技术领域
[0001] 本
发明涉及具有可移动部分的流体翼形件。
背景技术
[0002]
飞行器的空
气动力学效率与有效翼展有关，这是因为由于机翼的固有的结构灵活性和
空气动力载荷作用造成的机翼的偏转将使得翼展在飞行形状方面减小。通常不能够通过简单地增大机翼的固定翼展来进行补偿，尤其是在商业航空中，这是因为固定的飞行器类别与终端登机
门、跑道、以及
滑行道宽度相匹配，这使得不可能进行几何拓展或者将会引起较高的机场花费，从而影响飞行器的经济性和可操作性。
[0003] 已经进行了各种不同的尝试来克服这种限制，但是每种尝试均具有局限性：
[0004] ·折叠翼梢——系统复杂性和重量
[0005] ·增大机翼
刚度——用结构重量换取翼展
[0006] ·下行翼(向下指向的小翼)——受益于机翼偏转，但由于几何形状的限制可能的效益
水平也是有限的。
[0007] 许多下行翼装置的缺点在于，虽然下行翼装置受益于机翼的灵活性，但是下行翼装置与机翼的连接主要是刚性连接，因此，下行翼装置是飞行器类别/登机门限制、最小离地间隙高度限制、以及下行翼装置随后针对飞行的巡航部分进行偏转所呈的几何形状之间的折中产物。
[0008] 即使在机械地折叠机翼不具有下行翼的
缺陷，即，附接的小翼装置可以通过机械折叠而针对最优
位置进行
定位的情况下，机械地折叠机翼在折叠机构的重量、复杂性和可靠性方面仍存在缺点。
[0009] 还应当注意的是，因在与机翼根部相距较大距离处吸引空气动力载荷而引起的翼展的增大也将会导致新的结构挑战，并且用以减轻因翼展引起的载荷分级情况的手段也有益于任何针对飞行形状的翼展减小的问题的解决方案。
[0010] 保持有效翼展的问题并不是商用飞行器上的
翼型件所特有的，并且该问题还存在于所有固定翼飞行器类型的翼型件中以及用于船的水翼中。
发明内容
[0011] 本发明的第一方面提供了一种流体翼形件，该流体翼形件具有主固定部分和以可移动的方式安装在主固定部分的梢端部处的梢部分，其中，主固定部分具有上表面和下表面，并且梢部分具有上表面和下表面，并且流体翼形件能够操作成处于：
[0012] a)第一构型，在该第一构型中，梢部分的上表面相对于主固定部分的上表面向下倾斜；以及
[0013] b)第二构型，在该第二构型中，梢部分相对于第一构型向上旋转，使得梢部分的上表面和主固定部分的上表面是基本上连续的表面，
[0014] 其中，梢部分相对于主固定部分的运动是排他性地由翼形件相对于周围流体的运动被动致动的。
[0015] 本发明的另一方面提供了一种操作流体翼形件的方法，流体翼形件具有主固定部分和梢部分，梢部分以可移动的方式安装在主固定部分的梢端部处，其中，主固定部分具有上表面和下表面，并且梢部分具有上表面和下表面，并且该方法包括将流体翼形件放置成处于：
[0016] a)第一构型，在该第一构型中，梢部分的上表面相对于主固定部分的上表面向下倾斜；以及
[0017] b)第二构型，在该第二构型中，梢部分相对于第一构型向上旋转，使得梢部分的上表面和主固定部分的上表面是基本上连续的表面，
[0018] 其中，梢部分相对于主固定部分的运动是排他性地由翼形件相对于周围流体的运动被动致动的。
[0019] 本发明的优点在于，处于第一构型的梢部分的向下取向可以提供减小的翼展以满足飞行器类别/登机门的限制。梢部分相对于主固定部分的旋转以呈现第二构型意味着流体翼形件可以在操作中具有带有最有益的翼展的最佳形状，例如在流体翼形件为飞行器机翼时的巡航飞行形状。该旋转完全是由流体翼形件相对于周围流体的运动而被被动地引起的。该旋转可以是围绕用于将梢部分附接至主固定部分的挠性或
