JP2007526418A - 多重推進航空エンジンのための一体化空気取入れシステム - Google Patents
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Abstract
Description
ブースタからラムジェットへの移行は、この移行中にどちらかのエンジンを通る空気流の損失が結果的に圧縮効率の損失になりかねないので、エンジン運転においてクリティカルな段階である。取込み空気をブースタ推進システムから高速推進システムへとシフトさせる必要が生じた結果、流れ抵抗を作り出す大寸法の幾何形状、複雑な衝撃波を生じさせる表面と前縁、分離流または再循環流の領域、そして、損傷し易い露出可動部が生まれるに至った。
空気は、固定された(すなわち不動の)外壁を有する空気取入れ口を通って進入する。一体化したダクトの固定された内壁が、ダクト内部を2つのチャンネル、一方が高速エンジンに通じ他方が低速エンジンに通じる、に分割する。固定された内壁は、捕獲チューブの上流端か下流端かどちらかで始まる前方リムを有する。高速推進システムに通じるチャンネルは、従ってこの場所から始まる。
一体化ダクトの内部の単一の可動パネルまたは連続した複数の可動パネルが、開位置と閉位置の間、および、その中間のあらゆる位置の間を移動する。ここで、開位置とは、入ってくる空気を低速チャンネルと高速チャンネルの両方に進入させる位置、閉位置とは、入ってくる空気流を全部、高速チャンネルに向かわせる位置のことである。
好ましい態様では、低速チャンネルが、周辺チャンネル、すなわち、高速チャンネルと、この高速チャンネルを完全に包囲する一体化ダクトの外壁の間に位置するチャンネルである。しかし、本発明の範囲内にある別の態様では、高速チャンネルが一体化ダクトと同軸でなく、低速チャンネルが高速チャンネルの周囲に部分的にしか延びていない。また或る実施例では、周辺チャンネル(低速エンジンに通じる)の幅が高速チャンネルの周囲に沿って変化する。これらの実施例では、可動パネルが高速チャンネルの周囲に相応に組立てられ、配置されている。
すべての実施例において、可動パネルは、離陸と加速の間、進入する全部の空気を先ず低速エンジンと高速エンジンの両方に向かわせ、次に、低速エンジンに通じるチャンネルに進入する空気の割合が次第に減少する移行段階の後、進入するすべての空気を高速エンジンに向かわせるべく働かされる。
本発明の一体化空気ダクトおよびエンジンの、先行技術に対する利点のひとつは、入ってくる全部の空気が離陸と加速の段階の間ずっと活用され、そのため、どの単一段階においてもより多くの量の大気が使用できることである。これはまた、全体としてエンジンの重量および体積を減少させることにもなる。
本発明のエンジンの更なる利点は、機がまだ相対的に低いマッハ数で飛行している間に空気を高速チャンネルに進入させ得るように内部チャンネルと可動パネルが配置されていることである。第3の利点は、高エンタルピーの空気流にさらされる前方エッジなしに可動パネルが組立てられることである。これは、パネルとエンジンを全体としてより耐久性のある構造にし、空気がエンジンに進入するのを阻む衝撃波の生成を減じるのを可能にする。
低速エンジンがまだ作動している間に空気を高速エンジンに進入させ得ること、大気をより大量に捕獲し得ること、圧力回収が改善されること、そして、あらゆる速度において大気の逃げによって生じる抗力を減少させ得ることから、総合的に、先行技術の多くの複合サイクルシステムよりはるかに大きい推力および比推力(Isp)を持つエンジンが得られる結果となる。
この下面図に示されるように、空気取入れ口の上側リップ17は取入れ口の残り部分に向かって延びる。それゆえ、この空気取入れ口は、その長さの分だけ底が開いている。この開口部は、低速飛行からの加速の間に捕獲チューブ内側に発生する衝撃波に応答して空気を捕獲チューブから機外へ逃がす。この空気の逃がしにより、取入れ口への通気量は調節される。
チャンネル22は、亜音速の流れを達成するのに必要とされるように空気を減速すべく可変の横断面を持つのが好ましい。ラムジェットエンジンまたは高速エンジン23は、図面に示した図から分かる通り、空気取入れ口と共直線的(co-linear)であり、フューエルインゼクタ24、絞り25、燃焼器26、および、超音速ノズルを形成する分岐部分27を含む。
