JP2009505874A - ソニックブームのサブスケールでのモデル化 - Google Patents

Abstract

処理対象の特定の超音速のマッハ数及び高度動作点で飛行する処理対象の航空機によって発生される音響学的特性をモデル化するための方法。本方法は、処理対象の航空機のサブスケールのバージョンであるサブスケールの航空機を、処理対象の動作点に係るマッハ数及び高度とは各々異なる超音速のマッハ数及び高度で動作させることを含む。サブスケールの航空機を動作させるマッハ数及び高度は、サブスケールの航空機により発生されるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間が、上記処理対象の航空機を処理対象の動作点で動作させることにより生じるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間と同じであるように選択される。

Description

一般に、本発明は航空機の性能をモデル化することに関する。より具体的には、本発明は、サブスケールのモデルを用いて超音速航空機の音響学的特性（acoustic signature）をモデル化することに関する。

これまで様々な航空機メーカが、米国及び他の地域における民間の利用のための超音速航空機の製造に関心を持っており、現在も持ち続けている。しかしながら、ソニックブーム（衝撃音ともいう。）の現在のところ不快な特性のために、現在の諸規制に従って、少なくとも超音速飛行は米国本土及び他の多くの国々の上空で禁止されている。従って、民間の超音速飛行が認可されるようになるまでには、航空機の音波特性（即ち、音響学的特性）が変更され、一般的に許容できるものであることが実証されなければならない。

この点に関しては、超音速航空機のＮ字形の音響学的特性を、様々な手段によって整形又は変更することにより、ブームの音を小さくし、そうでなければブームの音をより不快でないものにできることが知られている。例えば、２００３年８月７日に公開された特許文献１を参照されたく、その内容を参照によりここに組み込む。

さらに、変更された音響学的特性の許容可能な性質を実証するために統計学的に意味のあるデータベースを作ることは、陸地の上空での許容できる超音速飛行に関する新しい合理的な規則を確立する上で重要なステップであると考えられる。このような統計学的に意味のあるデータベースを作るためには、実際の飛行の試験データが必要である。

理想的には、飛行試験データは、将来の超音速航空機の航空力学を正確に複製したフルスケールの試験機を用いて作られる。しかしながら、機体の設計、構築及び運転コスト、したがってこのような飛行試験データを取得するコストは、機体のサイズに伴って大幅に増大する。従って、飛行試験データを、サブスケールの航空機を用いて作ることが望ましい。しかしながら、特定のサブスケールの航空機が、それが模している航空機と同じ設計点（高度及び速度）で飛行されるだけであれば、当該サブスケールの航空機の音響学的特性は設計（フルスケールの）航空機のそれに一致せず、当該サブスケールの航空機を用いて作られるデータはほとんど価値のないものになる。従って、サブスケールの航空機の音響学的特性を大型の機体の音波特性に一致させるべくなんらかの適応措置が講じられなければならない。

ソニックブームの整形．
一般に、通常のソニックブームは、地上での圧力の擾乱つまり「特性（signature）」によって特徴づけられる。この擾乱は、最初の急激な圧力上昇（バウショック。弧状衝撃波ともいう。）、環境圧力を下回るところまでのゆるやかな膨張、及びその後の、環境圧力に戻る第２の急激な圧力上昇（テールショック）を有する。地上の観測者が従来技術の２つのパルスのソニックブーム「ブーム−ブーム」として知覚するのは、この２つの急激な圧力上昇である、バウショックとテールショックである。

環境圧力からの圧力偏差（ΔＰ）が距離又は時間の何れかの関数としてプロットされる場合、その図は大文字の「Ｎ」の形になる。圧力上昇の大きさは、機体の重量、機体の長さ、飛行の高度及び速度（マッハ数）の関数である。ブームの持続時間（ΔＴ、即ち、バウショックとテールショックとの間の時間間隔）は、主として機体の長さ、飛行速度及び高度の関数である。但し、機体の形状もブームの特性に影響する。

図１は、典型的なＮ波のソニックブームをプロットしたものであり、所定のＮ波に関連づけられる３つのパラメータ、即ち、バウショックによる最初の圧力上昇（ΔＰ_ｂｏｗ）、ブーム持続時間（ΔＴ）及び環境圧力へ戻るテールショックによる最後の圧力上昇（ΔＰ_ｔａｉｌ）を示す。一般に、圧力特性を時間又は距離の何れかの関数としてプロットすることができるが、定性的に表現すれば、これらの図は互いに同様なものになる。多くの場合、どの独立変数が用いられるかは問題ではない。しかしながら、音響学的特性の音波特性を比較及び評価する場合、人の耳に知覚されるものは時間に対する圧力の変動であるので、これらは時間の関数として比較されることが重要である。

