СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И УМЕНЬШЕНИЯ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B64C21/02 B62D35/00 

Настоящее изобретение относится к способу увеличения подъемной силы аэродинамической поверхности летательного аппарата и уменьшения лобового сопротивления аэродинамической поверхности наземного транспортного средства. Изобретение было создано для применения, в частности, для крыльев летательного аппарата, как станет ясным из нижеприведенного описания, но изобретение также может быть использовано для повышения аэродинамического качества летательного аппарата в целом или аэродинамического качества наземного транспортного средства.

При взлете и посадке от современного летательного аппарата требуется способность создавать увеличенную подъемную силу, другими словами, возможность увеличения нормальной несущей способности крыльев для удерживания летательного аппарата, летящего на уменьшенной скорости, при которой они работают в данных условиях. Данный эффект, как правило, обеспечивают посредством отклонения закрылков вниз.

В прошлом было предложено обеспечить втягивание воздуха под высоким давлением из реактивного двигателя и выдувание его со сверхзвуковой скоростью на верхние поверхности закрылков по каналу, проходящему вдоль заднего края неподвижной части крыла, для повышения эффективности устройств, создающих увеличенную подъемную силу, в истребителе. Подача энергии, обеспечиваемая данной струей воздуха, замедляет потерю разрежения, которая возникает на верхних поверхностях закрылков, когда уменьшенная скорость полета вызывает тенденцию отрыва воздушного потока, обтекающего крыло, от крыла, что приводит к потере подъемной силы.

Использование данного способа, применяемого в прошлом, невозможно в более современном летательном аппарате, в частности в гражданском летательном аппарате, реактивные двигатели которого не могут обеспечить подачу требуемого количества воздуха под давлением. Данное ограничение обязательно присуще способу, поскольку он требует использования скорости выдувания, существенно превышающей скорость звука, что требует очень больших количеств воздуха, особенно вследствие того, что площадь крыла современного летательного аппарата, независимо от того, является ли оно военным или гражданским, является очень большой. В любом случае воздушный поток, создаваемый таким образом, будет недостаточным для большого летательного аппарата.

В качестве альтернативы сжатый воздух может подаваться соответствующим компрессором, но это повлечет за собой неприемлемое увеличение затрат, веса и потребления энергии.

Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить значительно усовершенствованный способ, который может быть использован не только для увеличения подъемной силы аэродинамической поверхности летательного аппарата, но также для уменьшения лобового сопротивления наземного транспортного средства.

Эта и другие цели и преимущества, которые станут более ясными ниже, достигаются в соответствии с изобретением посредством способа по пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с другим аспектом изобретения предложено крыло летательного аппарата по пункту 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В нескольких словах струю воздуха продвигают на верхнюю поверхность закрылка для увеличения его подъемной силы. В соответствии с изобретением, по меньшей мере, часть воздуха в данной струе отбирается через воздухозаборники из воздушного потока, обтекающего верхнюю поверхность неподвижной части крыла, выше по потоку до закрылка. Данная струя также используется для всасывания потоков текучей среды выше по потоку до нагнетательной трубы. В предпочтительном и наиболее эффективном варианте осуществления изобретения воздушная струя, отбираемая за счет всасывания из воздухозаборников, используется для усиления воздействия струи сжатого воздуха, выдуваемого по нагнетательному каналу, который открыт над верхней поверхностью неподвижной части крыла, непосредственно ниже по потоку за всасывающими воздухозаборниками. Это обеспечивает создание комбинированной струи, содержащей всосанный воздух и выдуваемую струю, которая направляется к выпускным отверстиям, расположенным на заднем крае неподвижной части крыла, и эжектируется на верхнюю поверхность закрылка.

Далее будет описан предпочтительный, но неограничивающий вариант осуществления изобретения. Делается ссылка на приложенные чертежи, в которых:

- фиг.1 представляет собой сечение, которое схематически иллюстрирует способ в соответствии с изобретением;

- фиг.2 представляет собой выполненный в разрезе вид в перспективе задней части крыла летательного аппарата в соответствии с изобретением;

- фиг.3 представляет собой вид в плане сверху, выполненный в направлении стрелки III на фиг.2;

- фиг.4 представляет собой вид в вертикальном сечении вдоль линии IV на фиг.3;

- фиг.5 и 6 представляют собой схематические виды в вертикальном разрезе обычного приводного устройства для закрылка крыла летательного аппарата;

- фиг.7-10 представляют собой схематические виды в вертикальном разрезе приводного устройства для закрылка, которое может быть использовано в соответствии с изобретением.

