JP2007535636A - パルスジェットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】公知のジェットエンジンに関連した不利な点を克服ないし少なくともかなり低減したパルスジェットエンジンを提供する。
【解決手段】超音波周波数で循環するように配設されている４分の１波長ガス共振器（１）を備えたパルスジェットエンジンであって、前記共振器（１）はその圧力アンチノード（４）においてガス流に対して閉じているか又は実質的に閉じているパルスジェットエンジン。前記４分の１波長ガス共振器（１）の形状及び寸法は、少なくとも部分的に前記共振器（１）が循環する超音波周波数を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスジェットエンジンに関し、その他の態様に関する。

様々な設計のパルスジェットエンジンは一世紀以上に亘って公知である。一般に、パルスジェットエンジンは、低圧位相中に共振器の圧力波腹で燃料と空気が導入される１／４波長ガス共振器を備えて成る。パルスジェットエンジンの中には、単数または複数の圧力ノードの出力を有する１／２波長共振器を備えるものもある。

点火は、高温の残存排気ガスと到来する燃料と空気の混合により行われるので、いったんエンジンが運転し始めると他の点火装置は必要とされない。

そのようなエンジンは、その単純さにより著しく効率がよいが、それによって発生する騒音レベルは、全体として許容できるものではなく、また容易に除去できるものでもない。主としてこの理由により、パルスジェットエンジンはめったに用いられることがない。

液体燃料パルスジェットエンジンは、その起動しがたいことで悪評が高いが、いったん運転し始めると極めて効率がよい。

より最近になって、混合気が、より高い効率に至る爆轟頭において燃焼する関連したパルス爆轟ジェットエンジンに関心が集まっている。しかし、これらは真のパルスジェットエンジンではない。というのも、混合気は、各パルス毎に導入され、極めて細心に設計制御される爆轟イニシエータにより点火即ち爆轟されるからである。

本発明の１つの目的は、上記の公知のジェットエンジンに関連した不利な点を克服ないし少なくともかなり低減したパルスジェットエンジンを提供することである。

本発明の１つの態様においては、超音波周波数で循環するように構成されている４分の１波長ガス共振器を備えたパルスジェットエンジンであって、前記共振器はその圧力アンチノードにおいてガス流に対して閉じているか又は実質的に閉じていることを特徴とするパルスジェットエンジンが提供される。

１／４波長ガス共振器は、管、流路（チャネル）、少なくとも１つの流路で結合された複数の管の形態であってもよい。

好ましくは、４分の１ガス共振器はそのノズル端部におけるガス圧ノードから他方の端部におけるガス圧アンチノードの位置まで、その断面が非常に縮小されているので、他端部における流入ガスは、非常に著しく細まった流れとなる。そのようなガスの細まり度は、共振器の壁部のプロフィールにより制御してもよい。

このようにして、ガスの細まり流れは、点火に先んじてガス流の先端部に対して非常に有効な断熱圧縮を行うことになる。

あらかじめ混合された液体／空気は、圧力ノード、即ち、共振器のノズル端部を囲むポートを介して外部の気化器から共振器に提供してもよい。弁動作は、分流によってなすことができる。排気されるジェットパルスはかくして共振器のノズル端部を囲むガスを少しも同伴することなく放出される。

エンジンサイクルの低圧位相中は、混合気は圧力ノード、即ち共振器のノズル端部から共振器に吸引され、排気されるジェットパルスはその移動方向を継続しようとするので、混合気は、排気ガスを有効に掃気しながら横方向に流入することなる。

ガス／空気の混合気の点火は、高温の共振器壁部により開始される圧力アンチノードにおいてあるいはそれと隣接して発生するように構成することができる。

あるいはまた、加熱素子を共振器壁部間に介在させて圧力ノード近くで点火を開始させてもよい。点火に続く局部的な圧力上昇は、高速爆燃、好ましくは、安定な爆轟と対応するチャップマンジュグー速度より高い速度及び圧力の高速爆燃に適合させてもよい。

あるいは、共振器壁部の細まりは、直接、又は４分の１波長共振器の圧力アンチノードでのガス／空気混合物の細まり流れの衝撃及び反射により、爆轟を生じるように適合させてもよい。

共振器の圧力アンチノードへ向けての共振器の細まりは、排気されるガスの共振器の排気ノズル端部への流れの発散にも拘わらず、爆轟が、ガス／空気混合物の全体を爆轟させるのに十分安定となるように、適合させてもよい。

共振器の細まりによって、排気されるジェットパルスが末広がりのノズルを確実に横切ることが可能となる。そのような細まりは、発散するジェットパルスが、周囲の推力オーグメンター保護板内の大量のバイパス空気を加速させるように構成してもよい。

エンジンスタータは、気体燃料の噴流が発生するように、例えば、燃料供給管内の液体燃料を沸騰させる、電気加熱素子などのような加熱素子を備えてもよい。この噴流が乱流であってもよく、あるいは乱流を電気加熱素子との相互作用により引き起こすようにしてもよい。このようにして、気体燃料噴流の混合により、周囲ガスを同伴しそれと混合することが可能になる。

炎を発生させる自己点火温度より高温に混合気を加熱するいかなる加熱素子でも用いてよい。加熱素子は、その時、炎が共振器内部に留まり得るような有効な高温の共振器壁部であってもよい。炎と加熱素子は、その時、炎が共振器の境界内に安定に保持されるように共振器壁部を加熱可能であってよい。いったん加熱素子への電力のスイッチがきられても燃料が継続して蒸発してその結果得られた気体燃料の噴射が維持されるように、熱は炎から加熱素子と共振器壁部を介して液体燃料送り管に伝導されるようにしてもよい。炎はこの時、持続的になる。エンジンスタータの壁部は、炎の長さや強さが高いゲインで変動するように適合させてもよく、そのような発振は、急速にかつ十分増大してエンジンのパルスジェット動作が行われるようにする。これは単純なスタンドアローン型パルスジェットエンジンであってもよく、より大きな出力をより高い効率で提供可能な、例えば、チャンネル型４分の１波長共振器と組み合わせてもよい。

