JP2013527364A - 周辺制御イジェクタ - Google Patents

Abstract

ダクト付きファンの推力を増大するためのシステムであり、このシステムは内側カウル部材（１０７）と外側カウル部材（１０１）を有する周辺イジェクタを備える。内側および外側カウル部材の後縁の間に取付けられたアクチュエータ（１１１）の付加とともに、システムはダクト付きファンの制御モーメントを発生させるために用いられる。周辺イジェクタは分離したイジェクタ制御セクションを形成するために分割される。

Description

本発明は概略的にダクト付きファンに関し、特にダクト付きファンにおいて制御モーメントを発生させる方法および装置に関する。

ダクト付きファンは効率、騒音および安全性の点から、ダクトなしファンおよびプロペラよりも多くの利点を有する成熟した推進技術である。このようにダクト付きファンは種々の有人および無人飛行機、エアボートおよびホバークラフトに用いられてきた。

直径に対して大きな弦長を有する低アスペクト比のダクトは、ダクトの大きな弦長が水平飛行に対して翼領域を付加するので、動力垂直飛行から水平飛行および後退へ移行するように設計された飛行機にしばしば用いられる。さらに、低アスペクト比のダクトはまた、プロペラから出てくる旋回流を減少させる、二重反転プロペラあるいは静翼にも適応し、空気流がダクトを出る前に空気流を整流する。出ていく空気流を整流することは推力と効率の両方を高める。ファンの吹き下ろしの中に静翼を配置することに関係する抗力があるが、この効果は静翼の形状により部分的に異なる。

対照的に、高アスペクト比のダクト、すなわち直径に対して非常に短い弦長のダクトからの空気流は、対抗することが容易ではない旋回流を典型的に示す。これは、短い弦長は効果的な静翼あるいは二重反転プロペラをダクト内に設けることを困難にするからである。このようなダクト付きファンからの旋回流は多くの問題、特に地面効果に関する問題を示す。これらの問題は、ファンが従来の制御面を用いるならさらに悪化する。しかし、高アスペクト比のダクトの利点は、高前進スピードでのモーメント抗力が減少する一方、ファンあるいはプロペラの静的推力が増加することである。

イジェクタ技術は、ジェット気流の推力が取り込みを介して運動量の流れを増加させることにより増加するという成熟した空気力学的概念である。しかし増加する推力は、典型的には、重量と、抗力と、取付けによって生じた容積的な不利という犠牲によって得られる。さらに、イジェクタは十分な増大を達成するために、一般的に長いディフューザと混合領域を必要とし、これは実際の航空機へ一体化することを困難にする。

イジェクタ技術における最初の研究は利用できる増大を理解し、増加することに集中した。直接増大につながる取り込みのメカニズムは渦すなわち回転流の導入によって改善され得ることが見出された。最近、研究者達は、乱流の混合の効果における脈動流つまり“ポンピング”の強い効果を発見し、これはイジェクタ効果の重要なメカニズムの１つとして知られている。最初の研究は、増大が約１１０−１３５Ｈｚのポンピング周波数によって最適化されることを示したが、後の研究は、より大きな効果がイジェクタキャビティの特徴に適したパルス周波数を選択的にチューニングすることにより達成されることを示した。ポンピングに関連した問題は、多くのイジェクタのアプリケーションが主要な流れとしてジェット流を使用することであり、これはポンピングさせることを困難にする。

動力リフト飛行機において、主要な推力ベクトルは一般的に地面に向かって垂直方向を指す。これは、ダクト付きファンが主要リフトに用いられるとき、リフト面が水平面に対して本質的に平行であることを意味する。一般的な制御の原理は航空機の方向を制御するためにダクト付きファンの推力ベクトルを修正することである。したがって、高度を変えることはエンジンスロットルの変化あるいはファンブレードピッチの集合的な変化の単純な事項である。しかし、自由度を維持しながら制御力を発揮することはさらに難しい。

水平面に対して前方、後方あるいは横方向に、すなわちダクト付きファンのリフト面内に移動することは、典型的にダクトを傾け、推力を回転させてファンを望ましい方向に「押す」ことである。この技術の重要性は横方向の力が傾きにより生じることであり、傾きは、軸が横方向に対して垂直なダクトの面内にある回転モーメントを発生することにより達成される。したがって、制御力を発生することは、実際には回転モーメントを発生させる問題である。

関節型ロータの複雑さにより、多くのダクト付きファン航空機は、全ての３軸における制御モーメントを提供するために、固定ピッチプロペラと、吹き下ろしまたはダクトの入口側のいずれかに取付けられた空気力学的制御面とを用いる。このアプローチの結果として、時々、調整された回転をもたらすために、制御面は一度に例えばヨーとロールの複数の制御モーメントを発生させることを要求される。これは延いては、制御面の飽和を導き、これは、飛行中における制御性の減少あるいは損失を避けるために、設計および航空機の操縦のときに考慮されなければならない問題である。

吹き下ろしに設けられた制御面が効果的であるためには、好ましくは制御面は、ダクト出口面の後ろでロータ直径の１．５から２．０倍のところに配置される。したがって、航空機の高さは著しく大きくなるかもしれない。このような高さの増加は、小さな直径ファンには受け入れられるかもしれないが、大きな直径のファンには非現実的である。

