详情

原文传递旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置和方法

专利名称：	旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置和方法
摘要：	公开一种旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置，包括：直升机(24)；在直升机桨叶(19，20)前缘设置的激励器(1)；桨毂处接线盒内插头：第一插头(7)，第二插头(8)，第三插头(12)；直升机主轴(5)；接线盒(6)；集流环(9)；固定集流环的支架(10)；接地线(11)；电源(13)；控制器(14)；C连引线(15)；B连引线(16)；D连引线(17)；A连引线(18)；第一引线(21)；第二引线(22)。还提供一种旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制方法。上述装置和方法采用表面介质阻挡放电等离子体激励，旋翼飞行器桨叶动态失速控制问题，一方面可提高旋翼飞行器的升力或载重，一方面可提高旋翼飞行器的最大前进速度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	中国人民解放军空军工程大学
发明人：	赵光银;梁华;吴云;贾敏;宋慧敏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910495450.5
公开号：	CN110203382A
分类号：	B64C27/06(2006.01);B;B64;B64C;B64C27
申请人地址：	710051 陕西省西安市长乐东路甲字1号空军工程大学
主权项：	1.旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置，其特征在于，包括：直升机(24)；在直升机桨叶(19，20)前缘设置的激励器(1)；桨毂处接线盒内插头：第一插头(7)，第二插头(8)，第三插头(12)；直升机主轴(5)；接线盒(6)；集流环(9)；固定集流环的支架(10)；接地线(11)；电源(13)；控制器(14)；C连引线(15)；B连引线(16)；D连引线(17)；A连引线(18)；第一引线(21)；第二引线(22)；其中激励器(1)为表面介质阻挡放电形式的激励器，激励器(1)布置在直升机桨叶的翼面前缘0～2％弦长范围内，0％对应桨叶的前缘顶点；激励器(1)与桨毂处接线盒内插头电连接；激励器包括裸露的上表面电极(3)、绝缘介质层(2)和覆盖在绝缘介质下的下表面电极(4)，激励器的下表面电极(4)和上表面电极(3)通过导线引至桨毂处接线盒(6)，与接线盒(6)内的第一插头(7)电连接，接线盒(6)内的转接插头，即第一插头(7)和第三插头(12)，与第二插头(8)相配合且电连接；每片桨叶上均安装有至少一组表面介质阻挡放电激励器(1)；集流环(9)的外罩固定在集流环支架(10)上，集流环支架(10)通过螺栓固定于直升机机身隔框；集流环(9)内随直升机主轴(5)高速旋转的转子与集流环静子可靠导电，构成集流环(9)的三个导电通道A、B、C；集流环通道A、B、C的静子端通过引线与电源(13)相接，A、B通道分别与第一、第二高压输出端(26、27)电连接，C通道与接地端(23)相连；同时，集流环三个通道A、B、C又分别与主轴内的4根引线，即A、B、C、D连引线电连接，继而，主轴内的这4根连引线接插头(8)；通过集流环(9)的通道A实现电源(13)的输出端(26)、第一引线(21)、A连引线(18)的电连接；通过集流环(9)的通道B实现电源输出端(27)、第二引线(22)、B连引线(16)的电连接；通过集流环(9)的通道C实现电源接地端(23)、接地线(11)、C连引线(15)和D连引线(17)的电连接；与B连引线(16)相连的第一桨叶(19)的激励器(1)的上表面电极是裸露在空气中的，布置在第一桨叶(19)的下翼面；与C连引线(15)相连的第一桨叶(19)的激励器(1)的下