高速移动平台的进气口和方法

摘要

本发明公开一种用于高速、空中移动平台诸如商用或军用飞行器上的座舱空气压缩机的入口装置和方法。该装置包括一具有所需形状的Pitot入口，该入口由分流器结构支承在飞行器机身外表面外部。分流器结构分流边界层的低能部分，使得低能部分不会进入Pitot入口。该Pitot入口接收边界层的更高能部分并且将冲压气流导向至座舱空气压缩机入口。该装置在座舱空气压缩机(CAC)入口面处提供至少大约0.8的恢复系数(RF)，这将驱动CAC所需的电力保持在可用动力极限内，同时最小化该入口装置的阻力。

权利要求

1.一种用于高速空中移动平台的进气口装置，该装置包括：Pitot入口，包括：

具有表面和狭管的导管结构，该表面位于移动平台机身的外表面外部，并且使得狭管在飞行期间接收邻近所述机身并且移动越过所述机身的机身边界层的第一部分；以及用于将导管结构支承在机身外部预定高度处的边界层分流器，使得边界层分流器能够防止紧邻近所述机身外部表面的边界层的第二部分进入所述狭管；

其中所述Pitot入口的所述导管结构进一步包括内边缘和外边缘，所述内边缘更接近所述机身的外表面，并且所述外边缘的厚度与所述内边缘的厚度的比值在大约2∶1至大约4∶1之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述Pitot入口包括在大约5∶1至大约6∶1之间的狭管宽高比。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述外边缘与所述内边缘间隔开。

4.一种使用在喷气式飞行器机身上以向所述飞行器的子系统提供进气的进气口装置，该装置包括：Pitot入口，包括：

具有狭管和表面的导管结构，该表面位于飞行器机身的外表面外部，并且使得狭管在飞行器飞行期间接收邻近所述机身并且移动越过所述机身的机身边界层的第一部分；以及设置在导管结构的一表面与机身外表面之间的、用于将导管结构支承在机身外部预定高度处的边界层分流器，该边界层分流器防止紧邻近所述机身外部表面的边界层的第二部分进入所述狭管；

其中所述Pitot入口的所述导管结构进一步包括内边缘和外边缘，所述内边缘更接近所述机身的外表面，并且所述外边缘的厚度与所述内边缘的厚度的比值在大约2∶1至大约4∶1之间。

5.一种飞行器，包括：

具有外表面的机身；

Pitot入口，包括：

具有表面和狭管的导管结构，该表面位于飞行器机身的外表面外部，并且使得导管结构在飞行器飞行期间接收邻近所述机身并且移动越过所述机身的边界层的第一部分；以及设置在导管结构的一表面与机身外表面之间的、用于将导管结构的一部分支承在机身外部预定高度处的边界层分流器，该边界层分流器防止紧邻近所述机身外部表面的边界层的第二部分进入所述导管结构；

其中所述Pitot入口的所述导管结构进一步包括内边缘和外边缘，所述内边缘更接近所述机身的外表面，并且所述外边缘的厚度与所述内边缘的厚度的比值在大约2∶1至大约4∶1之间。

6.一种用于在喷气式飞行器的机身外表面上形成入口的方法，该方法包括：形成一Pitot入口，该入口具有邻近所述机身外表面设置并且高于所述外表面的狭管；

使邻近所述机身外表面的边界层的低能部分分流，在所述Pitot入口的入口面处，防止所述低能部分进入所述Pitot入口的所述狭管；并且使用所述Pitot入口的所述表面接收所述边界层的较高能量部分；

其中所述Pitot入口由内边缘和外边缘形成，所述内边缘更接近所述机身的外表面，并且还形成所述内边缘和外边缘，使得所述外边缘的厚度与所述内边缘的厚度的比值在大约2∶1至大约4∶1之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中形成的所述外边缘与所述内边缘间隔开。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，使边界层的低能部分分流包括使用设置在所述Pitot入口的导管结构与所述机身外表面之间的分流器，从而支承所述导管结构。