弹簧元件的，与传统的刚性附接或复杂的主动致动折叠机构不同相反。梢部分可以被认为是“浮动”的机翼部分。
[0020] 流体翼形件还可以操作成处于：
[0021] c)第三构型，在该第三构型中，梢部分的上表面相对于主固定部分的上表面向上倾斜。
[0022] 至第三构型的向上旋转可以用于提供被动载荷减轻功能。
[0023] 梢部分可以通过
铰链或挠性元件以可移动的方式安装至主固定部分。替代性地，整个梢部分可以构造为下述挠性元件：该挠性元件在空气动力载荷较低(静止或慢速滑行)时在其自身重量作用下下垂(第一构型)并且在空气动力载荷增大时向上偏转(第二构型)。
[0024] 流体翼形件可以具有在第一构型至第二构型之间增大的翼展。
[0025] 梢部分可以被朝向第一构型偏置。梢部分可以通过可变弹簧而被朝向第一构型偏置。可变弹簧可以配置成施加随着梢部分相对于第一构型向上旋转而变化的弹簧力。
[0026] 梢部分可以构造成随着梢部分相对于第一构型向上旋转而绕
俯仰轴线旋转。绕俯仰轴线的旋转可以用于提供随着梢部分相对于第一构型向上旋转而引起的梢部分的迎
角(α)的有益变化。梢部分的迎角的变化率可以与梢部分相对于第一构型的向上旋转角度非线性地相关。迎角的变化可以是正的或负的，或者可能由于梢部分相对于第一构型向上旋转而经历从正到负或从负到正的转变。铰链或其他挠曲元件可以构造成在梢部分于竖向平面中偏转时同时能够改变梢部分的翼型件俯仰。
[0027] 梢部分可以布置成具有随着梢部分相对于第一构型向上旋转而减小的迎角(正α)。
[0028] 第一构型可以对应于梢部分的最下位置。可以设置止挡件用以防止梢部分的过度旋转。梢部分的最下位置可以对应于最小高度离地间隙。
[0029] 梢部分可以具有
质量，并且梢部分的重量可以将梢部分朝向第一构型偏置。
[0030] 梢部分可以构造成在翼形件以低于预定前进速度穿过流体的相对向前运动期间保持处于梢部分的最下位置。该预定速度可以例如是用于飞行器应用的正常滑行速度。
[0031] 梢部分可以具有质量和弹簧，并且梢部分的重量连同弹簧一起可以将梢部分偏置成在低于预定前进速度时保持处于梢部分的最下位置。
[0032] 梢部分可以包括第一提升力表面，该第一提升力表面具有梢部分的上表面和下表面，并且梢部分还包括一个或更多个第二提升力表面。
[0033] 第二提升力表面可以是固定的或者能够相对于第一提升力表面旋转。第二提升力表面可以联接至第一提升力表面或者联接至流体翼形件的主固定部分。第二提升力表面可以由与用于将梢部分连接至主固定部分的铰链或挠性元件相类似的铰链或挠性元件来联接。
[0034] 流体翼形件可以是机翼翼型件，优选地是固定翼飞行器的机翼，或者是水翼。
附图说明
[0035] 现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，在附图中：
[0036] 图1示出了固定翼飞行器的平面图；
[0037] 图2示出了图1中所示的飞行器的翼梢区域的向后观察的视图，其中，翼梢部分向下倾斜处于第一构型；
[0038] 图3示出了类似于图2的视图，其中，空气动力作用于所示的翼梢部分上，该空气动力不足以使翼梢部分从第一构型升起；
[0039] 图4示出了类似于图3的视图，其中，作用于所示的翼梢部分的空气动力足以使翼梢部分升起至第二构型；
