УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ПОТОКОМ

Полезная модель относится к области средств управления аэродинамическими характеристиками планеров летательных аппаратов, лопастей вертолетов, турбин компрессоров и морских судов, в том числе и подводных аппаратов без использования элементов механизации и рулей, за счет изменения геометрического профиля аэро- или гидродинамической поверхности, выполненной из полимерных или металло-полимерных слоистых композиционных материалов.
Известно устройство управления аэродинамическим потоком на внешней поверхности обшивки воздушного или морского судна, состоящее из двух уровней (слоев) пьезоэлектрических элементов, расположенных в двух параллельных плоскостях, и слоя между пьезоэлектрическими элементами, в котором расположены электрические дорожки, подводимые к обеим плоскостям пьезоэлектрических элементов. Устройство предназначено для снижения шумов и преобразования турбулентных потоков в ламинарные (патент Великобритании №2366603).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления обтекающими потоками, так как основное назначение двух плоскостей пьезоэлементов - регистрация акустической волны внутренним слоем и подача зарегистрированного сигнала в противофазе на внешние силовые пьезоэлементы. Снижение уровня акустических волн на внешней поверхности обшивки способствует снижению турбулентного потока (числа Рейнольдса), но не позволяет изменять направление потока.
Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрии внешней поверхности обшивки и осуществления контроля за данным воздействием. Данное устройство предназначено для законцовок крыльев, лопастей и состоит из пьезоэлектрических актюаторов и волоконно-оптических сенсорных элементов на основе брэгговских решеток (патент США №4922096).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления воздушными потоками, так как хотя технической задачей, решаемой данным устройством, является изменение геометрии аэродинамического элемента с контролем изменений при помощи волоконно-оптических брэгговских решеток, данное техническое решение не позволяет преобразовывать турбулентный поток в ламинарный.
Известно устройство изменения потока на поверхности аэродинамической конструкции крыла или лопасти вертолета посредством выброса сжатого воздуха через управляемые каналы (патент США №6142425).
Недостатком данного устройства является наличие канала со сжатым воздухом, давление которого в данном устройстве может колебаться в зависимости от условий полета, а, следовательно, могут возникать неконтролируемые изменения в управляемых потоках. К тому же данные колебания будут только способствовать увеличению числа Рейнольдса, что будет негативно сказываться на увеличении турбулентности обтекающего потока, и, как следствие, приводят к снижению аэродинамических характеристик.
Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрического профиля поверхности полимерных углеродных композиционных материалов с использованием пьезоэлектрических волокон для управления геометрической формой и волоконно-оптических сенсоров на основе брэгговских решеток для осуществления контроля за деформированным состоянием (патент США №7017421).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления потоками, так как пьезоэлектрические волокна предназначены для гашения продольных акустических волн (волн Лэмба), возникающих в элементах конструкций, на частотах, равных собственным резонансным частотам, а волоконно-оптические сенсорные элементы предназначены для контроля за деформационно-напряженным состоянием конструкции. Применение данного устройства возможно только для снижения числа Рейнольдса потока, огибающего аэродинамическую конструкцию, но не пригодно для изменения его направления.
Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрического профиля поверхностей с целью изменения числа Рейнольдса огибающего потока за счет использования массива пьезоэлектрических элементов или электрических соленоидов, расположенных в виде ячеек матрицы в приповерхностной области, закрытой гибкой защитной обшивкой. Изменение геометрии поверхности происходит по определенному закону со сдвигом фаз в управлении электрическими элементами (заявка США №2008128560 А1).
Недостатком данного устройства является наличие на аэродинамической поверхности эластичного слоя, через который производится изменение геометрического профиля конструкции, которая при резких колебаниях набегающего потока может привести к эффекту «шарпея» и тем самых способствовать обратному эффекту - увеличению числа Рейнольдса данной аэродинамической конструкции. По тем же причинам данное устройство не позволяет изменять направление потока.
Известно устройство управления аэродинамическим потоком на внешней поверхности обшивки планера самолета за счет массива направляющих спрямителей потока, изготовленных из двух металлов с памятью формы, таким образом, что при нормальных температурах спрямители расправлены и переводят поток из турбулентного в пограничный (снижают число Рейнольдса), а при низких температурах загибаются и не вносят изменений в турбулентный поток. Основным преимуществом данного устройства является отсутствие систем питания (заявка США №2008217485).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности активного управления, так как спрямители изменяют свою форму только при изменении температуры набегающего потока.
Наиболее близким и принятым за прототип является устройство управления аэродинамическим потоком, обтекающим конструкцию обшивки, состоящей из внешней отклоняемой части, пьезоэлектрического элемента и внутренней неподвижной части, путем отклонения внешней части конструкции обшивки относительно неподвижной части обшивки с использованием многослойных пьезоэлектрических элементов. Элементы отклоняемых обшивок сгруппированы в виде секторов различной формы в окружность, и представляют собой поверхности, способные образовывать выпуклые или вогнутые поверхности на внешней части обшивки. Для управления внешними отклоняемыми частями обшивки применяются кольца или диски из многослойной пьезокерамики. Подвод управляющего сигнала к пьезоэлектрическим элементам происходит посредством электропроводящей подложки и электропроводящей отклоняемой обшивки аэродинамической поверхности, изолированных друг от друга посредством непроводящего ток клеевого соединения (заявка Германии WO 2009124913).
