CN107031817B - 具有层流控制的前缘及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有层流控制的前缘部段，该前缘部段包括：穿孔的外部蒙皮、穿孔的内部蒙皮、以及形成在外部蒙皮与内部蒙皮之间的多个吸入腔室。前缘部段包括沿翼展方向布置在前缘部段处的多个桁条，并且所述多个桁条与外部蒙皮一体地形成，以便将内部蒙皮连接至桁条。本发明还涉及一种用于制造结合有层流控制系统的前缘部段的方法，其中，将穿孔的内部蒙皮与具有与外部蒙皮一体地形成的多个桁条的穿孔的外部蒙皮连接，以使吸入腔室由外部蒙皮的一部分、内部蒙皮的一部分和一对桁条限定。

Description

具有层流控制的前缘及其制造方法

发明目的

本发明涉及用于飞行器升降表面——比如机翼或水平尾翼平面(HTP)——的具有混合层流控制的前缘的构型和制造方法。

本发明的目的是提供一种结合有混合层流控制(HLFC)的前缘设计，该前缘设计允许部件作为前缘的结构元件来结合以实现HLFC。

本发明的目的还在于提供一种HLFC前缘设计，在制造和使用期间均可以完全接近该HLFC前缘设计以便于维修和维护任务。

本发明的另一目的是提供一种可以用材料和生产技术的不同组合来制造的HLFC前缘，以便简化制造方法和相关的工具。

发明背景

飞行器制造商不断寻求提高飞行器性能和降低燃料消耗的方法。当改善飞行器性能时，主要因素之一是飞行器表面上的气动阻力。

在飞行期间由飞行器的暴露表面上的湍流气流引起显著量的飞行器阻力。靠近飞行器蒙皮的气流主要由于以下原因而成为湍流：

-关于较小的扰动方面，层流是不稳定的，以及

-表面缺陷会导致从层流到湍流的早期转变。

由于空气层流边界层比空气湍流边界层在飞行器表面处产生更小的摩擦，因此一种用于减小飞行器阻力的技术是在飞行器外表面上形成层流边界层并维持此层流边界层。

层流减小摩擦阻力，并且竖向尾翼(VTP)和水平尾翼(HTP)上的摩擦阻力减小将可能导致飞行器阻力减小高达2％。

形成和维持层流的当前的现有方法是：

-通过产生渐进压降(即，有利的梯度)的型面来获得自然层流(NLF)，从而实现流动加速度以及在大致最小压力点处向湍流的转变的延迟。

-层流控制(LFC)，该层流控制(LFC)依赖于使相对较少量的空气吸入通过穿孔的蒙皮来抑制边界层的不稳定性。

-混合层流控制(HLFC)，该混合层流控制(HLFC)是全LFC和NLF的组合，如图1A-图1C中所示，该混合层流控制(HLFC)依赖于：

1.施用至前缘1——翼弦(即，前翼梁的前面)的10％至20％——的吸入，以使流稳定，以及

2.准确成型的机翼或升力表面轮廓，以产生适合的压力梯度，从而维持吸入区域后部的层流。

从层流到湍流的转变由于该技术而被延迟，并且由于局部压力梯度和雷诺数的组合效应而甚至可以在弦的50％位置处的后方发生。

图2A-图2C示出了层流控制系统，该层流控制系统用以通过使空气在前缘1处流过微穿孔的蒙皮表面3而在边界层上致动。通常，微穿孔的直径在10微米至100微米的范围内。空气在蒙皮3下方被引导通过位于前缘部段(D盒)1处的一组腔室2，并且最后通过主腔室或吸入管道4排出。

由于吸入限于机翼或升力表面的前部，因此HLFC避免了与LFC相关的许多结构问题。HLFC还需要更小且更轻的吸入系统。这些优点使HLFC比全LFC更适合用于亚音速运输飞行器。HLFC技术在完全湍流模式下也具有良好的空气动力学性能，这是显著的优点。