[0040] 图5示出了类似于图4的视图，其中，作用于所示翼梢部分的空气动力足以使翼梢部分从第二构型(实线)升起至第三构型(虚线)；
[0041] 图6示出了图3的处于第一构型的翼梢部分的平面图以及示出了梢部分的迎角的沿着A-A截取的截面图；
[0042] 图7示出了处于第一构型与第二构型之间的翼梢部分的平面图以及示出了梢部分的迎角的沿着B-B截取的截面图；
[0043] 图8示出了图4的处于第二构型的翼梢部分的平面图以及示出了梢部分的迎角的沿着C-C截取的截面图；
[0044] 图9示出了图5的处于第三构型的翼梢部分的平面图以及示出了梢部分的迎角的沿着D-D截取的截面图；
[0045] 图10示出了翼梢部分的示意性平面图，其中，铰链轴线相对于飞行航线偏移；
[0046] 图11示出了具有第一提升力表面和第二提升力表面的翼梢部分的另一示例，图11a示出了翼梢部分向下倾斜处于第一构型，图11b示出了翼梢部分向上旋转至第二构型；
[0047] 图12示出了具有第一提升力表面和第二提升力表面的翼梢部分的又一示例，图12a示出了翼梢部分向下倾斜处于第一构型，图12b示出了翼梢部分向上旋转至第二构型；
[0048] 图13示出了具有第一提升力表面和第二提升力表面的翼梢部分的又一示例，图13a示出了第一提升力表面向下倾斜处于第一构型，图13b示出了翼梢部分向上旋转至第二构型；以及
[0049] 图14示出了包括具有可移动梢部分的水翼的船的向后观察的示意图。
具体实施方式
[0050] 图1示出了飞行器1的平面图，该飞行器1具有
机身2、机翼3、在机翼下方安装的
发动机4、机头端部5和机尾端部6，其中，机尾端部6包括水平稳定表面7和竖向稳定表面8。飞行器1是典型的喷气式客运飞行器，但是本发明适用于各种各样的固定翼飞行器类型，所述各种各样的固定翼飞行器类型包括：商用固定翼飞行器、军用固定翼飞行器、客运固定翼飞行器、货运固定翼飞行器、喷气式固定翼飞行器、螺旋桨固定翼飞行器、通用航空固定翼飞行器等，其中，在机翼或机身上附接有任意数量的发动机。
[0051] 每个机翼3具有邻接于机身2的根端部以及与根端部相反的梢端部。飞行器1的右舷机翼3的梢端部总体上用以虚线示出的框9来表示。飞行器1的左舷机翼3是右舷机翼的近似相同的镜像。
[0052] 图2详细地示出了右舷机翼3的向后观察(即，从机头端部5沿着飞行器中心线C观察)的视图，该右舷机翼3具有梢端部10和梢部分11，梢部分11以可移动的方式安装在机翼3的主固定部分的梢端部10处。主固定部分具有上表面12和下表面13。梢部分具有上表面14和下表面15。梢部分通过铰链16以可移动的方式安装至机翼3的主固定部分的梢端部10。铰链使梢部分11能够在与飞行器1的中心线C大致垂直的竖向平面中相对于机翼3的主固定部分旋转。旋
转轴线可以被认为是大致沿翼舷方向的，其中，机翼3的翼舷是在机翼的前缘与
后缘之间延伸的线。
[0053] 铰链16是弹簧铰链，该弹簧铰链将梢部分11以向下悬垂取向偏置，如图2所示，在该向下悬垂取向中，梢部分11的上表面14相对于机翼3的主固定部分的上表面12大致向下倾斜。弹簧铰链16可以被认为类似于“活动铰链”。弹簧铰链可以构造有一个或更多个挠性(半刚性)元件。弹簧铰链16的各种不同结构对本领域技术人员而言将是明显的。
[0054] 现在将对可移动梢部分11的操作进行描述。在图3中，由于机翼3相对于周围空气体的向前运动而引起的、作用于梢部分11上的提升力L不足以克服弹簧铰链16的偏置作用，该弹簧铰链16连同梢部分11的质量件一同作用而将梢部分11迫压至与梢部分的第一构型相对应的最下位置。
