飞行器和反对螺旋桨尾流的气动效应的方法

摘要

一种飞行器，其具有：具有中心线的机身；从机身延伸且具有前缘和后缘的机翼；安装至机翼且具有旋转输出轴的发动机；螺旋桨，其可操作地联接至输出轴且在螺旋桨通过旋转输出轴旋转时生成旋转流场来限定螺旋桨尾流，以及一种反对作用在机翼上的螺旋桨尾流的气动效应的方法。

说明书

背景技术

现代的涡轮螺旋桨发动机飞行器可包括附接至飞行器的机翼的一个或更多个螺旋桨。当螺旋桨安装在飞行器上时，它将显著地改变机体周围的空气流场。这是由于旋转的螺旋桨生成螺旋状的或盘旋的空气流场(通称螺旋桨尾流)，其将影响下游的空气流场。

螺旋桨尾流包括速度的轴向分量和旋转分量。旋转分量可增加或减去至由机翼生成的升力，创建在与没有尾流的情况下由机翼生成的升力相比沿翼展的增加的或减少的升力的局部区域。因此，安装的螺旋桨显著地修改机体周围的流场，其浸入螺旋桨尾流中。

当代涡轮螺旋桨飞行器已经设计为构件的组件，其中各个构件以与其它的飞行器构件上的创建的环境的最小考虑分离来创建。更具体地，螺旋桨和机体独立地设计。因此，当前的机翼设计未试图补偿螺旋桨尾流。而是，对尾流的效应的补偿主要由飞行器纵倾调整来处理。

发明内容

在一个方面，本发明的实施例涉及一种飞行器，其包括：具有中心线的机身；从机身延伸且具有前缘和后缘的机翼；安装至机翼且具有旋转输出轴的发动机；螺旋桨，其可操作地联接至输出轴且在螺旋桨通过旋转输出轴旋转时生成旋转流场来限定螺旋桨尾流；其中螺旋桨位于机翼的前缘的前部，使得螺旋桨尾流横流机翼，形成生成对应的增加的机翼载荷的有效地增加的迎角的局部区域，在该处机翼具有对应的减少的弦长的局部区域以抵消其它方面增加的机翼载荷，以及生成对应的减少的机翼载荷的有效地减少的迎角的局部区域，在该处所述机翼具有对应的增加的弦长的局部区域以抵消其它方面减少的机翼载荷。

在另一个方面，本发明的实施例涉及一种飞行器，其包括：具有中心线的机身；从机身延伸且具有前缘和后缘的机翼；安装至机翼且具有旋转输出轴的发动机；螺旋桨，其可操作地联接至输出轴且在螺旋桨通过旋转输出轴旋转时生成旋转流场来限定螺旋桨尾流；其中螺旋桨位于机翼的前缘的前部，使得螺旋桨尾流横流机翼，形成横流机翼的空气的有效地增加的和有效地减少的迎角的局部区域，并且机翼具有对应的物理变化(physical variation)的局部区域以基本抵消任何对应的局部机翼载荷，其可归因于横流机翼的空气的有效地增加的和有效地减少的迎角。

在又一个方面，本发明的实施例涉及一种反对作用在机翼上的螺旋桨尾流的气动效应的方法，方法包括局部地改变在螺旋桨尾流和机翼的局部界面处的机翼的物理特性，以反对来自螺旋桨尾流的机翼载荷。

本发明的第一技术方案提供了一种飞行器，包括：具有中心线的机身；从所述机身延伸且具有前缘和后缘的机翼；安装至所述机翼且具有旋转输出轴的发动机；以及螺旋桨，其可操作地联接至所述输出轴且在所述螺旋桨通过所述旋转输出轴旋转时生成旋转流场来限定螺旋桨尾流；以及其中所述螺旋桨位于所述机翼的所述前缘的前部，使得所述螺旋桨尾流横流所述机翼，形成生成对应的增加的机翼载荷的有效地增加的迎角的局部区域，在该处所述机翼具有对应的减少的弦长的局部区域以抵消其它方面增加的机翼载荷，以及生成对应的减少的机翼载荷的有效地减少的迎角的局部区域，在该处所述机翼具有对应的增加的弦长的局部区域以抵消其它方面减少的机翼载荷。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，选择减少的和增加的弦长的局部区域使得所述飞行器的气动中心保持在机身中心线上。

