JP2010001007A - 周囲圧力応答性の可変容積燃料タンク - Google Patents

Abstract

【課題】航空機の燃料タンクシステムのための装置が提供される。
【解決手段】燃料を保持するように構成された容器２０を有する。この容器は、第１の開口部２２を備え、第１の開口部は、内部を外気圧に流体連通させる。本システムは、周囲の空気圧に応じて容積を変更するように構成された、容積調整可能な寸法決め装置３０を有し、この寸法決め素子は、容器内に配置され且つ流体を収容するように構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書で述べられる主題の実施形態は、概ね、航空機の燃料タンクに関する。より詳細には、本主題の実施形態は、航空機のための可変容積燃料タンクに関する。

本発明は米国軍により与えられた契約番号Ｅ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４により、政府の支援によりなされたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。
無人航空機（ＵＡＶｓ）のようないくつかの航空機は、一般に内燃エンジンにより動作する。従って、より高い高度で動作する場合、エンジンは、周囲の環境における低密度の空気での低い酸素濃度のために、低い高度に向かう場合であっても、飛行中に低いパフォーマンスになりうる。いくつかのＵＡＶｓでは、高高度での運転のパフォーマンスの問題を緩和するためにタービンエンジンを用いるように構成されている。さらに、タービンエンジンは、推力の増加や耐久性のような他の好ましいパフォーマンス特性を提供する。

しかし、タービンエンジンは、低高度で運転するときに、高高度で運転するときよりも多くの燃料を必要とする。パフォーマンスは、ＵＡＶの重量に直接的に関係し、燃料は、ＵＡＶの総重量に最も寄与するものの１つであるので、ＵＡＶに搭載する燃料をできるだけ正確に管理することが有利である。ＵＡＶ燃料タンク内の燃料を調節するいくつかの技術は、計量燃料コンテナ、漸次燃料注入（gradual syringe fueling）、燃料レベルセンサ、および空気密度／高度ルックアップテーブルを用いたその場での必要な燃料の決定、の使用を含む。

ＵＡＶの異なるモデルおよび構成は、異なるパフォーマンス特性を備えるので、ＵＡＶの様々なタイプにわたって高度に関する補償をすることは困難である。従って、ＵＡＶの異なるタイプの組み合わせ、および運転の高度の変化のために、与えられた高度での特定のミッションプロファイルのためにＵＡＶの燃料注入を最適化するのは困難である。

航空機のための燃料タンクシステムのための装置が提供される。このシステムは、燃料を保持するように構成された内部を持つ容器を有する。この容器は、内部を外気圧に流体連通させるように配置された第１の開口と、周囲の空気圧力の変化に応じて体積が変化するように構成された、容積を調整可能な寸法決め装置とを有し、この寸法決め素子は容器内に配置され、また流体を収容するように構成される。

無人航空機の燃料タンクの内部の利用可能な容積を調整するための方法が提供される。この方法は、内部に、空気を通さずで且つ可撓性の袋を挿入し、この可撓性の袋の周囲の空気圧力を外気圧に等しくすることを含む。

この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される形態を簡略化したコンセプトの選択を紹介するために提供されている。この概要は、請求項の主題の重要なまたは不可欠の特徴を特定することを意図するものではなく、また、請求項の主題の範囲を決定するのを助けるのに用いられることを意図するものでもない。

より完全な主題の理解は、添付の図面とともに、詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより得られる。添付図面において、全図にわたって同様の参照符号は類似の素子を参照している。

燃料タンクを示すＵＡＶの実施形態の概略側面図を示す図である。 図１の燃料タンクの実施形態の第１の状態における詳細な断面図である。 図２の燃料タンクの第２の状態における断面図である。 他の実施形態の燃料タンクの第１の状態における断面図である。 図４の実施形態の第２の状態の断面図である。

以下の詳細な説明は、本来的に単なる説明であり本主題の実施形態を制限することを意図するものではなく、また、実施形態の応用および用途を限定するものではない。本明細書で用いられる、「例示的」との語は、一例として機能し、存在し、または図示されていることを意味する。ここで説明される例示的なあらゆる実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましくまたは有利に構成される必要はない。さらに、以下の詳細な説明に先行する技術分野、背景、概要で明示的または暗示的に示されたいかなる理論にも拘束されることを意図していない。