表面电极是被绝缘介质层覆盖的，布置在第一桨叶(19)的上翼面；第一桨叶(19)上的激励器(1)通过C连引线(15)和B连引线(16)与接线盒(6)内的第一插头(7)电连接；第二桨叶(20)上的激励器(1)通过D连引线(17)和A连引线(18)与接线盒(6)内的第三插头(12)电连接，第一插头(7)和第三插头(12)与第二插头(8)相配合且电连接；C连引线(15)、B连引线(16)通过中空的桨距转轴(25)连接第一插头(7)；D连引线(17)、A连引线(18)通过中空的桨距转轴(25)连接第三插头(12)；第二插头(8)与集流环(9)电连接，第二插头(8)与集流环(9)电连接的A、B、C、D连引线(15、16、17、18)导线通过中空的直升机主轴(5)；高压脉冲信号通过第二引线(22)和第一引线(21)输送住集流环(9)的静子端口，通过集流环(9)实现第一高压输出端(26)、第一引线(21)、第二桨叶(20)上的A连引线(18)的电连接；通过集流环(9)实现第二高压输出端(27)、第二引线(22)、第一桨叶(19)上的B连引线(16)的电连接；通过集流环(9)实现接地端(23)、接地线(11)、第一桨叶(19)上的C连引线(15)和第二桨叶(20)上的D连引线(17)的电连接；如果有其他桨叶，连接依次类似；电源(13)的通道数目与激励器(1)数目对等，电源(13)固定安装在飞机的设备舱内；控制器(14)用于采集和分析桨叶的运动姿态，包括桨距α、转速Ω、桨叶的方位角β、直升机前进速度V0，以产生电源(13)相应通道的触发信号。 2.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置，其特征在于，电连接导线为耐高压同轴电缆；第一插头(7)，第二插头(8)，第三插头(12)采用防错航空插头。 3.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置，其特征在于，电源(13)的电压脉宽范围为0.5μs～500μs，电压峰值范围为6kV～20kV，高压脉冲频率范围为500～5000Hz，电源(13)的输出功率大于500瓦。 4.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置，其特征在于，控制器(14)由飞控计算机或类似功能的单片机等微机系统代替。 5.旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制方法，该方法采用高压短脉冲介质阻挡放电等离子体流动控制技术，激励器(1)设有绝缘介质层(2)，绝缘介质层(2)上装有上表面电极(3)和下表面电极(4)，上表面电极(3)和下表面电极(4)错开平行布置，在长度方向上可有部分重叠，上表面电极(3)裸露在空气中，下表面电极(4)被覆盖在绝缘介质层(2)以下；上表面电极(3)和下表面电极(4)与多通道高压短脉冲等离子体电源(13)电连接，多通道高压短脉冲等离子体电源(13)的正端接上表面电极(3)，多通道高压短脉冲等离子体电源(13)的地线端接下表面电极(4)；当电源(13)输出周期性短脉冲高压电时，直升机各个桨叶前缘的激励器(1)电离空气，形成等离子体，一方面，等离子体在电场的作用下运动，从而诱导气流的流动，形成速度扰动；另一方面，激励器瞬间放电向流场注入热能，使局部空气瞬间被加热，瞬间热效应形成周期性的压力扰动，局部诱导周期性冲击波；利用等离子体激励诱导的速度扰动和压力扰动，通过频率耦合的作用机制，促进附面层内外流动掺混，从而抑制流动分离，达到改变翼面气动力的目的；具体包括以下步骤：步骤1：直升机飞行过程中，控制器(14)采集和分析桨叶的运动姿态：桨距α、转速Ω、桨叶的方位角β、直升机前进速度V0；步骤2：控制器根据桨叶的运动姿态，设定电源(13)的工作输出参数：输出电压U/kV和脉冲频率f/Hz；激励器(1)工作时产生的等离子体气动激励是一种非定常的流场扰动，这种扰动与流场有一个最佳的耦合频率，激励频率为f，定义一个无量纲的激励频率F＝1～2，F无需为整数； F＝f×c/(V0×sin(β)+Ω×R)＝1～2 