设置有横向气流控制系统的空气动力学元件的制作方法

本发明涉及一种用于飞行器的空气动力学元件，该空气动力学元件包括气流电离系统和用于控制已电离的气流的流动的系统。

背景技术：

尽管不是排他性地，但是所述空气动力学元件可以对应于飞行器(例如运输飞机)的机翼。如下文所指定的，空气动力学元件也可以是飞行器的另一空气动力学元件(或表面)(尾翼单元、襟翼等)。

特别是在飞行器的所谓层流机翼(也就是说，可以在相当长的距离上保持层流的机翼)的情况下，众所周知，通常机翼的掠角不可能增大超过20°(在机翼的前缘处)。

实际上，在前缘处的机翼掠角超过20°会产生横向气流的不稳定性，特别是对于其中在机翼的翼弦的长部分上压力梯度保持较低、即小于或等于0的层流机翼。这种横向气流不稳定性是增大机翼掠角的主要限制。这种现象由沿翼展出现横向气流并伴随有沿翼展移动的涡流来表征。这阻止了层流的维持。现在，掠角的增大将有可能提高飞行器的巡航飞行速度，而不增加阻力和燃料消耗。

本发明的目的是改善飞行器的空气动力学元件(比如机翼)上的流动条件，以便特别是在层流型机翼的情况下即使机翼具有高的掠角仍显著地防止出现横向气流不稳定性。

技术实现要素：

为此，本发明涉及一种空气动力学元件，所述空气动力学元件包括第一面和与所述第一面相反的第二面，气流在所述第一面上流动。

根据本发明，所述空气动力学元件包括电离系统和控制系统，所述电离系统被配置为使在所述第一面上传播的所述气流电离，所述控制系统被配置为产生能够改变被所述电离系统电离的所述气流的流动的至少一个电磁力，所述至少一个电磁力中的每一个电磁力由与磁场相关联的电流产生。

因此，通过本发明，获得了能够产生一个或多个电磁力并且使气流的流动对这个电磁力或这些电磁力敏感的空气动力学元件。此外，如下所指定的，所产生的一个或多个电磁力沿与横向气流相反的方向定向。因此，可以减少气流的流动不稳定性，这有助于改善空气动力学元件上的层流流动条件。

有利地，所述控制系统包括：

-彼此平行地布置在所述第一面上的电流传导元件系列，所述传导元件中的每一个传导元件表示阴极或阳极，所述传导元件系列形成交替的阴极和阳极，所述传导元件系列被配置为使得多个电流循环，所述电流中的每一个电流从阴极循环到相邻的阳极；以及

-彼此平行地布置在所述第二面上的磁性元件系列，所述磁性元件系列被配置为在所谓的径向于两个相继的磁性元件之间的每个界面的方向上产生磁场，所述一系列磁场由交替的朝向所述第一面定向的磁场和朝向所述第二面定向的磁场形成。

此外，在第一实施例中，所述磁性元件中的每一个磁性元件是形成为两个部分的磁体，每个部分与北极或南极相关联，通过使两个相邻磁体的与相同极相关联的部分接触来径向产生每个磁场，如果相接触的所述部分与北极相关联，则磁场朝向所述第一面定向，或者如果相接触的所述部分与南极相关联，则所述磁场朝向所述第二面定向。

优选地，在此第一实施例中，所述磁体中的每一个磁体由以下材料之一产生：钐钴、钕铁硼。

此外，在第二实施例中，所述磁性元件中的每一个磁性元件是布置在填充有氮的护套中的超导体。

此外，有利地，所述电离系统包括电磁波发生器和布置在所述第一面与所述第二面之间的多个波导，所述波导中的每一个波导被配置为传播由所述电磁波发生器产生的电磁波，所述波导中的每一个波导设置有多个孔，所述孔中的每一个孔被配置为扩散所述电磁波的一部分，通过所述孔中的每一个孔扩散的所述电磁波的所述部分使在所述第一面上流动的所述气流电离。