说明书

高速移动平台的进气口和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请涉及名称为“用于空中移动平台的串联进气口装置和方法”的美国专利申请No.11/553,181的主题(波音卷号06-0310；HDP卷号7784-000962)，其公开内容引用结合于此。

技术领域

[0003] 本发明涉及用于空中移动平台的冲压进气口，尤其涉及适用于高速商业喷气式飞行器以将空气供给至飞行器的子系统的高效冲压进气口。

背景技术

[0004] 各种商业和军用飞行器通常将座舱空气(CA)入口用于这种飞行器采用的环境控制系统(ECS)。采用CA入口的飞行器采用冲压空气，用于座舱加压，而不采用发动机的放气。采用这种飞行器，由CA入口收集的冲压空气通常供给至电动机驱动座舱空气压缩机(CAC)，然后调节至空气调节组中的所需温度和压力，并且随后供给至座舱的空气分配系统。

[0005] 当使用冲压空气供给座舱空气压缩机时的重要要求是获得CAC入口面处的最小所需恢复因数(RF)。在实践中，需要获得CAC入口处可能的最大RF从而最小化驱动空气调节组的(各)压缩机所需的电力。这在峰值动力条件下尤其重要，因为ECS的发电机、马达和其他电子设备的尺寸需要满足飞行器的峰值要求。理想情况下，在CAC入口面处获得的RF将为1.0，但是实际上其一般明显小于1.0，并且通常为大约0.05-0.7。但是，另一方面，用于冲压进气口的更高RF总体与更高的阻力相关联。因此，存在为飞行器的环境控制系统部件设置入口的设计挑战，尤其涉及座舱进气口，即能够获得预定的最小值RF，同时也最小化入口的阻力。

[0006] 当使用厚机身边界层时，平齐安装的冲压进气口(矩形或NACA外形)的位置平齐地抵靠飞行器机身的外表面，其采用用于将冷却空气供给至空气调节组换热器的类型，这些进气口趋于产生在大约0.6至0.7范围内的RF。但是，由于对可用压缩机动力的限制，需要获得更接近1.0的RF，至少大约0.8，从而最大效率地使用进气口。因此，当前，平齐安装的冲压进气口通常无法实现理想的性能参数。而且，在低质量流量下，平齐安装的冲压进气口也倾向于产生无益的Helmholtz类型导管流不稳定性，其产生于导管中共鸣与入口前部的邻近边界层的分离之间的关联。因此，与使入口的RF性能最大化关联的共同的性能考虑是最小化与入口的设置关联的阻力，同时设置一入口，使该入口能够将开始时的流动不稳定延缓为明显更低的质量流量。

[0007] 另一考虑是能够相对于通常与飞行器上的环境控制系统结合使用的一个或多个其他入口的位置定位座舱进气口。例如，在商用和军用飞行器上，可使用一个或多个入口将空气流供给至一个或多个座舱空气压缩机，同时也结合一个或多个换热器冲压进气口以将冷却空气供给至飞行器上的空气调节组的换热器。理想情况下，换热器入口可相对于座舱进气口以改进座舱空气压缩机的紧上游的边界层的方式定位。这将满足座舱进气口的最优性能特征，同时仍然减小与座舱进气口关联的阻力。

发明内容

[0008] 本公开内容涉及用于高速移动平台的进气口装置和方法。在一项实施例中，高速移动平台包括商用或军用飞行器。

[0009] 在一项实施例中，进气口装置包括设置在边界层分流器上方的Pitot入口，在此处，边界层分流器位于移动平台主体部分的外表面上。Pitot入口在移动平台的飞行期间接收移动越过主体部分的接近该主体部分的边界层。该边界层分流器能够防止最接近主体部分外表面的边界层的内部区域进入Pitot入口。在一项实施例中，边界层分流器将Pitot入口支承在主体部分外表面上方。

[0010] 在另一实施例中，Pitot入口包括在大约5∶1至大约6∶1之间的狭管宽高比。

[0011] 在另一实施例中，Pitot入口包括内边缘和与内边缘间隔开的外边缘，内边缘更接近移动平台主体部分的外表面。外边缘与内边缘的厚度比在大约2∶1至大约4∶1之间。在一项具体实施例中，该装置形成尤其适用于商用或军用飞行器的环境控制系统的座舱空气压缩机。