前缘1的空气吸入系统需要前缘表面上的压差分布。这种压差分布通过提供不同尺寸的腔室以在每个腔室内获得不同的压力来实现，如图2C中更清楚地示出的。

如图3A-图3B所示，具有层流控制的惯用的前缘构型由微穿孔的外部蒙皮3、穿孔的内部蒙皮5和一组横向壁6形成，所述一组横向壁6在特定位置处紧固至外部蒙皮和内部蒙皮以形成不同尺寸的腔室，从而产生允许空气流通通过的腔室。

在HLFC技术的实施中涉及的主要问题之一在于前缘的部件必须单独制造并且随后组装在一起。除此之外，借助于机械接头的组装会减少有效的外部吸入表面。因此，具有层流控制的这些多腔室结构的制造和组装过程是复杂且昂贵的。此外，由于所采用的金属材料和用于构造前缘的所有机械接头的长度的原因，所涉及的重量损失相当大，从而不利的是使由HLFC为飞行器性能带来的所有益处将被克服，并且因此可能放弃HLFC的实施。

发明内容

本发明涉及飞行器机翼或稳定器(HTP或VTP)的前缘及其制造方法。

本发明的一个方面涉及结合有优选地为HLFC结构的层流控制结构的前缘部段，该前缘部段通常包括：成形成具有空气动力学前缘轮廓的穿孔(微钻孔)的外部蒙皮、相对于该外部蒙皮布置在内部的穿孔的内部蒙皮和形成在外部蒙皮与内部蒙皮之间的多个吸入腔室，使得前缘部段的外部区域通过所述吸入腔室与前缘部段的内部区域连通，以实现层流控制系统。吸入腔室布置成并定尺寸成在前缘的外部湿表面上获得不同的压力梯度，以便由此通过微钻孔的外部蒙皮在前缘的湿表面的不同区域上实现不同的吸入压力。

优选地，内部蒙皮构造成具有与外部蒙皮类似的形状，并且吸入腔室沿循前缘部段的主要部分的轮廓一个接一个地连续布置。

根据本发明的前缘部段还包括在前缘部段处沿翼展方向布置的多个桁条，并且所述多个桁条与外部蒙皮连接成一体或与外部蒙皮一体地形成。桁条构造为用以经受前缘处的载荷的结构元件。

内部蒙皮连接至桁条，使得吸气腔室由外部蒙皮的一部分、内部蒙皮的一部分和一对连续的桁条限定。因此，桁条具有两个作用，首先是作为前缘的结构元件，其次是用来构造HLFC结构的吸入腔室。

如可以指出的，本发明的前缘部段由两个独立的主要部分形成，一者是具有一体的桁条的外部蒙皮，另一者是内部蒙皮。这两个主要部分独立地适配，并且随后附接在一起。

通过本发明的这种特殊构型得到的一些优点是：

-两个主要部分可以用不同的材料组合获得并且制造加工，从而简化了每个部分所需的制造工具，

-可以完全接近前缘部件以进行检查和维修，

-由于可以在组装之前对两个主要部件进行钻孔，因此简化了外部蒙皮和内部蒙皮的钻孔过程。

在本发明的一个优选实施方式中，内部蒙皮包括一组单独的U形(在截面图中)构件，使得每个构件具有两个短边和位于这两个短边之间的中央边，其中，中央边是穿孔的。这些U形构件一个接一个地连续布置以构造内部蒙皮，并且这些U形构件布置成使得每个桁条的自由边缘放置在两个连续的U形构件的两个短边之间并且紧固(螺栓连接或铆接)至所述两个短边。

外部蒙皮和桁条可以是金属的，并且在这种情况下，桁条被焊接至外部蒙皮。替代性地，外部蒙皮和桁条由纤维增强复合材料或塑料获得，并且外部蒙皮和桁条共固化在一起。在这两种替代方案中，可以说桁条和外部蒙皮是一体地形成或连接在一起的。