空気取入れ口12とラムジェットコンポーネントは、飛行方向にほぼ平行な、また、移動する機体を基準のフレームとすれば、大気の接近の方向に平行な長手軸28に沿って概ね整合される。ここで“長手方向”と呼ぶ断面は、この長手軸が存在する平面において切取った断面のことで、他方、“横方向”と呼ぶ断面は、この長手軸に垂直な平面において切取った断面のことである。
内壁32が、囲いポイント20の下流領域を2つのチャンネル、すなわち、ラムジェット(高速)チャンネル34とブースタエンジン(低速)チャンネル35に分割する。本発明の好ましい実施例では、ラムジェットチャンネルは円形断面を有し、その前方リム33は、外壁の底にある開口部のテーパ状の囲いの下流に位置する。ブースタエンジンチャンネルの中にタービンエンジン36が描かれている。
パネルがその閉位置にあるとき、入ってくる空気は全部、ラムジェットチャンネル34の方に向けられる。従って、ブースタステージからラムジェットステージへのエンジンシフト動作としての複合サイクルエンジンの燃焼のために使用される流入空気の全体流量に変動はない。空気取入れ口の横方向断面全体からの空気が常時使用されるのである。よって、ブースタエンジンが作動し続けている間に空気がラムジェットに進入せしめられ、常時、最大限の空気が使用されるのである。
図3に示した実施例では、ブースタエンジンは、亜音速の進入空気をもって作動するタービンエンジンである。従って、可動パネル37がその開位置にあるとき、パネルは軸27から遠ざかる方向で角度を付けられ、パネルが分岐させることによってチャンネル壁は形成される。同様に、可動パネルがその閉位置にあるとき、パネルは軸27に向かって角度を付けられ、パネルと捕獲チューブの前方部分17が、チャンネルに細まり断面を提供する一続きの壁を形成する。この実施例における可動パネルの長さは、ラムジェットチャンネル壁32の前方リム33と回動軸38の間の距離に等しい。これで、進入空気は全部、ラムジェットチャンネル壁32によって形成される絞りに向かって集束する。
これは、前方パネル37と後方パネル39を中間位置、すなわち、空気をブースタチャンネルに進入させ、チャンネルに、F14やF15などの超音速機で公知のように細まり/広がり形状を提供するような位置に置くことによって達成される。超音速の速度で進入する空気は、先ずその細まり/広がり形状のうち細まりセクションにおいて音速または音速に近い速度に減速され、次に広がりセクションにおいて更に減速される。
本発明の範囲内の他の形態では、異なる数のブースタエンジンチャンネルが設けられ、その寸法や幾何形状に応じてラムジェットチャンネルを部分的または完全に取り囲んでいる。各ブースタエンジンチャンネルの内部に1つの分流パネルが配置されており、ディフューザパネル39が含まれるときは、同様に1つが各ブースタエンジンチャンネルの内部に配置されている。
スクラムジェットエンジンを中心とするブースタエンジンの配置はほぼ対称形で、可動パネルもスクラムジェットエンジンチャンネルを中心として対称形に配置されている。図5はこのエンジンの横断面図で、図解の目的のために多様なチャンネルと1つの可動パネル63を示す。図3に示した通り、可動パネル63の開位置は実線で表され、閉位置は破線で表されている。閉じられたとき、可動パネルの下流端は、スクラムジェットエンジンチャンネルを限定する内壁64の前方エッジに突き当たる。
可動パネルは、ストラット間の領域内に位置し、この背面図に見られる可動パネルは下流パネル76である。各ストラットの内部に、エンジンの始動を助けるロケット77が取り付けられており、これが、ラム燃焼器に燃料を供給するインゼクタとしても働く。このロケット/インゼクタ77は低速チャンネル61に内蔵され、その排出口も同じチャンネルの中に保持される。
インゼクタパイロン78の代替の形状が図7Aおよび7Bの正面図に示してある。図7Aのインゼクタパイロン78aは、前方表面79がチャンネル壁面のポイント80に向かって細まる低ドラッグ設計である。図7Bのインゼクタパイロン78bの前方表面は広幅のランプ81で、燃料と空気をより迅速に混合できるようになっている。
