本發(fā)明涉及飛行器的流裝置(flowbody)上的被動(dòng)式邊界層吸入，并且具體地涉及這樣的飛行器的流裝置：該流裝置包括在飛行器飛行期間暴露于氣流的流表面、包括有延伸穿過該流表面的多個(gè)開口的至少一個(gè)穿孔區(qū)域、以及用于將空氣經(jīng)由所述至少一個(gè)穿孔區(qū)域吸入的吸入管道。

背景技術(shù)：

對(duì)暴露于氣流的流裝置上的邊界層進(jìn)行影響有助于流裝置的空氣動(dòng)力學(xué)特性的改善，并且更具體地，有助于流裝置的氣動(dòng)阻力的減小。通常，邊界層控制通過吸入而進(jìn)行從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)延長的層流邊界層，或者通過借助于吹來重新激勵(lì)邊界層而進(jìn)行。除了借助于泵或類似裝置主動(dòng)地將空氣移入或移出邊界層的主動(dòng)式系統(tǒng)之外，還已知存在被動(dòng)式系統(tǒng)。這兩種理念都需要在外部流表面的專用區(qū)域中進(jìn)行合適的穿孔，以允許空氣穿過該流表面。

us2013/0270390a1示出了一種具有被部分地穿孔的外表面以及吸入型面本體的飛行器，通過該吸入型面本體產(chǎn)生了吸入力。通過向穿孔表面施加吸入力，空氣移動(dòng)穿過穿孔并且因此被從邊界層移除。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了通過從流邊界層吸入空氣來提供被動(dòng)式邊界層控制，可以利用穿孔位置與流裝置處或流裝置附近的第二位置之間的壓力差。這種被動(dòng)式吸入系統(tǒng)需要滿足若干要求，這些要求包括：確保功能性，即提供通過壓力差驅(qū)動(dòng)的足夠的質(zhì)量流、使寄生阻力最小化、遵守流裝置的流表面內(nèi)部的空間限制和空間分配要求、使附加重量最小化以及允許最大的吸入?yún)^(qū)域并因此允許最大的層流區(qū)域。本發(fā)明的目的是提供一種用于飛行器的流裝置的替代方案，該替代方案適于從流裝置的邊界層進(jìn)行空氣的被動(dòng)吸入。

該目的通過具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的流裝置實(shí)現(xiàn)。有利的實(shí)施方式和進(jìn)一步的改進(jìn)可以通過從屬權(quán)利要求和以下描述獲得。

提出了一種飛行器的流裝置，該流裝置包括：在飛行器的飛行期間暴露于氣流的流表面、附接至流表面的內(nèi)部的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件、包括有延伸穿過流表面的多個(gè)開口的至少一個(gè)穿孔區(qū)域、以與開口流體連通的方式定位在流表面內(nèi)部且定位在所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的上游的歧管、以及具有第一端部和第二端部的至少一個(gè)吸入管道，其中，第一端部與歧管流體連通，第二端部布置在流表面的外部、所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的下游。所述至少一個(gè)吸入管道包括背離第一端部的吸入開口，其中，當(dāng)流表面在飛行期間暴露于氣流時(shí)，吸入開口適于在所述至少一個(gè)吸入管道中引入一吸入力，從而將空氣流從該開口引向吸入開口。

飛行器的流裝置是包括流表面的部件，該流表面在飛行器的飛行期間暴露于氣流。在本發(fā)明的情況下，流裝置是影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性的外部部件。特別地，流裝置可以是沿翼展方向或翼弦方向的機(jī)翼、機(jī)翼的一部分或部段，可以是尾翼比如垂直尾翼、水平尾翼或其部件的一部分或部段。另外，流裝置可以是從飛行器的尾翼比如水平尾翼或垂直尾翼的一部分、機(jī)身、整流裝置或機(jī)翼突出至飛行器周圍的附加本體?？梢愿鶕?jù)飛行器的總體設(shè)計(jì)考慮其他不同的流裝置，并且以下描述不應(yīng)被解釋為將流裝置限制為下面提到的任何類型。

所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件優(yōu)選地可以是流裝置的內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)的一部分，比如翼梁或桁條，以用于提供尺寸穩(wěn)定性。飛行器及其流裝置的常用設(shè)計(jì)原理基于作為形狀確定部分的蒙皮和作為內(nèi)部部分的支撐結(jié)構(gòu)的組合。支撐結(jié)構(gòu)通常包括一組結(jié)構(gòu)部件，這些結(jié)構(gòu)部件以預(yù)定的幾何關(guān)系布置并且允許形成輕質(zhì)且剛性的三維本體。