地面効果は、ダクト付きファンの航空機において空気力学的制御面の使用に関する他の問題を有する。より明確には、吹き下ろしの地面との相互作用は、正常な飛行中に出会うのとは異なる角度で制御面に衝突して、これらのモーメントを減らす、あるいは逆にすることにより制御面を潜在的に無能にする。この効果を減らすために、多くのダクト付きファンの航空機は車輪から高い位置にあり、制御面を乱れのない空気中に保持し、地面効果を最小にする。これに代えて、航空機は地面近くに現れるかもしれない不利な飛行特性を制限する特別に設計されたランチ・プラットホームを用いてもよい。

空気力学的制御面に関連する他の繊細さは、高アスペクト比のダクトとともに用いられたときに起きる。この場合、制御面が置かれる吹き下ろしの固有の旋回流は、小さな変化が制御面の部分を失速させるので、迎え角の効果的な範囲を制限する。

これらの効果に対抗するためにうまく用いられてきた１つのアプローチは、流れがリフト面に対してほぼ垂直である入口側にあるダクト付きファンの上に制御面を配置することである。この技術は、入口部の流れは旋回流がないので、高および低アスペクト比のダクトに同じように効果的である。入口側における制御面の取付けに対して下側部分は、ダクト上の緩い流れのため、望ましいレベルの制御をもたらすために大きな制御面が要求される。この効果はある程度、流入速度が流出速度により近く合っているダクト内へ制御面を下げることにより管理できる。

ダクト入口に制御面を配置することに関するより大きな問題は、制御面と航空機の重心（ＣＧ）の間の調整であり、このような調整は制御の相互作用の導入を避けるために必要である。制御の相互作用は、望ましい出力（例えば右ロール）が、パイロットあるいは制御システムにより補償されなければならない意図しない反応（例えばピッチ）を伴うときに生じる。制御面とＣＧの間の調整は、飛行中および運行中に例えば燃料の使用あるいは荷重の付加または除去によってＣＧが変化するという事実により複雑である。ＣＧは初期位置から離れるように動くので、リフト面に対するモーメントアームはそれに応じて長さを変化させ、ピッチあるいはロールにおける連成モーメントを変化させる。さらに悪いことに、ＣＧが初期位置からリフト面の上あるいは下に動くならば、モーメントの方向は反転する。これらの問題により、ダクト入口部における制御面は、ヨー制御が航空機のＣＧによって影響をより受けないので、ヨー制御に主として用いられ、関連する空気力学的力はダクトにわたって径方向にバランスする。

種々の異なったアプローチがこれらの制御の問題を解決するために研究されたが、今日まで限られた成果しか得られていない。したがって必要とされるのは、ダクト付きファンに使用されるための改良された制御システムである。本発明はこのようなシステムを提供する。

ダクト付きファンのための空気流増大システムが提供され、そのシステムは、ファンダクトの内側と外側面に近接して設けられた内側および外側カウル部材を有する。内側カウルはプロペラの吹き下ろしの中に取付けられ、内側および外側カウル部材の後縁はダクトの後縁の下方に延びる。内側カウル部材の前縁は、内側カウル部材の前縁において測定されるプロペラの弦長の１／１０以下の間隔だけプロペラ面から離間してもよい。内側カウルの内面はダクトの後縁の内面に実質的に平行でもよい。内側カウルの内面はダクトの中心内面と１８°以下の角度を形成してもよく、より好ましくは１５°から１８°の間である。内側カウル部材の内面はプロペラの半径の少なくとも１０％の距離だけ隣接するダクトの内面から離間してもよく、より好ましくはプロペラの半径の５％から１５％の間の距離だけ離間する。内側カウルの内面は、プロペラにより発生した気流の少なくとも２０％を取り込むのに十分な距離だけ隣接するダクトの内面から離間してもよい。外側カウル部材の前縁は隣接するダクトの面に実質的に平行であってもよく、また外側カウル部材の後縁は内側カウル部材の後縁に実質的に平行であってもよい。

気流増大システムの他の特徴において、内側カウル部材は複数の内側カウル支柱を用いてダクトに取付けられてもよく、また外側カウル部材は複数の外側カウル支柱を用いてダクトに取付けられてもよい。隣接する内側カウルおよび外側カウル支柱は単一の支柱から形成されてもよい。

気流増大システムの他の特徴において、内側カウル部材は剥離した空気流を再付着するように作用する多重の複数の穴を有してもよい。多重の複数の穴のうちの各複数の穴は内側カウル部材とカウル部材支柱の交差するところ近接して配置されてもよい。