进而，由多个U形构件形成的内部蒙皮可以是金属的或者由复合材料或塑料获得。当内部蒙皮是金属的时，内部蒙皮通过比如铆钉或螺栓的紧固装置连接至桁条。当内部蒙皮是复合材料时，内部蒙皮可以与桁条结合、二次结合或共固化，优选地是在内部蒙皮和桁条都由复合材料制成的情况下。在内部蒙皮是塑料的情况下，这种结合可以通过超声波焊接、激光或用于使塑料结合的其它方法来执行。

本发明的另一方面涉及一种用于产生具有层流控制的前缘部段的制造方法，其中，所述方法包括以下步骤：提供穿孔的外部蒙皮，该外部蒙皮具有与外部蒙皮一体地形成或连接的多个桁条；提供穿孔的内部蒙皮；以及将内部蒙皮与桁条连接，以使得用于层流控制的吸入腔室由外部蒙皮的一部分、内部蒙皮的一部分和一对桁条限定。

附图说明

下面参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，在附图中：

图1A-图1C示出了根据现有技术的具有混合层流构型的机翼或升力表面的示意图的横截面视图，其中，在上表面和下表面上用细线表示出层流气流和湍流气流；

图2A-图2C示出了如图1A-图1C中示出的机翼或升力表面那样的、具有层流控制的机翼或升力表面的前缘部段的多腔室构型，其中，图2A是横截面图，图2B是图2A的细节的放大图，图2C是立体图；

图3A-图3B示出了根据本发明的前缘部段的两个横截面视图，其中，内部蒙皮由多个U形构件形成；

图4A-图4F示出了用于产生图3A-图3B的前缘部段的一系列制造步骤。

具体实施方式

图3A-图3B示出了根据本发明的前缘部段1的优选实施方式，前缘部段1结合有层流控制系统并且包括穿孔的外部蒙皮2和穿孔的内部蒙皮3，其中，外部蒙皮2成形成具有空气动力学前缘轮廓，内部蒙皮3相对于外部蒙皮2布置在内部并且构造成具有与外部蒙皮2中的一个外部蒙皮的前缘轮廓类似的前缘轮廓。

在外部蒙皮2与内部蒙皮3之间形成有多个单独的吸入腔室4。吸入腔室4在前缘部段处沿翼展方向延伸并且沿循前缘的轮廓一个接一个地连续布置，如图3A-图3B的横截面图中所示。因此，对于层流控制系统，前缘部段的外部区域通过所述吸入腔室4与前缘部段的内部区域连通。

前缘部段1包括多个桁条5，所述多个桁条5定尺寸为结构元件并且沿翼展方向布置在前缘部段1处。这些桁条5与外部蒙皮2一体地形成或连接，并且可以由T形、I形或I形的桁条组成，使得桁条的一个边缘与外部蒙皮2的内表面连接，并且另一边缘设置成用于连接内部蒙皮3，使得在内部蒙皮3连接至桁条5的自由边缘时，吸入腔室4限定在外部蒙皮2的一部分、内部蒙皮3的一部分和一对连续的桁条5内。

在图3A-图3B的优选实施方式中，内部蒙皮3包括在前缘部段的整个长度上沿翼展方向延伸的一组单独的U形构件6(在截面图中)。每个构件6具有两个短边和一穿孔的中央边。U形构件6一个接一个地连续布置以构造内部蒙皮的前缘轮廓，并且其中，桁条5的自由边缘如图3A-图3B中所示的那样放置在两个连续的或相邻的U形构件6的两个短边之间。在该实施方式中，桁条5优选地具有平坦的腹板，例如桁条为“T形”。每个桁条边缘和两个短边重叠起来并紧固在一起，例如被螺栓连接或铆接。

如可以在图3A-图3B中看出的，每个U形构件6都定尺寸成配装在两个连续的桁条5之间的空间中，以便每个构件6的两个短边与相应的连续的桁条重叠，使得桁条5和构件6可以紧固在一起。如果需要确保腔室的适当密封，则可以将液体密封剂施用至所紧固的区域。