スタータ燃料供給は、簡単な軸方向送り管としてもよく、送り管のより低温の部分における液体燃料の慣性が、４分の１波長共振器のガス圧アンチノードにおいて有効な気体封止を与える。

あるいは、スタータ燃料供給は、エンジン構造内の気化器から延び、いったんその内部の液体燃料がエンジンの熱により蒸発させられると、管がエンジンの共鳴から十分に外れて、ガスを通さなくなるような長さの送り管であってよい。そのような外部気化器内の液体燃料は、エンジンの熱により蒸発させられて、気化器の噴流が燃料を調節供給し、フロート室の装置が不要となる。

タービュレータを外部気化器に設けて、混合気が４分の１共振器に入る前に，気化器ベンチュリの下流側の燃料及び空気の均質な混合を確かなものとしてもよい。

パルスジェットエンジンは、全体又は一部を、セラミック材から形成してもよく、他の好ましい選択肢としては、部分安定化ジルコニアである。

運転時は、パルスジェットエンジンは、その出力のかなりの部分を、近くで聞くには危険でないにしても非常に不快な音に変換する。その簡便さと低コストにもかかわらず、この性質は、パルスジェットエンジンを汎用の動力装置としては全く許容不能なものとする。２０ｋＨｚより高い周波数での発振は、人間の耳には、感知不可能であり、超音波と定義される。もしエンジンサイクルの周波数が２０ｋＨｚよりも大きければ、いわば超音波周波数であれば、エンジンは人間の耳には無音のものになる。無音運転は別にしても、超音波サイクル周波数の使用は重要な実際的な結果をもたらす。

ある出力に対して、内燃機関の掃気容積は、そのサイクル周波数の逆数で小さくなる。超音波運転、例えば３０ｋＨｚ運転をしているパルスジェットエンジンは、５０Ｈｚで運転している従来のパルスジェットエンジンよりも６００倍小さいであろう。４分の１波長は１０ｍｍ未満であり、したがって、エンジンは、極めてコンパクトで軽量になり、比較的高い出力対重量比を有する。

超音波パルスジェットエンジンがそのように小さいということは、あまり重量や抵抗という不利もなく保護板で完全に囲うことができるということを意味する。高速の気体パルスを、保護板内の大量のバイパス空気を加速するのに用いて、推力を増大させ、空気力学的効率を大幅に改善してもよい。

非常に高いバイパス比が可能であり、これを達成するにはジェット排気とバイパス空気の均質な混合が必要とされるので、保護板で囲われた超音波パルスジェットエンジンの排気ガス温度は、周囲温度に近くなり、一般的な用途においてより運転が安全なものとなる。

いかなる保護板内のバイパス空気の加速処理も、エンジンにより発生する超音波の効率的な消音器として作用することになる。エンジン内の極めて高い超音波レベルにもかかわらず、いかなる保護板又はバイパス空気も、排気中の超音波レベルをかなり低下させるであろう。

さらに、空気中の音の減衰は、音の周波数の二乗に比例する。上に挙げた例では、いかなる漏出する超音波の減衰も、従来の内燃機関に対してよりも、２５万倍も大きくなるであろう。したがって、人間よりも大きい高可聴域を有する動物や野生動物を悩ます、長距離音響出力は少なくなるであろう。実際、本発明に係る超音波ジェットエンジンは実質的に無音であるはずでる。

さらに、超音波パルスジェットエンジンは、主に、流出するジェットパルスの運動エネルギーと、流入する混合気の運動エネルギーと、点火前の静的な圧縮混合気の潜在エネルギー間を循環する共鳴エネルギーを有する４分の１波長共振器である。噴流出力において失われるエネルギーは燃料燃焼のそれと一致する。共鳴エネルギーの循環的変換により、エンジンサイクルの効率的な動作が得られる。

４分の１波長共鳴器は、その断面が、排気ノズルにあるガス圧ノードから対向するガス圧アンチノードまで小さくなり、それにより勢いよく流入する混合気は先細りの流れになる。共振器壁部のプロフィールによって、共振器に沿った各ポイントにおいて細まり度合いが非常に正確に制御される。もし、断面積の減少率が大きくなると、流入するガスの先端部では非常に大きな断熱圧縮が生じる。そのような予備圧縮により熱力学的効率が大きく向上する。

もし、共振器が管の形態である場合は、その長さは、超音波運転を達成するために４〜１０ｍｍの範囲であってよい。管の直径は、おそらく、４ｍｍから０．１ｍｍまで減少して１６００：１の断面積の縮小であってもよい。共振器の排気ノズル端部への入り口における混合気の圧力が１ｂａｒであるとすると、共振器の他端における圧力アンチノードの圧力は、そのような細まりによる断熱圧縮により２０ｂａｒを越えてよい。この圧縮率は、ピストン又はターボジェットエンジンに匹敵する。細まり度合いは、４分の１波長共振器のプロフィールにより厳密に制御してよく、これは達成される圧縮率、燃焼モード、排気ジェットパルスの発散に対して有意義となろう。