図１に例示されているように、典型的なＮ波は０．１秒から０．２秒の持続時間ΔＴを有するが、これより長い、又は短いブームも発生することがある。バウショックとテールショックとの間の時間ΔＴが約５０ミリ秒（１／２０秒）より短いものであれば、人の耳はこれらの２つの明確な圧力上昇を区別することができず、ブームは単一の音として聞こえるであろう。これに対して、ΔＴが約５０ミリ秒より長ければ、ブームは２つのはっきりした区別的な音として聞こえるであろう（但し、大気の乱れ、大地及び建物からの反響及び他の要素がこの知覚を変える場合がある）。

図２及び図３は、実際の航空機の上空通過により測定された典型的なソニックブームの例を示す。図２はＦ−１５戦闘機からのブームの特性であり、図３は遙かに大型の航空機、即ち１９６０年代のＸＢ−７０実験用超音速爆撃機からのブームの特性である。これらのブームは両方とも、図１に示す「明らかな」Ｎ波の形状からは幾分か外れたものであるが、依然として何れも、ピーク過圧（overpressure）までの急激なバウショック、直線状の膨張及び環境圧力へ戻る第２の急激なテールショックを伴う明らかに従来技術のＮ波である。

上述のように、超音速航空機のＮ字形の音響学的特性は、航空機により発生される騒音のレベル及びソニックブームの不快さを小さくするために、様々な手段で整形又は変更され得ることが知られている。この点に関しては、この典型的な特性に２つの変更を加えることが可能である。第１に、騒音レベルの一部は過圧のレベルに直接関係するので、過圧の大きさΔＰを小さくすることができる。第２に、圧力上昇の急激さを小さくすることができる。

圧力上昇の急激さを小さくする１つの方法は、この技術で周知であるように、１つの強力な衝撃を、互いの時間間隔が離散的である一連の弱い衝撃に「置換する」というものである。図４は、このタイプの整形された典型的なブームの特性をプロットしたものであり、本図から、ピーク過圧までの圧力上昇ΔＰ_ｐｅａｋの間の時間間隔ΔＴ_ｒｉｓｅは遙かに長い時間期間であって、例えば、特性の総持続時間の３分の１にもなることが分かる。ピーク過圧ΔＰ_ｐｅａｋは同じであっても、このタイプの整形されたブームは、従来技術のＮ波のブームの場合とはかなり異なる音波特性を有することになる。具体的には、従来技術のＮ波のブームの急激な圧力上昇は観測者を驚かせる非常にはっきりとした鋭い音として聞こえ、ブームの不快な側面の大きな原因となるが、例えば図４に示すように整形されて立ち上がり時間が延長された特性は、鋭い音というよりむしろ（遠くの雷鳴のような）ゴロゴロ鳴る音として聞こえるであろう。従って、観測者は依然として鋭いブームを耳にすることにはなるが、従来技術のＮ波のブームほどびっくりする不快なものではなくなるであろう。

ソニックブームの不快な側面をなくするためには、テールショックの整形も操作可能な重要な態様であることは認識されるべきであるが、これは、バウショックの整形ほどは注目されておらず、研究もされていない。

音響マッチングのための動作点（operating point）の調整．
上述のように、特定のサブスケールの航空機が単にそれが模している航空機と同じ設計点（高度及び速度）で飛行されるだけであれば、サブスケールの航空機の音響学的特性はフルスケールの航空機のそれに一致せず、サブスケールの航空機を用いて作られるデータはほとんど価値のないものになる。より具体的には、その場合、同様の条件下でサブスケール実証機が発生するブームの特性は、フルスケールの航空機のブームの特性より持続時間が短く、衝撃は弱い。

図５はこれを示し、同じ飛行条件で飛行するフルスケールの機体と低ブームの７５％スケール機体とによる地上での特性が比較されている。（この例及び全ての後続の例では、ブームの特性及びその様々な関連する数的指標及びパラメータの値は、低ブームの超音速業務用ジェット機を表す等価面積分布（equivalent area distribution）に基づいてコンピュータで生成されている。）バウショックに注目すると、本例は、７５％にスケールダウンすることにより、ピーク過圧ΔＰ_ｐｅａｋまでの立ち上がり時間ΔＴ_ｒｉｓｅはフルスケール機に比べて格段に、即ち５６ミリ秒から３６ミリ秒にまで短縮されることを示している。また、過圧のレベルの大きさも大幅に低減する。テールショックでも、同様の変化が発生している。