[0012] 可从这里提供的说明书清楚得出其他方面的应用。应该理解，说明书和具体实例仅仅是示例的目的，并不是意图限制本公开的内容。

附图说明

[0013] 这里所述的附图只是为了示例的目的，并不是以任何方式限制本公开的范围。

[0014] 图1是结合根据本发明一项实施例的进气口装置的飞行器的外表面的一部分的透视图；

[0015] 图2A是图1的装置的前视图；

[0016] 图2B是该装置的俯视图；

[0017] 图2C是根据图2A的剖面线2C-2C的Pitot入口的放大剖视图；

[0018] 图3是图2A的装置的侧视图；

[0019] 图4是在飞行器上采用的用于入口装置的典型环境控制系统的示意性方框图；

[0020] 图5是类似于示出接近该装置的边界层的图2C的横截面侧视图；

[0021] 图6是根据本发明一项实施例的串联入口装置的侧视图；

[0022] 图7是“吞入”换热器入口的边界层的一部分的简化图，在该装置的Pitot入口面处形成更薄的边界层；

[0023] 图8-11是在换热器入口的前方和后方进行边界层测量的实验室环境中获得的图表，示出由本发明的换热器入口得到的边界层的改进；

[0024] 图12是示出通过与不具有向前设置的换热器入口的优势的Pitot入口的基线设置(baseline placement)进行比较、由串联入口装置得到的Pitot入口尺寸调整优势，该比较在43,000英尺的高度处、炎热天气下、以最大流速进行；以及

[0025] 图13示出类似于图12的比较，该比较在39,000英尺的高度处、标准温度天气下、以最小流速进行。

具体实施方式

[0026] 下述说明书仅仅是示例性的，并不意在限制本公开内容、应用或使用。

[0027] 参照图1，根据本发明一项实施例的入口装置10如图所示位于移动平台12的机身14上，在机身/机翼的交界区域，邻近但是位于机翼14a下方。在该实例中，移动平台12包括飞行器，但是可以理解，该入口装置10可应用到任何形式的高速移动平台上，诸如其他空中平台，例如在导弹或火箭上，或者甚至在高速陆地车辆上，诸如火车，或者在海洋船舶上。但是，可期望将该入口装置10具体地应用到采用使用至少一个座舱空气压缩机(CAC)的环境控制系统的商用和军用喷气动力飞行器上。

[0028] 参照图2A、2B、2C、3和5，该入口装置10包括Pitot入口16，该入口具有入口导管结构19，该入口导管结构通过分流器20定位并且支承在机身14的外表面18附近。入口导管结构19包括由内边缘24和外边缘26形成的入口面22。如图2C所示，内边缘24和外边缘26有助于限定具有狭管23的入口导管25。狭管23表示入口导管25的最小横截面积。入口导管25向内朝向机身14外表面18弯曲并且传过该外表面(图2C)。入口导管25引导至由图4中的附图标记40a和42a所示的位于机身14中的座舱空气压缩机(CAC)的入口面。分流器20支承Pitot入口16的内边缘24，该内边缘距离外表面18预定距离，如箭头30所示(图2C)。在一项实施例中，由箭头30表示的距离处于大约1.0英寸-3.0英寸之间(25.40mm-76.20mm)，并且更优选为大约2.0英寸(50.80mm)。

[0029] 进一步参照图2A，Pitot入口16的狭管宽高比(宽度比高度)也是体现入口性能的一个因素，尤其用于获得接近1.0的RF(复原系数)，并可获得最小的阻力劣势。理想情况下，座舱空气压缩机的入口面(在图4中的40a或42a)处的最小RF为大约0.8。但是，在大约0.88-0.92范围内的更高RF在Pitot入口16的狭管23处尤其是优选的，从而用于避免最大流率下的入口狭管23与座舱空气压缩机(CAC)入口面之间的入口扩散器损失。这是因为入口导管25的横截面形状需要从矩形横截面形状过渡为圆形横截面形状，这导致Pitot入口16损失随着狭管宽高比增加而增加。因此，在大约5∶1至大约6∶1之间的狭管宽高比可理想地用于至少获得在CAC的入口面处的大约0.8的最小RF，同时最小化Pitot入口16的阻力。