本発明のもう一つの態様は、エンジンの使用中に燃焼室への供給燃料を点火させあるいはその点火を向上させるのに十分な温度まで加熱される又は加熱され得る壁部を有する燃焼室を備えるジェットエンジンに存する。好ましくは、前記エンジンは、前記本発明の一態様に関連して上述した１以上の変形を組み込んでよい超音波パルスジェットエンジンである。

本発明のパルスジェットエンジンは、超音波周波数で循環するように構成されている４分の１波長ガス共振器を備え、共振器がその圧力アンチノードにおいてガス流に対して閉じているか又は実質的に閉じている。４分の１ガス共振器はそのノズル端部におけるガス圧ノードから他方の端部におけるガス圧アンチノードの位置まで、その断面が非常に縮小されているので、他端部における流入ガスは、非常に著しく細まった流れとなる。このようにして、ガスの細まり流れは、点火に先んじてガス流の先端部に対して非常に有効な断熱圧縮を行うことになる。また、弁動作は、分流によってなすことができるので、排気されるジェットパルスはかくして共振器のノズル端部を囲むガスを少しも同伴することなく放出される。

まず、添付図面の図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る超音波パルスジェットエンジンは、円形の断面が縮小して幅広の圧力ノード端のジェットノズル３から他端の閉塞圧力アンチノード４まで先細となる管２の形をした４分の１波長ガス共振器１を備えている。管２の断面は、長さ方向に可変のものであれば三角形、方形、矩形等であってもよい。共振器の管２の縮小する断面の細まりは、様々な輪郭のいずれのものであってもよい。しかし、どのような形状であれ、共振器の管２は、掃気容積が比較的小さくなり、エンジンが達成できる出力を制限する傾向がある。多数の独立した共振器の管２を使用してもよいが、図２の２に概略を示すような流路断面を持つ構成が好適である。

図２及び２Ａに示すこの第２の実施形態に係る超音波パルスジェットエンジンでは、４分の１波長ガス共振器２１は、閉ループ環状流路（チャネル）２２の形をしており、その圧力ノード端に環状ジェット排気オリフィス２３を有し、閉塞圧力アンチノード２４側に向かって先細になるように縮小する。流路２２の断面を図２Ａに示す。

この第２の実施形態は、はるかに大きな掃気容積を与えるが、リニアな（直線的な）流路形状の共振器等、いかなる好適な流路形状の共振器も好適である。しかし、この特定の構成は、環状共振器の流路２２の断面が縮小することによる流入混合気の細まりが、二次元から一次元へと効果的に低減されるという点で不利である。このことは、閉塞圧力アンチノード２４において達成可能な混合気の断熱圧縮比に影響する。

上記問題の妥協的解決法が、図３に示す超音波パルスジェットエンジンの第３の実施形態であり、断面が先細になる複数の共振器３１が一部共通化されて、共振器３１のジェットノズル３３により効果的に構成され、かつエンジン全体の全体ジェットノズル３５を形成する流路３２により結合されている。各共振器３１は、そのガス圧アンチノード３４で断面が著しく縮小している。

図４及び４Ａに示すように、上記の結合に代わり、あるいはそれに追加して、超音波パルスジェットエンジンの第４の実施形態の圧力アンチノード４４を微細なボア管４６で相互に連結することにより結合してもよい。この方法には、管４６にそって、高温ガスが管状共振器４１の圧力アンチノード４４に伝搬し、それにより、図３で上述したエンジンの第３の実施形態より迅速に混合気を点火し、隣接する共振器同士を始動させるという利点がある。この実施形態では、各４分の１波長ジェネレータ４１は、やはり、ジェットノズル４３を備え、これが、他ノズル４３と一体になって、エンジンの全体ジェットノズル４５を構成する。

更に別の方法として、図５及び５Ａの第５の実施形態に示すように、隣接する管状共振器５１の隔壁５２にスリット５６を設けてもよい。このようにして、スリット５６は、図４及び４Ａで前述した第４の実施形態の管５６と本質的に同じ機能を果たし、図４及び４Ａ、図５及び５Ａで前述した共振器連結構成の少なくとも１つを介して４分の１波長アンチノード５４の領域で始動ガスの発振を開始するための単一のスタータを用いて、より高い圧縮比を与える小型高出力超音波パルスジェットエンジンを提供する。

今までのところ、公知のパルスジェットエンジンは全て、燃料を、その燃料とともに燃焼する新気とは別にエンジンに供給するようになっている。このため、二つの重大な問題が起こる。まず、混合気の制御が間接的で若干精度にかける。リッチな混合気は概ね燃焼を確実にするために使われるので、燃料効率が不必要に低下する。第二に、燃料と空気の混合が、誘導と点火の間の短時間のうちに燃焼室で行われる。これは、遅サイクルのパルスジェットエンジンにおいてさえ完全な燃焼を達成するには不十分な時間であり、超音波周波数の１サイクル内では不可能である。このことも、非能率的な燃料利用を補償するために過度にリッチな混合気を使う結果をもたらす。

本発明の超音波パルスジェットエンジンでは、外部気化器を備えることが可能である。

エンジンの熱を、燃料を蒸発させて、気化器が液体燃料ではなく計量気体燃料を噴射するようにするのに利用することができる。このことは、液体燃料を供給するための圧力水頭を一定にするためにフロート室あるいはそれに類した装置が必要とされないことを意味する。これは、また、当該エンジンは、倒立しても同じように運転され、航空宇宙での用途に有利である。気化器の下流側には、乱流を確実にし、混合気が共振器に達する前の燃料と空気の均質な混合を確実にするために多数の障害物を設けてもよい。気化器の出力部をエンジンのジェットノズルを囲む部位のための入口ポートとしてもよい。この構成により、混合気は、細心に制御された化学量論比の極めて均質な混合気として、確実にエンジンに供給されることになり、これにより、排気汚染物質の低減がもたらされることが見込まれる。

