JP2013233926A - 渦発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】前縁高揚力装置に対応して設置され、前縁高揚力装置が収容される場合には、抗力を増大させることのない渦発生器を提供する。
【解決手段】渦発生装置１０は、翼の前縁高揚力装置１６の設置に対応して設置される渦発生器１２を含む。渦発生器は、渦発生器の後続の主翼体１８の上面領域にわたって渦を発生するための位置に設置される。低迎角において前縁高揚力装置が収容される時、渦発生器も収容されて抵抗を増大させることがない。
【選択図】図４

Description

この出願は、航空機翼面に渦を発生させる装置に関連するものである。

後退翼の付いた航空機の多くは、高迎角（ＡＯＡ）もしくは高「アルファ（α）」での空気力学的なバフェットまたは非対称的な翼失速を被る。アルファは、翼の翼弦線となる場合が多い揚力体基準線と、揚力体と揚力体が移動して通る流体との間の相対運動を表わすベクトルとの間の角度の単位で測定される。上記で与えられた例において、８度の迎角は、翼の翼弦線と気流の相対速度のベクトルとの間の８度の角度を表わすことになる。

高アルファ条件の下で、後退翼の上面は、エネルギーが低下した気流に遭遇する場合があり、そのエネルギーが低下した気流は、不安定な流れ剥離（失速）および／または不安定な衝撃波の形成を結果的にもたらすことがある。このことは、バフェットおよび／または非対称的な失速の問題の原因であるとして知られ、高アルファにおける航空機の操縦の質の悪さを結果的にもたらす。

バフェットおよび／または非対称的な翼失速は、遷音速マッハ数と高アルファとの組み合わせでの不安定な遷音速先端衝撃波によって誘発されることがある。中程度に高いアルファ、低エネルギー、剥離流の条件が翼の上面上に通常発生する翼先端衝撃波を不安定にする場合に、不安定な遷音速先端衝撃が生じ得る。この現象は、航空機翼のスパン方向の外側の約半分ほどに影響を及ぼすことがある。戦闘機の操縦士が兵器を使用するために別の航空機を追跡しようと試みている場合、戦闘機は比較的高いアルファで操縦される傾向があるので、遷音速先端衝撃によって誘発されるバフェットは、兵器の命中精度の質を非常に落とし得る。このことは、航空機のための最適な持続的旋回条件を含むアルファ範囲にわたって、例えば航空機が対気速度を落とすことなく最大旋回率を維持できるアルファ値で、バフェットに遭遇する航空機について特に言えることである。

不安定な衝撃／境界層干渉の問題に関連するそのような現象は、コンピュータモデリングおよび風洞試験などの既知の分析ツールを用いて予測することが難しい場合がある。結果として、新しい航空機が高アルファでバフェットおよび非対称的な失速の問題に遭遇する傾向は、開発が飛行試験の段階に達するまで検出されないことが多い。新しい航空機の開発において、バフェットおよび失速の問題を減らすために必要な広範囲にわたる機体形態の変更は、この時点では極めて困難であり、製造するための費用が高くなる場合がある。しかしながら、航空機の既存構造に最小限の修正だけを行って、その問題を軽減するいくつかの比較的簡単なおよび安価なアプローチがある。そのようなアプローチの１つは、渦発生器（ボルテックス・ジェネレーター）を追加することである。異なる対気速度や迎角について前縁および後縁フラップを注意深く調節（スケジューリング）することはまた、バフェットの問題を軽減するかもしれないが、それ自体の完全なまたは満足な解決策を与えないことが多い。様々な種類の渦発生器、突起物、および／またはストレークは、高迎角で翼を越える気流にエネルギーを与えるために翼の前縁に取り付けられ、または組み込まれてもよいが、そのような構造は重大な抗力の不利益を伴う。

低対気速度および／または高迎角での航空機の性能を向上するために航空機翼構造に組み込まれるいくつかの前縁高揚力装置（leading edge lift augmentation）が広く知られている。スラットは、例えば、航空機翼の主翼体によって担持され、主翼体の前縁の前方または上流に設置される翼部である。したがって、スラットは、高迎角で翼を越える気流にエネルギーを与えるために空気がスラットと主翼体前縁との間のスロットを通って流れることを可能にするように位置付けられる。前縁フラップなどの他の前縁高揚力装置は、翼の前縁を前方および／または下方に効果的に延ばすようにして設置可能であってもよい。更に他の前縁高揚力装置は、翼のより低い表面の一部を下方および前方に回転するようにして設置可能であってもよい。これらの前縁の構成のそれぞれは、高められた迎角で気流が翼にぶつかる際に気流の回転を促進することによって揚力を増大し、それによって、流れ剥離を減らしたり、遅らせたりする。