サブスケール機により発生される低減した過圧のレベルを補正する従来技術の方法は、サブスケール機を高度を下げて飛行させるというものであるが、これは、図６に示すように、より低い高度における飛行は過圧のレベルを増大させるためである。（低減された巡航高度から地上までの伝搬距離が短いほど、圧力の擾乱の減衰は少なくなり、これにより地上に到達する過圧のレベルは増大する。）例えば、図６において、高度５５，０００フィートにおける特定の機体により発生された地上における特性は、低減された高度４５，０００フィートにおける同じ機体により発生された特性と比較されている。ピーク過圧の大きさ、及び共に圧力上昇をもたらす全ての小さな漸進的な衝撃の増大は顕著である。さらに、特性の持続時間も僅かに増大しているが、大幅な増大ではない。従って、フルスケール設計機の音波特性をシミュレートするためにサブスケール機を試験する場合は、より低い高度での動作に起因する最大過圧ΔＰの増大が、スケーリングによる過圧の低下を相殺又は補正しかつフルスケールの過圧のレベルと一致するように、サブスケール機をより低い高度で飛行させることが知られている。

図７は、特定のマッハ数、即ち設計点のマッハ数で動作する特定の機体のためのスケール係数及び高度の複数の組合せの配列に係る立ち上がり時間とピーク過圧とを示す例示的な「マップ」である。この特定の例では、このマップは、重量が１２０，０００ポンド、実効長が１６５フィートで、前側の胴体に２段階で長さを延長可能なスパイクを装備したフルスケールの航空機に関して作成されており、ここで、当該スパイクは特性整形の最初の部分を形成する。この点に関しては、特許文献１がこのようなスパイクの一例を記述しているので、上記特許を参照により本明細書に組み込む。さらに、本例の特定の航空機は、高度５５，０００フィートにおけるマッハ１．８のフルスケールの設計の動作点を有する。マップ内の各ノード又は交点は、マッハ１．８の設定値での機体のスケール係数と動作高度との特定の組合せを表し、各ノードについて計算によりソニックブームの特性が決定されている。各ノードの横座標の値は、（マッハ１．８における）スケール係数及び高度の特定の組合せに関連するピーク過圧までの（整形された）立ち上がり時間を示し、各ノードの縦座標の値は、（マッハ１．８における）スケール係数及び高度の特定の組合せに関連するピーク過圧値を示す。

５５，０００フィートで（マッハ１．８で）動作するスケール係数１でのノードはフルスケールの動作点を表し、水平及び垂直の「十字線（cross-hair）」（軸の切片）はこれに関連する立ち上がり時間及び過圧を示す。図８に示すように、設計点から左への水平の「移動」は、用いられる任意の特定のスケールについて、フルスケール機と同じ過圧のレベルΔＰを発生するためにサブスケール機を飛行させるべき適切な高度を（例えば、補間によって）同定する。図９は、各スケール係数について、（サブスケール機の必要とされる動作高度である）ΔＰの一致点をまとめたものである。

米国特許第６６９８６８４号明細書。 国際公開第ＷＯ０３／０６４２５４号パンフレット（国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０３／０２６３１）。

従来技術の音響マッチングの欠陥．
しかしながら、単にピーク過圧を一致させるだけでは、サブスケール機の音響学的特性は、表そうとしている設計機の音響学的特性と同じものにならないことが観察されている。例えば、図１０では、スケール係数７５％、５０％及び２５％を有し、各々マッハ１．８及び関連の過圧が一致する高度点で動作するサブスケール機の地上での音響学的特性が、マッハ１．８で動作するフルスケール機の地上での音響学的特性と比較されている。４つのピーク過圧は全て一致しているが、４つの特性の形状は明らかに異なり、非常に異なる音波特性を示すことは顕著である。明らかに、これらの一致された条件下で飛行するサブスケール機の何れも、処理対象となっているフルスケールの航空機の満足のいくモデルにはならない。