従来公知のパルスジェットエンジンでは、低圧位相で新気を導入するバルブ構成が求められる。機械的バルブは、従来の周波数でも疲労故障を起こすため、かかるバルブを超音波のサイクル周波数で動作するように設計製作することは極めて困難となる。これまで、気流の変化をバルブ構成の要素とする創意に満ちたバルブレスのパルスジェットエンジンが数多く設計されてきた。本発明による超音波パルスジェットエンジンでは、ジェットノズルにおける気流の分離を利用できる。流出するジェットパルスは高速で、主として推力方向に向けられる。流れが非定常的でサイクル期間が短いために、多量の周囲ガスをジェットパルスに同伴させるだけの時間がない。引き続いて起きる循環の低圧位相で、周囲ガスはジェットノズルを介してエンジンに吸入される。ジェットパルスの尾端はまだ前方への推進力を有しているので、ジェットパルスは優先的にエンジンを離れ、代わりに周囲ガスから径方向へガスが流入する。かくして、排気ガスを効果的に掃気することができる。

前回の混合気が燃焼した後、ジェットノズルから高速で燃焼物質が排出される。これは極めて非定常的な流れのため、流出するジェットパルスと周囲の燃料空気の間に有意な境界層が形成されるだけの時間がない。したがって、非常に効果的に気流分離が行われる。

この原理に基づく従来のエンジンでは、周囲ガスは空気のみである。本発明では、ジェットノズルを、あらかじめ混合された燃料と空気で囲んでよく、気化器へのフラッシュバックが惹起する危険性がない。ジェットパルスは混合気の自己点火温度より十分に高温になるが、超音波サイクル周波数では、火炎が、供給された混合気に効果的に広がるだけの時間がないので、気化器にフラッシュバックが及ぶ可能性はない。例えば、周波数３０ｋｈｚでは、サイクル期間は、３３マイクロセカンドで、噴流排出期間はそのうちわずか５マイクロセカンドにすぎない。この時間枠の中で、層流火炎は２マイクロメータ、乱流の火炎は0.1ｍｍ伝搬するが、両者とも大きくない。所望ならば、エンジン始動時のフラッシュバックに備えて、火炎アレスタを気化器とジェットノズルの間にり付けてもよいが、それが必要になる事態は起こらないだろう。

利用できる短い時間のうちに燃料を燃焼させることは難しい。解決方法は２つある。強い爆燃か爆轟で燃料を燃焼させることである。

層流火炎の伝搬速度は毎秒１メートル未満、乱流火炎の伝搬速度は毎秒数十メートルであり、いずれにも全ての混合気を燃焼しつくせるほどの速度はない。炭化水素と空気の爆轟は通常２０００ｍ／ｓ前後で伝わり、ピーク圧力は２０バール、ピーク温度は２０００℃である。燃焼には１０ｍｍ長の４分の１波長共振器で５マイクロセカンドを要する。強い爆燃は、爆轟波の伝搬用に計算されたチャップマンジュグー速度より速く伝わる火炎と定義される。強い爆燃に衝撃波面は付随せず、熱力学上は燃焼がより効率的になる。強い爆燃中のピーク圧力は、チャップマンジュグー爆轟波のピーク圧より高く、伝搬速度は、より速い。しかしながら、強い爆燃は、急速に爆轟に移行するという点で基本的に不安定である。この不安定度の制御が主要な問題である場合、チャップマンジュグー速度よりわずかに伝搬速度の遅い弱い爆燃は混合気の燃焼という問題に対する解決策としては効率性で劣る代替法である。

本発明に係る超音波パルスジェットエンジンの４分の１波長共振器は、流出する燃焼パルスに関して発散している。その結果生じた波面の拡張は、内部の圧力を降下させ、それが、今度は、伝搬速度を低下させる。発散速度を制御することによって、強い爆燃の安定性を制御し、爆轟に移行する時点を遅らせることが可能になる。４分の１波長共振器はまた、爆燃から爆轟への移行に必要な通常の伝搬距離については非常に短く形成されている。これもまた、燃焼サイクルの持続に必要な安定を維持することに役立つ。したがって、このエンジンにおける燃焼の問題を解決するための最良の方法は、強い爆燃を、その安定を細心に制御しつつ活用することである。

強い爆燃は、共振器の壁部に沿う混合気がほぼ瞬時に点火するほど混合気の自己点火温度よりはるかに高温の壁部を介して開始することができる。流入する混合気は非粘性であり、境界層の最大層厚は非定常的な流れにおいて０．０１ｍｍ未満となる。共振器の壁部の火炎は層流火炎となり、エンジンサイクルの低圧位相でジェットノズルからおそらく０．００５ｍｍ未満伝搬するであろう。この火炎が流入する燃料に大きく着火することはないだろう。しかし、混合気が４分の１波長共振器に進入すると、混合気の先端が断熱圧縮され、その温度が上昇する。温度は急速に自己点火温度より高くなるが、顕在化するまでの期間が利用できる時間枠に対して長すぎるために圧縮点火が起きることはないであろう。