前縁高揚力装置は低速度および／または高迎角での翼の性能を著しく向上させ、さらに、渦発生器がそのような条件下でバフェットを軽減するために使用されることができる一方で、残念ながら、前縁高揚力装置および渦発生器のいずれもが抗力を増大する傾向がある。スラットおよびフラップは、抗力を減らすために翼のモールド線と同じ平面に引っ込められ得るが、渦発生器は、概ね、所定の位置に固定されているため、高性能航空機上での最適なサイズまたは形状ではほとんど存在しない。低被観測（ステルス）性航空機において渦発生器を使用することはまた、低被観測適合性の特徴が欠如してしまうことからも制限される。

渦発生装置は、航空機翼上に担持されるように構成された渦発生器であって、翼の前縁高揚力装置の設置に対応して、渦発生器の後続の主翼体上面領域の少なくとも一部にわたって当該渦発生器が渦を生成することになる位置に設置されるように構成された、渦発生器を備えて提供される。

また、渦が渦発生器の後続の主翼体上面領域にわたって発生する位置に渦発生器を設置することを含む、渦発生方法も提供される。この方法によれば、渦発生器を設置することは、渦発生器が上記位置に設置されるように構成された翼の前縁高揚力装置を設置することによって開始される。

前縁高揚力装置と、前縁高揚力装置の設置に対応して設置される渦発生器とを備える、航空機の右側の翼を示す、航空機の断片的な概略上面図である。 図１における円２によって囲まれた渦発生器および前縁高揚力装置の一部の分解図である。 図１の３‐３線に沿った図１の翼の断片的な概略断面図であり、それぞれの収容位置における前縁高揚力装置および渦発生器を示す。 図１の翼の断片的な概略断面図であり、それぞれの配置位置における前縁高揚力装置および渦発生器を示す。 高アルファ航空機のバフェットを軽減する方法を示すフローチャートである。

これらのおよび他の特徴や利点は、以下の発明を実施するための形態および発明の１つ以上の実施形態の図面と関連して当業者に明らかになるであろう。

渦発生装置は、概ね、図１〜４における１０で示される。渦発生装置１０は、主翼体１８を含む航空機翼１４によって担持される渦発生器１２と、主翼体１８によって担持される前縁高揚力装置１６とを備えてもよい。渦発生装置１０は、渦発生器１２が翼の前縁高揚力装置１６の設置に対応してまたは翼の前縁高揚力装置１６の設置と共に渦発生器１２が設置されるように構成されてもよい。渦発生器１２が設置される場合には、渦発生器１２に後続するあるいはその渦発生器の風下側にある主翼体上面領域にわたってその渦発生器により渦２０が発生する位置に、その渦発生器１２が収容位置から移動されてもよい。渦発生器１２は、渦発生器１２に後続するあるいはその渦発生器の風下側にある領域内の流れにエネルギーを与えることによって、不安定な遷音速先端衝撃などの航空機のバフェットを生成する影響を軽減するために配置されてもよい。

前縁高揚力装置１６は、増加した航空機迎角、例えば約８度の航空機迎角などで、設置されるように構成された前縁フラップを含んでもよい。前縁フラップ１６は、主前縁フラップ体２１によって担持され、主前縁フラップ体２１からおよび主前縁フラップ体２１に沿って尾部を延ばす前縁フラップシール２２を含んでもよい。フラップシール２２は、前縁フラップ１６の外側モールド線と主翼体１８の外側モールド線との間の滑らかな移行を提供するように形成されて配置され、主前縁フラップ体２１と主翼体１８との間の隙間を覆ってもよい。前縁フラップ１６は、主翼体１８上に支持されてもよく、前縁フラップ１６が図３に示されるように収容される場合、フラップシール２２が主翼体１８の上面または上部翼面外郭１９に沿って平らに存在するように形成されてもよい。前縁フラップ１６はまた、フラップシール２２が、低アルファ値に対応する前縁フラップ設置の範囲の少なくとも一部にわたって主翼体１８上に平らに存在し続けるように形成され支持されてもよい。

渦発生器１２がフラップシール後縁２３と共に上部翼面外郭１９に沿って平らに存在するように前縁フラップ１６が収容される場合、および／または、フラップシール後縁２３が、まだ角度を付けられていないか、あるいは上部翼面外郭１９から離れるようにして曲げられないように、限られた範囲内だけに設置される場合、渦発生器１２は、前縁フラップシール２２の後縁２３の少なくとも一部に、およびその少なくとも一部に沿って組み込まれてもよい。図４に示されるように、フラップシール２２の後縁２３が、主翼体１８の上部翼面外郭１９から離れるようにして、渦発生器１２と共に、曲がる程度まで前縁フラップ１６を更に動作させて設置することによって、渦発生器１２が配置されてもよい。換言すると、前縁フラップ１６が高アルファ値、例えば、８〜１０度より大きいアルファ値と関連した範囲に設置される場合、前縁フラップ１６の設置動作は、翼を越える気流に拡張するために翼のモールド線または上面外郭１９から離れるようにして、フラップシール後縁２３、したがって、渦発生器１２を回転させるか、あるいは回転ではなくてように、前縁フラップ１６が構成されてもよい。