２５％スケールでは、ブームの特性の持続時間がしきい値である５０ミリ秒より短く、よってブームは一般に、２つのブームではなく１つの大音響として知覚される。

５０％スケールでは、特性の持続時間はしきい値である５０ミリ秒を超えるが、８０ミリ秒という持続時間はフルスケール機の持続時間の半分でしかない。さらに、５０％機のバウショックの整形された部分のピーク過圧までの立ち上がり時間は、そのスケール係数より多いパーセントで短縮され、従って、フルスケールの航空機の立ち上がり時間の半分より短くなり、即ち、半分以上が短縮されてフルスケール立ち上がり時間の僅か３７．３％になる。圧力がゼロからピークに変化するまでの立ち上がり時間及びその正確な特性はソニックブームの音波特性の大部分を決定するので、フルスケール機の特性の半分（又はそれ以下）の立ち上がり時間しか備えない特性は、フルスケール機の特性の実際の音響品質を正確には再現又は反映しない。

スケール係数７５％では、特性の総長さは１２０ミリ秒であり、これは、観測者がバウショックとテールショックを明確に区別できる十分な長さである。しかしながら、その立ち上がり時間はそれでもフルスケールの立ち上がり時間の３分の２でしかなく、このサブスケール機の特性もやはりフルスケール機の特性とは異なる音波特性を発生する。

図１１は、上述した従来技術のスケーリング技術（単にサブスケール機の動作高度を下げて、サブスケール機により発生される低減された過圧を補正する）に従って得られた音響学的特性の重要な様相の各スケール率に関するこの観測をグラフで示したものである。より具体的には、図１１は、縦軸に、サブスケール機のソニックブームの特性の任意の特定の測度又はパラメータ（立ち上がり時間等）の、フルスケール機の同じ測度に対する割合をプロットしている。機体のスケール係数と同じ割合でスケーリングする測度は、本図における４５度の線で表される。機体のスケール係数より遅くスケーリングする測度は４５度の線より上になり、機体のスケール係数より速くスケーリングする測度は４５度の線より下になる。

この図からは、特性の総長さ（時間）は機体とほぼ同じ割合でスケーリングすることが観測される。例えば、７５％の機体の総特性はフルスケール機の特性の長さの約７７％であり、５０％の機体の総特性はフルスケール機の特性の長さの約５３％、等々である。従って、従来技術のスケーリング技術を用いることにより、フルスケール機の最大過圧ΔＰはサブスケール機よって一致されるかもしれないが、特定のソニックブームがどのように知覚されるかに関係する特性の総長さは一致されない。

これより重要な点として、図１０及び１１は、所定のソニックブームがどのように知覚されるかに対して、特性の総長さよりも大きな役割を果たすピーク過圧までの立ち上がり時間は、機体よりも速くスケーリングすることを示している。従って、７５％の機体の立ち上がり時間は整形されたフルスケール機の特性の立ち上がり時間の約６７％であり、５０％の機体の立ち上がり時間はフルスケールの約３７％であり、２５％の機体の立ち上がり時間はフルスケールの立ち上がり時間の僅か１１％である。

特性の総長さが機体のスケールとともにスケーリングされ、さらに最大過圧までの立ち上がり時間が機体のスケール係数に応じて変化する様子を考慮すると、単にサブスケール機の動作高度を変えてフルスケール機と同じ最大過圧を発生するだけの従来技術の手法に従って、スケーリングされ整形されたソニックブームを実証する機体を飛行させる効用は大幅に制限されている。

上述のように、機体を構築しかつ飛行させるコストはサイズに伴ってスケーリングし、従って、音響学的特性の改良を実証するための機体の構築及び試験に付随するコストを、小さい機体を用いて削減することが望まれる。しかしながら、前段落で述べたように、フルスケールの７５％の大きさのサブスケール機であっても、特性の再現精度、したがってその科学的価値が、このようなスケール係数を用いることに疑問が持たれる程度に不足している。従って、真に有益で意味のあるソニックブームのデータを得て、同時にサブスケールの航空機を用いることによってデータを作り出すことに付随するコスト節減を実現するならば、改訂されたスケーリング技術が用いられなければならない。

