Способ управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата и устройство для его осуществления

Способ управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для решения задач управления пограничным слоем летательных аппаратов.

Известны различные способы активного управления пограничным течением, такие как механическое воздействие обтекаемой поверхности на пограничный слой, а также тепловое, акустическое и электромагнитное воздействие.

Например, в патенте США №4516747 (опубл. 14.05.1985) предлагается способ активного управления течением с помощью системы вибрационный элемент - чувствительный элемент, вмонтированных в поверхность обтекаемого тела. Чередующиеся вибрационные и чувствительные элементы подключены к системе управления, осуществляющей анализ сигналов с чувствительных элементов и корректирующей сигналы на вибрационные элементы.

К недостаткам данной системы можно отнести ограниченный частотный диапазон, определяемый характеристиками как вибрационного элемента, так и датчика.

В патенте США №5791275 (опубл. 11.08.1998) предлагается способ активного управления течением с помощью массивов управляющих элементов, каждый из которых состоит из пары электродов и пары магнитных полюсов, вмонтированных в поверхность летательного аппарата таким образом, что генерируемые электрические и магнитные поля направлены перпендикулярно друг другу. Каждый управляющий элемент содержит датчик турбулентности.

К недостаткам данной схемы управления потоком можно отнести то, что такая система предназначена для управления токопроводящим потоком жидкости.

В международном патенте WO 2006/040532 А1 (опубл. 20.04.2006) предложен способ активного управления пограничным течением с помощью электроактивной полимерной мембраны, имеющей электроды и расположенной на подложке.

К недостаткам данного изобретения можно отнести отсутствие датчика и системы обратной связи с активным управляющим элементом, а так же ограничение частотного диапазона воздействия на поток.

В патенте РФ №2243919 (опубл. 20.06.2004) предлагается способ активного воздействия на пограничное течение путем покрытия всей поверхности летательного аппарата пьезокерамическим слоем и электрическим воздействием на него. В некоторых местах поверхности аппарата пьезоэлектрическое покрытие удалено и там установлены датчики параметров турбулентного движения газа.

К недостаткам предлагаемого способа можно отнести ограниченный частотный диапазон воздействия на поток.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ активного воздействия на пограничный слой около поверхности летательного аппарата, реализуемый устройством, представленным в патенте РФ №2002669 (опубл. 15.11.1990). В нем предлагается после определения положения области перехода пограничного слоя, вводить сигнал возмущения в ламинарной области пограничного слоя, измерять возмущения и характеристики потока в начале области перехода, затем отрегулировать амплитуду сигнала возмущения, измерить возмущения и характеристики потока от начала области перехода до задней кромки обтекаемой поверхности и в соответствии с этими измерениями отрегулировать частоту сигналов возмущений. Возмущения в пограничный слой вводят импульсами.

К недостаткам данного способа можно отнести ограниченный частотный диапазон воздействия на поток.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности управления пограничным слоем и увеличения диапазона частот воздействия на поток.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата, включающем импульсное воздействие на пограничный слой, регистрацию характеристик потока, регулирование частоты и амплитуды воздействия на пограничный слой в реальном масштабе времени, воздействие на пограничный слой и регистрацию характеристик потока осуществляют элементами, выполненными в виде высокочувствительных нано- или микро-трубок, расположенными на поверхности летательного аппарата. При этом воздействие на пограничный слой ведут в импульсно-периодическом тепловом режиме.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в воздействии на пограничный слой и регистрации характеристик потока, осуществляемом посредством высокочувствительных нано- или микро-трубок, расположенных на поверхности летательного аппарата, причем воздействие на пограничный слой ведут в импульсно-периодическом тепловом режиме. Это позволяет расширить частотный диапазон воздействия на пограничный слой и повысить эффективность управления слоем.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, содержащее элементы воздействия на пограничный слой и регистрации характеристик потока, размещенные на поверхности летательного аппарата, а также систему управления параметрами воздействия на пограничный слой в реальном масштабе времени. В отличие от известного в предлагаемом устройстве элементы воздействия и регистрации характеристик потока выполнены в виде массива высокочувствительных нано- или микро-трубок, расположенных на подложке под углом к потоку в пределах 0≤β≤180°, где β - угол между набегающим потоком и трубками; причем трубки на подложке расположены попарно рядами друг за другом на линии тока, при этом одна из трубок пары является генератором импульсно-периодического теплового воздействия, а другая - датчиком регистрации параметров пограничного слоя.