「接続されている／連結されている」との語は、互いに「接続されている」または「連結されている」という特徴の素子を参照する。本稿にいおて、明示的に示さない限り、「接続されている」とは、ある素子／ノード／特徴が、他の素子／ノード／特徴に直接的に結びついている（直接的に連絡している）ことを意味し、必ずしも機械的である必要はない。適切であればもちろん機械的な結びつきであってもよい。同様に、特に明示的に示さない限り、「連結」とは、ある素子／特徴が、他の素子／特徴に直接的にまたは間接的に結びついている（または、直接的にまたは間接的に連絡している）ことを意味し、素子／特徴間で相互に影響を与えることを含む。すなわち、第１の素子／特徴の運動は、連結により第２の素子／特徴に運動を生じさせることができる。このような運動は回転運動でもよく、直線運動でもよい。従って、図１−５に示される概略図は素子の例示的な構成ではあるが、追加的な、間に介在する素子、装置、特徴、または部品が、図示された主題の実施形態に存在してもよい。

図１は航空機１の側面を示しており、この航空機のいくつかの部分は、切り取られその下の詳細が示されている。図示されている航空機１はＵＡＶである。しかし、以下に説明する少なくともいくつかの特徴は有人航空機で実現することもできる。さらに、膨張式車両を含む他の航空機を用いることもできる。さらに、本稿で述べられる技術および方法は、他の燃料タンクに応用することができ、たとえば、自動車や船舶、芝刈り機やトラクターなどの機械、またはタービンまたは燃料燃焼エンジンに供給するその他の燃料タンクなどに応用できる。

航空機１は様々な部品、システム、素子、および特徴を備えることができ、これらには、エビオニクス、制御システムおよび外観、胴体１０内に含まれる推力素子を含むが、これらに限定されない。可変容積素子は、航空機の燃料タンク２０内に配置できる。好ましくは、可変容積素子は、不活性ガスを含むように構成され、また、周囲の外気圧の変化に応じて、燃料を含む燃料タンク２０の利用可能な容積を調整するように構成される。特に、いくつかの実施形態において、周囲の外気圧は、可変容積素子の体積を調節することができ、燃料が入る燃料タンクの容積を増加または減少させることができる。所定の実施形態において、可変容積素子の内部空間の正確な寸法決めおよび圧力付加は、燃料注入前の所定の高度における正確な燃料タンクの容積を提供する。従って、複雑な手順を必要とせず、または特別な装備を必要とせずに、航空機に所望の量の燃料を提供することができ、異なる高度において、特定のパフォーマンスプロファイル内で航空機の操作を正確に最適化する。

航空機１の実施形態の少なくとも１つの特徴は、燃料タンク２０であり、複数の燃料タンクが存在してもよい。燃料タンク２０は、好ましくは、航空機の所望の運転を維持するための適当な容積の燃料を保持するように構成される。いくつかの燃料タンク２０は、航空機の他の素子に連結することができ、たとえば、１つまたは複数のエンジン、もし存在するなら他の燃料タンクに連結することができる。エンジンはタービンとすることができ、ラムジェット型またはスクラムジェット型のエンジンとすることができ、あるいは、実施形態に適当なその他の型のエンジンとすることができる。好ましくは、燃料タンク２０は、運転するのに有利である、様々な部品の中で燃料を供給および回収する１つまたはそれ以上の導管を有する、またはこれらに連結される。

また、燃料タンク２０は、燃料ポート２２を通して航空機１の外部からアクセス可能である。好ましくは、燃料ポート２２は開くことができ、同様に選択的に閉じおよび／またはシールすることができ、所望であれば、燃料タンク２０へまたは燃料タンクから、燃料およびその他の物を供給または取り除くために、燃料注入技術者などの使用者が操作できるようになっている。

燃料タンク２０は好ましくは、内部およびその中に配置される可変容積素子を備える。可変容積素子は、好ましくは、調節可能な寸法および／または形状を備え、外力を通して容積を変更可能である。この素子は、幾分または部分的に剛性であり、好ましくは、仕様および／または実施形態に適切になるように、拡張または減少する空間容積を備える。従って、可変容積素子は、体積調整可能な寸法決め素子または装置のような他の適当な語で参照することができる。なお、この語は非限定的な例である。可変容積素子は、製造中にタンク２０内に配置することができ、または製造後に燃料タンク２０内に導入することができる。さらに、後に説明される寸法決め素子のタンク２０の内部への連結は、製造中または製造後に行うことができる。

