УСТРОЙСТВО АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ОКОЛО ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЛИ ПЛАВАЮЩЕГО АППАРАТА Российский патент 2005 года по МПК B64C21/00 

Изобретение относится к авиации или плавающим аппаратам в жидкой среде.

Известно, что созданные человеком искусственные летательные и плавательные аппараты затрачивают значительную часть энергии на трение, турбулизацию пристенного слоя среды и расходуют на компенсацию последствий отрыва от стенки. В то же время в природе имеются примеры, когда аналогичные затраты энергии у животных при тех же параметрах движения, составляют существенно меньшую величину (мечь-рыба, дельфин).

Известны предложения по активному воздействию на пограничный слой с целью уменьшения гидравлического сопротивления полету [1], [2], [3].

В [1] и [2] эта задача решается посредством измерения колебаний в пограничном слое датчиками, установленными в прорезях обшивки летательного аппарата. После анализа характера воспринятых колебаний в анализаторе, сигнал подается в генератор колебаний, установленный в той же прорези обшивки или по соседству с ней. В анализаторе колебаний используются в одном случае операция дифференцирования сигнала датчика и сложения полученной производной с амплитудой входного сигнала на некотором интервале, в другом, гармонизация с целью воздействия на пристенный поток через генератор колебаний, установленный в соседней прорези обшивки. Недостатками этих устройств являются:

1. Трудность осуществления воздействия на поток по всей площади обшивки, т.к. для этого необходимо вмонтировать в обшивку огромное количество датчиков, генераторов колебаний, что разупрочняет обшивку.

2. Генератор колебаний воспроизводит вычисленный сигнал, а не реальный.

3. Воздействие по производной характеризует скорость изменения входного сигнала, поэтому любой резкий всплеск давления, скорости может вызвать неадекватное изменение входного сигнала, а устройство в целом будет улавливать и усиливать помехи. В [3] предлагаются различные локальные механические устройства, воздействующие на пристенный поток через обшивку и через щели в обшивке. Параметры колебаний генераторов должны быть заданы заранее вне связи с реальными колебаниями в пограничном слое. Этому способу и устройству свойственны недостатки [1] и [2].

Задача, на решение которой направлено изобретение состоит в уменьшении гидравлического сопротивления движению летательных и плавательных аппаратов путем воздействия на пограничный слой колебаниями, отражающими по форме истинные колебания в пограничном слое не разупрочняя обшивку и на всей поверхности аппарата.

Сущность изобретения состоит в том, что контактирующая со средой металлическая поверхность аппарата покрывается слоем пьезоактивного материала, например пьезокерамикой. Слой пьезокерамики покрывается токопроводящей пленкой путем напыления или покраски. В результате получается пьезоактивное устройство, одной обкладкой которого является обшивка аппарата, другой – токопроводящая пленка. Затем устройство в целом поляризуется, после чего на его внешней поверхности образуются изолированные точки путем удаления вокруг них токопроводящего слоя. Эти точки являются датчиками, предоставляющими информацию о характере истинных колебаний в пограничном слое на определенной площади. Сигналы, полученные от этих датчиков передаются через микропровода в усилитель и затем воздействуют в фазе или противофазе на пьезокерамическое устройство на всей представляемой данным датчиком площади. Образно говоря, на контактируемой с внешней средой поверхности летательного или плавательного аппарата создается “искусственная кожа”.

Изолированные точки выполняют роль нейронов, а микропровода – роль нервных волокон. Поляризация пьезокерамического устройства может быть осуществлена под углом 135 градусов к направлению движения аппарата на участках, где требуется парировать вредное влияние турбулентности и под углом 45 градусов к тому же направлению на участках, где требуется уменьшить вредное влияние отрыва потока. В этом случае от взаимодействия колебаний обшивки и колебаний пристенного слоя среды выделяется сила, совпадающая по направлению с силой тяги аппарата, что способствует лучшему проскальзованию аппарата через среду. Для парирования турбулентных движений в пограничном слое, усиленные колебания, полученные с датчиков, образованных на соответствующих участках обшивки, подаются на обкладки в противоположной с входными фазе, для парирования вредных последствий отрыва потока – в фазе с ними.

Источники информации

1. Патент ФРГ № 39163 А1 от 05.5.83 г. № заявки Р 3228939. Устройство для оказания влияния на пограничный слой обтекаемых потоком тел при преимущественно хаотических колебаниях потока.

2. Патент ФРГ № 3316393 А1 от 05.05.83 г. № заявки Р 3316393.6 Способ и устройство для воздействия на пограничный слой обтекаемых тел при преимущественно стохастических колебаний потока.

3. Патент ФРГ №332049 А1 от 07.06.83 г., Р 3320481.0 Способ и устройство для воздействия на поток у аэродинамических профилей. МКИ В 64 С 21/00.

Изобретение относится к области управления пограничным слоем летательных аппаратов. Устройство содержит слой активного материала, расположенный на поверхности внешней обшивки аппарата и предназначенный для генерирования механических колебаний. Новым является то, что устройство снабжено токопроводящей пленкой, которая нанесена путем напыления или покраски поверх слоя пьезоактивного материала, расположенного на поверхности внешней металлической обшивки аппарата. На поверхности токопроводящей пленки расположены датчики параметров турбулентных движений потока, сигналы от которых предназначены для управления механическими колебаниями пьезоактивного материала в фазе или противофазе относительно колебаний в пограничном слое. Слой пьезоактивного материала может быть выполнен из пьезокерамики. К направлению движения аппарата слой пьезоактивного материала на одних участках может быть поляризован под углом 135 градусов для парирования турбулентности и под углом 45 градусов на других участках для уменьшения влияния отрыва потока. Технический результат – повышение экономичности эксплуатации аппаратов. 2 з.п. ф-лы.

1. Устройство активного воздействия на пограничный слой около поверхности летательного аппарата или плавающего аппарата, содержащее слой активного материала, расположенный на поверхности внешней обшивки аппарата и предназначенный для генерирования механических колебаний, отличающееся тем, что оно снабжено токопроводящей пленкой, которая нанесена путем напыления или покраски поверх слоя пьезоактивного материала, расположенного на поверхности внешней металлической обшивки аппарата, при этом на поверхности токопроводящей пленки расположены датчики параметров турбулентных движений потока, сигналы от которых предназначены для управления механическими колебаниями пьезоактивного материала в фазе или противофазе относительно колебаний в пограничном слое.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой пьезоактивного материала выполнен из пьезокерамики.3. Устройство по п.1 или п.2, отличающееся тем, что к направлению движения аппарата слой пьезоактивного материала на одних участках поляризован под углом 135° для парирования турбулентности и под углом 45° к направлению движения аппарата на других участках для уменьшения влияния отрыва потока.