Недостатком данного устройства является отсутствие защищенности канала управления пьезоэлектрическими элементами управления потоком, так как на электропроводящей аэродинамической поверхности под воздействием потока возможно появление блуждающих статических зарядов, которые приводят к спонтанным отклонениям амплитуды выпуклости или вогнутости данного устройства. Возникновении подобных явлений может приводить к мгновенному увеличению числа Рейнольдса, даже в условиях высокочастотного управляющего сигнала с постоянной составляющей.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства управления потоком для уменьшения числа Рейнольдса и изменения направления потока посредством изменения геометрического профиля аэродинамической поверхности конструкции, выполненной из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала.
Для решения поставленной задачи предложено устройство управления аэродинамическим потоком, обтекающим конструкцию обшивки, состоящей из внешней отклоняемой части, пьезоэлектрического элемента и внутренней неподвижной части, путем отклонения внешней части конструкции обшивки относительно неподвижной части обшивки с использованием многослойных пьезоэлектрических элементов, отличающееся тем, что внешние отклоняемые части обшивки выполнены из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала и расположены на внешней поверхности конструкции обшивки в одном направлении последовательно друг за другом и образовывают периодически повторяющуюся геометрическую структуру, каждый элемент которой расположен частично над следующим и содержит между своими слоями два или более многослойных пьезоэлектрических элементов.
Внутренняя неподвижная часть обшивки выполнена из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала, в котором имеются токопроводящие дорожки для подвода управляющих сигналов пьезоэлектрическим элементам.
На фигурах 1, 2, 3, 4 и 5 представлено устройство управления аэродинамическим потоком, где:
1 - внутренняя неподвижная часть конструкции обшивки;
2 - внешняя отклоняемая часть конструкции обшивки;
3 - зона крепления внешней отклоняемой и внутренней неподвижной частей конструкции обшивки;
4 - пьезоэлектрический элемент управления отклонением внешней части конструкции обшивки;
5 - пьезоэлектрический элемент;
6 - пространство, образующееся под внешней отклоняемой частью конструкции обшивки;
7 - набегающий аэродинамический поток;
8 - управляемый аэродинамический поток;
9 - зона возникновения турбулентности.
На фигурах 1-3 изображено устройство управления аэродинамическим потоком.
На фигурах 4 и 5 показаны направления аэродинамического потока.
Внешняя отклоняемая часть обшивки (2) изготовлена из слоистого полимерного композиционного материала, между монослоями которого поместили пьезоэлектрические элементы (4 и 5) таким образом, что пьезоэлектрический элемент (4) имеет возможность изгибаться в направлении аэродинамического потока (7) и отклонять его от прямолинейного его направления (8). Законцовка внешней отклоняемой обшивки (2) между своими монослоями содержит пьезоэлектрический элемент (5), который выполняет функцию гашения вибраций на законцовке отклоняемой обшивки и тем самым снижает число Рейнольдса турбулентного потока (9). Так же между монослоями внешней отклоняемой обшивки (2) расположены электрические проводники для управления пьезоэлектрическими элементами (4 и 5), которые подключены к электропроводящим дорожкам, расположенным между монослоями внутренней неподвижной части конструкции обшивки (1), аналогично электрическим платам в микроэлектронике. Подача управляющего напряжения на пьезоэлектрические элементы (4 и 5) осуществляется посредством электропроводящих дорожек и электрических проводников, соединенных в зоне крепления внешней отклоняемой и внутренней неподвижной частей конструкции обшивки (3).
Пространство, образующееся под внешней отклоняемой частью конструкции обшивки (6), защищено эластичной пленкой от попадания инородных предметов.
Располагают в качестве обшивки лопасти вертолета устройство управления аэродинамическим потоком и подключают управляющие контакты к внутренней неподвижной части обшивки конструкции лопасти (1). Лопасть имеет свой аэродинамический профиль, полученный при изготовлении этой конструкции, а устройство управления аэродинамическим потоком находится в исходном состоянии таким образом, что не вносит изменений в данный профиль лопасти. Начинают вращение лопастей относительно оси, на которой они закреплены, образуется набегающий поток (7), который огибает аэродинамическую поверхность лопасти со скоростями, соответствующими геометрическому профилю изготовленной лопасти. Подают управляющее напряжение к пьезоэлектрическому элементу (4), который отклоняет внешнюю часть обшивки (2) и тем самым изменяет геометрический профиль поверхности лопасти на конкретном участке или на всей его протяженности. Подают переменное управляющее напряжение на пьезоэлектрический элемент (5) со спектром, равным спектру акустических волн, но с противоположной фазой. Акустические волны (шум) возникают в процессе образования турбулентного потока на поверхности лопасти, а подаваемое управляемое напряжение с определенным спектром и обратной фазой способствуют снижению акустических волн на поверхности лопасти и тем самым снижают число Рейнольдса. При одновременной подаче управляющего напряжения на пьезоэлектрические элементы (4 и 5) происходит отклонение внешней части обшивки (2), что позволяет изменить направление аэродинамического потока (7) в направлении (8), а, в свою очередь, подаваемое управляющее напряжение к пьезоэлектрическому элементу (5) позволяет снизить уровень турбулентности (9) и дополнительные искривления, возникшие в результате появления потока (8).
Скорость изменения управляющих напряжений для пьезоэлектрического элемента (4) может достигать скорости вращения лопастей, и тем самым обеспечивает активное управление аэродинамическими характеристиками лопасти в зависимости от углового положения лопасти, а пьезоэлектрический элемент (5) позволяет снижать уровень турбулентности и тем самым также способствовать улучшению аэродинамических характеристик лопасти.
Таким образом, предлагаемое устройство управления аэродинамическим потоком позволяет без использования элементов механизации изменять геометрический профиль аэродинамических поверхностей со скоростями, равными скоростям вращения этих поверхностей, с одновременным гашением вибраций на их поверхностях.