図１−３に示す実施形態において、可変容積素子は、可撓性の袋３０として示されている。しかし、他の実施形態では他の素子を用いることも可能であり、これは後に述べる。袋３０は、好ましくは、図１−３に示すように燃料タンクの内部壁に連結されている。しかし、他の位置や他の構成も可能である。さらに、図示の燃料タンク２０は、規則的な幾何学形状として実施化されているので、内部壁に沿った位置決めを容易に達成することができる。他の実施形態において、燃料タンクは規則的でない形状にすることもでき、これは内部の特徴を含み、チャネル、フランジ、突起部、凹部のような特徴を含む。従って、袋３０は、壁または内部特徴に連結するように配置でき、または、実施形態に適切になるように底面または上部表面の下側に沿って連結できる。いくつかの実施形態において、袋３０は、所望により、壁の形状に一致するような形状にすることができる。

好ましくは、袋３０は、位置に関わらず、袋の全体の容積が、燃料タンク２０内の燃料が満たされたレベルかそれ以下になるように配置される。燃料が満たされたレベルは、タンク２０内の燃料が、指示、ガイド、または他の表示が航空機１のその後の運転のための正しい量の燃料がタンク２０に入ったことを示す、適切なレベルに到達したときであると定義できる。タンク２０内の燃料レベルは、好ましくは、袋３０の膨張量または燃料タンク２０内の位置に関わらず、常に袋３０の容積に影響を受ける。しかし、いくつかの実施形態において、容積変化および位置決めに関する慎重な計算は、少なくとも一部がタンク２０の燃料レベルの上に延びるように、袋３０の位置決めを可能にする。

従って、袋３０の可変容積の上限まで膨張したとき、袋３０は好ましくは、燃料レベルかそれ以下のままである。さらに、好ましくは、いかなる量の容積の膨張または収縮、または袋３０の位置決めは、タンクが指示された容量に到達する前に、タンク内の燃料が満たされたレベルに影響を与えるのを失敗しない。このような燃料が満たされたレベルは、図１−３において破線で示されており、その正確な位置は燃料タンクごとに異なる。図から分かるように、袋３０は満たされたレベルのラインの下に配置され、これを超えない。

図２は、航空機の詳細図を示しており、第１の状態における燃料タンク１００の拡大断面図を示している。燃料ポート１１２は、燃料タンク１００の頂部に示されているが、実施形態に好適な場所に配置するように変更でき、たとえば、燃料タンク１００の中心から燃料ポート１１２をずらして配置することができる。可撓性の袋１３０がタンク１００の壁に連結されて示されている。袋１３０は、内壁の左側に示されているけれども、袋１３０を他の側壁に対して配置することもでき、たとえば、頂部、反対側の壁１１４、タンクの底部に沿って配置することができる。好ましくは、袋１３０は、導管、チャネル、ポート、あるいは燃料輸送の他の素子を通る、燃料タンク１００へのまたは燃料タンク１００からの燃料の流れを阻害しない。

袋１３０は、他の特徴とともに、内部容積１３２を備える可撓性の膜１４０を有する。可撓性膜１４０は、好ましくは、空気および／または水および／または燃料を通さず、ジェット燃料に対して化学的に不活性な材料から形成される。一般に用いられるジェット燃料のいくつかは、ＪＰ−８、Ｊｅｔ−Ａおよびそれら類似物を含み、またある種の機体ではディーゼルを含む。従って、可撓性膜１４０に好適な材料は、特にメッシュ様の場合に、鋼鉄、チタン等の金属を含むことができる。このようなメッシュは、たとえば、被膜、ライニング等の他の材料の成分を含むことができ、たとえば、プラスチック、ゴム、シリコーン、その他の弾性体を含むことができる。いくつかの実施形態では、可撓性膜１４０は、プラスチック、ゴムまたはその他の弾性材料、あるいは被覆された繊維織地を含むその他の材料から形成できる。いくつかの膜１４０は、さらに、少なくとも部分的にカーボン繊維から形成することができる。好ましくは、膜１４０は、周囲の大気と袋１３０の気密の内部との間の差圧に応答する程度に可撓性である。膜１４０は、内部容積と１気圧を超える燃料タンク１００の内部との差圧に耐える程度に十分な引張り強さを備え、好ましくは、破裂または漏れることなくそれ以上の差圧に耐えるような十分な引張強さを備える。