如果需要，则将翼梁7如图3B所示的那样装配至前缘部段内部，并且出于此目的，使用“L形”支架8将翼梁7附接至前缘。

图3A-图3B的实施方式的内部蒙皮3和具有一体的桁条5的外部蒙皮2可以用材料和制造方法的若干组合来制造。

例如，外部蒙皮2和桁条5可以是金属的，并且在这种情况下，桁条5被焊接至外部蒙皮2，因此可以说桁条与外部蒙皮2是一体的。

替代性地，外部蒙皮2和桁条5由比如碳纤维增强塑料(CFRP)的复合材料获得。在这种情况下，外部蒙皮和桁条是一体地形成的，例如外部蒙皮和桁条共固化在一起、结合或二次结合。此外，可以通过使用塑料(具有或不具有增强物)的注射方法获得外部蒙皮和桁条。

进而，内部蒙皮3可以是金属的或复合材料的，优选地是CFRP，但也可以由塑料制成。因此，图3A-图3B的U形构件6是金属的或复合材料或塑料的。

当内部蒙皮3是金属的时，在金属桁条或复合材料桁条的情况下，内部蒙皮3被螺栓连接或铆接至桁条5。在这种情况下，内部蒙皮3可以由冷成型的铝板获得。

当内部蒙皮3和具有一体的桁条5的外部蒙皮2全部由复合材料获得时，内部蒙皮3可以与桁条5铆接或螺栓连接、共固化、结合或二次结合。在塑料注射的情况下，“U”形部件和硬化的外部蒙皮的连接可以通过焊接实现，但也可以通过铆接实现。

图4A-图4F中示出了图3A-图3B的前缘部段的优选制造方法。具有由金属或复合材料一体地形成在其中的多个桁条5的外部蒙皮2适配有期望的前缘轮廓(图4A)，以便桁条在前缘处沿翼展方向布置在内部。

当外部蒙皮和桁条是金属时，外部蒙皮可以由具有微钻孔的平坦钛板获得，并且桁条被激光焊接至该板，随后桁条被适配有期望的形状。

当外部蒙皮和桁条由复合材料获得时，这些部件可以由CFRP干燥碳纤维制成的外部蒙皮构成，该外部蒙皮具有干燥碳纤维制成的适配有期望形状的一体的桁条，在树脂传递模制(RTM)过程中树脂被共同注射至这些部件。前缘部段最终被固化并微钻孔。在塑料注射的情况下，该结构通过单次注射方法获得。

替代性地，一体的桁条与外部蒙皮一起适配作为CFRP预浸桩，随后桁条与外部蒙皮被固化在一起。一旦固化周期完成，前缘部段就最终被微钻孔。

另一方面，内部蒙皮3通过使多个单独的U形构件6相适配而获得，每个U形构件具有两个短边和一中央边(图4B)，其中，每个中央边单独地钻孔。随后，将U形构件6例如一个接一个地与桁条放置在一起(图4D)，以便将桁条的自由边缘放置在两个连续的U形构件6的两个短边之间。

U形构件6通过紧固装置与桁条5连接(图4E)，使得U形构件一个接一个地连续布置以构造期望形状的内部蒙皮3并且形成吸入腔室4。

如果需要，则金属或复合材料制成的翼梁7也通过支架8配装至前缘结构。

可以在图4A-图4F中看出，本发明的优点之一在于前缘部段的主要部件可以在其组装之前进行钻孔，因此简化了外部蒙皮和内部蒙皮的钻孔过程。此外，可以在生产期间容易地检查部件。

本发明的其它优选实施方式在所附从属权利要求和这些权利要求的多个组合中进行了描述。

Claims (9)