Сначала делается ссылка на фиг.1, которая представляет собой схематическое изображение фундаментального принципа настоящего изобретения. S - это поверхность твердого тела, которое движется относительно жидкой или газообразной среды, в которую тело погружено. Слои текучей среды, наиболее близкие к поверхности тела, называются потоками текучей среды, обозначенными FF. Характеристики потоков текучей среды определяют «развитие» сил, действующих на движущееся тело. В частности, потоки текучей среды создают силу, которая противодействует движению тела вперед в текучей среде, при этом данная сила называется силой лобового сопротивления, и, если тело имеет соответствующую форму, такую как форма крыльев летательного аппарата, создают силу, перпендикулярную направлению движения объекта вперед, называемую подъемной силой. В то время как сила лобового сопротивления противодействует движению транспортных средств, летательных аппаратов и кораблей, подъемная сила главным образом действует на летательный аппарат и паруса кораблей. В определенных условиях потоки текучей среды имеют тенденцию отрыва от поверхности, которую они обтекают; в подобном случае сила лобового сопротивления значительно увеличивается и способность к созданию подъемной силы крыльев и парусов сильно ухудшается. Изобретение обеспечивает возможность управления потоками текучей среды, находящимися в контакте с твердой стенкой движущегося тела, в результате чего снижается возможность их отрыва от поверхностей и, следовательно, увеличивается способность к созданию того, что известно как подъемная сила, и уменьшается сила лобового сопротивления. Управление потоками текучей среды обеспечивается посредством комбинированного эффекта всасывания потоков текучей среды под поверхностью S движущегося тела (посредством всасывающего канала СА, или отверстия, или перфорированной поверхности, или воздухозаборника типа NACA, как описано ниже) и одновременного наличия выдуваемой струи GS текучей среды ниже по потоку за местом всасывания, проходящей параллельно поверхности твердого тела.

Всасывающий канал СА обеспечивает возможность входа потоков текучей среды в эжекционный канал или канал СЕ, который проходит перпендикулярно направлению потоков текучей среды. Эжекционный канал сообщается с наружной стороной посредством нагнетательного канала CS. Предпочтительно выдуваемая струя GS (воздуха или любой текучей среды), имеющая скорость, превышающую скорость потоков текучей среды, вдувается в эжекционный канал так, что она выходит из нагнетательного канала. Из-за трения выдуваемая струя GS втягивает потоки текучей среды по всасывающему каналу и несет их вместе с собой по нагнетательному каналу. Таким образом, конечная выдуваемая струя выходит из нагнетательного канала и обтекает поверхность S для подачи энергии потокам текучей среды ниже по потоку за нагнетательным каналом.

Далее рассматриваются фиг.2-4, на которых видно, что крыло летательного аппарата содержит основную неподвижную часть 10 крыла с верхней панелью 11 и закрылок 20, шарнирно присоединенный к задней части неподвижной части 10 крыла вдоль поперечного вала 21. Во всем настоящем описании и формуле изобретения термины и выражения, обозначающие положения и ориентации, такие как «задний» или «поперечный», рассматриваются как относящиеся к направлению движения летательного аппарата или транспортного средства вперед и к состоянию, в котором устройство установлено на нем.

Канал 30 для сжатого воздуха, отбираемого из одной из ступеней низкого давления компрессора (непоказанного) и/или из обходного канала (непоказанного) турбовентиляторного реактивного двигателя, образован в неподвижной части 10 крыла, на определенном расстоянии от заднего концевого края крыла. Канал 30 проходит в поперечном направлении вдоль крыла и предпочтительно имеет поперечное сечение в форме капли, с двумя стенками 31 и 32, которые сходятся к задней части для образования узкой задней щели 33, которая удлинена в поперечном направлении и действует как эжекторное сопло, как разъяснено ниже. Эжекторное сопло 33 открыто непосредственно над промежуточной панелью 12, которая расположена под верхней панелью 11 и отделена от нее.