しかし、火炎の伝搬速度は絶対温度のほぼ２乗で上昇する。熱伝導速度は遅いので超音波のサイクル周波数に影響を与えることはなく、空気は本質的に共振器の壁部の放射を通す。ただし、断熱圧縮による温度の上昇は非常に大きい。共振器の壁部から発せられた赤外線は燃料に吸収され、燃料分子の部分熱分解を引き起こす可能性があり、その場合、燃料は発火しやすくなり、火炎速度を高める。先細の構造を持つ４分の１波長共振器には、燃料の相当部分が共振器の壁部からの点火により燃焼する時点がある。これにより、局所的圧力が高まり、混合気の断熱圧縮が増進される。その結果、火炎の伝搬速度は更に高まり、したがって局所的圧力も更に高まる。燃焼の局所的暴走が起こって、局所的圧力を大いに高めるであろう。実際、強い爆燃を開始させるのに十分高くなるであろう。４０バール以上の圧力が達成可能でなければならなない。これは、共振器の軸方向長さ１ミリメートル未満に亘って起こると考えられる。この圧力はチャップマンジュグー爆轟の圧力を大きく越え、強い爆燃を引き起こす。

上述した状況の概略を図６Ａに示す。４分の１波長ガス共振器６１の壁部の先細の断面を６２に示す。流入混合気は、４分の１波長ガス共振器の壁部６２際における伝搬速度の遅い火炎６６となる。共振器６１の圧力アンチノード６４領域内の任意の位置６７において、混合気は壁部６２からの熱により激しく燃え、圧力アンチノード６４から燃え出る強い爆燃６８となる。

４分の１波長共振器の端部の圧力アンチノード６４に小さなガスだめ６９を設けることが望ましいであろう。排気ガスの掃気は良好であるが、共振器６１の内部には少量の排気ガスが残留する。混合気が点火位置に到達することは重要であり、それでこのガスだめ６９が残留排気ガスを受け入れてよい。図４の連結管と同様の構成にするのが好都合であるかも知れない。

壁部６２により点火することは、好ましい点火態様であるが、金属製のエンジンでは、壁部６２を冷却保全しなければならない。このような場合、図６Ｂの７７に示すような、排気ガスに熱せられる被加熱素子を利用してもよい。図６Ｂの“７”を付した構成要素は、図６Ａの“６”を付した構成要素と概ね同じである。

強い爆燃は最良の燃焼方法であるが、爆轟波ももう一つの選択肢である。強い爆燃の開始のときほど流路を先細にせずに済むので、点火が早すぎるという問題は起こらない。

好ましくは、４分の１波長共振器の閉塞端を平面にすると、流入する混合気が迅速に超音波的になるであろう。それは、共振器の壁部が先細なので、流入側衝撃波面を形成してもよい。この場合、先細の衝撃波面はｒ^-０．８ に応じてその強さが増大する。衝撃波面が半径１．５ｍｍで形成され、４分の１波長共振器が半径０．２５ｍｍで終端するとすれば、衝撃強さは４になるであろう。衝撃は、端壁により反射される、即ち、６倍まで強化される、即ち、衝撃強さが２４になる。爆轟波を起こすには２０の衝撃強さが必要である。

流入混合気の流れは、衝撃波面を構成するだけの時間がないかも知れないが、共振器の端壁に衝突する高速ガス流にその時間があるのは極めて確実である。端壁に衝突する高速ガスは、十分に爆轟を起こす強さを備えている。４分の１波長共振器の壁部からの赤外線放射による燃料の部分熱分解により、爆轟条件が緩和される。壁部の細まりを、強い衝撃を作り出すように最適化してもよい。端壁を多面体にして、多反射により衝撃度を上げるか、凹面にして更に反射を集中させ、衝撃を増加してもよい。

上述した状況を図６Ｃに模式的に示す。流入した混合気は、やはり、壁部８２際における伝搬速度の遅い火炎８６を引き起こすが、共振器の断面を十分に大きくし火炎８６の点火を早めない構成になっている。共振器８１の圧力アンチノード端の端壁８９で衝撃が反射され、８７で流出する爆轟波８８を発生させる。この場合、残留排ガス用のガスだめは必要ない。

共振器８１の圧力アンチノードまで先細となる混合気の流れにより、混合気の点火に十分な断熱圧縮を引き起こすことができる。これは、点火のもう一つの方法である。圧力アンチノードで流入混合気の流れを反射することにより、この圧縮の度を強めることができる。

周知のとおり、液体燃料供給のパルスジェットエンジンは始動が困難である。本発明に係るエンジンでは、電気加熱素子を、一部を液体燃料送り管に一部を４分の１波長共振器に収容して使用してもよい。この電気加熱素子に電流を流すと、燃料送り管内の液体燃料が沸点まで過熱される。こうして形成された気体燃料の体積を燃料送り管で平行にし、共振器内で燃料のガス噴流を形成する。この噴流は初めから乱流として構成しても、あるいはまた４分の１波長共振器に配置された電気加熱素子の一部との相互作用で乱流としてもよい。乱流の燃焼ガス噴流は周囲の空気を同伴して混合気を形成する。電気加熱素子はこの混合気を自己点火温度に加熱し、それが爆発して火炎となるようにすることができる。

火炎は、壁部への熱損失から、所定の直径より小さい低温の壁の共振器では長く続かない。超音波４分の１波長共振器の直径は、この最小の直径よりかなり小さいものになる。該電気加熱素子は、火炎を一時的に維持する効果的な高温の壁部を与える。火炎は、共振器の壁部の温度が内部の火炎を維持するのに必要な温度より高くなるまで、壁部を急速に熱するであろう。共振器の壁部と電気加熱素子の寸法は、電気加熱素子への電気の供給が一旦終了しても、壁部と電気加熱素子により燃料送り管に伝導された熱が、必要とされる気体燃料の噴流としての流れを維持できるように構成される。