[0030] 参照图2A和2C，Pitot入口16的内边缘24相对于外边缘26的厚度对于入口装置10的性能来说也是至关重要的。优选地，内入口边缘24的厚度应该尽可能小从而防止低质量流量下的RF性能下降(一般来说，质量流量比在大约0.2-0.5之间)。此外，当暴露至大量的泄漏时(即，空气流被促使向外流动离开入口边缘24和26)，较薄的内边缘24不会使与曲率关联的流体加速达到高马赫数，这将“堵塞”分流器20周围的区域。内边缘24的厚度由箭头32限定，外边缘26的厚度由箭头34限定。在一项实施例中，在大约2∶1-4∶1范围内的外边缘-内边缘厚度比尤其适于平衡阻力和RF性能。

[0031] 简单地参照图5，入口装置10与用在飞行器12上的环境控制系统36共同示出在示意性方框图中。在该实例中的环境控制系统(ECS)36包括换热器冲压进气口38和将加压空气施加至ACM(空气循环机)44的一对座舱空气压缩机40和42。座舱空气压缩机40和42分别具有入口面40a和42a，它们每个与入口装置10连通。ACM 44的热压缩空气通过换热器46以控制由ACM 44供给至飞行器12的座舱区域48的空气的温度。部件40、42、44和46包括空气调节组50。来自于空气调节组50的新鲜空气在座舱48中循环，然后排出通过一个或多个流出阀52。来自于换热器入口38的冲压空气用于冷却换热器46中的热压缩空气并且随后通过经调节的冲压空气出口54排出。

[0032] 现在参照图5，将说明入口装置10的操作。随着边界层56在飞行器12的飞行期间移动经过入口装置10，该入口装置10定位在边界层56中，边界层56的低能部分从进入Pitot入口16开始由分流器20分流。边界层56的低能部分典型情况下为处于从机身14的外表面18的大约1.5英寸-2.5英寸内(38.10mm-63.50mm)，更典型地从外表面18的大约2.0英寸(50.80mm)。Pitot入口16收集边界层56的外部区域的更高动量。边界层56的总体高度在该实施例中为大约5.0英寸(127mm)。可选择地，为了在起飞、滑行和着陆操作期间防止外部物体碎片(FOD)的吸入，可将以虚线示出的可枢转门58设置在Pitot入口16的入口面22的前部。FOD门58可被致动使得在飞行器12的选定操作时间期间防护入口面22。

[0033] 入口装置10带来额外的优势，即延迟Helmholtz不稳定性的开始，该不稳定性可在采用平齐安装的入口时实现。在需要单一座舱空气压缩机的操作模式下，即质量流量比可降低至大概0.2或者稍微更低些，平齐安装的入口典型地需要狭管区域进行调节以避免Helmholtz不稳定性的开始。狭管区域调节将使在CAC入口面获得的RF降低，并且增加入口结构的成本和复杂度。

[0034] 在双CAC出现故障这种极少发生的情况下，通过Pitot入口16的空气流的质量流量比将下降至接近零，并且在这种情况下Helmholtz不稳定性是很可能无法避免的。但是，为了避免这种情况下的Helmholtz不稳定性，FOD门58可在飞行期间展开。FOD门58在飞行时的这种展开将保护Pitot入口16免受正在接近的气流的撞击压力并且防止大振幅的固定压力波(即，Helmholtz不稳定性)出现在Pitot入口管25中。

[0035] 因此，可理解，入口装置10用于提供将座舱空气供给至座舱空气压缩机所需的明显增加的RF，同时最小化该入口装置10的总体阻力。

[0036] 参照图6，串联入口装置100如图所示形成在飞行器12的机身14的外表面18上。串联入口装置100采用Pitot入口102和定位在Pitot入口102前方的换热器(Hx)入口
104，该入口104与Pitot入口102纵向对齐从而优选地直接位于入口102前方。采用“位于前方”的方式，可理解为定位在Pitot入口102的上游，相对于Pitot入口102上的边界层流。