フラップシール後縁２３が主翼体１８の上部翼面外郭１９から離れるようにして曲がる範囲に機器１６が設置される場合に渦発生をもたらすために、図２に最も良く示されるように、渦発生器１２は、前縁高揚力装置１６の後縁２３、例えばフラップシール後縁２３に、およびその後縁に沿って設けられた（例えば、形成され、切断され、または任意の他の適切な手段によって設けられた）パターンを含んでもよい。前縁高揚力装置１６の後縁２３に設けられたパターンは、例えば、鋸歯にほぼ近い形状および構成を有する鋸歯部２４を含んでもよい。しかしながら、他の実施形態では、フラップシール後縁２３に設けられたパターンは、渦発生をもたらす任意の他の適切な形態を備えてもよい。鋸歯部２４は、不安定な遷音速先端衝撃の影響に重大な軽減効果を有し得る領域に渦発生を限定するために、前縁高揚力装置１６のスパン方向の外側の約３分の１に、およびその約３分の１に沿って形成されてもよい。

実際には、図５に示されるように、航空機の翼の構成が高アルファのバフェットに影響されやすいと認められる場合、実行ステップ２６に示されるように、バフェットを誘発する衝撃波が高アルファ下で形成されている領域または航空機の上部翼面に沿う領域をまず判断することによって、その条件は軽減されてもよい。次いで、航空機は、航空機の前縁高揚力装置１６を設置したときに、バフェットを誘発する衝撃波を安定化することになるそれぞれの位置に渦発生器が設置されるように構成された渦発生器１２を備えてもよい。前縁高揚力装置１６が前縁フラップである場合、実行ステップ２８に示されるように、バフェットを誘発する衝撃波形成の既知の領域の風上に配置される前縁フラップ１６のフラップシールの後縁の少なくとも一部に、およびその少なくとも一部に沿って鋸歯部２４を形成することによって、渦発生器１２が設けられてもよい。例えば、バフェットが遷音速先端衝撃によって引き起こされると認められる場合、鋸歯部２４は、翼のそれぞれの外側の約３分の１に沿って配置されるフラップシール２２の部分に沿って形成されてもよい。

他の実施形態では、鋸歯部２４は、バフェットを生成する衝撃波発生の既知の領域の風上の最適なスパン方向位置で組み込まれることに限定される必要はない。例えば、抗力を最小限にし、低被観測適合性を最大限にし、流れ剥離を遅らすために、および／または流れ不安定性の低下、抗力、流れ剥離遅れと低被観測性の特徴との間の所望の妥協案を達成するために望まれ得るように、フラップシール２２のより大きな部分に沿って、更には全長に沿って、鋸歯部２４が組み込まれてもよい。鋸歯部２４のそれぞれのサイズおよび角度に関する形態はまた、所与の用途のために不安定な先端衝撃の軽減、流れ剥離の遅れ、および低被観測性の特徴の所望の水準を与えるように最適化されてもよい。

実行ステップ３０に示されるように、前縁フラップ１６が設置され、渦発生器の設置が無い場合にバフェットに遭遇すると予測される高アルファ条件まで飛行中の航空機を操縦することによって、渦発生器１２が配置されてもよい。前縁フラップ１６の設置は、例えば、渦発生器の鋸歯部２４の後続の上部翼面のそれぞれの領域にわたって渦２０を発生するために、フラップシール２２の鋸歯状の後縁をそれぞれの位置に移動することによって、渦発生器の設置を開始するか駆動することになる。渦発生器１２は、迎角での不安定な遷音速先端衝撃などのバフェットを誘発する現象が予測される機器の設置範囲の一部だけの間、この方式で設置されてもよい。

固定された渦発生器とは異なり、上記したような前縁フラップに組み込まれ、その前縁フラップを用いて配置可能である渦発生器は、収容される場合、例えば巡航飛行の間には、抗力を増大せず、低被観測性機体の統合要件と適合するように構成されてもよい。このようにして渦発生器を統合することはまた、わずかな重量を追加するか重量を追加しないという結果になるべきであり、前縁および後縁フラップスケジューリングだけなどの解決策よりも優れた翼バフェットおよび非対称的な翼失速の減衰をもたらすべきである。

この記載は、発明の限定を記載しているのではなく、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態を例示するだけである。したがって、この記載の言い回しは、専ら記述的なものであり、限定するものではない。明らかに、この発明は、記載が教示するものから修正することが可能である。特許請求の範囲内で、上記したもの以外で発明を実施してもよい。