1.一种具有层流控制系统的前缘部段，所述前缘部段包括：

穿孔的外部蒙皮，所述穿孔的外部蒙皮成形成具有空气动力学前缘轮廓，

穿孔的内部蒙皮，所述穿孔的内部蒙皮相对于所述外部蒙皮布置在内部，

多个吸入腔室，所述多个吸入腔室形成在所述外部蒙皮与所述内部蒙皮之间，使得所述前缘部段的外部区域通过所述多个吸入腔室与所述前缘部段的内部区域连通，

其特征在于，

所述前缘部段还包括沿翼展方向布置在所述前缘部段处的多个桁条，并且所述多个桁条与所述外部蒙皮一体地形成，

并且其中，所述内部蒙皮连接至所述桁条，使得所述多个吸入腔室中的每个吸入腔室由所述外部蒙皮的一部分、所述内部蒙皮的一部分和所述多个桁条中的一对连续的桁条限定，

并且其中，所述内部蒙皮包括一组单独的U形构件，所述一组单独的U形构件中的每个U形构件具有一穿孔的中央边和从所述穿孔的中央边延伸的两个边，使得在所述内部蒙皮连接至所述多个桁条时所述两个边中的每个边与所述多个桁条中的邻近的一个桁条重叠，其中，所述U形构件一个接一个地连续布置以构造所述内部蒙皮的形状，并且其中，所述多个桁条中的每个桁条的自由边缘放置在两个连续的U形构件的两个边之间并且紧固至所述两个边，并且

对于所述一组单独的U形构件中的每个U形构件，所述穿孔的中央边靠近所述穿孔的外部蒙皮，并且所述两个边远离所述穿孔的外部蒙皮延伸。

2.根据权利要求1所述的前缘部段，其中，所述外部蒙皮和所述桁条是金属的，并且其中，所述桁条焊接至所述外部蒙皮。

3.根据权利要求1所述的前缘部段，其中，所述外部蒙皮和所述桁条由纤维增强复合材料获得，并且其中，所述外部蒙皮和所述桁条共固化在一起。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的前缘部段，其中，所述内部蒙皮是金属的，并且所述内部蒙皮紧固至所述桁条。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的前缘部段，其中，所述内部蒙皮由纤维增强复合材料获得，并且所述内部蒙皮与所述桁条结合、二次结合或共固化。

6.一种用于制造结合有层流控制系统的前缘部段的方法，其中，所述前缘部段的外部区域通过多个吸入腔室与所述前缘部段的内部区域连通，所述方法包括下述步骤：

提供具有多个桁条的外部蒙皮，所述多个桁条与所述外部蒙皮一体地形成，使得所述桁条在所述前缘处沿翼展方向布置在内部，

通过使多个单独的U形构件相适配来提供穿孔的内部蒙皮，一组单独的U形构件中的每个U形构件具有一中央边和从所述中央边延伸的两个边，使得在所述内部蒙皮连接至所述多个桁条时所述两个边中的每个边与所述多个桁条中的邻近的一个桁条重叠，并且将所述U形构件一个接一个地连续布置并通过紧固装置将所述U形构件与所述桁条连接，以便将所述多个桁条中的每个桁条的自由边缘放置在两个连续的U形构件的两个边之间，

以及将所述内部蒙皮与所述多个桁条连接，以使所述多个吸入腔室中的每个吸入腔室由所述外部蒙皮的一部分、所述内部蒙皮的一部分和所述多个桁条中的一对连续的桁条限定，

其中，对于所述一组单独的U形构件中的每个U形构件，所述中央边靠近所述外部蒙皮，并且所述两个边远离所述外部蒙皮延伸。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括在连接所述内部蒙皮之前或在连接所述内部蒙皮之后对所述外部蒙皮进行穿孔的步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外部蒙皮和所述桁条是金属的，并且其中，所述外部蒙皮通过将多个所述桁条激光焊接在基本上平坦的金属板的表面上、对所述板进行穿孔并且将所述板与一体的所述桁条相适配来提供，以构造具有空气动力学前缘轮廓的所述外部蒙皮。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外部蒙皮和所述桁条由纤维增强复合材料获得，并且其中，所述外部蒙皮和所述桁条共固化在一起。

Images