Главным достоинством предлагаемого изобретения является использование именно нано- или микро-трубок в качестве генераторов и датчиков. Трубки имеют нанометровую толщину токопроводящей стенки. Вследствие чего масса трубки ничтожно мала и во много раз меньше, чем любой нагревательный элемент тех же габаритных размеров. А так как теплоотвод от нагретой трубки происходит только вдоль линии соприкосновения трубки с подложкой и по токоподводящим дорожкам нанометровой толщины, то им можно пренебречь, чего нельзя сделать в случае пленочного нагревательного элемента. Все выше сказанное позволяет вводить в поток тепловые возмущения высокой частоты, которые невозможно ввести в поток иным способом.

Кроме того, трубки могут быть взаимозаменяемыми и выполнять функцию генератора или датчика, что позволяет изменять область введения возмущений, например вводить возмущения сразу несколькими рядами микро-трубок.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Предлагаемые изобретения поясняются иллюстрируемыми чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг.2 - расположение трубок на подложке и ориентация трубок к потоку при β=90° (вид сверху); на фиг.3 - расположение трубок на подложке и ориентация трубок к потоку при β=45° (135°) (вид сверху); на фиг.4 - расположение трубок на подложке и ориентация трубок к потоку при β=0° (180°) (вид сверху).

На фиг.1 схематично, в качестве примера, изображены элементы, воздействия и регистрации характеристик потока, выполненные в виде массива высокочувствительных нано- или микро-трубок, расположенных на подложке под углом к потоку β=90°, где β - угол между набегающим потоком и трубками; причем трубки на подложке расположены попарно рядами друг за другом. Размеры трубок (диаметр и длина), их расположение относительно друг друга и относительно набегающего потока определяются решаемой задачей. Диаметр трубок может составлять от 1 до 50 микрометров, длина от 0,1 до 5 миллиметров, а толщина стенки от нескольких десятков нанометров до сотен нанометров. В случае, если толщина стенки не превышает 100 нм, то микро-трубка попадает под определение нанообъекта и может именоваться нанотрубкой. Пара трубок состоит из трубки-генератора 1 и трубки-датчика 2. Трубки закреплены на низкоомных токопроводящих дорожках 3 (на фиг.2, 3 и 4 не показаны) на подложке 4. Расположение трубок на поверхности ЛА определяется геометрией обтекаемой поверхности и решаемой задачей. На фиг.2, 3, 4 показаны варианты расположения трубок на подложке относительно набегающего потока. Главным условием расположения трубок к потоку является то, что трубка-генератор 1 и трубка-датчик 2 должны находиться на линиях тока, которые определяют направление частиц в потоке. Именно таким расположением достигается максимальная точность определения параметров течения при воздействии на него трубкой-генератором. Низкоомные токопроводящие дорожки 3 (фиг.1) выведены от каждой трубки 1 и 2 на боковые края подложки 4, что необходимо для связи с системой управления параметрами воздействия на пограничный слой в реальном масштабе времени (не показано). Используемые нано- и микро-трубки являются сложными трубчатыми элементами (см. фиг 1), состоящими из сжатого слоя 6, растянутого слоя 7 и проводящего слоя 8. Слои 6, 7 и 8 могут быть изготовлены из различных комбинаций аморфных, поликристаллических или монокристаллических металлов, диэлектриков или полупроводников. Возможны варианты, когда трубка формируется только из слоев 6 и 7, которые являются одновременно и проводящими электрический ток. Материал подложки 4 также может быть аморфным, поликристаллическим или монокристаллическим металлом, диэлектриком или полупроводником. В случае токопроводящей подложки 4 необходимо обеспечить электрическую изоляцию, используя в качестве слоя 5 или слоя 6 диэлектрик.