[0055] 当飞行器1静止或滑行(通常以低于约20节的速度)时，梢部分11的第一构型提供了机翼3的减小的总翼展使得飞行器1可以符合各种翼展限制条件。对梢部分的长度以及梢部分11在该最下位置中的向下角选择成能够确保梢部分的梢端部17满足飞行器1的离地间隙限制。通过翼梢部分11的重量与弹簧铰链16的偏置作用的结合，当飞行器1静止或滑行时，梢部分11仍然保持处于第一构型并且具有传统的下行翼的外观。
[0056] 图4示出了处于第二构型的翼梢部分11，在该第二构型中，梢部分11相对于图3中所示的第一构型向上旋转，使得梢部分11的上表面14和机翼3的主固定部分的上表面12是基本上连续的表面而没有在这些表面之间形成任何明显的角度。当飞行器1超过正常的滑行速度并且移动处于
起飞滑跑时，梢部分11上的提升力L产生力矩，该力矩将超过梢部分11的重量和弹簧铰链16的弹簧载荷，并且该力矩允许梢部分11向上旋转。在该第二构型中，机翼3的翼展增大至最大值，并且针对飞行器1的大多数的爬升、巡航、下降和一般飞行期间均维持该构型。
[0057] 接着，如图5所示，示出了翼梢部分11的第三构型。如果在飞行阶段期间，梢部分11上存在超过预定载荷水平的载荷，则通过允许梢部分11偏转经过巡航优化的第二构型也可以进行本身所固有的被动载荷减轻。如图5所示，梢部分的上表面14相对于机翼3的主固定部分的上表面12向上倾斜。这种被动载荷减轻可以用于在飞行期间提供阵
风载荷减轻。通过能够提供该第三构型，由于这种被动载荷减轻，梢部分11以及机翼3的附接有梢部分的其余部分两者的结构重量由于机翼3的最大空气动力载荷极限的减小而可以被减轻。此外，该载荷减轻也可以用于在飞行器1是载客飞行器时改善乘客乘坐质量。当临时阵风载荷消退后，弹簧铰链16的弹簧偏置提供恢复力矩M，以使梢部分11返回至图4中所示的第二构型。
[0058] 可以对用于将梢部分11以可旋转的方式安装至机翼3的主固定部分的弹簧铰链16或其他挠性元件进行构造的一种方式是通过使可变弹簧作为弹簧铰链16或挠性元件的设计的一部分。可变弹簧可以配置成随着梢部分相对于图3中所示的第一构型向上旋转而施加变化的弹簧力。梢部分11从图4中所示的第二构型向上偏转至图3中所示的第三构型所处的预定载荷水平可以通过调节可变弹簧力来控制。
[0059] 尽管弹簧铰链16可以构造成在竖向平面中提供简单的旋转，但是弹簧铰链16最有利地构造为偏移铰链(参见图10)以允许梢部分11随着梢部分在竖向平面中向上旋转也绕俯仰轴线旋转。绕俯仰轴线旋转使梢部分11的迎角(
攻角，α)随着梢部分11向上旋转而变化。作为偏移铰链的替代，可以使用
不平衡的挠曲元件。现在将参照图6至图9对这种优化的铰链式几何结构进行详细论述。
[0060] 图6示出了从机翼3的外侧端部的上方观察的平面图，其中，梢部分11处于第一构型。指示了迎面而来的自由流S的方向(与飞行方向相反)并且通过梢部分的截面A-A示出了梢部分11的翼型截面的迎角。如所示出的，在第一构型中，梢部分11具有显著的机头向上的正迎角+veα。
[0061] 由弹簧铰链16所施加的弹簧载荷以及梢部分11的重量应当被考虑用于正常的滑行速度，因此低水平的提升力不会使梢部分移动至飞行器类别翼展限制之外，即使在该高的正迎角的情况下亦是如此。
[0062] 图7示出了随着梢部分11在第一构型与第二构型之间向上旋转的迎角的变化。如图7中的截面B-B所示，梢部分11的翼型截面仍然处于机头向上俯仰，但是迎角+veα小于针对第一构型的截面A-A中的迎角。
