[发明专利]一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面

说明书

技术领域

本发明是一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面，属于航空航天控制技术领域。 

背景技术

在现代飞行器上普遍采用各种基于气动力的舵面作为飞行控制的主要手段，通过偏转舵面改变飞行器所受的气动力，提供操纵力矩。但是常规气动舵面在大偏角下出现的流动分离会降低舵面的控制效率，严重影响飞行器的操纵特性。 

带弦向吹气的控制舵面在常规气动舵面的基础上能够改善舵面在大偏角下出现的流动分离，其中以吹气襟翼和喷气襟翼为典型代表。吹气襟翼技术是将偏转的襟翼直接置于发动机高速喷流的下游，利用发动机的高速喷流吹除分离气流并增加翼型环量；喷气襟翼技术则是利用从发动机引出的压缩空气或燃气流，通过机翼后缘的缝隙沿整个翼展向后下方以高速喷出，加速上翼面流速并提高翼型环量。以上两种基于气动力的控制舵面都是通过提高舵面升力系数从而增大飞行器的操纵力矩。 

针对具有重要战略价值的临近空间，空气稀薄直接导致飞行器飞行雷诺数明显下降，即使在小迎角下，机翼绕流都可能产生分离气泡，分离气泡的位置和发展必然会主导翼面及舵面的气动特性。尤其是当偏转舵面改变飞行器姿态时，舵面上将出现十分严重的流动分离现象。同时，由于飞行器飞行动压减小，根据空气动力学可知，气动力正比于气动力系数与飞行动压的乘积。因此，飞行高度越高，改变飞行器姿态所需要的气动力系数越大。综上所述，由于临近空间的高度大于20Km，单一的采用带弦向吹气的控制舵面改善流动分离的能力有限，提高气动力系数的能力也受到限制，不能为飞行器提供足够的操纵力矩。 

因此有必要发展新型的控制舵面，提高飞行器的操纵力矩，改善飞行器的操纵特性。 

发明内容

针对上述存在的问题和困难，本发明提出了一种新型的基于气动力和直接力的复合控制舵面，目的是同时利用气动力与直接力，提高飞行器的操纵力矩，改善飞行器的操纵特性。该复合控制舵面通过在舵面上表面前缘气流分离点附近设置沿展向分布的吹气缝并沿切线方向吹气，一方面可以消除舵面流动分离，提高舵面升力系数，从而增大飞行器的气动操纵力矩；另一方面，该吹气气流会产生一个反作用力，当舵面偏转时，该直接力的作用线会偏离 飞行器的重心，从而可以为飞行器提供一个额外的操纵力矩。相比于方向固定、随飞行高度增加而迅速减小的气动力，该直接力方向可调、大小不随飞行高度而变化，对临近空间飞行器的发展有重要的应用价值。 

本发明的复合控制舵面需要确定舵面吹气位置(图2)。通过测压实验、数值模拟等方法可以得到舵面上下表面压力分布(图1)，在舵面前缘流动分离点附近吹气可以降低消除舵面流动分离所需的吹气压力，提高舵面气动效率。 

本发明的复合控制舵面需要确定供气与流量调节装置(图3)。供气气源可以采用发动机引气、高压储气罐等多种形式，气源的高压气体通过减压阀将压力减小，通过流量计和压力表进行流量调节，然后将气体管路与舵面吹气口连接，实现吹气供给。 

本发明的复合控制舵面需要调节舵面气动力的大小(图4)。通过改变吹气方向、吹气口形状与吹气动量系数可以调节舵面气动力的大小。 

本发明的复合控制舵面需要调节直接力的大小与方向(图5)。通过改变吹气方向可以调节直接力的方向，通过改变吹气动量系数可以调节直接力的大小。 

附图说明

图1舵面上下表面压力分布； 

图2舵面吹气位置示意图； 

图3流量调节机构示意图； 

图4气动力作用示意图； 

图5直接力作用示意图； 

图中标号如下： 

1流动分离点 

1.1吹气位置 

具体实施方式

本发明的目的是给出一种基于气动力和直接力的复合控制舵面。本发明一方面利用舵面前缘吹气消除舵面流动分离，提高舵面气动力；另一方面利用舵面前缘吹气产生的反作用力，为飞行器提供额外的操纵力矩，明显改善飞行器的操纵特性。具体技术方案如下： 

步骤一：确定舵面吹气位置 

舵面吹气位置的选择对改善流动分离、提高气动操纵力矩有很大影响。由于在舵面偏角较大时，舵面上翼面气流在离开前缘很短的距离处就出现分离，整个舵面上翼面几乎都处在 分离区，舵面吹气位置1.1选择在舵面前缘流动分离点1附近，可以降低吹气压力。采用测压实验或数值模拟的方式，可以通过舵面上下表面的压力分布确定舵面吹气的位置，如图1、图2所示。 

步骤二：供气与流量调节装置