此外，有利地，所述空气动力学元件包括介电材料。

优选地，所述介电材料是以下材料之一：聚合物材料、有机硅或陶瓷材料。

本发明还涉及一种飞行器、特别是运输飞机，所述飞行器包括如上所述的至少一个空气动力学元件。

附图说明

附图将给出对可以如何产生本发明的良好理解。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元件。

[图1]图1是应用本发明的飞行器的示意性透视图。

[图2]图2示意性地展示了飞行器的机翼的一部分，根据本发明的特定实施例的空气动力学元件可以布置在该部分中。

[图3]图3是根据本发明的特定实施例的空气动力学元件的一部分的透视图。

[图4a]图4a表示根据本发明的特定实施例的空气动力学元件的电离系统和控制系统的第一透视图。

[图4b]图4b表示根据本发明的特定实施例的空气动力学元件的电离系统和控制系统的第二透视图。

[图4c]图4c表示根据本发明的特定实施例的空气动力学元件的电离系统和控制系统的第三透视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了飞行器ac、特别是运输飞机，该飞行器设置有比如图3所表示的至少一个空气动力元件1(未具体示出)。

在本发明的上下文中，空气动力学元件1可以对应于飞行器的以下元件之一的至少一部分：

-机翼2、3；

-垂直尾翼单元4；

-水平尾翼单元5、6；

-机身7的一部分；

-发动机10、11的短舱8、9；或者

-襟翼(未表示)。

通过(非限制性)说明，在说明书的其余部分中考虑的空气动力学元件1对应于飞行器ac的机翼2、3之一的一部分(或区段)。在图2表示的实例中，空气动力学元件1沿所谓的横向轴线w-w布置。

掠角大于20°的机翼产生气流流动不稳定性。如图1和图2所表示的，气流24然后包括沿箭头g的方向从前缘25流向后缘26的层流气流24a和在横向方向上沿箭头h的方向沿横向轴线w-w流动的横向气流24b。

如图3所表示的，空气动力学元件1设置有第一面(称为顶面12)和第二面(称为底面13)，气流24在第一面上流动。作为实例，空气动力学元件1在顶面12和底面13之间的厚度约为10毫米。

在本发明的上下文中，形容词“底”和“顶”是根据相对于横向轴线w-w的径向方向分别朝向空气动力学元件1的内部和朝向空气动力学元件1的外部定义的。

根据本发明，空气动力学元件1包括电离系统14和控制系统15，该电离系统被配置为使在顶面12上流动的气流24电离，该控制系统被配置为产生沿与箭头h相反的方向的一个或多个电磁力f(图2)。这个或这些电磁力f能够改变被电离系统14电离的气流24的流动。电磁力f由与磁场相关联的电流产生。

在优选实施例中，如图3所表示的，控制系统15包括电流传导元件16a(以下称为“传导元件”)系列16，该电流传导元件系列被配置为使电流j1、j2循环(图4a)。

如图3所表示的，这些传导元件16a是在横向方向上呈长形形状的金属板。作为实例，在机翼2、3的情况下，每个传导元件16a(在横向方向上)的长度可以表示飞行器ac的机翼2、3的前缘25的总长度。此外，传导元件16a系列16可以(在纵向方向上)在一定距离上延伸，该距离可以表示飞行器ac的机翼2、3的前缘25与后缘26之间的距离的最高达20％。

而且，传导元件16a在纵向方向上彼此平行地布置在空气动力学元件1的顶面12上。如图4a所表示的，传导元件16a彼此间隔开某一间隔17。作为实例，间隔17在1毫米和5毫米之间。每个传导元件16a的宽度在1毫米和5毫米之间。

在优选实施例中，如图4a所表示的，每个传导元件16a是阴极c或阳极a。传导元件16a布置为形成交替的阴极c和阳极a。

此外，每个传导元件16a如果是阴极c则连接到负极端子，或者如果是阳极a则连接到直流电流发生器(未表示)的正极端子。在特定实施例中，此直流电流发生器对应于飞行器ac的发动机10、11所配备的电流发生器。直流电流发生器使每个阴极c和与其相邻的每个阳极a经受电压。此电压产生电流j1、j2，该电流从阴极c循环到相邻的阳极a，如图4a所表示的。作为实例，电压具有数千伏的量级。

如图4a所表示的，沿箭头g的方向的阴极c和阳极a系列使得电流j2在纵向方向上沿箭头g的方向循环。沿箭头g的方向的阳极a和阴极c系列使得电流j1在纵向方向上沿与箭头g相反的方向循环。