本发明的第三技术方案是在第一或第二技术方案中，对于所述机翼的减少的和增加的弦长的局部区域还分别具有减少的和增加的扭转或弯度的局部区域。

本发明的第四技术方案是在前述技术方案中的任一个中，所述减少的和增加的弦长的局部区域基本抵消用于水平飞行的任何附加的纵倾修正。

本发明的第五技术方案是在前述技术方案中的任一个中，还包括在所述中心线的两侧从所述机身横向地延伸的所述机翼，至少两个发动机，带有对应的螺旋桨，并且所述至少两个发动机中的一个安装至所述中心线的一侧上的所述机翼，所述至少两个发动机中的另一个安装至所述中心线的另一侧上的所述机翼，其中所述螺旋桨以相同的方向旋转。

本发明的第六技术方案是在前述技术方案中的任一个中，所述发动机还包括与所述螺旋桨尾流的位置对准的发动机进气口。

本发明的第七技术方案提供了一种飞行器，包括：具有中心线的机身；从所述机身延伸且具有前缘和后缘的机翼；安装至所述机翼且具有旋转输出轴的发动机；以及螺旋桨，其可操作地联接至所述输出轴且在所述螺旋桨通过所述旋转输出轴旋转时生成旋转流场来限定螺旋桨尾流；以及其中所述螺旋桨位于所述机翼的所述前缘的前部，使得所述螺旋桨尾流横流所述机翼，形成横流所述机翼的空气的有效地增加的和有效地减少的迎角的局部区域，并且所述机翼具有对应的物理变化的局部区域以基本抵消任何对应的局部机翼载荷，其可归因于横流所述机翼的所述空气的所述有效地增加的和有效地减少的迎角。

本发明的第八技术方案是在第八技术方案中，所述物理变化的局部区域包括弦长、扭转、或弯度中的至少一个或两个的局部变化。

本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，所述物理变化的局部区域包括弦长、扭转、或弯度的局部变化，并且选择使得所述飞行器的气动中心保持在机身中心线上。

本发明的第十技术方案是在第九至十一技术方案中的任一个中，弦长、扭转、或弯度的局部变化包括局部地减少所述弦长、扭转、或弯度以抵消机翼载荷中的对应增加或局部地增加所述弦长、扭转、或弯度以抵消机翼载荷中的对应减少中的至少一个。

本发明的第十一技术方案是在第八至十五技术方案中的任一个中，所述物理变化的局部区域基本抵消用于水平飞行的任何附加的纵倾修正。

本发明的第十二技术方案是在第八至十六技术方案中的任一个中，还包括在所述中心线的两侧从所述机身横向地延伸的所述机翼，至少两个发动机，带有对应的螺旋桨，并且所述至少两个发动机中的一个安装至所述中心线的一侧上的所述机翼，且所述至少两个发动机中的另一个安装至所述中心线的另一侧上的所述机翼，其中所述螺旋桨以相同的方向旋转。

本发明的第十三技术方案提供了一种反对作用在机翼上的螺旋桨尾流的气动效应的方法，所述方法包括局部地改变在所述螺旋桨尾流和所述机翼的局部界面处的所述机翼的物理特性，以反对来自螺旋桨尾流的机翼载荷。