電気加熱素子を取り巻く４分の１波長共振器の壁部は、火炎が安定しないように設計されている。圧力のわずかな変化により、火炎は、先細となる壁部がより密に接近しあう共振器内に後退する。接近しあう高温の壁部がもたらす燃焼率の上昇と、この乱れによる圧力の上昇とが相俟って、火炎は更に激しく燃焼する。それが今度は、火炎の４分の１波長共振器から膨張し圧力の減少を招き、火勢を衰えさせる。共振器の壁部と電気加熱素子を正しく設計すれば、火炎の発振は急速に増幅し、共振器がパルスジェットエンジンとして動作するに至る。

このようなスタータ構成を、スタンド・アローン型の超音波パルスジェットエンジンとして運転してもよいが、その出力は極めて限られ、燃料の燃焼効率は悪いであろう。電気加熱素子と燃料送り管を流路状の４分の１波長共振器に配置すれば、スタータの火炎の熱で燃料は沸騰し、気化器に燃料が注入され、ジェットノズル周囲の取り入れ口から混合気を導入し、エンジンの循環が本格的に始まり、流路にそって急速に伝搬する。

燃料送り管での液体送りは、圧力アンチノードをガスの流れに対して封止するであろう。

あるいは、液体燃料送り管をエンジン内部に設けてもよいが、その長さは、いったんエンジンが十分な運転状態に入ると管内の燃料が蒸発可能となるように４分の１波長共振器の軸方向の長さよりかなり長くなっている。このような燃料送り管のこの長さにより、確実に、エンジン共振周波数からとても遠くて４分の１波長圧力アンチノードから大きなガスの流出が起きないようになる。燃料の蒸発で、スタータが目的を達成した後のスタータ火炎への非効率的な燃料送りが確実に停止される。

エンジンの少なくとも一部をセラミック材料で構成すると好都合である。セラミックスは例外的に高温に強い素材である。耐高温気密シールは技術者にとっては簡単な素材で、熱伝導率の低いセラミック材料を使えば広範囲の絶縁は不要になる。部分安定化ジルコニアはとりわけ優れた素材である。低温におけるジルコニア材の引張り強さは、エンジン負荷を扱う際に活用できる。

図７Ａ及び7Ｂは、簡単なエンジン用スタータ装置の２つの直交断面を示している。４分の１波長共振器９１はジルコニアで構成され、先細となる壁部９２の圧力ノードに設けられたジェットノズル９３、軸方向液体燃料送り管９９、リボン状抵抗線から成り低抵抗コネクタワイヤ９６にスポット溶接された電気加熱素子９５、シリコーンゴムシール９７を備えている。液体燃料の供給が始まると、液体燃料は表面張力の作用でエンジンに浸出する。電気加熱素子９５がＯＮ操作されると、燃料送り管９９と共振器キャビティ９４間のキャピラリ管９８内の燃料が沸騰する。今や気化した燃料はジェット１００を構成し、ジェットノズル９３から排出される。このジェット１００とリボン状抵抗線９５との相互作用により確実に乱流が発生する。この乱流は、空気を同伴し、この空気は、気体燃料で燃焼可能混合物を作り、図７Ｂに示すように、燃焼用新気を運ぶ対流１０１、２１を引き起こすという二重の機能を持つ。

電気加熱素子９５はまた、対流する空気を熱し、混合気が自己点火温度より十分高くなるようにする。共振器キャビティ９４の断面積は、必ず小さくしなければならない。低温の壁部間の火炎を勢いづけるのに必要な最小の管直径より必ず小さくなければならない。リボン状電気加熱素子９５は、共振器キャビティ９４内部の火炎を絶やさないように、まず、キャビティ９４の壁を熱する。電気加熱素子９５はまた壁部９２を熱して、火炎が自続できるようにする。

スタータは、電力供給が切断された場合でも、十分な熱がキャピラリ管９８に伝導され、共振器９１内の火炎が維持されるように液体燃料を十分な割合で沸騰させ続けるように構成されている。キャビティ壁部９２の細まり形状は、共振器キャビティ９４が高ゲインの発振器として作用するようになっている。

圧力に乱れが起こり、共振器９１内のガスが圧縮されると、火炎は共振器キャビティ９４より狭い部分に押し込まれる。近接するキャビティ壁部９２からの熱とわずかに上昇した圧力とで燃焼率が若干高まり、更に高い圧力が醸成される。この結果、火炎は共振器９１の広い部分に追いやられ、逆のプロセスが生まれる。こうして発振が増大する。

ジェットノズル９３における気流の分離は、図８Ａ〜８Ｃに示すように、周囲気化器からの空気の流入を引き起こす。スタータの火炎の熱が送り返されて気化器内の液体燃料を蒸発させる。したがって、発振は隣接する共振器キャビティ９３内のエンジンを始動させ、エンジン全体の循環が発生するまで拡がってゆく。

図７Ａ及び７Ｂに示す構成は、共振器キャビティ９３を横方向に切り捨てるならば、スタンド・アローン型エンジンとして機能することができる。発振は十分に増幅されて推力を発生させる。しかし、燃料と空気の混合は最適なものではなく、効率は単純な構成の犠牲とされるであろう。

図７Ｃは上図とは若干異なる構成で、液体燃料は、横方向に管１０９を介して、管１１９から直接供給されるようになっている。管１０９の長さは共振器キャビティ１１３のそれよりかなり長いため、燃料が管１０９内で蒸発すると、共振器１１１へのまたは共振器１１１からの大きなガスの送りはなくなる。管１０９は、スタータの火炎が消える前に気化器に供給された燃料がエンジンの熱により完全に蒸発する気化器となる管１２９よりも、図８Ａ及び８Ｃに示すように、共振器からさらに離れた位置に置かれる。