因此，传导元件16a系列16被配置为使电流j1、j2交替地沿相反方向循环。

此外，控制系统15还包括磁性元件18a系列18。如图3和图4b所表示的，磁性元件18a在横向方向上呈长形形状。磁性元件18a在纵向方向上彼此平行地布置在底面13上。此外，磁性元件18a彼此接触。每个磁性元件18a在径向方向上位于传导元件16a之下。磁性元件18a(在纵向方向上)的宽度大于传导元件16a的宽度，使得相接触的两个磁性元件18a之间的界面19位于两个传导元件16a之间的间隔17的下方。

相继的磁性元件18a被配置为在径向于两个磁性元件18a之间的每个界面19的方向上产生磁场b1、b2。在纵向方向上的一系列磁场b1、b2对应于交替的朝向顶面12定向的磁场b1和朝向底面13定向的磁场b2。

因此，与磁性元件18a系列18相关联的传导元件16a系列16产生电磁力f，该电磁力f在与根据箭头h的横向气流24b的流动相反的方向上横向地定向。

在第一优选实施例中，磁性元件18a是设置有北极n和南极s的磁体23。作为实例，这些磁体23由钐钴合金产生。这些磁体也可以由钕铁硼合金产生。

另外，如图4b所表示的，每个磁体23由前部和后部形成。每个极n、s对应于磁体的前部或后部。

在本发明的上下文中，相对于空气动力学元件1，形容词“前”和“后”是在纵向方向上分别沿箭头g的方向和沿与箭头g的方向相反的方向定义的。

如图4b所表示的，布置在阴极c之下的磁体23由在其后部的北极n和在其前部的南极s形成。布置在阳极a之下的磁体23由在其后部的南极s和在其前部的北极n形成。

另外，这些磁体23在纵向方向上彼此平行地布置，使得一个磁体23的设置有南极s(或北极n)的前部与一个磁体23的设置有南极s(或北极n)的后部接触。磁体23的前部与相邻磁体23的后部(设置有相同极n、s)的接触在磁体23之间的界面19处产生沿径向方向的磁场b1、b2。如图4b所表示的，如果相接触的部分与北极n相关联，则在界面19处产生的磁场b1朝向顶面12定向。如果相接触的部分与南极s相关联，则在界面处产生的磁场b2朝向底面13定向。两个磁体23之间的界面19位于两个传导元件16a之间的间隔17之下。因此，产生的每个磁场b1、b2无论其取向如何都径向地横过两个传导元件16a之间的间隔17。

如图4c所表示的，朝向顶面12径向定向的磁场b1与在间隔17中沿与箭头g的方向相反的方向循环的电流j1相关联，该电流产生沿与箭头h的方向相反的方向定向的电磁力f。

朝向底面13径向定向的磁场b2与在间隔17中沿箭头g的方向循环的电流j2相关联，该电流产生沿与箭头h的方向相反的方向定向的电磁力f。

在变型中，磁性元件18a由高临界温度超导材料(未表示)产生。这些高临界温度超导材料(下文称为“超导体”)在其温度低于临界温度时表现出特定的磁性特性。作为实例，铜酸盐型超导体的临界温度约为-135摄氏度。

超导体在横向方向上呈长形形状，并且布置在护套(未表示)中。每个护套填充有液氮，以使超导体保持在低于其临界温度的温度。超导体在低于其临界温度的温度下能够在两个护套之间的每个界面处产生交替的朝向顶面12定向的磁场b1和朝向底面13定向的磁场b2。

在优选实施例中，电离系统14包括电磁波发生器(未表示)。作为实例，由电磁波发生器产生的电磁波是微波。这些微波的频率约为2.45吉赫。

此外，电离系统14还包括多个波导20，该多个波导被配置为在横向方向上传播由电磁波发生器产生的电磁波。这些波导20由在横向方向上长形的并且在纵向方向上彼此平行地布置的管形成。在优选实施例中，波导20具有矩形截面，如图4c所表示的。在变型中，波导具有方形截面。