本发明的第十四技术方案是在第十八技术方案中，局部地改变所述机翼的物理特性包括物理地改变弦长、迎角、或弯度中的至少一个。

本发明的第十五技术方案是在第十八或十九技术方案中，局部地改变所述物理特性基本地抵消没有局部地改变所述物理特性而会导致的纵倾阻力。

附图说明

在附图中：

图1A示出了具有机翼和螺旋桨的现有技术飞行器的示例示意顶视图。

图1B示出了图1A的飞行器的示例示意前视图。

图2示出了按照本文中描述的各种方面的飞行器的示例示意顶视图。

图3示出了按照本文中描述的各种方面的发动机的一部分、螺旋桨、以及机翼的内侧部分的示例示意侧视图。

图4示出了按照本文中描述的各种方面的发动机的一部分、螺旋桨、以及机翼的外侧部分的示例示意侧视图。

图5示出了按照本文中描述的各种方面的飞行器的示例示意前视图，其示出了修改的螺旋桨载荷。

图6示出了按照本文中描述的各种方面的具有发动机进气口的飞行器的一部分的示例示意前视图。

零件列表

10 飞行器

12 机身

14 机翼

16 发动机

18 螺旋桨

20 中心线

22 箭头

24 箭头

26 箭头

28 根部

30 尖端

32 线性前缘

34 侧面

36 侧面

38 箭头

39 箭头

40 飞行器

42 机身

44 中心线

46 机翼

48 发动机

50 轴

52 螺旋桨

54 叶片

56 边缘

58 中心线

60 箭头

62 减少的翼弦

64 增加的翼弦

66 向上移动的叶片

68 向下移动的叶片

70 发动机

72 螺旋桨

74 叶片

75 箭头

76 机翼

78 非补偿的机翼

80 箭头

82 机翼

84 非补偿的机翼

86 箭头

90 飞行器

92 机翼

94 螺旋桨

96 叶片

98 箭头

100 箭头

102 箭头

104 箭头

106 箭头

110 飞行器

112 机翼

114 螺旋桨

116 叶片

117 箭头

118 发动机进气口

120 尾流

122 机舱发动机进气口。

具体实施方式

在一些情形中，诸如若干发动机安装，尾流在流场上的效应可移动升力中心，以至于机翼充分地偏移飞行器中心线，因而需要纵倾调整来补偿直的和水平飞行，从而导致显著的阻力增加，引起燃料消耗的不期望的增加。本发明的实施例涉及将螺旋桨和机体视为涡轮螺旋桨飞行器中的集成系统。这与在独立地设计螺旋桨和机体时相比可提供各种各样的益处，包括飞行器的整体性能能够改善，这包括允许螺旋桨滑流的效应被利用。该完整的系统集成具有减少飞行器纵倾阻力(trim drag)和发动机进气阻力、改善发动机性能、以及改善总的飞行器效率的潜力。

为了进一步解释问题，图1A描绘了具有机身12和从机身12向外延伸的非补偿的机翼14的现有技术飞行器10。涡轮螺旋桨发动机16和螺旋桨18联接至机翼14。螺旋桨中心线在20处指出，且螺旋桨旋转的方向用箭头22示出。向上移动的叶片的后部生成的螺旋桨尾流将产生机翼上的局部迎角的增加，且因此机翼载荷的增加，其已经用箭头24指出。相反地，向下移动的叶片的后部生成的螺旋桨尾流将产生机翼上的局部迎角的减少，且因此机翼载荷的减少，其已经用箭头26指出。

非补偿的机翼14具有变化的翼弦；更具体地，弦从根部28至尖端30连续地逐渐减小。如此，非补偿的机翼14具有对前缘的“扫描角”，该前缘形成线性前缘32。图1B示出如果螺旋桨18以相同的方向旋转，那么螺旋桨尾流将产生机翼14上的局部迎角的增加，且因此在飞行器10的一个侧面34上螺旋桨中心线20(图1A)的内侧和飞行器10的另一个侧面36上螺旋桨中心线20的外侧的机翼载荷的增加。这导致如箭头38所示的在一个机翼上更外侧的升力中心和如箭头39所示在一个机翼上更内侧的升力中心。这继而将要求飞行器纵倾修正，以便维持直的和水平飞行。

本发明的实施例涉及修改机翼几何形状和/或螺旋桨几何形状，使得各个机翼上的载荷分布是更对称的，使得将存在所得的纵倾阻力减少。对机翼几何形状的一个这样可能的修改结合具有与上面描述的非补偿的机翼变化的翼弦。如图2中所示，具有变化的翼弦的机翼几何形状补偿螺旋桨尾流的局部效应。更具体地，图2是具有带中心线44的机身42的飞行器40的示意顶视图。机翼46在中心线44的两侧从机身42横向地延伸。发动机48安装至每个机翼46且包括旋转输出轴50。如此，两个发动机48中的一个安装至中心线44的一侧上的机翼46，且另一个发动机48安装至中心线44的另一侧上的机翼46。

对应的螺旋桨52(带有叶片54)可操作地联接至输出轴50。螺旋桨52位于机翼46的前缘56的前部。当螺旋桨通过旋转输出轴旋转时，螺旋桨52生成旋转流场以限定螺旋桨尾流。螺旋桨中心线在58处指出，且螺旋桨旋转的方向用箭头60示出。在所示的示例中，螺旋桨52沿相同的方向旋转。尽管飞行器40已经被示出为在每个机翼46上具有单个涡轮螺旋桨发动机48和螺旋桨52，但应预想到，本发明的实施例可结合具有任何数目的螺旋桨52的任何适合的飞行器来利用。