[0037] Pitot入口102包括具有导管114、狭管113、面106和分流器108的入口结构103。串联入口装置100可位于飞行器12机身上的各种位置，但是在一项实施例中，位于图1所示的机翼/机身减阻装置区域。可选择地，可展开的FOD护罩110可布置在Pitot入口102的面106的前方，类似于结合图4所述的FOD护罩58。在一项实施例中，可调节的门112用于可控制地阻挡进入换热器入口104的空气流。可选择地，可调节的双门类型结构可用于选择性地阻挡换热器入口104。

[0038] 在该实施例中，可展开的FOD护罩110也用于在地面操作期间防止碎片吸入并且以与图4的FOD护罩58相同的方式延迟Pitot入口102的管114中的Helmholtz不稳定性的开始。

[0039] 在操作中，串联入口装置100使图7中正在接近的厚机身边界层118由换热器入口104部分或完全地“吞入(swallow)”，因此使得新的更薄的边界层从换热器入口104的边缘116出现。因此，位于换热器入口104后面并且与其成直线的Pitot入口102有效地接受入口面106处的“薄”得多的边界层。这会导致更高的压力恢复，在Pitot入口102的入口面106处一般接近的RF＝1.0。这又允许Pitot入口102具有减小尺寸的入口狭管113面积，以及减小的分流器108的高度，从而在座舱空气压缩器(在图5中的40或42)的入口面(40a或42a)处获得理想的RF性能。

[0040] 换热器入口104和Pitot入口102的这一设置在最高飞行高度、“炎热”天气和最大座舱气流的设计点条件下尤其有效，其用于调整换热器入口104和Pitot入口102的每个的尺寸。在超过大约36,000英尺(10,920米)的高度处，“炎热”天气在本行业中一般理解为高于大约-70 的温度，更典型地在大约-43 --70 之间。在这些情况下，换热器入口104一般以最大质量流量比大开口地操作，由此，“吞入”整个或者基本上整个接近机身的边界层，如图7中的边界层视图120所示。然后，Pitot入口102在入口面106处得到更薄的边界层，如图7中的边界层视图122所示。减小高度的边界层122能够在入口狭管113处得到接近1.0的RF。这允许入口狭管113的狭管面积(面积狭管)的减小，因此能够在座舱空气压缩机(40或42)入口面(40a或42a)处获得理想的RF性能。

[0041] 在“寒冷”天气下，在超过大约36,000英尺的高度处一般小于大约-70 ，以及换热器冷却空气流要求下降的更低高度状态(一般为10,000至20,000英尺；3033m-6066m)，换热器入口104优选地以更低的质量流量比操作。入口的质量流量比定义为通过入口的实际质量流量除以在自由流中通过入口的完全开启狭管区域的质量流量。在低质量流量比下，典型地处于0.1至0.5的范围内，经调节的换热器入口104在局部开启的位置处操作。但是，换热器入口104仍然“吞入”在图7中形成为最接近机身14的外表面18的边界层118的低能部分。因此，接近Pitot入口102的边界层稍微变厚，并且RF在入口狭管113处下降。这如图8所示。在图8中，串联定位的座舱进气口102的狭管RF是相对于换热器入口
104的质量流量比绘制的。在寒冷的天气下，换热器入口104将在局部开启的位置以低质量流量比操作。因此，在Pitot入口狭管113处获得的RF将更低。但是，由于自由流质量流量在寒冷天气下比炎热天气下要高，所以在Pitot入口102的入口狭管113处的质量流量比和马赫数在寒冷天气下较低。这将减小Pitot入口导管114中的内部损失。因此，在座舱空气压缩机入口面处(图5中的40a或42a)的所需RF仍然满足寒冷天气下的Pitot入口狭管113处的更低压力恢复。