袋１３０は、膜１４０内に含まれる不活性ガス１３４のような適切な流体で満たすことができ、または膨張させることができる。不活性ガス１３４は、好ましくは、航空機の燃料および袋１３０を形成する材料に対して化学的に反応しない。いくつかの不活性ガスは、窒素または希ガスであり得る。好ましくは、膜１４０は、長期間、散逸させることなくまたは漏らすことなく不活性ガス１３４を保持できる程度に十分な堅牢さを備える。さらに、異なる条件下での不活性ガス１３４の特性は、理想気体方程式により合理的な成功の下で予測できる。従って、不活性ガス１３４は、袋１３０の内側容積１３２を満たすことができる。

いくつかの実施形態において、袋１３０の内側容積１３２は、袋ポート１３６を通してアクセス可能である。好ましくは、袋ポート１３６は、内部容積１３２と外部ソースとの間の流体の流れを閉じることができる。しかし、係合または開放しているとき、袋ポート１３６は、操作者が、内部容積１３２から流体を取り除くまたは内部容積１３２へ流体を導入することができるようにする。従って、空の袋１３０は、袋ポート１３６を通して満たすことができ、また、膜１４０内の不活性ガス１３４の総量を調節することができる。図から分かるように、いくつかの実施形態において、袋ポート１３６は、燃料タンク１００の内側からアクセス可能である。他の実施形態においては、第２の袋ポート１３８を用いることができる。第２の袋ポート１３８は、好ましくは、燃料タンク１００の外側からアクセス可能である。燃料タンク１００および袋１３０のいくつかの実施形態では、ポート１３６、１３８の一方または両方を備えることができ、または両方を備えないこともできる。

可撓性膜１４０は圧力差に応じて変形することができるので、不活性ガス１３４の内部圧力は袋の容積に影響を与える。一例として、不活性ガス１３４が海面１気圧の圧力が与えられたら、膜１４０は、図２に示すように変形しない。

図３を参照すると、同様のタンク１００が示されており、ここでは周囲の大気圧が減少している。燃料ポート１１２を通じた燃料注入ポートの開放の間、燃料タンク１００内の大気圧は、航空機１の周囲の圧力と等しくなる。図示の実施形態において、袋１３０は、図２に示される袋１３０の場合よりも高い高度におけるものが示されている。従って、高高度において大気圧は低く、可撓性膜１４０が不活性ガス１３４の解放を防止するので、袋１３０は図３に示すように膨張する。なお、本図は、説明のためであり計測のためのものではない。

図から分かるように、燃料タンク１００が高い高度の周囲大気圧に等しくなったときに、不活性ガス１３４は膨張する。従って、可撓性膜１４０がガス１３４の圧力により外側に膨張するので、袋１３０の内部容積１３２は膨張する。燃料タンク１００の内壁は好ましくは剛性であるので、燃料タンク１００の燃料のために利用可能な容積は減少する。袋および袋１３０内の不活性ガス１３４の膨張を正確に寸法決めすることにより、燃料容積のための変更を、異なる高度におけるＵＶＡおよび他の機体のエンジンパフォーマンスおよび重量プロファイルを補償するのに十分なようにキャリブレーションすることができる。

さらに、ポートを開いて燃料注入することにより、燃料タンク１００の内部圧力が外部の環境の圧力に等しくなるので、さらなる圧力調整特徴、装置または機構は必要ない。特定の燃料充填レベルが示されると、使用者は、特別な装置や能力を必要とせずに、適切なパフォーマンスプロファイルになるように、開ポートにより航空機に燃料注入できる。他の実施形態において、可変容積の寸法決め装置または素子は、袋１３０を異なる形状にしながら、これらの有利な操作を成し遂げる。