上述のように、従来技術のスケーリング及びそれに関連するスケーリングマップは、サブスケールの航空機がフルスケールの航空機と同じ設計マッハ数で動作することを仮定している。本発明によれば、音響プロファイルの時間属性、即ち音響プロファイルの総長さ及びこれ以上に重要である最大圧力までの立ち上がり時間ΔＴ_ｒｉｓｅは、極めて意外な特徴であるが、マッハ数に反比例して変化することが発見された。従って、サブスケールの航空機を（設計点より低い高度で動作させることに加えて）設計点のマッハ数より小さいマッハ数で動作させることにより、ダウンスケーリングに伴う立ち上がり時間の急激な低減を補正することができる。従って、より小さい速度及びより低い高度におけるより小さい航空機に係る最大圧力までの立ち上がり時間及び最大過圧大きさを、フルスケール機に係る最大圧力までの立ち上がり時間及びフルスケールの最大過圧大きさに一致させることができる。さらに、全体的な音響学的特性、即ち過圧が不足圧力（downpressure）にまで降下し、次にテールショックにより回復するまでの時間は、設計点即ちフルスケールの音響プロファイルにかなり近いものになる。サブスケール機により示されるフルスケール機の特性からのずれの大部分は、プロファイルの音波特性への影響が最小である特性の直線状の膨張部分に現れる。

この認識に基づいて、本発明により、スケーリングされた航空機が動作され得る幾つかの異なるマッハ数の各々についてスケーリングマップが作られている、スケーリングマップのファミリーが作成される。そして、対応するフルスケールの航空機の音響プロファイルを正確に表す音響プロファイルを獲得するために、このスケーリングマップのファミリーを用いて、サブスケールの航空機を動作させる高度及びマッハ数を同定する。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照することによってより明確になるであろう。

図１２は、マッハ数が特定の機体のソニックブームの特性に与える影響を示す。具体的には、５５，０００フィート、マッハ１．８の設計点におけるフルスケール機によって発生されるソニックブームの特性は、同一高度であるが例えばマッハ１．６である低減されたマッハ数で動作する同一機による特性と比較されている。明らかに、より低いマッハレベルで動作するときは、ピーク過圧のレベルは（図５に示すような、航空機をその設計サイズの７５％までスケールダウンした場合のそれと同様の量だけ）下がるが、特性の総長さ及びピーク過圧までの立ち上がり時間（ΔＴ_ｒｉｓｅ）は増加する。さらに、ピーク過圧への立ち上がりをもたらす複数の小さい衝撃の大きさ及び位置に関連する特性の形成は、完全な特性にほぼ正比例して保持される。

（ここで、地上の観測者は圧力の擾乱の発生を、それが距離ではなく時間的に観測者のそばを通過するときに感じるので、音響学的特性は、距離の関数として比較されるのではなく、時間の関数として比較されることが重要である。仮に、２つの同じ特性が距離の独立変数としてプロットされれば、長さはほぼ同一になる。圧力の擾乱は大気の同じサイズの部分を占有するかもしれないが、観測者のそばを通過するときの速度は低減されていて（擾乱を発生する機体の飛行速度が遅いことによる）、よって持続時間は長くなる。）

従って、スケールと高度の各組合せ（ノード）に関連づけられるΔＰ及びΔＴを同定する１つの一定のマッハのスケーリングマップが生成される従来技術とは対照的に、本発明では、異なるマッハ数における複数のこのようなマップのファミリーが生成される。マッハ数１．８からマッハ数１．４まで０．１ずつ減らした各マッハ数についてのこのようなマップの１つのファミリーを、図１３から１７に示す。（図１３に示すマップは、図７に示すマップと同じである。）例示的なマッハ１．８の設計点より小さい各マッハ数（又は、設計点より大きい各マッハ数、但し、このような超過速度条件に関するマップは示されていない）では、ピーク過圧及び立ち上がり時間の両方が、設計点において動作するフルスケールの航空機により示されるピーク過圧及び立ち上がり時間と正確に一致する、スケール係数と高度との組合せの一致点が存在する。この一致点の組合せは、例えば、コンピュータにより決定されるマップのノードの位置間を補間することによって決定されてもよい。

これらの例で用いられている飛行高度５５，０００フィート、マッハ１．８である例示的なフルスケールの航空機の設計点の場合、水平／垂直十字線（軸の切片）は、５５ミリ秒の立ち上がり時間及び１平方フィート当たり０．６８ポンドのピーク過圧を有するフルスケールの航空機を示す（図１３）。連続する各図において動作マッハ数が小さくなるにつれて、フルスケール機はその飛行高度でより長い立ち上がり時間及びより小さい過圧を示す。（これは、連続する各図で次第に展開していく角度づけされた線により示されている。）マップ毎に、ΔＰ及びΔＴの一致点の十字線において（必要に応じて補間して）スケール係数及び高度を決定することにより、各マッハ数における新しいサブスケール機が規定される。従って、マッハ１．７では、スケールは０．８９２まで下がり（５１，０２０フィートで動作され）、マッハ１．６では、スケールは０．７９５まで下がり（４７，１２０フィートで動作され）、マッハ１．５では、スケールは０．７１５まで下がり（４３，５４０フィートで動作され）、マッハ１．４では、０．６４３スケールの機体（３９，９５０フィートで動作され）がもとのフルスケール機と全く同じピーク過圧及び立ち上がり時間のソニックブームの特性を発生することが分かる。