Между панелями 11 и 12 образовано пространство 42, которое заканчивается в задней части удлиненным в поперечном направлении, узким выпускным отверстием 44, которое образовано задними краями 13 и 14 панелей 11 и 12. Предпочтительно панели 11 и 12 сходятся по направлению к задней части, что вызывает сведение пространства 42 на конус в вертикальном направлении к задней части для увеличения ускорения воздушной струи, которая выходит из отверстия 44.

Множество воздухозаборников 41, разнесенных друг от друга в поперечном направлении с заданными интервалами, образовано в верхней панели 11. Воздухозаборники 41 образованы непосредственно выше по потоку перед эжекторным соплом 33. В предпочтительном варианте осуществления, показанном на чертежах, воздухозаборники 41 представляют собой воздухозаборники известного типа, называемого “NACA”, имеющие колоколообразный профиль, как показано на фиг.3. Альтернативно, в менее предпочтительных вариантах осуществления (непоказанных) воздухозаборники 41 могут представлять собой, например, щелевые отверстия или отверстия разных форм. Воздухозаборники типа NACA являются предпочтительными вследствие их способности захватывать и всасывать значительное количество воздуха, создавая пренебрежимо малые потери на лобовое сопротивление.

Функционирование крыла, показанного на фиг.2-4, таково. Сжатый воздух, продвигаемый со скоростью звука по каналу 30, ускоряется между сходящимися частями 31 и 32 и выходит с высокой скоростью из эжекторного сопла 33, в результате чего воздушную струю, называемую здесь «выдуваемой» (“blown”) струей, нагнетают в пространство 42. Вследствие того, что называют эффектом эжектора, данная струя, выдуваемая с высокой скоростью, втягивает больше воздуха через воздухозаборники 41 типа NACA. Следовательно, весь воздух, нагнетаемый в пространство 42, частично происходит из струи, выдуваемой из эжекторного сопла 33, и частично из всасывания через воздухозаборники 41 типа NACA из граничного слоя потока, проходящего вдоль верхней поверхности панели 11 выше по потоку перед данными воздухозаборниками. Это создает комбинированную струю сжатого воздуха (выдуваемого и всасываемого), которую эжектируют из выпускного отверстия 44 на верхней поверхности 22 закрылка. Эта комбинированная струя противодействует отрыву текучих сред от верхней поверхности закрылка и, следовательно, компенсирует потерю разрежения и, следовательно, подъемной силы, обусловленную низкой относительной скоростью потока, обтекающего крыло во время взлета и посадки.

Проверки методом имитационного моделирования, проведенные заявителем, продемонстрировали, что даже при отсутствии струи сжатого воздуха, проходящей по каналу 30, имеется некоторая степень увеличения подъемной силы, даже если она ограничена, только благодаря всасыванию через отверстия типа NACA. Данные отверстия всегда обеспечивают всасывание в граничном слое от верхней поверхности крыла, в результате чего обеспечивается минимальное увеличение подъемной силы, даже если имеет место отказ двигателя.

Увеличенная подъемная сила также оказывает благоприятное воздействие, заключающееся в обеспечении возможности упрощения приводного механизма закрылков и обеспечении возможности уменьшения размеров закрылка и обтекателя, предназначенного для размещения приводного механизма, как можно видеть при сравнении фиг.5 и 6 с фиг.7-10. Закрылок обычного типа (фиг.5 и 6) приводится в действие посредством довольно сложного механизма, который сообщает закрылку комбинированное вращательное и поступательное движение. В соответствии с изобретением, вследствие увеличенной подъемной силы, создаваемой посредством конфигурации, описанной выше, существует возможность создания более короткого закрылка 20, который предпочтительно просто шарнирно соединен с неподвижной частью крыла (фиг.7-10). Предусмотрен гидравлический силовой цилиндр 45 для обеспечения поворота торсионного вала 21 посредством рычага 46 для приведения в действие закрылка. Это обеспечивает уменьшение веса и стоимости, и размеров обтекателя (непоказанного), в котором содержится приводной механизм, в результате чего обеспечивается меньшее аэродинамическое сопротивление движению транспортного средства вперед.