可変容積の寸法決め装置の代替実施形態の一例として、図４、５は、燃料タンクの詳細図を示しており、燃料タンクは、調節可能なまたは移動可能な壁２５０を有する。図４は、海面レベルまたは、幾分低い高度における燃料タンク２００を示しており、一方、図５は、図４に示すものよりも高い高度における燃料タンク２００を示している。図４は、海面レベルを起点としているけれども、図５よりも低い高度を用いることもできる。

燃料タンク２００は、燃料ポート２１２および第１のチャンバまたは内部２０２を備えることができる。内部２０２は、航空機の使用に適した燃料を収容できるように構成され、燃料タンクを燃料のための容器にする。図４、５に示す実施形態において、可変容積の寸法決め素子は、ピストンアセンブリ２３０として構成される。ピストンアセンブリ２３０は、第２のチャンバまたは内部容積２３２を有し、内部容積２３２は上述のように少なくとも部分的に不活性ガス２３４が満たされている。いくつかの実施形態において、不活性ガス２３４は、可撓性膜２４０内に入れられる。好ましくは、膜２４０は空気を通さず、また、燃料を通さず、また、可撓性膜２４０に対して化学的に反応しない不活性ガス２３４を収容するように構成される。

いくつかの実施形態において、膜は、タンク２００の内部２０２の境界をなす内部の可動壁２５０に連結されている。従って、燃料が満たされたとき、可動壁２５０は、内部２０２内で燃料を保持し、ピストンアセンブリ２３０内に通過することを許容しない。可動壁２５０は、タンク２００の他の端部において、反対の壁２０４に対して位置を変えることができ、それにより燃料のために利用できる内部２０２の容積を変更することができる。好ましくは、可動壁２５０のピストンは、不活性ガス２３４の容積の変化により調整できる。

一例として、図５に示されるように、内部２０２が燃料ポート２１２を通して低い大気圧にさらされると、不活性ガス２３４の体積は増加する。なお、ここで低い圧力は、燃料ポート２１２を通じた均等化の前における不活性ガス２３４および内部２０２に対して低い圧力である。これらの実施形態は、可撓性膜２４０を有し、膜２４０は、可動壁２５０に連結することができる。従って、不活性ガス２３４の膨張により膜２４０が膨張すると、膜２４０は、可動壁２５０を押し、または他の力あるいは影響を可動壁２５０に与え、ピストンを反対側の燃料タンク２００の壁２０４に向かって変位させる。従って、燃料を受け入れるために利用可能な内部２０２の容積は減少する。

逆に、この同様の位置および圧力が、後に低い高度における高い外気圧により均等化される場合、不活性ガス２３４は図４に示すように収縮する。結果として、可動壁２５０は、タンク２００の反対側の壁２０４から離れるように位置を変える。従って、タンク２００の内部２０２の容積は大きくなり、そこにより多くの量の燃料を収容できるようになる。従って、内部２０２と周囲の大気との間の燃料ポート２１２を通じた圧力の均等化は、タンク２００の内部２０２の容積を調整することができ、それに従って、高度または他の圧力に関する条件に基づいてタンク２００内の燃料貯蔵容積をキャリブレーションすることができる。

いくつかの実施形態において、可動壁２５０は、ピストンアセンブリ２３０の内部をタンク２００の内部からＯリングまたはその他の円形または囲い式のシール部材でシールすることができる。このようなシールは、膜２４０と膜に関連する内部容積２３２との間、および、不活性ガス２３４と内部２０２との間の流体連通を禁止することができる。いくつかの実施形態において、膜２４０を省略することができ、ガス２３４が直接に可動壁２５０に作用するようにすることができる。好ましくは、シールは、膜２４０があるときでもないときでも、タンク２００の他の部分に対して、可動壁２５０がガス２３４による影響による位置決めのときに妨害されない程度に、十分に低摩擦で接触する。

それゆえ、上述の例において、ガス２３４が膨張すると、いくつかの実施形態において、膜２４０は可動壁２５０を押してこれを移動させる。外部圧力がガス２３４より高い圧力に変化するときにガス２３４は収縮し、膜２４０と可動壁２５０との連結または取付けのいずれかを通じて、または、膜２４０が省略される場合は、内部２０２と内部容積２３２の差圧の結果として、可動壁２５０は反対側の壁２０４から離れるように移動する。このように、膜２４０が存在し、可動壁２５０に取り付けられ、または、物理的接触を通じて連結され、ピストンおよび／または寸法および／または他の形状により互いに影響を与える。

