JP2010506797A - 高性能超音速層流翼 - Google Patents

Abstract

超音速航空機の改良された超音速層流翼構造は、
翼の機体内範囲の前方に延びているストレーキと、
傾斜翼先端と、
ストレーキもしくは機体の接合部の逆フィレットと、
機体内翼パネルのスパンの約１５％以下にわたって延びている内先端フラップと、
風と関連し、単純フラップの範囲に対して下方に偏向可能な比較的低い表面部を有するハイブリット単純−スプリット・フラップと
のうちの１以上を具備する。

Description

本発明は、一般的に、高性能超音速の航空機の層流翼の構成に関する。特に、本発明は、以下の構成領域における改良に関する。

ａ）ストレーキ
ｂ）傾斜翼先端
ｃ）逆フィレット翼ストレーキ接合
ｄ）内前縁フラップ
ｅ）ハイブリット単純−スプリット・フラップ

Richard Tracyに発行されたある先行の米国特許は、有効な超音速飛行のための層流翼（＃５３２２２４２、＃５５１８２０４、＃５８９７０７６、＃６１４９１０１）を開示している。最近の発展では、５つの領域の改良に行き着いており、主として、翼を使用した航空機の低速の特性に効果を与えている。前述のTracyの特許に記載されている翼は、とがった変更両凸のエアフォイルを有している。これは、超音速巡航状態で衝撃を付属させておくために、約３０度以下で後退している。また、前記エアフォイルは、翼の大多数から見たスパン関連の平均のように、約２％以下の厚さ−翼弦比率（ｔ／ｃ）を有している。後者の厚さ−翼弦比率は、機体の面積法則に関連して、約４％ｔ／ｃまでの比較的厚い機体内端付近のゾーンを除いている。

超音速層流翼は、特に低速飛行において、挑戦をもたらすようないくつかのユニークな特徴を有する。これらの特徴は、亜音速飛行においてほぼどのような迎え角でも分離「バブル」を生じさせるとがった前縁と、アスペクト比が高まるのに従って構造的な重量負荷を負わせる過度に薄いエアフォイルと、超音波抗力を最小限にするための翼体の「面積法則」の有効性を制限する非後退前縁とを含む。これら（そしてその他の特徴）は、超音速層流翼特有であり、本明細書で請求されている改良により、この形式の翼と組み合わさって個々にもしくは共に作用することで、これらの特徴は実質的に緩和されている。

上記の改良のうち２つが利用している特徴は、航空機のデザインにおいては用いられてきたが、検討で超音速層流翼と合わせて用いられることは無かった。これら２つは、「ストレーキ」と「傾斜」翼先端である。さらにもう３つの特徴は、超音速層流翼特有である。これら３つは、「逆フィレット」、機体内前縁に配置可能なフラップ、単純フラップとスプリット・フラップとのハイブリットフラップシステムである。これら５つすべては、以下に説明されている。

ストレーキ
このストレーキは、非後退主翼パネルの機体と機体内との間の翼の、大きく傾斜した後退部分である。このストレーキの前縁は、好ましくは機体との交点へと前進した翼であり、そして、このストレーキの後縁は、外翼の後縁の延長であり、もしくは、機体との交点の方へ、さらに尾翼へと後退され得る。前記前縁は、好ましくは、「亜音速の前縁」を持つために、亜音速巡航最高音速度のマッハ角以上に後退されている。この状態は、離れた衝撃波（a detached shock wave）を確実にし、ストレーキの前縁は、少ない超音速抗力のためにいくらか先が鈍く、上り反りにされ得、そして、より一層の翼低速揚力の出力可能性、もしくは、翼最高「揚力係数」を可能にする。

前記ストレーキは、本出願で最高揚力を高めることに加えて、超音速巡航の実行に好ましい影響を与えると同時に、いくつかの機能を果たす。これらの機能は、次のようなものである。１．比較的少ない構造上の重量負荷で改良された揚力効率のために翼のスパンを広げる。２．比較的低い超音波抗力のために、機体の縦配置と翼の横面部とを改良する。３．航空機の前部内の燃料を入れるためのさらなる容積を与える。４．改良された揚力とエンジン入口の流れの性能のために内翼の上面全体にわたってくっついた流れを維持させる亜音速飛行において、適度な高い迎え角で渦流を発生させる。５．層流を翼の内部全体にわたって保つよう促す。６．着陸ギアのために構造上のハードポイントとギアの引き戻し（retraction）のスペースとを与える。

傾斜先端
前記「傾斜先端」は、大きく後退した翼の側縁、すなわち翼端であり、最高巡航速度でマッハ角よりも後退しているならば、とがった縁あるいはわずかに先の鈍った縁のどちらかを有することができる。前記先端によって、検討で形式の翼に２つの重要な特質が加えられる。