Если вернуться к фиг.2 и 4, можно отметить, что, когда закрылок 20 поднят для полета с крейсерской скоростью, верхний задний край 23 закрылка перекрывает выход 44 комбинированной струи сжатого, вдуваемого и всасываемого воздуха. Для предотвращения закупоривания воздухозаборников 41 и пространства 42 грязью во время полета, когда выход 44 перекрыт, предпочтительно предусмотреть крышку 47, шарнирно присоединенную под верхней панелью 11 в месте, обозначенном ссылочной позицией 48, для закрытия воздухозаборников 41, когда увеличенная подъемная сила не требуется. Движения подъема и опускания крышки 47, которые соответствуют соответственно закрытию и открытию воздухозаборников 41, предпочтительно могут быть скоординированы или могут выполняться одновременно с движениями подъема и опускания закрылков.

Изобретение может быть применено с обеспечением особых преимуществ для реактивного летательного аппарата с мощными двухконтурными двигателями любого типа независимо от того, является ли оно гражданским или военным, которые требуют способности к созданию увеличенной подъемной силы. Изобретение может быть особенно предпочтительным в сверхзвуковом летательном аппарате, имеющем очень тонкие крылья, в которых использование обычных поверхностей с увеличенной подъемной силой очень ограничено.

Как указано выше, изобретение обеспечивает возможность предотвращения отрыва потоков текучей среды от задней поверхности, на которую эжектируют дополнительную воздушную струю. Одним эффектом этого является уменьшение лобового сопротивления. Данный эффект обеспечивает возможность использования изобретения также для наземных транспортных средств для уменьшения их аэродинамического сопротивления.

Следует понимать, что изобретение не ограничено вариантом осуществления, описанным и проиллюстрированным здесь, который следует рассматривать как пример варианта осуществления; изобретение применимо для любой текучей среды (газообразной или жидкой) и может быть модифицировано в отношении формы и расположения частей и деталей конструкции и в отношении их функционирования. Например, воздухозаборники 41 могут быть образованы в дополнительной панели (непоказанной), закрепленной над верхней панелью 11 крыла.

Группа изобретений относится к области аэродинамики. Способ характеризуется тем, что струя воздуха продвигается на верхнюю поверхность (22) закрылка (20). Часть воздуха в воздушной струе отбирается через воздухозаборники (41) из воздушного потока, обтекающего верхнюю поверхность (11) неподвижной части (10) крыла, расположенной перед закрылком выше по потоку. Воздушная струя, отбираемая за счет всасывания посредством воздухозаборников (41), усиливается струей сжатого воздуха, выдуваемого по каналу (30), который открыт непосредственно за воздухозаборниками (41) ниже по потоку. При этом комбинированную струю, содержащую всосанный воздух и выдуваемую струю, эжектируют на верхнюю поверхность (22) закрылка через выпускные отверстия (44), размещенные на заднем крае неподвижной части крыла. Крыло летательного аппарата выполнено с возможностью реализации способа. Группа изобретений направлена на увеличение подъемной силы или уменьшение аэродинамического сопротивления. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ увеличения подъемной силы аэродинамической поверхности (22) летательного аппарата или уменьшения аэродинамического сопротивления наземного транспортного средства,
в котором поверхность (22) представляет собой вторую поверхность, расположенную ниже по потоку за первой поверхностью (11) удлиненной в поперечном направлении панели, размещенной выше по потоку относительно направления воздушного потока, обтекающего первую поверхность по направлению ко второй поверхности,
при этом способ включает в себя этап направления дополнительной воздушной струи на вторую поверхность (22) в направлении, по существу, идентичном направлению указанного воздушного потока,
причем, по меньшей мере, часть дополнительной воздушной струи всасывается посредством воздушного потока, который обтекает первую поверхность (11),
отличающийся тем, что указанную часть дополнительной воздушной струи отбирают через множество воздухозаборников (41), образованных в первой поверхности (11) удлиненной в поперечном направлении панели, причем воздухозаборники (41) образованы в панели и разнесены друг от друга в поперечном направлении с заданными интервалами и выполнены с возможностью захватывать и всасывать значительное количество воздуха из потока, который обтекает первую поверхность (11).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздушную струю под давлением продвигают с высокой скоростью рядом с воздухозаборниками (41) или непосредственно ниже по потоку за воздухозаборниками (41), которые могут захватывать воздух из потока, который обтекает первую поверхность (11), в результате чего воздушная струя под давлением отбирает воздух из наружного пространства через воздухозаборники (41).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что
- сжатый воздух отбирают в летательном аппарате с реактивным двигателем из одной из ступеней низкого давления компрессора и/или из обходного канала (30) реактивного двигателя,
- и отбираемый таким образом сжатый воздух нагнетается в канал, имеющий сходящиеся внутренние стенки (31, 32), таким образом, что сжатый воздух ускоряется по направлению к, по меньшей мере, одному эжекторному отверстию или соплу (33), расположенному рядом с воздухозаборниками (41) или непосредственно ниже по потоку за воздухозаборниками (41), в результате чего создается воздушная струя под давлением, которая отбирает воздух из наружного пространства через воздухозаборники (41).