[0063] 当飞行器移动处于起飞滑跑时，由于向前的飞行器速度V超过正常滑行的速度，因此梢部分的速度与α的结合应当使得由梢部分11所产生的提升力超过梢部分重量与弹簧铰链16的弹簧载荷的结合并且开始使梢部分11旋转处于第二构型以供飞行。铰链16的弹簧载荷与梢部分11的α的变型和优化可以考虑对机翼3的提升力系数C1进行优化，以获得最佳的跑道场长度。
[0064] 图8示出了处于第二构型的机翼3的外侧端部，在该第二构型中，自由流S的速度的大小大到足以使梢部分11采用第二构型。
[0065] 在用于飞行器飞行的巡航阶段的该第二构型中，梢部分11可以略微机头向上扭转地偏转以具有最佳的α/扭曲，使得梢部分11和机翼3两者作为一个整体具有最佳性能。如截面C-C所示，梢部分11现在采用略微机头向上的俯仰迎角+veα。
[0066] 图9示出了处于第三构型的机翼3的外侧端部，在该第三构型中，自由流S产生了足以克服预设载荷水平的临
时空气动力载荷，在该预设载荷水平处，铰链16使梢部分11能够从第二构型向上旋转至第三构型。图9示出了该第三构型，在该第三构型中，如截面D-D所示，梢部分11的迎角与图8中所示的第二构型相比向下旋转至较低的攻角α。该较低的攻角(迎角)α可以是中间值或者可以是较小的负值。通过减小迎角，由梢部分11产生的向上提升力在第三构型中相比于在第二构型中是减小的，这有助于减轻施加至机翼3的主固定部分的阵风载荷并且使作用于梢部分11上的载荷向预定载荷水平减小，在该预定载荷水平处，梢部分11可以返回至图8中所示的第二构型。梢部分11因临时空气动力载荷例如阵风而引起的向上运动连同偏移铰链16一起引起负入射效应，以便减小梢部分11上的提升力，从而将提升力转移至机翼3的内侧进而减轻了载荷。
[0067] 当例如由于阵风载荷或极限操纵使得梢部分上的载荷超过预定水平时可以采用第三构型。超过铰链16的在竖向轴线中的弹簧载荷将使梢部分11移动超出最佳翼展长度，从而减小了整个机翼3上的弯矩，并且还由于部件的竖向运动，因此在第二模式下减小了有效迎角并且因此减小了提升力和弯矩。此外，铰链16(具有偏移铰链轴线)或其他不平衡挠曲元件的持续旋转也将引起进一步的向下扭转机头力矩，从而减小了梢部分11的α，并且因此进一步减小了提升力L。这三种机构都减小了梢部分和力矩臂上的提升力，从而减轻了载荷中的一些载荷。
[0068] 弹簧铰链16或其他挠性元件可以定制成使得梢部分11的迎角α根据飞行器1的速度和梢部分11上的空气动力而随着梢部分在竖向方向上的偏转而改变。
[0069] 被动致动的翼梢部分可以通过增大的翼展的增强的
空气动力学以及固有的掺和到系统的被动致动中的载荷减轻而为等同类型的飞行器提供较高的性能，而不存在用以致动翼梢折叠件的附加系统的复杂性。
[0070] 图10示意性地示出了偏移铰链16。如所观察到的，当在平面图中观察时，铰链16的
旋转轴线相对于自由流S(与飞行器飞行方向相反)偏移了角度θ。偏移铰链16在梢部分11绕铰链向上旋转时引起梢部分11的迎角的从正到负的变化。