この傾斜先端は、従来の丸く鈍い先端ほどには、抗力を起こす濡れ面積と構造上の偏向とを設けることなく、スパンを広げ、その結果アスペクト比を増やす。より重要なことは、この傾斜先端は、低速飛行において、適性値に至るまでの迎え角で「巻き上げられる」過流を生じさせることである。この過流は、前記翼先端の上面にくっつけられたままである。この先端にくっつけられた過流は、前縁の分離バブルの成長を遅らせ、結果としての翼の外部にわたる揚力の浪費を遅らせる。この結果、翼の最大揚力を高め、外翼の揚力の浪費に関連して先端の過流が機体内へ移動するのを防ぐか遅らせる。この結果は、水平な尾翼にわたる迎え角から派生した比較的低い吹き下ろしであり、優れた縦安定を与え、頭上げ現象の起きる傾向を減らす。

逆フィレット
ほとんどの航空機の前記翼−ストレーキ（もしくは翼機体）接合は、翼の表面と機体の表面と一体となっている「フィレット」もしくは凹面の形で、詳細に論じられやすい。このフィレットは、平面図で見た場合、前記前縁と前記機体との間の凹形カーブとほぼ関連している。

この層流翼にとって、翼前縁でストレーキ（もしくは機体）接合への過度の境界層直行流を避けることは難しいかもしれない。これは、接合部での大きな吹上げが、マッハ波（圧力の乱れ）を引き起こし、そして翼表面に、局部的に高い翼弦の気圧勾配を引き起こすためである。これらの効果は、局部的に境界層直行流の決定的なレベルをつくることができる。この結果、内翼の実質的な部分全体にわたって層流を不安定にし得る。そして、結果的に、乱流の境界層と比較的高い表面摩擦抗力とが発生する。しかしながら、ストレーキ接合部において局部的にある後退部を取り除くために、あるいはわずかに逆進さえするように、ストレーキ（もしくは機体）接合部において、前記前縁の側面を凸型にする。この結果、直行流を決定的レベル以下まで減少させ、乱気流への推移を大幅に減少させることができる。

内前縁フラップ
前記ストレーキ（もしくは機体）との前縁接合部の近くで強い吹上げが起きることの第２の影響は、前記とがった前縁との組み合わせによる、前記前縁の分離「バブル」の早期成長であり、この成長は、翼の機体内部にわたる揚力の早期浪費を導く。このことは、結果的に、高い迎え角への最大揚力を遅らせる。全スパンの前縁フラップは、前記前縁フラップ「バブル」の発生と成長とを遅らせることができる。しかし、このような装置が、層流翼に非常に薄くとがった前縁を持つことは、機械的に不利であり、また、もし不可能でなければ、層流を不可能にするであろういかなる表面のギャップもしくは乱れが無く実行することは難しい。

より実際的な解決方法は、前記機体内１５％のみにわたって延びている前縁フラップ、もしくは前記ストレーキ、もしくは前記機体の外の翼パネルスパン１５％のみにわたって延びている前縁フラップによる。このような装置は、例えば前縁の前方に延びているクルーガーフラップ（a Kruger flap）は、プロプライエタリーテスト（proprietary tests）によって、この形式の翼においてとても有効であることが示されている。これは、ストレーキ（もしくは機体）からさまざまな手段、例えばフラップをストレーキ（もしくは機体内）のキャビティから横に移動する手段によって、もしくは、ストレーキ（もしくは機体内）の荷積み場所から垂直の旋回軸を中心にして揺動させることによる、最小の前縁機構化によって展開されることができる。

ハイブリット単純−スプリット・フラップ
この薄い層流翼は、多数の構成要素が組み込まれたフラップ、もしくは組み込まれたファウラー・フラップ（slotted fowler flaps）、もしくは「ザップ」・フラップ（“zap” flaps）にさえも適していない。これは、内スペースの不足と、外関節並びにトラックの不快さとの理由からである。これらの理由から、平坦な、関節でつながれた後端フラップが、最も有効な手がかりである。しかしながら、発生し得る揚力の増加、特にとがった前縁翼による揚力の増加は、フラップの上面の分離によって制限される。

（下面のみ偏向された）単純スプリット・フラップは、単純フラップよりわずかに高い最高揚力の可能性を有しているが、これは抗力の不利な状態においてである。いずれの場合でも、スプリット・フラップは、亜音速巡航と遷音速巡航とのための少量のフラップ偏向に対する必要性に応じないであろう。これは、層流翼のほとんどの適用に対して要求されている。

この形式の翼に対して、スプリット・フラップと単純フラップのハイブリット結合体には、ユニークな利点がある。ハイブリット・スプリット・フラップは、フラップの下面の一部が、前記単純フラップに対して下方へ偏向されるように構成されている。前記スプリット・フラップ関節ラインは、前記単純フラップ関節と同じ場所に、好ましくはこの単純フラップ関節の尾の方に、即ちこの単純フラップの翼弦の中央に位置されることが可能である。偏向されるとき、前記スプリット・フラップは、伴流圧力（the wake pressure）を下げることと、フラップ上面の後端における逆気圧勾配を減少させることとによって、前記単純フラップの上面における分離を遅らせる。この単純フラップの外側の部分は、このような分離に対して最も弱く、前記スプリット・フラップもまた、前述の傾斜翼端と関連して記載されているような結果を引き起こすであろう翼端失速と更なる吹き下ろしとを軽減する。