此外，每个波导20布置在传导元件16a与磁性元件18a之间。每个波导20在纵向方向上的宽度基本上等于传导元件16a的宽度。

在优选实施例中，波导20设置有多个孔21。孔21(在横向方向上)沿着波导20的面27布置，这些面在横向方向和径向方向上延伸。每个孔21被配置为在波导20之间扩散一部分电磁波。电磁波的扩散部分(下文称为“扩散部分”)能够在所有方向上传播，特别是在径向方向上跨两个传导元件16a之间的间隔17传播。在顶面12上流动的气流24在与扩散部分接触时被电离。已电离的气流24包括阳离子和阴离子，阳离子是携带正电荷的元素，而阴离子是携带负电荷的元素。这些阳离子和阴离子对电磁力f敏感。

在优选实施例中，布置有控制系统15和电离系统14的空气动力学元件1包括介电材料22。此介电材料22被配置为使波导20与磁性元件18a和传导元件16a电绝缘。因此，介电材料22存在于各个波导20之间。介电材料可以是以下材料之一：聚合物材料、陶瓷材料、有机硅。

下文参照图4c呈现空气动力学元件1的操作的实例。

在空气动力学元件1的顶面12上流动的气流24包括沿箭头g的方向纵向流动的层流气流24a、以及横向气流24b。此横向气流24b对应于在横向方向上沿箭头h的方向移动的涡流。横向气流24b可能变得不稳定并且产生湍流涡流。值得注意地，这些湍流涡流可能导致气流在机翼2、3上的附着损失。

电磁波发生器产生频率为2.45吉赫的微波。微波在波导20中沿横向方向传播。一部分微波通过布置在波导20的横向面27上的孔21扩散。孔21在横向方向上分布在波导20的整个长度上，使得该部分微波在空气动力学元件1的整个长度上扩散。扩散部分可以在所有方向上、特别是在径向方向上传播穿过间隔17。

然后，扩散部分与在该间隔处存在的层流24a和横向气流24b接触。然后层流气流24a和横向气流24b被电离。一旦被电离，它们由阴离子(即电荷为负的元素)和阳离子(即电荷为正的元素)形成。

控制系统15的空间配置使得仅已电离的横向气流24b对所产生的一个或多个电磁力敏感。因此，形成横向气流24b的阳离子或阴离子沿箭头h的方向移位，而且还移位至最靠近的阳极a或阴极c。

如图4c所表示的，横向气流24b的阳离子通过遵循沿与箭头g相反的方向定向的电流j1而被朝向阳极a引导，而阴离子通过遵循与电流j1相反的方向而被朝向阴极c引导。因此，阳离子和阴离子沿相反的方向偏转。

阳离子或阴离子经受使其轨迹朝向顶面12或底面13径向偏转的磁场b1。尽管电流j1和磁场b1使已电离的横向气流24b的阳离子和阴离子沿相反的方向偏转，但是它们的关联产生电磁力f。此电磁力f沿与横向气流24b的阳离子和阴离子的流动相反的方向定向，使得阳离子和阴离子不再能够移位。

横向气流24b的阳离子还可以通过遵循沿箭头g的方向定向的电流j2而被朝向阳极a引导。横向气流24b的阴离子可以通过遵循与电流j2相反的方向而被朝向阴极c引导。因此，阳离子沿箭头g的方向偏转，而阴离子沿与箭头g相反的方向偏转。阳离子或阴离子所经受的磁场b2还使它们的轨迹朝底面13的方向或朝顶面12的方向偏转。因此，电流j2和磁场b2使阳离子和阴离子沿相反的方向偏转。电流j2和磁场b2的关联产生沿与横向气流24b的阳离子和阴离子的流动相反的方向定向的电磁力f。

已电离的横向气流24b完全经受电磁力f。这些电磁力f沿与横向气流24b的流动方向相反的方向作用，使得横向气流消失。

如上所述，空气动力学元件1提供了许多优点。特别是：

-该空气动力学元件使得可以在机翼2、3的顶部保持层流，该机翼的前缘25的掠角(图2)大于20°；

-该空气动力学元件允许飞行器ac的巡航速度更高；

-该空气动力学元件使得可以在长途飞机的机翼2、3上提供层流；

-该空气动力学元件允许即使在马赫数大于0.77时也减少阻力，从而允许减少燃料消耗；

-该空气动力学元件可以防止在其表面形成冰；

-该空气动力学元件可以在其内部体积中容纳一个或多个其他系统；并且

-该空气动力学元件基本上不产生额外的重量。