如上所述，流裝置包括具有延伸穿過流表面的開口的至少一個(gè)穿孔區(qū)域。還可以根據(jù)邊界層控制措施的期望強(qiáng)度而考慮多個(gè)分開的穿孔區(qū)域。所述至少一個(gè)穿孔區(qū)域中的每個(gè)穿孔區(qū)域包括一組開口，所述一組開口可以以規(guī)則或不規(guī)則的圖案或這些圖案的組合布置在流表面上。另外，可以在單個(gè)穿孔區(qū)域中產(chǎn)生不同的圖案。開口的直徑可以取決于氣流條件、流裝置的材料和期望的孔隙度，并且開口可以垂直地或以與垂直延伸部分不同的角度延伸穿過流表面。

歧管用作用于接納經(jīng)過開口進(jìn)入到流裝置內(nèi)部的空氣流并用于將空氣流引導(dǎo)到所述至少一個(gè)吸入管道中的接口或收集裝置。與歧管聯(lián)接的所述至少一個(gè)吸入管道在所有開口上同時(shí)引入一吸入力。盡管歧管可以是增壓室或通向增壓室，但歧管也可以以管線部段的形式實(shí)現(xiàn)，或者換句話說，可以以供給管道的形式實(shí)現(xiàn)。在歧管用來作為增壓室的情況下，該增壓室可以通過簡單地提供與所述至少一個(gè)穿孔區(qū)域相距一定距離的壁以圍出與所述至少一個(gè)吸入管道以及開口的外部流體連通的限定空間而形成。就這方面而言，可以通過使用主體結(jié)構(gòu)的一部分，比如流裝置的所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件，或通過安裝單獨(dú)的壁來實(shí)現(xiàn)壁的提供。

使歧管位于所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的上游并且將吸入開口布置在所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的下游需要使所述至少一個(gè)吸入管道越過所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件沿著流表面延伸至具有對(duì)引入吸入力而言合適的壓力及流條件的區(qū)域。因此，由于不需要將所述至少一個(gè)吸入管道引導(dǎo)穿過所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件，從而不需要對(duì)所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行修改。這樣一來，由于流裝置的意在用于加入邊界層控制的一部分可以由根據(jù)本發(fā)明的流裝置來替換而不需要任何進(jìn)一步的修改，因此，根據(jù)本發(fā)明的流裝置完全適合于已經(jīng)存在的飛行器的改進(jìn)方案。

背離所述至少一個(gè)吸入管道的第一端部的吸入開口布置在低壓區(qū)域中，以在多孔表面與吸入開口之間產(chǎn)生合適的壓力梯度，從而首先確保了所需的質(zhì)量流，其次還補(bǔ)償了吸入管道中的壓力損失。氣流圍繞或沿著流裝置流經(jīng)吸入開口。可以根據(jù)吸入開口的形狀和取向?qū)νㄟ^第二端部處的低壓乘以吸入開口的橫截面面積而給出的吸入力進(jìn)行影響，以匹配穿過開口的期望氣流。由于所述至少一個(gè)吸入管道布置在流表面外部，因此優(yōu)選的是使所述至少一個(gè)吸入管道從流表面盡可能少地延伸以使不可避免的寄生阻力最小化。然而，通過優(yōu)化所述至少一個(gè)吸入管道的形狀，邊界層控制的積極效果明顯勝過邊界層控制的寄生阻力。

在有利實(shí)施方式中，流裝置還包括前緣，該前緣在飛行期間面向氣流，其中，所述至少一個(gè)穿孔區(qū)域形成為流表面的延伸越過該前緣的部段。示例性地，垂直或水平尾翼面可以配備有部分穿孔的前緣區(qū)域，至少一個(gè)吸入管道從該前緣區(qū)域在流表面上沿下游方向延伸。因此，由于所述至少一個(gè)吸入管道不需要穿過作為流裝置的更上游的結(jié)構(gòu)部件的前翼梁，從而不需要對(duì)該前翼梁進(jìn)行修改。

在另一有利實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)吸入管道包括分叉布置的兩個(gè)吸入管道。這樣一來，由于兩個(gè)單獨(dú)的吸入管道共同提供吸入力，因此，可以減小兩個(gè)吸入管道的各自的(有效的)直徑。另外，由這兩個(gè)吸入管道引起的寄生阻力相對(duì)于飛行方向?qū)ΨQ地產(chǎn)生，從而不會(huì)在飛行器上導(dǎo)致(差別非常小)非對(duì)稱的力。