図１８は、図１３から１７までのマップにおける一致点の各々に関連づけられるサブスケール飛行高度をまとめ、これらを図９の従来技術のスケーリング曲線と比較したものである。同様に、図１９は、図１３から１７までのマップにおける一致点の各々に関連づけられるマッハ数をプロット（しかつ従来技術に係る一定のマッハ数の手法と比較）したものである。従って、動作されるべき任意の所定のスケール航空機について、図１８及び１９にそれぞれ示される曲線から、同じ過圧ΔＰ及び立ち上がり時間ΔＴを発生するためにサブスケールの航空機が動作されるべき高度及びマッハを確認することができる。

図２０は、マッハ数１．７，１．６，１．５及び１．４のためのマップを用いて同定された一致点の各々において、適切にスケーリングされた機体を動作させた結果として計算により発生された地上における特性を比較したものである。具体的には、各マッハ数において、正しくスケーリングされた等価面積分布である、一致点のマッハ数及び高度で動作された伝搬地上特性が、スケーリングマップの生成に用いられた計算と同じ方法でコンピュータにより計算されている。全てのスケール、マッハ数及び高度の動作点で、ピーク過圧及び立ち上がり時間がかなり良く一致するだけでなく、特性の整形された部分の全体的特徴もほぼ同一であることが観察されるであろう。機体のスケールダウンが進むにつれて、特性の総持続時間は幾分か短くなるが、その割合は、（ピーク過圧のみを一致させる）従来技術のスケーリングの場合より遙かに小さい。従って、これらの特性は、従来技術のスケーリング技術を用いる場合がそうであるような過圧のみを一致させて立ち上がり時間を妥協する特性に比較して、遙かに一致性の高いほとんど同じ音を発生する。

最後に、立ち上がり時間及び特性持続時間のスケーリングの割合を比較して図２１に示す。これらの比較はさらに、改良されたスケーリングも示している。本発明に係るスケーリングを用いる立ち上がり時間（及びピーク過圧）は、従来技術のスケーリングの立ち上がり時間（上述のように、機体のスケールより速くスケールダウンする）とは対照的に、スケール係数とは独立である。特性持続時間の比較は立ち上がり時間の比較ほど明確ではないが、本発明に係るスケーリングはフルスケールの航空機の特性の保持を大幅に改良することを示している。

明らかに、本発明に係るスケーリングは、それが線形的でないこと及びマッハ数もどこまでも下げることはできず、やはりソニックブームを発生させるので、制限がないことはない。しかしながら、従来技術の一定のマッハ数の手法を凌ぐ、スケーリングに対する甚大な改良を達成できることは明らかである。例えば、図２２に示すように、６５％のスケール係数では、本発明に係るスケーリングはピーク過圧及び立ち上がり時間を正確に再現し、その特性の総持続時間はフルスケール機の８１％である。これに対して、同じく６５％スケールである従来技術のスケーリングは、同じピーク過圧をもたらすものの、立ち上がり時間はフルスケール機の特性の僅か５５％であり、特性の総持続時間は６７％である。図２２は、フルスケールの設計機と、本発明に従ってスケーリングされた６５％機と、従来技術の一定のマッハ数のスケーリングによる６５％機とによる伝搬する地上特性を比較している。陸上上空での超音速飛行の開放に向けた重要なステップとなる、整形された音響学的特性の評価に用いられるべき意味のあるデータを生成することにおいて、本発明に係るスケーリング方法は遙かに有益である。

最後に、本発明をピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間を一致させる特定の例示的な文脈において説明してきたが、本発明の原理は、処理対象の他の音響パラメータのペア（例えば、ピーク過圧と特性の総持続時間、ピーク過圧とピーク不足圧力など）を一致させるように適用されてもよい。従って、本発明の範囲は添付のクレームによって定義される。