Предлагаемый способ реализуется посредством устройства следующим образом.

Работу устройства для управления пограничным потоком можно рассмотреть на примере элементарной ячейки управления и системы управления параметрами воздействия на пограничный слой. Элементарной ячейкой управления можно считать пару трубок, расположенных одна за другой. Трубкой-датчиком 2 с помощью системы управления в непрерывном режиме определяют возмущения, существующие в потоке. Затем с системы управления на трубку-генератор 1 подается сигнал определенной частоты и интенсивности для ввода в поток теплового импульсно-периодического возмущения. Частота и интенсивность вводимых возмущений подбирается таким образом, чтобы минимизировать возмущения, регистрируемые трубкой-датчиком 2. Поскольку масса микро-трубок ничтожно мала, то нагреваться импульсом тока и охлаждаться набегающим потоком они могут с высокой частотой порядка 500 кГц и выше. Это обстоятельство дает возможность использовать предлагаемую систему не только при дозвуковых скоростях, но и при сверх- и гиперзвуковых скоростях потока, где высокоскоростные процессы, влияющие на переход из ламинарного режима течения в турбулентный, происходят на частотах порядка сотен килогерц.

Элементарные ячейки управления объединяются в массивы трубок на подложке 4. Объединенные элементарные ячейки управления представляют собой ряды трубок. В этом случае ряд трубок 1 выступает в качестве генераторов импульсно-периодического теплового воздействия, а другой ряд 2 - в качестве датчиков регистрации параметров течения. Причем в качестве генераторов тепловых возмущений может выступать не только один ряд трубок, но так же и несколько. Таким образом, можно оперировать размером области введения возмущений. Каждая трубка может работать как в режиме генератора 1 тепловых возмущений, так и в режиме датчика 2 параметров потока, а смена режима работы может производиться в реальном масштабе времени системой управления параметрами воздействия на пограничный слой. Это позволяет оперировать местом положения введения возмущений. Поскольку каждая трубка может работать как в режиме генератора 1, так и в режиме датчика 2, то это позволяет вводить тепловые возмущения не только вдоль линии ряда трубок, но и возмущения сложной пространственной формы. Количество трубок и расстояние между торцами трубок может быть произвольным. В случае минимального технологически возможного расстояния между торцами трубок можно говорить о линии трубок. Расстояние между рядами трубок может быть так же произвольным. Минимальное расстояние между рядами трубок определяется шириной токоведущих дорожек 3 и их количеством.

Таким образом, использование предлагаемых изобретений обеспечивает активное управление пограничным слоем и увеличение диапазона частот воздействия на поток.

1. Способ управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата, включающий импульсное воздействие на пограничный слой, регистрацию характеристик потока, регулирование частоты и амплитуды воздействия на пограничный слой в реальном масштабе времени, отличающийся тем, что воздействие на пограничный слой и регистрацию характеристик потока осуществляют элементами, выполненными в виде высокочувствительных нано- или микротрубок, расположенных на поверхности летательного аппарата, при этом воздействие на пограничный слой ведут в импульсно-периодическом тепловом режиме.

2. Устройство управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата, содержащее элементы воздействия на пограничный слой и регистрации характеристик потока, размещенные на поверхности летательного аппарата, а также систему управления параметрами воздействия на пограничный слой в реальном масштабе времени, отличающееся тем, что элементы воздействия и регистрации характеристик потока выполнены в виде массива высокочувствительных нано- или микротрубок, расположенных на подложке под углом к потоку в пределах 0≤β≤180°, где β - угол между набегающим потоком и трубками; причем трубки на подложке расположены попарно рядами друг за другом на линиях тока, при этом одна из трубок пары является генератором импульсно-периодического теплового воздействия, а другая - датчиком регистрации параметров пограничного слоя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нано- или микротрубки, выполняющие функцию генератора или датчика, могут быть взаимозаменяемы.