使用分叉布置的兩個(gè)吸入管道的另一優(yōu)點(diǎn)在于，即使在飛行器發(fā)生明顯側(cè)滑時(shí)，都總是能夠在歧管中提供足夠的吸入效果，在飛行器發(fā)生明顯側(cè)滑的情況下，飛行器的一個(gè)橫向側(cè)部上的吸入管道比另一個(gè)吸入管道產(chǎn)生了小得多的吸入力。

優(yōu)選地，歧管由于上述原因而位于流裝置的前緣與作為流裝置的所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的前翼梁之間。

根據(jù)流裝置的類型而在外表面上產(chǎn)生特定的壓力場(chǎng)，該壓力場(chǎng)包括具有比所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的上游的壓力低的局部壓力的至少一個(gè)部段，其中，吸入開口位于具有較低壓力的這些部段的緊鄰上游。優(yōu)選地，在外表面上形成有具有最小壓力的部段。通過將吸入開口布置在該低壓位置而進(jìn)一步有助于吸入。

在另一有利實(shí)施方式中，歧管基本上平行于前翼梁延伸，并且這兩個(gè)吸入管道各自包括位于第一端部與完全布置在流表面的外部側(cè)上的部段之間的彎曲部段。該彎曲部段允許從流表面的外部側(cè)延伸到流表面的位于所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的緊鄰上游的內(nèi)部。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，彎曲部段的橫截表面面積大于吸入開口的橫截表面面積。示例性地，彎曲部段處的橫截表面面積可以比吸入開口處的橫截表面面積大至少50％。彎曲部段處的橫截表面面積也可以特別大，比如是吸入開口處的橫截表面面積的至少兩倍。曲形或彎曲管道中的壓力損失大于直管道中的壓力損失，其中，該曲形或彎曲管道中的壓力損失通常取決于流速的平方和某些其他因素。通過減小流速可以顯著地減小壓力損失，而減小流速通過增大橫截表面面積來實(shí)現(xiàn)。

增大橫截表面面積可以通過加寬吸入管道來實(shí)現(xiàn)，這意味著吸入管道的遠(yuǎn)離流表面的延伸基本上被阻止，而基本上平行于流表面的吸入管道確定尺寸被增大。因此，彎曲部段的橫截表面在流表面上以比吸入開口的橫截表面更寬的尺寸延伸。這進(jìn)一步導(dǎo)致減小了由吸入管道的外部尺寸和形狀引起的寄生阻力。

在特別有利的實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)吸入管道包括至少部分地為月牙形的橫截面。

所述至少一個(gè)吸入管道從流裝置中的切口到吸入開口連續(xù)地漸縮，所述至少一個(gè)吸入管道從內(nèi)側(cè)到外側(cè)延伸穿過該切口。在包括有切口的區(qū)域中，所述至少一個(gè)吸入管道可以是彎曲的，即，所述至少一個(gè)吸入管道包括彎曲部段。

在再一有利實(shí)施方式中，流裝置包括流量控制裝置，該流量控制裝置適于選擇性地減少歧管與所述至少一個(gè)吸入管道之間的流量。減少或消除歧管與所述至少一個(gè)吸入管道之間的流量導(dǎo)致邊界層控制的開啟、減少或關(guān)閉。這在除巡航階段之外的飛行階段中會(huì)是有幫助的，從而減少污染物的危險(xiǎn)，即開口被堵塞的危險(xiǎn)。流量控制裝置可以布置在歧管處或歧管中，并且流量控制裝置可以包括孔、孔口、可移動(dòng)的襟翼或用于影響穿過管道的空氣流量的其他常用裝置。

如上所述，穿孔區(qū)域與所述至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件之間的空間可以至少部分地封閉在流裝置的內(nèi)部以形成增壓室，所述至少一個(gè)歧管可以布置在該增壓室中，該增壓室連接至歧管或構(gòu)成歧管。

總體而言，根據(jù)本發(fā)明的流裝置允許在與至少一個(gè)穿孔區(qū)域的開口流體連通的至少一個(gè)吸入管道中引入吸入力，而不需要修改流裝置中的主要結(jié)構(gòu)。在外部流表面上引導(dǎo)所述至少一個(gè)吸入管道允許利用有助于產(chǎn)生吸入力的最低壓力點(diǎn)。

