专利名称：用于垂直升降飞行器的翼状物、机舱和/或机身上的减阻的等离子体激励器的制作方法
技术领域：
03本发明涉及使用单介质阻挡放电等离子体激励器用于垂直 升降(VTOL)式空气动力学交通工具的翼状物、机抢和或机/身上的 减阻。
背景技术：
04飞行器可以包括下述的表面所述表面具有气流不能循着其 外形的区域。称为所述气流在所述区域从所述表面"分离(separate )"。 气流从表面分离可以导致飞行器的燃料消耗增加；航行速度和/或范围 以及承栽能力的减小和/或限制，例如，在象直升机一样垂直起飞然后 改变配置以象普通飞机一样飞行的飞机中，即在倾斜旋翼式飞机中， 在起飞期间气流从翼状物上的旋翼的分离导致对翼状物上升运动的 阻力，也称为向下负栽(download)，以及导致倾斜旋翼式飞机的承
栽能力以及工作范围的减小。图9m示出提升系数对迎角一用于包括根据本发明的等离 子体激励器的摆动机翼，所述激励器在非稳定模式下以第一强制频率 (forcing frequency)运行451图9n示出提升系数对迎角一用于包括根据本发明的等离 子体激励器的摆动机翼，所述激励器在非稳定模式下以第二强制频率
运行；图2e示出带有正弦的施加电压波形的等离子体激励器1的一个放电循环。如图中所示，在正运行半循环中放电比负运行
(negative-going)半循环中更加不规则。图2f以更精确的时间刻度 示出与图2e相同的数据。如图2f所示，由PMT观察到的每个光脉 冲对应于电流信号中的脉冲。然而，不是每一个电流脉冲对应一个光 脉冲。这是因为PMT仅仅观察等离子体激励器1的三分之一，而电 流监视器在整个放电期间测量电流。具有不在PMT视界内产生的放 电。当露出的电极5上的电压为负运行时，在等离子体激励器l的宽 度上放电相对均匀。当电压正进行(positive-going)时，放电不规则， 或者"不调和"。发电中的不均匀影响动量耦合至流动的效率，这将在 下文描述。
58图2g示出等离子体的"开放遮光器(open shutter)"视图(即 遮光器速度长于施加电压波形的周期)。图2g明显地示出等离子体 密度梯度，因为最靠近露出的电极5的边缘的等离子体最亮。然而， 图2 h示出作为等离子体和PMT之间插入的间隙的侧位置的函数的到 笫一光的相对时间。如图2h中所示，等离子体以恒定的比率在侧向 (即弦向)上增加。从而靠近露出的电极5的边缘的等离子体显得更 亮，因为其对于放电循环的较大部分反射，而不是因为具有较高的等 离子体密度。在图2h中还示出施加的电压越高则等离子体放电沿 着电介质7的表面扩展的更快，对于给定的电压，负运行半循环和正 运行半循环的等离子体放电的扩展速度也基本相同。对于两个上述半 循环，放电均在露出的电极7的边缘处开始，并且沿着电介质7的表 面扩展，尽管在放电的半循环之间等离子体的橫向(跨度方向)结构 上有差异，但是如图2e和2f所示，等离子体的侧向(弦向)范围和 发展基本上相同。由PMT看到的等离子体的光发射的表面情况在图 2i中示出。
59参见图3，等离子体激励器l可以模型化为电路。电容器C1 表示露出的电极5和虚拟电极13之间的电容，电容器C2表示虚拟电 极1和被盖住且被绝缘的电极7之间的电容.因为电极5和7偏置开， 所以包括电容C3——因为某些场线直接连接电极5和7。电容C3为电路中的附加位移电流提供了并行路径，但是并不影响放电。
601因为等离子体放电的弦向范围在放电期间改变，所以电容 C1和C2表示为可变的。为了此模型的目的，C1和C2的值可以看作 取决于施加的AC电压幅值的平均电容。等离子体表示为电阻Rl,因 为其是电路中的单耗散元件。在整个放电期间，等离子体不存在，从 而其表示为可变的值。当电容器C1上的电势差的绝对值超过阈值时， 发出等离子体并且电阻Rl从有效的无穷大、开路值变化到小的值。 当所述电势差的绝对值下降到低于另一阈值时，放电结束并且电阻 Rl返回到其开路值。AC电压11到等离子体激励器1的施加允许维 持所述放电。所述激励器的电路模型用于对流体流动中的激励器效应 进行模型化。所述电路模型还可以用于改善激励器的性能。
611由等离子体激励器1消耗的功率和等离子体放电的最大范围 作为所施加AC电压频率的函数分别在图4a和4b中示出。如同图3 的电路所模型化的，图4a和4b表明存在用于峰值等离子体功率的最 优频率。最优频率的存在允许減小被盖住且被绝缘的电极7的宽度。 例如，如图4a和4b所示，对于以6kHz施加的20kV的电压需要12mm 的宽度。然而，对于同样的20kV的电压，如果所述电压以20kHz施 加至6mm的电极，可以获得相同的等离子体功率放电。这允许将被 盖住且被绝缘的电极7的宽度减小50% ,即从12mm减小到6mm。 减小被盖住且被绝缘的电极7的宽度允许以阵列的形式更紧凑地将激 励器包袠至表面3。使用阵列的等离子体激励器提供线性附加效应。 然而，各等离子体激励器的尺寸直接相关于其产生的等离子体的量. 等离子体激励器的弦长度不能超过用于阵列中使用的激励器的等离 子体的最大范围，以防止重叠效应。