螺旋桨尾流横流机翼46且形成有效地增加的和有效地减少的迎角的局部区域。机翼46已经形成带有分别对应的减少的弦长和增加的弦长的局部区域。更具体地，在螺旋桨尾流横流机翼，形成生成对应的增加的机翼载荷的有效地增加的迎角的局部区域处，机翼具有对应的减少的弦长的局部区域以抵消其它方面增加的机翼载荷。类似地，在螺旋桨尾流横流机翼，形成生成对应的减少的机翼载荷的有效地减少的迎角的局部区域处，机翼具有对应的增加的弦长的局部区域以抵消其它方面减少的机翼载荷。减少的弦长和增加的弦长的局部区域不形成线性前缘。

在示例性图示中，存在向上移动的叶片54的后部如62指出的翼弦的减少和向下移动的叶片54的后部用64指出的翼弦的增加。这些对翼弦的修改通常是非线性的，且将减少如66处指出的向上移动的叶片的后部的局部机翼载荷和增加如68处指出的向下移动的叶片的后部的局部机翼载荷。如此，减少的弦长可用于抵消其它方面对应的机翼载荷的增加，且增加的弦长可用于抵消其它方面对应的机翼载荷的减少。

这些对翼弦的修改和所得的局部机翼载荷导致相对于飞行器中心线44的机翼46上更对称的载荷分布，其继而导致减少的纵倾阻力。减少的弦长62和增加的弦长64的局部区域分别基本抵消在没有减少的和增加的弦长的情形下来自作用在机翼46上的螺旋桨尾流的机翼载荷的任何对应的增加或减少。尽管不是必要条件，但是可选择减少的弦长62和增加的弦长64的局部区域使得飞行器40的气动中心保持在机身中心线42上。而且，减少的和增加的弦长的局部区域可基本抵消用于水平飞行的任何附加的纵倾修正。

现在参考图3，示出的是发动机70的一部分、带有以如由箭头75指出的到页面中的方向旋转的叶片74的螺旋桨72，以及机翼76的内侧部分的侧视图，且显示了对机翼几何形状的另一种可能的修改。更具体地，机翼76的内侧部分相比非补偿的机翼78结合机翼的内侧区域之上的机翼扭转的增加。机翼结合向下移动的叶片74后部的机翼扭转的增加。机翼向上的内侧扭转或局部扭转的该增加将增加机翼76的局部迎角。增加的机翼的局部迎角抵消对应的局部机翼载荷的减少。更具体地，内侧扭转的该增加将如通过箭头80所指出的增加向下移动的叶片74后部的局部机翼载荷。

相反地，图4示出的是发动机70的一部分、带有叶片74的螺旋桨72，以及机翼82的外侧部分的侧视图，且显示了对机翼几何形状的另一种可能的修改。更具体地，相比于非补偿的机翼84机翼扭转在机翼的外侧区域之上减少。机翼结合向上移动的叶片74后部的机翼扭转的减少。机翼向下的外侧扭转或局部扭转的该减少将减少机翼的局部迎角。减少的机翼的局部迎角抵消对应的局部机翼载荷的增加。更具体地，外侧扭转的该减少将如通过箭头86所指出的减少向上移动的叶片后部的局部机翼载荷，这有利于更对称的机翼载荷分布。

在相对的机翼(未示出)上，机翼扭转可在向上移动的叶片后部的机翼的内侧区域之上减少，以减少局部迎角和减少局部机翼载荷。而且，机翼扭转可在向下移动的叶片后部的机翼的外侧区域之上增加，以增加局部迎角和增加局部机翼载荷。对机翼扭转的修改的组合效应导致机翼之上更对称的载荷分布，其继而减少纵倾阻力。

将理解的是，如图3至4中所示的对机翼扭转的修改可结合或独立于如图2中所示的对局部翼弦的修改来实施。对机翼几何形状的其它可能的修改(其可影响机翼载荷，且可结合弦和扭转变化来使用以产生更对称的载荷)包括但不限于：机翼弯度、前缘或后缘扫掠、翼型件轮廓、前缘/后缘装置、或小翼。通过非限制性示例，对于机翼的减少的和增加的弦长的局部区域还可分别具有减少的和增加的扭转的局部区域，并且对于机翼的减少的和增加的弦长的局部区域还可分别具有减少的和增加的弯度的局部区域。