図８Ａ及び８Ｂは、共振器キャビティ１３３及びこれと対応する強い爆燃として燃料を燃焼させる気化器の断面を示す。共振器とタービュレータは、ジルコニア成形品１３２として形成され、アルミニウム製フェアリング１３１とタービュレータピン１３４が円筒状インコネル板からプレス加工により成形される。ジルコニア成形品１３２には、気体燃料送り流路１３５、気化器ノズル１３６、及び共振器キャビティ１３３が一体に形成され、カバー壁を備えている。アルミニウム製フェアリング１３１は通気口１３７を備え、フェアリング１３１のジルコニア成形品１３２への近接により１３８で気化器ベンチュリを形成する。ジルコニア成形品１３２内の急な段差は、乱流を発生させ、燃料と空気の混合を補助する。タービュレータピン１３４は、燃料と空気の中間の流れに対して垂直に設置され、燃料と空気が共振器キャビティ１３３に流入する前にそれらを完全に均質に混合させる。

このスタータ構成は、大きな局所的発振を発生させ、これによるエンジンの熱で気化器送り管１３５内の燃料を蒸発させるであろう。スタータ発振は、次に、気化器から共振器キャビティ１３３内に混合気を吸入し、発振の振幅が増大する。エンジンからの熱の流れが増大すると、気化器送り管１３５内の燃料をさらに蒸発させ、発振を隣接する共振器キャビティ１３３沿って拡大させ、共振器全体の循環が行われるようになる。

排気ガスの掃気は非常に効率的ではあるが、４分の１波長共振器１４１の圧力アンチノード１４４に小部屋１３９を設けて残留する排ガスを全て収容し、混合気が共振器１４１内を必要な深さまで浸透できるようにしなければならない。

図８Ｃは、混合気を爆轟波として点火するエンジンの同様の断面を示す。高温のキャビティ壁１５２による混合気の点火を防止するために、流路形状の共振器キャビティ１５３は広めに作られている。キャビティ１５３の圧力アンチノード１５４には流入するガスの流れ即ち衝撃波を反射するための平面端部１５４も設けられ、混合気に点火し爆轟波１６０を作り出せるだけの強い衝撃波面を生成する。

エンジンを、オーグメンター保護板で囲むかさもなければオーグメンター管と組み合わせてバイパス空気を加速させ、それによりエンジンの空気力学的効率を高めるようにしてもよい。

超音波パルスジェットエンジンの第１の態様の４分の１波長ガス共振器の模式的斜視図である。 超音波パルスジェットエンジンの第２の態様の４分の１波長ガス共振器の模式的斜視図である。 図２に示す共振器の断面である。 超音波パルスジェットエンジンの第３の態様の複数の４分の１波長ガス共振器の模式的斜視図である。 図３の超音波パルスジェットエンジンと同様の但し複数の共振器が結合されている超音波パルスジェットエンジンの第４の態様の模式的斜視図である。 図４に示す共振器の１つの断面である。 やはり複数の共振器が結合されている超音波パルスジェットエンジンの第５の態様の模式的斜視図である。 図５に示す共振器の１つの断面である。 高熱壁部点火を利用する超音波パルスジェットエンジンの模式的に示された第６の態様である。 被加熱素子点火を利用する超音波パルスジェットエンジンの第７の態様の模式図である。 爆轟波点火を示す超音波パルスジェットエンジンの第８の態様の模式図である。 超音波パルスジェットエンジンの第９の態様用のスタータ装置の模式的直交断面図である。 超音波パルスジェットエンジンの第９の態様用のスタータ装置の模式的直交断面図である。 超音波パルスジェットエンジンの第１０の態様用の燃料供給装置の模式図である。 超音波パルスジェットエンジンの第１１の態様の誘導及び排気モードの斜視説明図である。 超音波パルスジェットエンジンの第１１の態様の誘導及び排気モードの斜視説明図である。 爆轟点火を利用する超音波パルスジェットエンジンの第１２の態様の模式図である。

符号の説明

１ ４分の１波長ガス共振器
２ 管
３ ジェットノズル
４ 圧力アンチノード
２１ ４分の１波長ガス共振器
２２ 閉ループ環状流路

Claims (43)