附圖說明

在對(duì)圖中示例性實(shí)施方式的以下描述中公開了本發(fā)明的其他特征、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用選擇。所有描述和/或說明的特征本身以及以任何組合的方式形成本發(fā)明的主題，而與這些特征在各個(gè)權(quán)利要求中的組成或這些特征的相互關(guān)系無關(guān)。此外，圖中相同或相似的部件具有相同的附圖標(biāo)記。

圖1示出了呈垂直尾翼形式的具有吸入?yún)^(qū)域的流裝置。

圖2示出了具有指示出示例性壓力分布場(chǎng)的等壓線的流裝置。

圖3示出了具有歧管和附接至該歧管的吸入管道的同一流裝置。

圖4示出了具有根據(jù)本發(fā)明的流裝置的飛行器。

圖5示出了具有分叉布置的兩個(gè)吸入管道的流裝置的橫截面的俯視圖。

圖6示出了圖5的分叉布置的兩個(gè)吸入管道的細(xì)部的三維視圖。

具體實(shí)施方式

圖1中描繪了呈垂直尾翼形式的流裝置2。流裝置2包括基部4，基部4鄰接飛行器的機(jī)身8的尾部部段6。流裝置2包括面向由箭頭“f”表示的氣流的前緣10。穿孔區(qū)域12從前緣10開始沿下游方向向流裝置2的兩側(cè)延伸。為了簡化起見，穿孔區(qū)域12可以被認(rèn)為是曲形的多邊形，例如將前緣10覆蓋的具有多個(gè)開口14的矩形的或略微漸縮的表面。

開口14可以以規(guī)則和/或不規(guī)則的圖案布置。另外，穿孔區(qū)域12可以根據(jù)流裝置2上的各個(gè)位置處的預(yù)期體積流量被分割成多個(gè)分開的穿孔區(qū)域。開口14允許空氣穿過作為流裝置2的外表面的流表面20，以被吸到流裝置2的內(nèi)部而離開形成在流表面20上的邊界層。

用虛線表示的前翼梁16從基部4延伸至流裝置2的梢端部分18?？梢栽诹餮b置2內(nèi)部布置另外的翼梁，為了簡化起見，未示出另外的翼梁。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠容易地提供具有一個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)部件的足夠剛性的支撐結(jié)構(gòu)，以在期望的條件下使用流裝置2。前翼梁16是結(jié)構(gòu)部件，該結(jié)構(gòu)部件位于流裝置2中的最前位置或最上游位置。在更上游位置處設(shè)置有穿孔區(qū)域12，穿孔區(qū)域12基本上在覆蓋前翼梁16與前緣10之間的區(qū)域的前緣區(qū)域上延伸。通過借助于開口14去除空氣，該前緣區(qū)域上的邊界層中的流至少部分地成為層狀的。

根據(jù)飛行器的預(yù)期飛行參數(shù)如速度和高度、更上游的其他流裝置的影響、以及其他因素，在流表面20上產(chǎn)生特定的壓力分布。圖2示例性地示出了具有在飛行期間產(chǎn)生的壓力場(chǎng)的示意性等壓線圖的、圖1的流裝置2。此處，幾個(gè)示例性等壓線各自示出流表面20上的相等或恒定的壓力。在壓力場(chǎng)中會(huì)存在位于前翼梁16下游的最低壓力區(qū)域22。吸入管道在該最低壓力區(qū)域22與位于穿孔區(qū)域12內(nèi)部的具有更高壓力的位置之間延伸，從而引起了吸入力。這將在下面通過圖3進(jìn)行說明。

圖3再次示出了與圖1和圖2中的流裝置2相同的流裝置2，并且圖3示出了具有吸入管道24的局部截面圖，吸入管道24從布置在前翼梁16與前緣10之間的歧管26延伸至最低壓力區(qū)域22緊鄰上游的位置28。吸入管道在流表面20的外部側(cè)上延伸，并由此經(jīng)過前翼梁16而不是必須穿過前翼梁16。這意味著在流裝置內(nèi)不需要用于包括吸入管道24和吸入管道24的延伸至最低壓力區(qū)域22的延伸部分的安裝空間。盡管僅描繪了流裝置2的一個(gè)側(cè)部，但流裝置2的另一(隱藏的)側(cè)部同樣可以以對(duì)稱方式包括從歧管26延伸的這樣的吸入管道24。然而，這不是必須的，如果需要，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以僅提供單個(gè)吸入管道24。