Claims (23)
- 多重推進システムを備えた航空エンジンのための一体化空気ダクトであって、前記一体化空気ダクトが、
入ってくる空気のための開口部を持つ固定外壁と、
前記ダクトを、前記固定外壁との間で、前記開口部の下流に前方リムを有する第1のチャンネルと第2のチャンネルとに分割する固定内壁と、
可動パネルであって、前記第1のチャンネルの前方リムの上流の回動軸で前記固定外壁の内部に取付けられていて、前記開口部を通って入ってくる空気を前記第1のチャンネルと第2のチャンネルとに同時に進入させる開位置と、前記第2のチャンネルへの空気の進入を阻止し、それで、前記開口部を通って入ってくる空気をほぼ全部、前記第1のチャンネルに進入させる閉位置の間で旋回する可動パネルと、
前記可動パネルを前記開位置と前記閉位置の間で移動させる手段と、を具備する、ことを特徴とする一体化空気ダクト。 - 前記可動パネルが、前記閉位置にあるとき、前記回動軸から前記第1のチャンネルの前方リムまで延びる、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが、前記閉位置にあるとき、前記回動軸から前記第1のチャンネルの前方リムまで細まり流路を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが、前記閉位置にあるとき、前記回動軸から前記第1のチャンネルの前方リムまで細まり流路を形成し、前記開位置にあるとき、前記回動軸から前記固定外壁まで広がり通路を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記開口部と前記第1のチャンネルが各々、ほぼ円形の横方向横断面を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記第2のチャンネルが前記第1のチャンネルを完全に取り囲む、ことを特徴とする請求項5に記載の一体化空気ダクト。
- 前記第1のチャンネルが前記開口部とほぼ同軸である、ことを特徴とする請求項5に記載の一体化空気ダクト。
- 前記第1のチャンネルが前記第2のチャンネルに相対して軸方向に偏っている、ことを特徴とする請求項5に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが複数、前記第1のチャンネルの周囲に沿って配置されている、ことを特徴とする請求項5に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが複数個、前記第1のチャンネルの周囲に沿って配置されており、前記可動パネルが、前記固定内壁を前記固定外壁に結合させる同数のストラットと互い違いに位置し、前記ストラットが各々、これに取付けられた1つのフューエルインゼクタを有する、ことを特徴とする請求項5に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが分流パネルとして限定され、前記空気ダクトが更に、前記分流パネルの下流の前記固定外壁の内部に取付けられたディフューザパネルとして限定された補助の可動パネルを包含し、前記分流パネルとディフューザパネルが各々、回動式に取付けられた端と自由端を有し、前記分流パネルとディフューザパネルが前記自由端で出会う、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが分流パネルとして限定され、前記空気ダクトが更に、前記分流パネルの下流の前記固定外壁に取付けられた下流可動パネルを包含し、前記分流パネルと下流パネルが、開いているときは前記第2のチャンネルを通る通路を提供し、閉じているときは前記第2のチャンネルの中に囲い室を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが、各々、前記第1のチャンネルの前方リムの上流の回動軸で前記固定外壁の内部に取付けられた第1の複数可動パネルの1つで、入ってくる空気を前記第1のチャンネルと第2のチャンネルの両方に同時に進入させる開位置と、前記第2のチャンネルへの空気の進入を阻止し、それで、入ってくる空気をほぼ全部、前記第1のチャンネルに進入させる閉位置の間で旋回するようになっており