[0042] 现在参照图9-11，示出在实验室环境下测量的在调节换热器入口104的前方和后方的各种边界层的数据，相应于换热器入口开口和质量流量的范围。图9示出在换热器入口104 100％开启情况下的换热器入口104的后方的边界层速度图。图10示出在换热器入口104 70％开启情况下的换热器入口104的后方的边界层速度图，图11示出在换热器入口104大概50％开启情况下的换热器入口104的后方的边界层速度图。在每个图中，边界层速度图如图所示相应于通过换热器入口104的质量流量的若干值。在这些图中的横坐标是边界层中的局部速度(u)和边界层边缘的速度(uinf)的比值(u/uinf)。纵坐标是距离安装有入口102和104的外表面18的距离(y)，单位为英寸。在寒冷的天气下，换热器入口104将在局部开启的位置处以低质量流量比操作。因此，在Pitot入口狭管113处获得的RF将更低。得到图9-11所示的数据的测试的模型比例为二分之一比例。图9-11中的虚曲线124表示正好在图6和7中的换热器入口斜坡126后部的边界层外形，形成图9-11的每个中的曲线128的数据点表示换热器入口104前部的边界层速度图中的变化(即，大概在Pitot入口102的入口面106处观察所得)。注意，在曲线图9-11的每个中，由曲线128所示的在换热器入口116后部的边界层速度线，与换热器入口104前部的边界层速度线相比更加饱满(full)(即，边界层薄得多)，如曲线124所示。这表示由于换热器入口104有效地“吞入”边界层124的大部分，所以在Pitot入口102的入口面106处可获得更高的RF。

[0043] 图12和13示出通过换热器入口104和Pitot入口102的串联布置得到的Pitot入口102调整尺寸的益处的视图。首先参照图12，对于将Pitot入口102基线设置在五英寸厚机身边界层来说，不具有由换热器入口104吞入边界层的益处，所需的入口狭管面积大约为33平方英寸，分流器108的高度(dd)为大约2.0英寸。这得到入口质量流量比为大约0.78，狭管压力恢复(RFth)＝0.897，在43,000英尺的调整尺寸点的大约2.174cts/AP的入口阻力，在炎热的天气下，并具有最大的流量(cts/AP为由两个Pitot类型座舱进气口102产生的每个飞行器的总阻力，每个Pitot类型座舱进气口在飞行器的每侧上)。串联设置在Pitot入口102的狭管面积为大概28平方英寸，分流器108的高度(dd)为大约0.5英寸(12.7mm)，这得到入口质量流量比0.92，狭管压力恢复RF狭管＝0.984，在相同的调整尺寸点处入口阻力为2.085cts/AP。串联Pitot入口102的狭管质量流量比因此高于基线Pitot入口的狭管质量流量比，这将导致更高的入口管道114压力损失。但是，串联Pitot入口102的狭管RF明显地更高，这可预期补偿更高的管道压力损失并且仍然满足座舱空气压缩机入口面处的最小理想RF要求(即，大约0.8)

[0044] 参照图13，在39,000英尺(11,830m)的阻力评估点处，ISA“标准天气”(即，温度为大约-70 )以及最小流量，串联设置的Pitot入口102与基线Pitot入口相比以更高的质量流量比和狭管RF操作。在这一条件下，用于串联Pitot入口102以及基线Pitot入口的质量流量比为相当的低。因此，管道114压力损失也较小，在座舱空气压缩机入口面处获得所需的RF性能对于任一设置都不是问题。串联设置的入口104和102的主要益处突出显现在性能评估点处的阻力中。Pitot入口102阻力在串联设置时与图13所示的基线布置相比减小大约0.25cts/AP。

[0045] 因此，串联入口装置100能够在Pitot入口102的更小面积狭管以及更短的分流器108的情况下实现理想水平的RF性能，因为向前设置的换热器104能够吞入大部分边界层。由Pitot入口的性能实现的益处即使在换热器入口104局部关闭时也存在。

[0046] 虽然已经说明各种实施例，但是本领域技术人员可知可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种改进或变化。该实例示出的各种实施例并不是意在限制本发明的范围。因此，应该大范围地理解说明书和权利要求，只有在现有技术需要的情况下才可进行必要的限制。