いくつかの実施形態において、燃料タンク２００は、均等化ポート２６０を備えることができる。均等化ポート２６０は、ピストンアセンブリ２３０の内部をタンク２００の周りの周囲の外気圧と流体連通させることができる。従って、燃料ポート２１２を通じて開ポート燃料注入により燃料注入されないこれらの燃料タンクのために、代わりに、シールされたシステム、部品、または素子を通じて燃料が提供され、均等化ポート２６０を解放することができ、それでピストンアセンブリ２３０の内側の圧力を外気圧に対して標準化することができる。好ましくは、このようなシステムから提供される燃料は、加圧されておらず、むしろ、接続は、燃料ポート２１２を通じた圧力均等化を単に禁止する。従って、タンク２００内の空気またはその他のガスは、好ましくは燃料注入の間に排出される。このような排気は、外気に対して行われ、または、これを受け入れる適当な他の容器に対して行われ、あるいは、実施形態に適当なように他の方法で輸送される。均等化ポート２６０は、圧力を均等化するために燃料注入の前に解放でき、それにより可動壁２５０の適切な位置決めを行い、その後、閉じられる。均等化ポート２６０は、これらの実施形態において用いることができ、ここで、不活性ガス２３４は、不活性ガス２３４がピストンアセンブリ２３０の内側の圧力よりも低い外気圧に逃げるのを防止するために膜２４０内に入れられる。

膜２４０が用いられるこれらの実施形態において、別の袋ポート２７０を用いることができ、燃料タンク２００の外側から膜２４０を通って不活性ガス２３４に流体連通してアクセスできるようにする。膜２４０を用いない実施形態において、袋ポート２７０は、膜２４０を通じた追加的な連通を必要とせずに不活性ガス２３４への流体アクセスを許容するために用いることができる。

さらに、ピストンアセンブリ２３０を、可変容積寸法決め装置を具体化するために用いるこれらの実施形態において、不活性ガス２３４は、実施形態に適当な他のガスに交換することができる。しかし、好ましくは、ガスの内部２０２への意図しない導入から生じる複雑化を避けるために、ガスは化学的に不活性である。

２つの可変容積寸法決め装置の実施形態が図示および説明されたが、他の形態も可能である。従って、少なくとも１つの例示的な実施形態が上述の詳細な説明中に示されたが、多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、本明細書で説明された１つまたは複数の例示的な実施形態は、特許請求の範囲に記載された主題の範囲、応用、構成をいかなる意味でも限定するものではないことを理解されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に、説明された１つまたは複数の実施形態を実行するための好都合なロードマップを提供するものである。特許請求の範囲により画定される範囲から逸脱することなく、素子の機能および構成に関して様々な変更が可能であることを理解されたい。これらの変更は、本願出願時に公知の均等物や予見可能な均等物を含む。

Claims (3)

1. 航空機（１）のための燃料タンクシステムであって、前記システムは、
   燃料を保持するように構成された内部を備える容器（１００、２００）を有し、前記容器（１００、２００）は、第１の開口部（１１２、２１２）を備え、前記第１の開口部（１１２、２１２）は、前記内部を外気圧と流体連通させ、
   前記システムはさらに、周囲の空気圧の変化に応じて容積を変更するように構成された、容積調整可能な寸法決め装置（１３０、２３０）を有し、前記寸法決め素子（１３０、２３０）は、前記容器内に配置され且つ流体を収容するように構成される、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記容器（１００、２００）は、可撓性袋（２４０）と前記内部との間に配置された内部壁（２５０）を有し、前記可撓性袋（２４０）は前記内部壁（２５０）に連結される、システム。
3. 航空機（１）の燃料タンク（１００、２００）の内部の利用可能な容積を調整する方法であって、
   空気を通さず且つ可撓性の袋（１４０、２４０）を前記内部の中に挿入するステップと、
   前記可撓性の袋（１４０、２４０）の周囲の空気圧を、外部大気圧に等しくするステップと、を有する方法。

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