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздух под давлением продвигают со скоростью звука.

5. Крыло летательного аппарата, содержащее основную неподвижную часть (10) крыла с верхней поверхностью (11) и, по меньшей мере, один подвижный задний закрылок (20) с верхней поверхностью (22), содержащее
средства для продвижения дополнительной воздушной струи на верхнюю поверхность (22) закрылка в направлении, по существу, идентичном направлению воздушного потока, обтекающего верхнюю поверхность (11) неподвижной части крыла,
удлиненную в поперечном направлении панель (11), которая образует, по меньшей мере, часть верхней поверхности неподвижной части (10) крыла и которая простирается до зоны вблизи заднего концевого края (13) верхней поверхности неподвижной части крыла,
воздухозаборные средства, распределенные в поперечном направлении вдоль верхней поверхности неподвижной части крыла, причем воздухозаборные средства содержат множество отверстий или воздухозаборников (41), образованных в удлиненной в поперечном направлении панели и разнесенных друг от друга в поперечном направлении с заданными интервалами, воздухозаборники выполнены с возможностью захватывать и всасывать значительное количество воздуха из потока, который обтекает верхнюю поверхность неподвижной части крыла,
одно или несколько задних выпускных отверстий (44), размещенных рядом с зонами (13) заднего края неподвижной части (10) крыла для приема воздуха, захваченного воздухозаборниками (41), и
эжектирования воздушных струй через выпускные отверстия (44) на верхнюю поверхность (22), по меньшей мере, одного закрылка (20).

6. Крыло летательного аппарата по п.5, отличающееся тем, что воздухозаборники (41) представляют собой воздухозаборники типа NACA, имеющие колоколообразный профиль, более широкая часть которого направлена к задней части.

7. Крыло летательного аппарата по п.5, отличающееся тем, что закрылок (20) имеет передний верхний край (23), который может перекрывать выпускные отверстия (44), когда закрылок поднят в полетное положение, в котором верхние поверхности (11) неподвижной части (10) крыла и закрылка (20), по существу, компланарны.

8. Крыло летательного аппарата по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит подвижные закрывающие средства (47), связанные с воздухозаборниками (41) для закрытия или открытия воздухозаборников.

9. Крыло летательного аппарата по п.5, отличающееся тем, что оно содержит канал (30) для воздуха под давлением, который проходит в поперечном направлении вдоль крыла и имеет одно или несколько обращенных назад эжекторных сопел (33), которые открываются рядом с или непосредственно ниже по потоку за воздухозаборниками (41).

10. Крыло летательного аппарата по п.9, отличающееся тем, что указанные одно или несколько эжекторных сопел (33) выполнены в форме одного или нескольких удлиненных в поперечном направлении узких щелевых отверстий.

11. Крыло летательного аппарата по п.9, отличающееся тем, что канал (30) имеет внутренние стенки (31, 32), которые сходятся по направлению к задней части и к указанным одному или нескольким эжекторным соплам (33).