超音速航空機の翼、ストレーキ、フラップ、内前縁フラップを示している。 図３のフラップ構造の場所を示している超音速翼の平面図である。 後端と内前縁とのフラップ構造を示す超音速層流翼のエアフォイルの断面図である。

図では、好ましい超音速航空機１０は、機体１１と、左右の翼セクション１２ａ、１２ｂを有する薄い層流翼１２と、前記機体の両側近くの複数のジェットエンジン１３と、尾翼１４とを有している。

ストレーキが、機体１１と低い角度の後退主翼パネルの内端１６との間の翼の大きい傾斜の後退部分として、１５で示されている。他のストレーキの特徴は、前述されている。

各翼セクションの傾斜翼先端は、１７で示されており、前述されているように複数の特徴を有する。

各翼ストレーキ−機体接合先端の逆フィレット状部は、１９で示されており、前述されているように複数の特徴を有する。

各翼セクションの内前縁フラップは、18で示されており、前述されているように複数の特徴を有し、前記機体もしくはストレーキのキャビティと関連していても良い。

各翼セクションのハイブリット単純−スプリット・フラップは、２１で示されており、前述されているように複数の特徴を有し、単純フラップ２１ａとスプリット・フラップ２１ｂを含んでいる。これらフラップのためのアクチエーターは、３５で概略的に示されており、前記機体もしくはストレーキの関連キャビティを有していても良い。前記スプリット・フラップ２１ｂのヒンジラインは、２１ｃで示されている。図３において、スプリット・フラップのヒンジラインは、単純フラップ２１ａに対して、前記関節ライン２１ｃと同じ場所あるいは２１ｃの後ろに位置され得る。

図３では、 単純フラップ２１ａは、風の面とおおむね一致している面に対して第１の角度によって下向きに偏向されており、スプリット・フラップ２１ｂは、前記面に対して第２の角度によって下向きに偏向されており、第２の角度は第１の角度よりも大きい。

スプリット・フラップのための関節ラインが、前記関節ライン２１ｃと同じ場所に位置されている場合も、同様の関係がある。

Claims (11)

1. ａ）翼の機体内範囲の前方に延びているストレーキと、
   ｂ）傾斜翼先端と、
   ｃ）ストレーキもしくは機体の接合部の逆フィレットと、
   ｄ）機体内翼パネルのスパンの約１５％以下にわたって延びている内先端フラップと、
   ｅ）風と関連し、単純フラップの範囲に対して下方に偏向可能な比較的低い表面部を有するハイブリット単純−スプリット・フラップと
   のうちの１以上を具備する超音速航空機の改良された超音速層流翼構造。
2. 前記ストレーキは、航空機の最高超音速度においてマッハ角以上に後退した前縁を有する請求項１との組み合わせ。
3. 前記ストレーキは、
   ｉ）先の鈍い前縁と、
   ii）キャンバーと
   を有する請求項２との組み合わせ。
4. 前記傾斜翼先端は、
   ｉ）先の鈍い前縁と、
   ii）超音速巡航最高音速度のマッハ角以上の後退と
   を有する請求項１との組み合わせ。
5. 前記逆フィレットは、前記接合部に凸状の前縁側面を有する請求項１との組み合わせ。
6. 前記内前縁フラップは、
   ｉ）前記ストレーキもしくは機体内のキャビティと、
   ii）前記ストレーキもしくは機体に関連するおよそ１の旋回軸と
   のうち一方か両方からの配置のために位置づけられている請求項１との組み合わせ。
7. 前記ハイブリット単純−スプリット・フラップは、後縁フラップであり、
   ｉ）前記単純フラップの関節ラインと同じ場所に位置されたスプリット・フラップの関節ラインと、
   ii）前記単純フラップの関節ラインの尾に位置されたスプリット・フラップの関節ラインと
   のうちの１つを有する請求項１との組み合わせ。
8. 前記単純フラップは、第１の角度で下方に偏向されており、前記スプリット・フラップは、第２の角度で下方に偏向されており、第２の角度は第１の角度より大きい、請求項７との組み合わせ。
9. 前記逆フィレットは、前記接合部の凸状の前縁側面を有する請求項４との組み合わせ。
10. 前記内前縁フラップは、
    ｉ）前記ストレーキもしくは機体内のくぼみと、
    ii）前記ストレーキもしくは機体に関連するおよそ１の旋回軸と
    のうちの１つからの配置のために位置づけられている請求項８との組み合わせ。
11. 前記ハイブリット単純−スプリット・フラップは、後縁フラップであり、
    ｉ）前記単純フラップの関節ラインと同じ場所に位置されたスプリット・フラップの関節ラインと、
    ii）前記単純フラップの関節ラインの尾に位置されたスプリット・フラップの関節ラインと
    のうちの１つを有する請求項９との組み合わせ。

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