、前記空気ダクトが更に、前記第1の複数パネルの下流の前記固定外壁に取付けられた第2の複数可動パネルを包含し、前記第1の複数可動パネルと第2の複数可動パネルが各々、開いているときは前記第2のチャンネルを通る通路を提供し、閉じているときは前記第2のチャンネルの中に囲い室を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルが、各々、前記第1のチャンネルの前方リムの上流の回動軸で前記固定外壁の内部に取付けられた第1の複数可動パネルの1つで、入ってくる空気を前記第1のチャンネルと第2のチャンネルの両方に同時に進入させる開位置と、前記第2のチャンネルへの空気の進入を阻止し、それで、入ってくる空気をほぼ全部、前記第1のチャンネルに進入させる閉位置の間で旋回するようになっており、前記空気ダクトが更に、前記第1の複数パネルの下流の前記固定外壁に取付けられた第2の複数可動パネルを包含し、前記第1の複数可動パネルと第2の複数可動パネルが、入ってくる超音速の流れを先ずほぼ音速の流れに減速し、次に亜音速の流れに減速すべく、前記第2のチャンネルに細まり/広がり形状を提供する位置へ移動できるように配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 前記可動パネルを移動させるための手段が電磁式アクチュエータである、ことを特徴とする請求項1に記載の一体化空気ダクト。
- 多重推進システムを有する航空エンジンであって、前記航空エンジンが
ラムジェット、
ブースタ推進システム、および
一体化空気ダクト
を包含し、前記一体化空気ダクトが、
入ってくる空気のための開口部を持つ固定外壁、
前記ダクトを、前記ブースタ推進システムに通じる前記固定外壁との間で、(i)前記開口部の下流の前方リムから前記ラムジェットまで延びる第1のチャンネルと(ii)第2のチャンネルとに分割する固定内壁、
前記第1のチャンネルの前方リムの上流の回動軸で前記固定外壁の内部に取付けられていて、前記開口部を通って入ってくる空気を前記第1のチャンネルと第2のチャンネルとに同時に進入させる開位置と、前記第2のチャンネルへの空気の進入を阻止し、それで、前記開口部を通って入ってくる空気をほぼ全部、前記第1のチャンネルに進入させる閉位置の間で旋回する可動パネル、および、
前記可動パネルを前記開位置と前記閉位置の間で移動させる手段
を包含することを特徴とする航空エンジン。 - 前記ブースタ推進システムがターボジェットである、ことを特徴とする請求項16に記載の航空エンジン。
- 前記ブースタ推進システムがロケットモータである、ことを特徴とする請求項16に記載の航空エンジン。
- 前記ブースタ推進システムがターボジェットとロケットモータの組合せである、ことを特徴とする請求項16に記載の航空エンジン。
- 前記ラムジェットがスクラムジェットであり、前記エンジンが更に、前記スクラムジェットを補うために前記第1のチャンネルの内部に位置決めされたロケットモータを包含する、ことを特徴とする請求項16に記載の航空エンジン。
- 前記第1のチャンネルがほぼ円形の横断面を有し、前記可動パネルが、前記第1のチャンネルの前方リムの上流の回動軸で前記固定外壁の内部に取付けられた複数の可動パネルの1つで、前記開口部を通って入ってくる空気を前記第1のチャンネルと第2のチャンネルの両方に同時に進入させる開位置と、前記開口部を通って入ってくる空気をほぼ全部、前記第1のチャンネルに進入させる閉位置の間で旋回するようになっており、前記可動パネルが、前記閉位置にあるとき、前記第1のチャンネルに向かう細まり流路を形成する、ことを特徴とする請求項16に記載の航空エンジン。
- 前記第1のチャンネルがほぼ円形の横方向横断面を有し、前記第2のチャンネルが前記第1のチャンネルを完全に取り囲み、前記可動パネルが前記第1のチャンネルの周囲に配置されている、ことを特徴とする請求項21に記載の航空エンジン。
- 前記第1のチャンネルがほぼ円形の横方向横断面を有し、前記第2のチャンネルに相対して軸方向に偏っている、ことを特徴とする請求項21に記載の航空エンジン。
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