吸入管道包括第一端部23和第二端部25。在第一端部23連接至歧管26時(shí)，第二端部25包括分別背離第一端部23和前緣10的吸入開口28?；旧掀叫杏谇熬?0布置的歧管26在此處類似于吸入管道24與兩個(gè)入口30和32之間的接口，其中，入口30和32將穿過穿孔區(qū)域12的空氣供給到歧管26中。兩個(gè)入口30和32均設(shè)計(jì)為管線部段，兩個(gè)管線部段示例性地平行于前緣10延伸并且各自向背離歧管26的一側(cè)敞開。由穿孔區(qū)域12包圍并由前翼梁16限制的空間可以被封閉以形成接納穿過開口14的空氣的增壓室，這些空氣隨后被吸到吸入管道24中。整個(gè)布置允許提供前緣區(qū)域中的開口14與吸入管道24之間的流體聯(lián)接。

圖4示出了飛行器33，圖4以更具說明性的方式描繪了機(jī)身8的尾部部段6處的呈垂直尾翼形式的流裝置2的布置以及吸入管道24的示例性位置和尺寸延伸部分。

圖5示出了示例性實(shí)施方式中的流裝置34的一部分的更詳細(xì)且不太示意性的設(shè)計(jì)。此處，示出了流裝置34的橫截面的俯視圖，該俯視圖包括位于前翼梁38與前緣40之間的歧管36，歧管36連接有分叉布置的兩個(gè)吸入管道42和44。兩個(gè)吸入管道42和44分別包括第一端部41和45并且分別包括第二端部43和47。非常明顯的是，流裝置34的流表面46需要使吸入管道42和44延伸穿過的兩個(gè)切口48和50。吸入管道42和44從設(shè)置在前翼梁38緊鄰上游的切口48和50進(jìn)一步向下游延伸并且沿靠流表面46的外部延伸。

吸入管道42和44在最小壓力點(diǎn)52和54的緊鄰上游的位置處分別具有背離前緣40和歧管36的吸入開口56和58。示例性地，開口56和58的橫截表面各自與周圍空氣流的流線圍出小于90°的角α和β。開口56和58的橫截表面的角度還顯然可以更大，如由α1和β1所表示的，這取決于流裝置34的總體設(shè)計(jì)的優(yōu)化。由圍繞流裝置的空氣流引起的低靜態(tài)壓力是用最低壓力區(qū)域52和54與歧管36之間的壓力差來幫助吸入的主要驅(qū)動(dòng)因素。

圖6示出了圖5的流裝置34的一部分的三維圖，以示出吸入管道42和44的橫截表面的可行形狀。為了減小對(duì)于添加至流表面46的任何外部部件而言不可避免的寄生阻力，通過提供月牙形形狀而使遠(yuǎn)離流表面46的延伸部分最小化。此外，由于圍繞前翼梁38進(jìn)行繞行或轉(zhuǎn)向，兩個(gè)吸入管道42和44需要彎曲部段60和62。在彎曲部段60和62中，氣流方向改變了約90度，這將導(dǎo)致額外的壓力損失，該壓力損失取決于流速。通過加寬圍繞彎曲部段60和62的橫截表面可以使流速最小化，從而使得彎曲部段60和62中的額外壓力損失可以最小化。這需要一些優(yōu)化，是因?yàn)楦鼘挼墓艿栏嗟馗蓴_外部流，因此產(chǎn)生更大的寄生阻力。

歧管36可以如所描繪的那樣來實(shí)現(xiàn)，即，通過簡單地提供向兩側(cè)敞開的相當(dāng)短的管道部段來實(shí)現(xiàn)，其中，歧管36的縱向軸線64平行于前翼梁38延伸。兩個(gè)吸入管道42和44均以基本上垂直于縱向軸線64的方式連接至歧管36。此外，兩個(gè)吸入管道42和44的局部橫截表面面積可以沿著從彎曲區(qū)域60或62到吸入開口56或58的路線連續(xù)地減小，例如這可通過使流表面46上的延伸部分變窄來實(shí)現(xiàn)。如前所述，必須基于相應(yīng)飛行器的邊界條件在寄生阻力與邊界層控制的積極效果之間進(jìn)行權(quán)衡以提供吸入管道42和44的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

此外，應(yīng)當(dāng)指出的是“包括”不排除其他元件或步驟，并且“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。還應(yīng)當(dāng)指出的是，已經(jīng)參照以上示例性實(shí)施方式中的一個(gè)示例性實(shí)施方式描述的特征或步驟也可以結(jié)合上述其他示例性實(shí)施方式的其他特征或步驟使用。權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制性的。