従来のＮ波のソニックブームのプロファイルを示す、時間に対する圧力の理論的な図である。 図１と同様の時間に対する圧力の図であるが、実際の従来の超音速航空機のソニックブームのプロファイルを示している。 図１と同様の時間に対する圧力の図であるが、実際の従来の超音速航空機のソニックブームのプロファイルを示している。 ソニックブームの整形により達成可能な音響学的特性のシフトを示す、時間に対する圧力の図である。 従来の機体のスケーリングに係る最大過圧、最大過圧への立ち上がり時間及びプロファイルの総長さのシフトを示す、時間に対する圧力の比較図である。 飛行高度の変化に伴う過圧及び不足圧力の大きさのシフトを示す、時間に対する圧力の比較図である。 従来の一定のマッハ数のスケーリングマップを示す。 従来の一定のマッハ数のスケーリングマップを示す。 従来技術に係る、フルスケール機に関連づけられるピーク過圧に一致させるべくサブスケール機を飛行させる高度を示す、スケール係数に対する高度の図である。 従来技術に係る、ΔＰが一致されたサブスケールの超音速航空機の特性のスケール係数の変化に伴う変化を示すソニックブームのプロファイルの比較図である。 従来技術に係る、所定の音響学的特性の時間属性がスケーリングする相対比率を機体のスケール係数の関数として示す図である。 音響学的特性の時間属性及び過圧属性のマッハ数の変更に伴うシフトを示す、時間に対する圧力の比較図である。 異なるマッハ数のときの複数のスケーリングマップの１つのファミリーである。 異なるマッハ数のときの複数のスケーリングマップの１つのファミリーである。 異なるマッハ数のときの複数のスケーリングマップの１つのファミリーである。 異なるマッハ数のときの複数のスケーリングマップの１つのファミリーである。 異なるマッハ数のときの複数のスケーリングマップの１つのファミリーである。 本発明に係る音響学的特性の一致を達成する（各点が、異なるが適切なマッハ数にある）スケール係数と高度の組合せを、従来技術に係るΔＰのみの一致を達成するための（各点が同じマッハ数にある）スケール係数と高度の組合せと比較して示す比較図である。 本発明に係る音響学的特性の一致を達成するためのスケール係数とマッハ数の組合せを、従来技術に係るΔＰのみの一致を達成するためのスケール係数とマッハ数の組合せと比較して示す比較図である。 図１３から１７までのマップを用いて同定された音響の一致点の各々について計算された地上での特性の比較図である。 本発明に係る、所定の音響学的特性の時間属性がスケーリングする相対割合を機体のスケール係数の関数として示す図である。 フルスケール機と、本発明によってスケーリングされた６５％スケール機及び従来技術の一定のマッハ数のスケーリングよってスケーリングされた６５％スケール機との地上でのソニックブームの特性を比較したものである。

Claims (9)