621如上所述，等离子体放电的空间结构是不对称的，为了确定 此不对称的效果，将彼此成镜像的两个不同的不对称电压波形施加至 等离子体激励器l.在一种情况下，具有大的正斜度和较小的负斜度 的正锯齿波形施加至等离子体激励器1。在另一种情况下，具有大的 负斜度和较小的正斜度的负锯齿波形施加至等离子体激励器1。正和负锯齿电压和电流波形分别在图5a和5b中示出。参见图9a,试验还在下列情况下进行机翼20摆动，即迎 角a变化。在那些试验中，端板22是半径20cm的圃。旋转轴24在 机翼的节距位置处附接至端板22的中心，所述节距位置对应于四分 之一弦位置，即x/c-0.25。伺服马达26用于摆动所述轴。控制器28 设置在伺服马达26内，尽管能够理解控制器28能够独立于伺服马达 26设置。两个编码器信号30、 32用于在机翼20的摆动循环期间确定 暂态的迎角ct。以稳定模式使用等离子体激励器显示对等离子体激励器关闭情况的改进。在摆动循环的上行部分期间，对于所有低于a = 20。 的角度，稳定等离子体激励器具有较高的提升系数。此外，所述稳定 等离子体激励器抑制动态漩涡以及与其相关的提升。这是显然的—— 从下面的事实可以看出等离子体激励器关闭时在22。处出现的快速 增加以及提升循环在最初下行部分中的所述"叶部，，减小。经过摆动循 环的最初下行部分以及对于下行部分的其余部分，对于稳定等离子体 激励器出现提升增加。图9n图示了提升系数与强制频率20Hz时迎角之间的关系， 此时迎角大小是机翼摆动周期4Hz的5倍,斯德鲁哈尔数St等于0.25。 20Hz强制频率每半个摆动周期激起2个涡流。St = 0.25非稳定模式下的分离区域内的涡流与St-l稳定模式下等离子体激励器的操作类似。
95与如图9m所示的80Hz强制频率相比，20Hz强制频率在振 动周期的整个下降部分产生更大的提升系数。在25。^c^l3。范围内， 最为显著。在振动周期下降部分的底端，机翼还保持大提升系数，大 提升系数持续至振动周期上升部分的第一部分。这些结果证明了装有 等离子体激励器的机翼，非稳定模式下运转比稳定模式或等离子体激 励器关闭或未安装等离子体激励器时性能得以改善。
96图9o-图9q的流动形象化示出压力系数20Hz时等离子体激 励器的非稳定运转。等离子体激励器非稳定激励的每个形象化，示出 机翼表面一系列3个周期性、良好限定、涡流状结构。如图9q所示， 等离子体激励器非稳定激励引起气流快速重新附着。参考图9n，这是 因为上述摆动周期下降部分底端的提升系数更大。
97等离子体激励器可在"智能"模式下运转，其中，"智能"模式 指等离子体激励器仅在部分摆动周期a = 15°+10 。sinot和k - 0.08下 运转，其中期待激励将改善提升循环。设置电路以使用编码器信号30， 32作为用于选择性地关闭或开启等离子体激励器的输入信号。在等离 子体激励器开启期间，等离子体激励器可在稳定或非稳定模式下运转。
[98根据本发明的一实施方式，等离子体激励器在机翼摆动周期 内的迎角3个范围内开启l)在上升部分期间，15。舀aS20。； 2)在上 升部分期间，23°^a^24。，经过迎角最大角；以及3)机翼摆动周期 下降部分期间，20°^a^8°,
99参考图9r，等离子体激励器运转的智能模式下，提升系数与 迎角关系引起机翼整个摆动周期的提升系数增加。在a願之后，给定 提升系数循环在图9g和9m中示出的叶状形状由较平滑的升力替代， 急剧延迟随着较小的滞后而减小。在摆动循环的上行部分期间最大提 升系数在较大的迎角处不再损失一如同在等离子体激励器以稳定 或非稳定模式运行期间那样，动态延迟漩涡被抑制。100图9s -图9u的流动形象化示出等离子体激励器关闭、稳 定模式下运转，和智能模式下运转的气流情形。
[101尽管本发明结合各种各样飞行器和表面描述，但是应注意 到本发明不限于此。例如根据本发明的等离子体激励器可在例如机身 的其它表面上使用，或在诸如动力涡轮机的非飞行器应用中使用。
权利要求
1.一种飞行器，包含气流在其上经过的表面；以及被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。
2. 如权利要求1所迷的飞行器，其中所述等离子体激励器包含 电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围空气的第一电 极；由所迷电介质的第二侧盖住的第二电极；以及连接在所述第一和 第二电极之间的交流电压源。
3. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述电介质是聚酰亚胺带。
4. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述电介质是陶瓷。
5. 如权利要求2所迷的飞行器，其中所迷第一和笫二电极中的每 一个是铜箔。
6. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述第一和第二电极的边缘 重叠。
7. 如权利要求l所述的飞行器，其中所述表面设置在机翼上。
8. 如权利要求7所述的飞行器，其中所迷飞行器是倾斜旋翼式飞 行器，并且所述机翼是翼状物。
9. 如权利要求8所述的飞行器，其中所迷翼状物包含第一部分和 第二部分，所述笫二部分能够相对于所述第一部分枢转，并且所迷等离子体激励器设置在所述第二部分上。
10. 如权利要求7所述的飞行器，其中所述飞行器是直升飞机， 并且所述机翼是旋翼。
11. 如权利要求1所述的飞行器，其中所述表面设置在所述飞行 器的机身上。
12. 如权利要求1所述的飞行器，其中所述表面设置在所述飞行 器的机抢上。
13. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为 以稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加电压。
14. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为 以非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加电压。
15. 如权利要求2所述的飞行器，其中所述交流电压源被配置为 以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间选择性地 施加电压.
16. 如权利要求7所述的飞行器，其中所述等离子体激励器被配 置为在所述机翼的基本上整个跨度尺寸上产生等离子体，
17. 如权利要求7所述的飞行器，其中所述等离子体激励器设置 在所述机翼的前导边缘上。
18. 如权利要求1所述的飞行器，其中向所述表面设置多个等离 子体激励器。
19. 如权利要求l5所述的飞行器，其中选择所述非稳定频率以使 得斯德鲁哈尔数基本上一致。
20. —种减小气流从飞行器的表面的分离的方法，包括 在没有等离子体存在的情况下所述气流会从所述表面分离的位置处，在所述表面周围的空气中产生等离子体。
21. 如权利要求20所述的方法，其中所迷等离子体由等离子体激 励器产生，所述等离子体激励器包括电介质；位于所述电介质的第 一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖 住的第二电极；以及连接在所述第一和第二电极之间的交流电压源， 所述方法进一步包括以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加 交: 充电压。
22. 如权利要求20所述的方法，其中所述等离子体由等离子体激 励器产生，所述等离子体激励器包括电介质；位于所述电介质的第 一侧上且暴露于所述周围空气的第一电极；由所述电介质的第二侧盖 住的第二电极；以及连接在所述第一和笫二电极之间的交流电压源， 所述方法进一步包括摆动所述表面；以及以稳定的频率或非稳定的频率在所述第一和第二电极之间施加 交流电压.
23. 如权利要求22所述的方法，其中在所述表面的所述摆动期间 选择性地施加所述交流电压。
24. 如权利要求21所述的方法，其中选择所述非稳定频率以使得斯德鲁哈尔数基本上一致。
25. —种空气动力学结构，包括 表面；以及被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述 等离子体激励器包含电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于 周围空气的第一电极；以及由所述电介质的第二侧盖住的第二电极。
26. —种空气动力学结构，包括 表面，气流在其上经过；以及被配置为在所述表面上方产生等离子体的等离子体激励器，所述 等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流 从所述表面的分离。
27. 如权利要求26所述的空气动力学结构，其中所述等离子体 激励器包含电介质；位于所述电介质的第一侧上且暴露于所述周围 空气的第一电极；由所述电介质的笫二侧盖住的第二电极；以及连接 在所述笫一和第二电极之间的交流电压源。
全文摘要
一种飞行器，包含气流在其上经过的表面。等离子体激励器被配置为在所述表面上方产生等离子体，所述等离子体将定向的动量耦合至所述表面周围的空气，以减小所述气流从所述表面的分离。一种减小气流从飞行器的表面的分离的方法，包括在没有等离子体存在的情况下所述气流会从所述表面分离的位置处，在所述表面周围的空气中产生等离子体。
文档编号B64C21/00GK101296842SQ200680038706
公开日2008年10月29日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年10月17日
发明者M·波斯特, T·C·科克, T·伍德 申请人:贝尔直升机特克斯特龙有限公司