以4是高康達表面18周圍的流 動的轉向)。該特定例子中的總體結果是所有等離子作動器102將工作以更 加顯著地移動康達表面18周圍的機翼后緣停滯點。控制器20可以根據需 要控制等離子作動器102的特定電極對104、 108或106、 108的賦能，以 使得其在采用系統100的表面上產生拉起或俯沖力矩。這樣，系統100提供甚至更加提高的空氣動力流動控制的范圍的可能 性。應當認識到，等離子作動器16和等離子作動器102的不同組合可用在 表面，例如康達表面18上以甚至進一步提高對邊界層的分離和/或附著的控 制。盡管已經描述多個實施例，但是，本領域技術人員將認識到，可以作 出各種^f爹改或變化，其并未脫離本公開。所述例子示出各個實施例，其并 不意在限制本7>開。因此，說明書和;^又利要求應當不受限制地理解，除非 考慮到相關的現有技術這種限制是必需的。
權利要求
1.一種用于運動平臺的流控制方法，包括在一部分運動平臺的后邊緣表面上安置至少一個等離子作動器；施加電壓到所述等離子作動器；和控制所述電壓到所述等離子作動器以電離鄰近所述后邊緣的所述等離子作動器附近的空氣，以導致用以影響所述后邊緣表面之上的邊界層流動的附著或分離的至少之一的感生流動。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，安置至少一個等離子作動器包括 在所述后邊緣表面上安置單模式的等離子作動器。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，安置至少一個等離子作動器包括 在所述后邊緣表面上安置雙模式的等離子作動器。
4. 如權利要求l所述的方法，其中，在后邊緣表面上安置至少一個等 離子作動器包括在康達表面的上半部上安置等離子作動器。
5. 如權利要求l所述的方法，其中，在后邊緣表面上安置至少一個等 離子作動器包括在康達表面的下半部上安置等離子作動器。
6. 如權利要求l所述的方法，其中，在后邊緣表面上安置至少一個等 離子作動器包括在康達表面的上半部上安置第一等離子作動器； 在康達表面的下半部上安置第二等離子作動器；和 控制施加到每一個所述等離子作動器的電壓以影響所述康達表面之上 的所述邊界層流動。
7. 如權利要求1所述的方法，還包括 使用控制器控制所述等離子作動器的作動。
8. 如權利要求l所述的方法，其中，施加電壓到所述等離子作動器包 括施加至少約3,000伏的交流(AC)電壓到所述等離子作動器。
9. 如權利要求6所述的方法，還包括使用控制器以獨立控制所述電壓 到所述第一和第二等離子作動器的施加。
10. —種用于影響在康達表面之上流動的邊界層的流控制系統，該系統包括布置在所述康達表面上的至少一個等離子作動器；用以施加足夠高的電壓到所述等離子作動器以使得所述等離子作動器 電離所述等離子作動器附近的空氣的電壓源，所述空氣的電離影響所述康 達表面之上的邊界層流動。
11. 如權利要求10所述的流控制系統，還包括用以控制所述電壓到所 述等離子作動器的施加的控制器。
12. 如權利要求11所述的流控制系統，還包括在所述康達表面之上彼 此間隔開地布置的多個等離子作動器；并且其中所述電壓源通過所述控制器施加到選定的所述等離子作動器以幫 助延遲所述邊界層從所述康達表面的分離或加速所述邊界層從所述康達表 面的分離。
13. 如權利要求10所述的流動控制系統，其中，所述電壓源包括至少 約3,000伏的AC電壓。
全文摘要
一種尤其非常適于用在康達表面上的流動控制系統和方法，例如機翼后邊緣等離子流控制設備和方法。在一個實施例中，多個等離子作動器布置在航空器的機翼的康達表面之上。作動器選擇性地賦能以要么延遲邊界層流動從康達表面的分離的開始，要么促進流動分離。一實施例公開在康達表面上使用雙模式等離子作動器。所述系統和方法可應用到很多期望對后邊緣表面之上的邊界層流動分離進行控制的空氣動力表面。
文檔編號B64C23/00GK101332871SQ20081010880
公開日2008年12月31日 申請日期2008年5月26日 優先權日2007年5月25日
發明者克里斯托弗·D·威爾遜, 布拉德利·A·奧斯本 申請人:波音公司