1. 特定の超音速のマッハ数及び高度を有する処理対象の動作点で飛行する処理対象の航空機によって発生される音響学的特性を評価するための方法であって、
   上記処理対象の航空機のサブスケールのバージョンであるサブスケールの航空機を、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数及び高度とそれぞれ異なる超音速のマッハ数及び高度で動作させることを含み、上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数及び高度は、上記サブスケールの航空機により発生されるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間が、上記処理対象の航空機を上記処理対象の動作点で動作させることにより生じるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間と同じであるように選択され、
   上記サブスケールの航空機によって発生される音響学的特性を評価することとを含む音響学的特性を評価するための方法。
2. 上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数は、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数より小さい請求項１記載の方法。
3. 上記サブスケールの航空機が動作されるときの高度は、上記処理対象の動作点に関連づけられる高度より低い請求項１記載の方法。
4. 上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数は、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数より小さく、かつ上記サブスケールの航空機が動作されるときの高度は、上記処理対象の動作点に関連づけられる高度より低い請求項１記載の方法。
5. 処理対象の超音速の動作点で飛行する、処理対象のフルスケールの航空機の音響属性をエミュレーションするように、サブスケールの航空機を動作させるためのマッハ数及び高度を決定するための方法であって、
   一連のマッハ数の動作値についてそれぞれ生成された複数のスケーリングマップの１つのファミリーを生成することを含み、各スケーリングマップ上の複数のノードはそれぞれ動作高度及びスケール係数の所定の組合せを表し、各ノードの一方の座標値はピーク過圧を表し、各ノードの他方の座標値は所定のノードにより表される高度及びスケール係数の組合せに関連づけられるピーク過圧までの立ち上がり時間を表し、
   上記各スケーリングマップ上で、上記処理対象の航空機を処理対象の動作点において飛行させることに関連づけられるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間と同じピーク過圧の値及びピーク過圧までの立ち上がり時間の値に関連している動作の一致点を同定し、各動作の一致点に関連づけられるスケール係数及び動作高度値の組合せを決定することと、
   上記スケーリングマップのファミリーから決定されるスケール係数及び動作高度値の組合せを用いて、スケール係数の関数としてのマッハの曲線及びスケール係数の関数としての動作高度の曲線を生成することと、
   上記２つの曲線を用いて、そのスケール係数に基づいて上記サブスケールの航空機を動作させるマッハ値及び高度を決定することとを含む方法。
6. 特定の超音速のマッハ数及び高度を有する処理対象の動作点で飛行する処理対象の航空機によって発生される音響学的特性をモデル化するための方法であって、
   上記処理対象の航空機のサブスケールのバージョンであるサブスケールの航空機を、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数及び高度とそれぞれ異なる超音速のマッハ数及び高度で動作させることを含み、上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数及び高度は、上記サブスケールの航空機により発生されるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間が、上記処理対象の航空機を上記処理対象の動作点で動作させることにより生じるピーク過圧及びピーク過圧までの立ち上がり時間と同じであるように選択される方法。
7. 特定の超音速のマッハ数及び高度を有する処理対象の動作点で飛行する処理対象の航空機によって発生される音響学的特性を評価するための方法であって、
   上記処理対象の航空機のサブスケールのバージョンであるサブスケールの航空機を、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数及び高度とそれぞれ異なる超音速のマッハ数及び高度で動作させることを含み、上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数及び高度は、上記サブスケールの航空機を動作させることに関連づけられる第１の音響パラメータ及び上記サブスケールの航空機を動作させることに関連づけられる第２の音響パラメータが上記処理対象の航空機を上記処理対象の動作点で動作させることに関連づけられる対応する第１及び第２の音響パラメータと同じであるように選択され、
   上記サブスケールの航空機によって発生される音響学的特性を評価することとを含む方法。
8. 処理対象の超音速の動作点で飛行する、処理対象のフルスケールの航空機の音響属性をエミュレーションするように、サブスケールの航空機を動作させるためのマッハ数及び高度を決定するための方法であって、
   一連のマッハ数の動作値についてそれぞれ生成された複数のスケーリングマップの１つのファミリーを生成することを含み、各スケーリングマップ上の複数のノードはそれぞれ動作高度及びスケール係数の所定の組合せを表し、各ノードの一方の座標値はピーク過圧を表し、各ノードの他方の座標値は所定のノードにより表される高度及びスケール係数の組合せに関連づけられるピーク過圧までの立ち上がり時間を表し、
   上記各スケーリングマップ上で、上記処理対象の航空機を処理対象の動作点において飛行させることに関連づけられる対応する第１及び第２の音響パラメータと同じ第１の音響パラメータの値及び第２の音響パラメータの値に関連している動作の一致点を同定し、各動作の一致点に関連づけられるスケール係数及び動作高度値の組合せを決定することと、
   上記スケーリングマップのファミリーから決定されるスケール係数及び動作高度値の組合せを用いて、スケール係数の関数としてのマッハの曲線及びスケール係数の関数としての動作高度の曲線を生成することと、
   上記２つの曲線を用いて、そのスケール係数に基づいて上記サブスケールの航空機を動作させるマッハ値及び高度を決定することとを含む方法。
9. 特定の超音速のマッハ数及び高度を有する処理対象の動作点で飛行する処理対象の航空機によって発生される音響学的特性をモデル化するための方法であって、
   上記処理対象の航空機のサブスケールのバージョンであるサブスケールの航空機を、上記処理対象の動作点に関連づけられるマッハ数及び高度とそれぞれ異なる超音速のマッハ数及び高度で動作させることを含み、上記サブスケールの航空機が動作されるときのマッハ数及び高度は、上記サブスケールの航空機を動作させることに関連づけられる第１の音響パラメータ及び上記サブスケールの航空機を動作させることに関連づけられる第２の音響パラメータが上記処理対象の航空機を上記処理対象の動作点で動作させることに関連づけられる対応する第１及び第２の音響パラメータと同じであるように選択される方法。

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