因此，激励频率f＝F×(V0×sin(β)+Ω×R)/c 其中，桨叶方位角为β，旋翼转速为Ω，单位rad/s，R为激励器的平均旋转半径，V0为直升机前行速度；0°方位角为桨叶在机身尾梁上方时；c是布置激励器那一段桨叶的平均气动弦长；V0×sin(β)是相对直升机的来流V0在桨叶前缘的法向分量；Ω×R是桨叶旋转引起的相对桨叶的来流速度；V0×sin(β)+Ω×R为相对桨叶前缘法向气流速度；步骤3：控制器根据桨叶的桨距，判断是否开启电源(13)，当桨距接近临界桨距时，给出触发信号，使电源(13)工作；当桨距小于临界桨距时，则不触发电源(13)。 6.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置在直升机(24)向前飞行时的工作过程：当桨叶(19或20)运动到相对来流后退的大迎角状态时，机载控制器(14)发出触发信号，触发多通道高压等脉冲离子体电源(13)的相应通道；根据桨叶旋转转速和直升机(24)前飞速度，控制器(14)一方面形成触发信号发送给等离子体电源(13)，另一方面控制器(14)根据飞行状态和预先设置的控制律形成控制信号，控制等离子体电源(13)输出参数：高压脉冲频率和电压值，使激励器(1)在一定的电压和频率下放电工作；等离子体电源(13)工作时，第一桨叶(19)和第二桨叶(20)上的激励器(1)放电产生等离子体激励，通过等离子体流动控制延迟桨叶分离，增大桨叶升力，提升直升机拉力，从而增大载重；当第一桨叶(19)运动到相对来流后退的大迎角状态时，电源(13)的第二高压输出端(27)被控制器(14)触发，高压脉冲信号通过集流环(9)实现第二高压输出端(27)、第二引线(22)、B连引线(16)使第一桨叶(19)上布置的激励器(1)放电，产生等离子体气动激励，激励的电压和频率根据第一桨叶(19)的旋转速度而定；当第二桨叶(20)运动到相对来流后退的大迎角状态时，电源(13)的第一高压输出端(26)被控制器(14)触发，高压脉冲信号通过集流环(9)实现电源第一高压输出端(26)、第一引线(21)、A连引线(18)使第二桨叶(20)上布置的激励器(1)放电，产生等离子体气动激励，激励的电压和频率根据第二桨叶(20)的旋转速度而定；当第一桨叶(19)或第二桨叶(20)运动到前行小迎角状态，控制器(14)不再触发电源(13)的相应通道，对应激励器(1)不工作。 7.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置在直升机(24)悬停状态时的工作过程：对于悬停状态的直升机(24)，当需要增大载重或者提高升限时，当通过变距杆使第一桨叶(19)和第二桨叶(20)处于大迎角工作时，控制器(14)发出触发信号和控制信号，使电源(13)的第二高压输出端(27)和第一高压输出端(26)输出一定的激励频率和激励电压；根据桨叶旋转转速，控制器(14)一方面形成触发信号发送给电源(13)，另一方面控制器(14)根据飞行状态和预先设置的控制律形成控制信号，控制电源(13)输出参数：高压脉冲频率和电压值，使激励器(1)在一定的电压和频率下放电工作；激励器(1)工作时产生的激励频率f满足，F＝f×c/(V0×sin(β)+Ω×R)＝1～2；悬停时直升机前行速度V0＝0m/s，因此，激励频率f＝F×Ω×R/c；电源(13)工作时，第一桨叶(19)和第二桨叶(20)上的激励器(1)放电产生等离子体激励，通过等离子体流动控制延迟桨叶分离，增大桨叶升力，提升直升机拉力，从而增大载重；根据桨叶旋转转速，设定相应的最佳电源输出参数：高压脉冲频率和电压值，使激励器(1)在一定的电压和频率下放电工作；反之，当桨叶处于小迎角状态，控制器(14)不再触发电源(13)的相应通道，激励器(1)不工作。 8.如权利要求1所述的旋翼桨叶动态失速等离子体流动控制装置还适用于旋转叶片的风力机、涡桨桨叶这样旋转叶片的分离控制；可在桨叶的不同旋转半径处分多段布置激励器(1)，采用与激励器(1)数量相适应的电源(13)和集流环(9)，以适应激励参数的调整。
所属类别：	发明专利