1. 超音波周波数で循環するように構成されている４分の１波長ガス共振器を備えたパルスジェットエンジンであって、前記共振器はその圧力アンチノードにおいてガス流に対して閉じているか又は実質的に閉じていることを特徴とするパルスジェットエンジン。
2. 前記４分の１波長ガス共振器の形状及び寸法は、少なくとも部分的に前記共振器が循環する超音波周波数を決定することを特徴とする請求項１記載のエンジン。
3. 前記４分の１波長ガス共振器は、少なくとも部分的にキャビティで画成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
4. 前記４分の１波長ガス共振器は管から成ることを特徴とする請求項１，２又は３記載のエンジン。
5. 一緒に結合された複数の共振器を備える請求項１〜４のいずれか１項記載のエンジン。
6. 前記結合された複数の共振器は形状が直線的であることを特徴とする請求項５記載のエンジン。
7. 前記結合された複数の共振器は形状が弧状であることを特徴とする請求項５記載のエンジン。
8. 前記結合された複数の共振器は形状が円形であることを特徴とする請求項７記載のエンジン。
9. 前記共振器は、部分的な共通性により結合されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項記載のエンジン。
10. 前記共振器は、１以上の管により結合されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項記載のエンジン。
11. 前記共振器は１以上のスロットで結合されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項記載のエンジン。
12. 前記共振器は、流路から成ることを特徴とする請求項１，２又は３記載のエンジン。
13. 前記流路は、形状が直線的であることを特徴とする請求項１２記載のエンジン。
14. 前記流路は、形状が弧状であることを特徴とする請求項１２記載のエンジン。
15. 前記流路は、閉ループであることを特徴とする請求項１２記載のエンジン。
16. 前記流路は、形状が円形であることを特徴とする請求項１５記載のエンジン。
17. 前記共振器の断面は、前記共振器の圧力ノードから前記圧力アンチノードまで縮小していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項記載のエンジン。
18. 前記共振器の前記圧力ノードから前記圧力アンチノードまでの断面の縮小及びその結果得られる前記共振器の前記圧力アンチノードでのあるいはそれに隣接しての前記混合気の断熱圧縮は、エンジンの使用時には、チャップマンジュグー爆轟波の速度よりも大きい速度を有する前記混合気の爆燃を発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１７記載のエンジン。
19. 前記エンジンの使用時において、前記混合気の爆燃の安定性は、前記圧力アンチノードから前記圧力ノードへの前記共振器の断面の増大に左右されることを特徴とする請求項１８記載のエンジン。
20. 前記共振器の前記圧力ノードから前記圧力アンチノードまでの断面の縮小は、エンジンの使用時には、混合気の先細の流れに、前記圧力アンチノードであるいはそれに隣接して、その断熱圧縮を発生させることを特徴とする請求項１７，１８又は１９記載のエンジン。
21. 前記共振器の前記圧力アンチノードでのあるいはそれに隣接しての前記混合気の前記断熱圧縮は、前記混合気の圧縮点火を向上ないし発生させるのに十分であることを特徴とする請求項２０記載のエンジン。
22. 前記共振器の壁部の温度は、前記エンジンの使用時に、前記共振器の前記圧力アンチノードでのあるいはそれに隣接しての前記混合気の点火を発生させるのに十分高いことを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項記載のエンジン。
23. 前記共振器の前記圧力アンチノードに又はそれに隣接して、混合気点火器を備えることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項記載のエンジン。
24. 前記点火器は、セラミック材又は貴金属材からなることを特徴とする請求項２３記載のエンジン。
25. 前記共振器の前記圧力ノードから前記圧力アンチノードまでの断面の縮小は、エンジンの使用時には、混合気の超音波流れを発生させて、先細の衝撃波面を形成することを特徴とする請求項１７記載のエンジン。
26. 前記エンジンの使用時に、前述のように形成された先細の衝撃波面の衝撃強度は、前記共振器の前記圧力アンチノードにおける前記衝撃波面の反射により増大させられ、それにより、前記混合気を点火して爆轟波とすることを特徴とする請求項２５記載のエンジン。
27. 前記共振器の前記圧力ノードから前記圧力アンチノードまでの断面の縮小は、エンジンの使用時には、混合気を加速させ、そして、前記共振器にその前記圧力アンチノードにおいて衝撃をあたえて、前記混合気の点火を引き起こして爆轟波とするのに十分強い帰還衝撃波面を発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１７記載のエンジン。
28. 液体燃料を沸騰させて前記共振器内に気体燃料噴流を作り出すように構成されている加熱素子をさらに備えること特徴とする請求項１〜２７のいずれか１項記載のエンジン。
29. 前記気体燃料噴流に乱流を発生させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２８記載のエンジン。
30. 前記得られた乱流の気体燃料噴流を空気と混合させるように構成されている手段を備えることを特徴とする請求項２９記載のエンジン。
31. 気体燃料と空気の前記得られた混合物を、その自己点火温度より高温まで加熱して、始動火炎とするように構成された手段をさらに備えることを特徴とする請求項３０記載のエンジン。
32. 加熱素子が、前記共振器の壁部への熱損失を補償して、前記始動火炎を維持するように構成されていることを特徴とする請求項３１記載のエンジン。
33. 前記エンジンの使用時に、前記始動火炎に前記共振器の壁部と前記加熱素子を前記液体燃料を蒸発させるのに十分な程加熱させて、前記始動火炎のサイズを維持し向上させるように構成された手段を備えることを特徴とする請求項３２記載のエンジン。
34. 前記共振器は、前記始動火炎を高ゲインで発振させ、それにより始動火炎の発振の得られた振幅が前記エンジンを始動させるのに十分となるように構成されていることを特徴とする請求項３１，３２又は３３記載のエンジン。
35. 前記液体燃料により、共振器はその圧力アンチノードにおいて閉止されることを特徴とする請求項２８〜３４のいずれか１項記載のエンジン。
36. 流路形状をした前記共振器の軸方向長さよりも長い液体燃料送り管を備えることを特徴とする請求項２８〜３５のいずれか１項記載のエンジン。
37. 前記液体燃料送り管は、そのガス圧アンチノードと反対側の前記共振器の端部内に延びていることを特徴とする請求項３６記載のエンジン。
38. 燃料と空気の混合を向上させるように構成されているタービュレータを備えることを特徴とする請求項１〜３７のいずれか１項記載のエンジン。
39. 少なくとも前記共振器は、ジルコニアなどのセラミック材で製造されていることを特徴とする請求項１〜３８のいずれか１項記載のエンジン。
40. オーグメンター手段を備えることを特徴とする請求項１〜３９のいずれか１項記載のエンジン。
41. エンジンの使用中に燃焼室への燃料送りを点火させあるいはその点火を向上させるのに十分な温度まで加熱される又は加熱され得る壁部を有する燃焼室を備えることを特徴とするジェットエンジン。
42. パルスジェットエンジンであることを特徴とする請求項４１記載のエンジン。
43. 超音波パルスジェットエンジンであることを特徴とする請求項４２記載のエンジン。

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