如此，将理解的是，在螺旋桨位于机翼的前缘的前部使得螺旋桨尾流横流机翼，形成横流机翼的空气的有效地增加的和有效地减少的迎角的局部区域的情形中，机翼可具有对应的物理变化的局部区域以基本抵消任何对应的局部机翼载荷，其可归因于横流机翼的空气的有效地增加的和有效地减少的迎角。物理变化的局部区域可包括弦长、扭转、以及弯度中的至少一个、两个、或全部的局部变化。弦长和扭转的局部变化已在上面描述。机翼的弯度的局部变化包括局部地减少机翼的弯度以抵消对应的机翼载荷的增加或局部地增加机翼的弯度以抵消对应的机翼载荷的减少中的至少一个。可选择物理变化的局部区域使得飞行器的气动中心保持在机身中心线上。物理变化的局部区域可基本抵消用于水平飞行的任何附加的纵倾修正。

上面描述的示例示出了反对作用在机翼上的螺旋桨尾流的气动效应的方法。这样的方法包括局部地改变在螺旋桨尾流和机翼的局部界面处的机翼的物理特性，以反对来自螺旋桨尾流的机翼载荷的变化。局部地改变物理特性基本地抵消没有局部地改变物理特性而会导致的纵倾阻力。

再进一步，还应预期的是，螺旋桨几何形状可被修改以改变螺旋桨载荷，以便改善机翼上的载荷分布的对称性，且因此减少纵倾阻力。参考图5，具有机翼92的飞行器90带有被包括在机翼92上的具有叶片96的螺旋桨94。当螺旋桨94以与通过箭头98所指出的相同的方向旋转时，如箭头100所指出的，升力中心在一个机翼上的更外侧。这导致更大的力矩和更高的纵倾阻力。本发明的实施例提出修改螺旋桨几何形状使得螺旋桨载荷更内侧地移动，其可使机翼的外侧区段上的升力中心更内侧地移动(如箭头102所指出的)，以及相反地使另一机翼的内侧区段上的升力中心从它的当前载荷(如用箭头106所指出的)更外侧地(如用箭头104所指出的)移动，这减少了力矩和对应的纵倾阻力。为实现螺旋桨载荷的改变的对螺旋桨几何形状的可能修改可包括但不限于弦、扭转、弯度、厚度、扫掠、或翼型件轮廓。将理解的是，使螺旋桨载荷向内侧移动可分离或结合机翼修改，以产生更对称的机翼载荷和减少纵倾阻力。

图6是根据本发明的另一个实施例的飞行器110的一部分的示意前视图，飞行器110具有机翼112，螺旋桨114安装在机翼112上，螺旋桨114具有沿由箭头117指出的方向旋转的叶片116和发动机进气口118。螺旋桨114生成如箭头所示的尾流120。在非补偿的飞行器中，尾流120是非补偿的机舱发动机进气口122(以幻象显示)的上游。相反，本发明实施例的发动机进口118与由螺旋桨114生成的尾流120更加对准。可修改发动机进气口118的位置和几何形状、轮廓、或形状以将发动机进气口118与尾流120的位置对准。如此，发动机进气口118可被修改成在螺旋桨尾流场120中操作。这样的修改可导致由机舱发动机进气口吸入的且进入发动机核心的流场的减少的进气阻力和减少的扭曲。而且，如上所述，内侧螺旋桨叶片载荷可被增加以生成更高的进气压力，这也可改善发动机性能。

上面描述的实施例具有各种好处，包括将螺旋桨和机体视为集成系统允许螺旋桨滑流的效应被利用。同时这可继而导致独立的构件性能，可解决与飞行器的升力表面上的非对称载荷相关联的暴露的问题。上面描述的实施例修改机翼几何形状或螺旋桨载荷使得各个机翼上的载荷分布是更对称的，这导致纵倾阻力的减少以及进入发动机进气口的流场的减少的扭曲。减少的纵倾阻力将导致飞行器阻力减少，这将导致减少的燃料焚烧，且因此减少的燃料消耗。减少进入发动机进气口的流场的扭曲将导致进气阻力和燃料焚烧的减少，这将导致燃料消耗的减少。此外，螺旋桨载荷可被修改成导致对发动机更高的进气压力，其将继而改善发动机性能。

对于尚未描述的程度，各种实施例的不同的特征和结构可按期望彼此结合来使用。一个特征未在全部的实施例中示出并不意味着解释成它不能，而是为了描述的简洁而这样。因此，不同实施例的各种特征可按期望混合和匹配以形成新的实施例，无论新的实施例是否清楚地描述。本文中描述的特征的所有组合或变更都由本公开覆盖。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例意图在权利要求的范围内。