Claims (18)

1. 航空機翼上に担持されるように構成された渦発生器であって、翼の前縁高揚力装置の設置に対応して、前記渦発生器の後続の主翼体の上面領域の少なくとも一部にわたって前記渦発生器が渦を生成することになる位置に設置されるように更に構成された、渦発生器を備える、渦発生装置。
2. 前記前縁高揚力装置は、フラップシール部分を有する前縁フラップを含み、
   前記渦発生器は、前記前縁フラップの前記フラップシール部分の後縁に組み込まれ、
   前記前縁フラップは、前記前縁フラップが収容される場合には前記主翼体の上部翼面外郭に沿って平らに存在し、前記前縁フラップが設置される場合には前記主翼体の前記上部翼面外郭から離れるように突き出す、請求項１に記載の渦発生装置。
3. 前記渦発生器は、前記フラップシール部分の前記フラップシール後縁の少なくとも一部に、および当該少なくとも一部に沿って設けられたパターンを含む、請求項２に記載の渦発生装置。
4. 前記パターンは鋸歯部を含む、請求項３に記載の渦発生装置。
5. 前記渦発生器は、前縁フラップ設置の範囲の少なくとも一部にわたって前記上部翼面外郭から上方に突き出し、前記渦発生器は、少なくとも前記前縁フラップが収容される場合には前記上部翼面外郭に沿って平らに存在する、請求項３に記載の渦発生装置。
6. 前記前縁フラップが収容される場合、および前記フラップシール後縁が前記上部翼面外郭から離れるように曲げられないように限定された範囲のみに前記前縁フラップが配置される場合には、前記渦発生器が前記上部翼面外郭に沿って平らに存在し、
   翼を越える気流に拡張するために、前記フラップシール後縁を前記上部翼面外郭から離れるように十分に曲げるように、前記前縁フラップが設置される場合には、前記渦発生器が前記上部翼面外郭から離れるように曲げられるように、
   前記前縁フラップは構成される、請求項５に記載の渦発生装置。
7. 前記パターンは、前記前縁フラップのスパン方向の外側の約３分の１に、および当該前縁フラップのスパン方向の外側の約３分の１に沿って形成される、請求項３に記載の渦発生装置。
8. 渦が渦発生器の後続の主翼体の上面領域にわたって発生する位置に、前記渦発生器を設置することを含み、
   渦発生器を設置することは、前記渦発生器を設置するように構成された翼の前縁高揚力装置を配設置することによって開始される、渦発生方法。
9. 前記渦発生器および後縁が、前記前縁フラップが収容される場合には前記主翼体の前記上部翼面外郭に沿って平らに存在し、前記前縁フラップが設置される場合には前記主翼体の前記上部翼面外郭から離れて突き出すように、前記渦発生器を設置するステップの前において前記渦発生器を前記前縁フラップのフラップシール部分の後縁に形成することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記渦発生器を形成するステップは、前記前縁フラップの前記フラップシール部分の前記後縁の少なくとも一部に、および当該少なくとも一部に沿って、鋸歯部を形成することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記鋸歯部を形成するステップは、先端衝撃を軽減するために、前記鋸歯部のスパン方向の間隔および位置のうちの少なくとも１つを最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記鋸歯部の前記位置を前記最適化するステップは、不安定な剥離流れの既知の領域のスパン方向の位置と一致させるために、前記鋸歯部の前記スパン方向の位置を最適化することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記鋸歯部を形成するステップは、抗力を減らすために、前記鋸歯部のスパン方向の間隔および位置のうちの少なくとも１つを最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記鋸歯部を形成するステップは、低被観測性の特徴を向上するために、前記鋸歯部のスパン方向の間隔および位置のうちの少なくとも１つを最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記鋸歯部を形成するステップは、抗力、不安定な先端衝撃の軽減と、低被観測性の特徴との間の所望の妥協案を達成するために、前記鋸歯部のスパン方向の間隔および位置のうちの少なくとも１つを最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記鋸歯部を形成するステップは、前記前縁フラップのスパン方向の外側の約３分の１に、および当該前縁フラップのスパン方向の外側の約３分の１に沿って、前記鋸歯部を形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記鋸歯部を形成するステップは、所与の用途のために、不安定な流れの軽減および低被観測性の特徴の所望の水準を提供するように、前記鋸歯部のそれぞれの角度に関する形態を最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
18. 前記鋸歯部を形成するステップは、所与の用途のために、不安定な流れの軽減および低被観測性の特徴の所望の水準を提供するように、フラップシール後縁鋸歯部サイズを最適化することを含む、請求項１０に記載の方法。
    

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