[0071] 图11示出了另一示例，在该另一示例中，梢部分110包括与先前所描述的梢部分11基本相同的第一提升力表面20且外加有第二提升力表面21。与先前示例相同的附图标记用于表示相同的部件。然而，第一提升力表面20是图11a中所示的处于第一构型的下行翼，第二提升力表面21从铰链16附近向外突出，使得第二提升力表面的在机翼翼展方向上的范围与第一提升力表面20的范围基本相同。第二提升力表面21以与第一提升力表面20一起旋转的方式固定。第二提升力表面21不仅辅助梢部分110从图11a中所示的第一构型旋转至图11b中所示的第二构型，而且在处于第二构型中时实现了机翼载荷重新分配。如同先前示例一样，梢部分110也可以构造成进一步旋转至第三构型以提供载荷减轻。
[0072] 图12示出了梢部分210的又一示例，该示例与图11中所示的示例共有许多共同特征，并且其中，相同的附图标记用于表示相同的部件。图12中所示的示例的不同之处仅在于，第二提升力表面31通过类似于弹簧铰链16构造的弹簧铰链32或其他挠曲元件连接至第一提升力表面30，该弹簧铰链16将第一提升力表面30联接至机翼3的主固定部分。图12a示出了处于第一构型的梢部分210，图12b示出了处于第二构型的梢部分210。如可以看到的那样，第二提升力表面31构造成沿朝向飞行器机身2的内侧方向从第一构型朝向第二构型旋转。如同先前示例一样，梢部分110也可以构造成进一步旋转至第三构型以提供载荷减轻。
[0073] 在未示出的另一实施方式中，第二提升力表面31通过弹簧铰链32联接至机翼3的主固定部分的梢端部10而非联接至第一提升力表面30。
[0074] 图13示出了另一示例，在该示例中，梢部分310包括与先前所描述的梢部分11基本相同的第一提升力表面40且外加有第二提升力表面41。与先前示例相同的附图标记用于表示相同的部件。然而，第一提升力表面40是图13a中所示的处于第一构型的下行翼，第二提升力表面41从铰链16附近向外突出，使得第二提升力表面的在机翼翼展方向的范围与第一提升力表面40的范围基本相同。第二提升力表面41被固定至机翼3的主固定部分的外侧端部10。第二提升力表面41固定成使得其基本上不相对于机翼3的主固定部分旋转。因此，第二提升力表面41附接在铰链16的相对于第一提升力表面40的相反侧上。第一提升力表面40构造成以与先前针对梢部分11所描述的方式相同的方式从图13a中所示的第一构型旋转至图13b中所示的第二构型。如同先前示例一样，第一提升力表面40也可以构造成进一步旋转至第三构型以提供载荷减轻。
[0075] 应当注意的是，在上述实施方式中，弹簧铰链16的操作与弹簧铰链32的操作在机械上是独立的，并且围绕铰链16、32的旋转是完全被动的并且受作用于提升力表面上的空气动力载荷所控制。
[0076] 尽管在以上所描述的实施方式中，在飞行器机翼的背景下描述了流体翼形件，但是将理解的是，流体翼形件可以替代性地是任一其他翼型件，并且可以替代性地是用于赛艇或船的水翼。图14示意性地示出了具有水翼的船400，该水翼具有主固定部分401和梢部分402，该梢部分402通过弹簧铰链403或其他挠曲元件以可移动的方式安装在主固定部分401的梢端部处。在图14中，以实线示出了处于第一构型的梢部分402并且以虚线示出了处于第二构型的梢部分402。船400的水翼的操作与以上参照图2至图5所描述的操作基本相同。
[0077] 在出现词语“或”的情况下，该词语应当被解释为指“和/或”，使得所涉及的项目不一定是相互排斥的并且可以以任何适当的组合使用。
[0078] 尽管以上已经参照一个或更多个优选实施方式对本发明进行了描述，但是将理解的是，在不背离如所附
权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，可以做出各种改变和改型。