気流増大システムの他の特徴において、このシステムは複数のアクチュエータを備え、複数のアクチュエータのそれぞれは内側および外側カウル部材の後縁の間に取付けられる。各アクチュエータは第１の開位置と第２の開位置の間に配置される。第１の位置において各アクチュエータは、ダクトと内側カウルの間を通過する空気流に対して、最小形状および抗力を示す。第２の位置においてアクチュエータは、内側カウルと外側カウルおよびダクト間のダクト外側板との間に空気流が入るように方向を変えさせる。アクチュエータは曲線形状を有してもよく、その曲線形状に対応する円筒軸はアクチュエータが開位置にあるときに下向きベクトルに平行であってもよい。アクチュエータは制御システムに連結されてもよく、制御システムは、ユーザが各アクチュエータを個々に、あるいはグループ毎に位置を選択することを許容する。好ましくは、アクチュエータのグループはイジェクタ制御セクションによってグループ分けされ、各イジェクタ制御セクションは内側カウルの一部と、外側カウル部材の一部と、いずれかのセクションの端部におけるカウル支柱とを備える。制御システムは各アクチュエータの位置を制御するために、制御ケーブルあるいは電気機械的サーボを使用してもよい。

本発明の本質および利点のさらなる理解は明細書の残りの部分と図面を参照することにより明白となるであろう。

本発明の実施形態によるファンダクトの斜視図である。

図１に示されるファンダクトの側面図である。

カウル支柱を示さない制御セクションの断面図である。

カウル支柱を含む、図３に示された制御セクションと同じ断面図である。

イジェクタの上面図である。

図１に示された実施形態の一部の斜視図であり、剥離した空気流を再付着するために用いられる内側カウル内の穴を示す。

開位置にあるアクチュエータを加えた、図３に示される制御セクションの断面図である。

閉位置にあるアクチュエータを加えた、図３に示される制御セクションの断面図である。

全てが開位置にある４つのアクチュエータを有するイジェクタ制御セクションの斜視図である。

全てが閉位置にある４つのアクチュエータを有するイジェクタ制御セクションの斜視図である。

外側カウルが曲線形状の入口を有する、内側および外側カウルの断面図である。

典型的なタンデム型ダクト航空機のイジェクタ配置を示す。

下記の本文において、「重心」および「ＣＧ」の語句は、ここにおいて交換可能に使用されるかもしれない。同様に、「プロペラ」および「ファン」の語句は交換可能に使用されるかもしれない。なお、複数の図面における同一の要素の符号は、等しい作用の同じ要素を示す。さらに、添付図面は説明することのみを意図し、発明の範囲を限定せず、大きさを示すことに考慮されるべきではない。

ここに記載されたダクト付きファン制御方法は、プロペラの面におけるプロペラ吹き下ろしの先端部分を取り込み、推力および制御のためにこの流れを増大させることによって作用する。取り込まれた流れは、指令に従って、ダクトの周囲に再び向けられ、推力の変更とともに、ピッチおよびロールモーメントをもたらす。そのような作用において、ダクト付きファンの利点を保持しつつ、システムは関節型ロータの性能に近づく。これらの利点を達成するための手段は、混合部分におけるアクチュエータを有するダクトの後縁に固定された周縁イジェクタを介する。本発明の周縁イジェクタは、従来技術の構成を越えたいくつかの利点を有する。第１に、イジェクタの付加された増大により、単に流れを逆にすることにより実現されることを越えて制御力を増加させる。第２に、空気が偏向することなしに、つまり制御の入力がない状態で、ダクトを通過することが許容されるとき、イジェクタはダクトの外側の外気を真っ直ぐにして流場に導き、これにより推力を増加させ、システムの重量と抗力を補う。第３に、力が最大モーメントを発生するとき、力が回転軸から遠いところに作用するほど、イジェクタの周縁部分は、プロペラの流れにより生じる力から最大モーメントを発生する。第４に、流れを偏向するために必要な機構が重量および慣性において小さく、回転するプロペラではなく静止した要素に固定されているとき、それらは電気機械的な動作には理想的な候補である。

図１、２は、本発明の好ましい実施形態の斜視図および側面図を示す。なお、これらの図面およびここに示される他の図面において、プロペラはダクト内には示されておらず、当該図面を単純化している。

本発明によれば、ダクト付きファンシステム１００は、例えば多数の取付け支柱１０５を用いて、ダクト１０３の外周縁部の後縁に固定された外側カウル１０１を含む。同様に、内側カウル１０７が多数の取付け支柱１０９を用いてダクト１０３の内周縁部の後縁に固定される。後に詳述され、図示されるように、単一の支柱が用いられてもよく、これは外側カウル１０１と内側カウル１０７をダクト１０３に取付けるための手段となり、これにより個々の支柱１０５、１０９を置き換える。制御システムとしてイジェクタの使用に重要であるアクチュエータ１１１は、図２には示されていないが図１には部分的に示されている。

図示されるように、外側カウル１０１と内側カウル１０７は複数の独立した制御セクションに分割され、個々の制御セクションはカウリング取付け支柱、すなわち支柱１０５、１０９によって区画される。したがって、取付け支柱１０５、１０９は図示されたように整列されることが好ましく、より好ましくは、単一のシート材料から成る。いくらか、制御セクションの数は、制御システムによって及ぼされるかもしれない高精度な制御のレベルを決定する。システムの複雑さと制御の感度との兼ね合いを考慮し、また最も多い応用によって要求される制御レベルを考慮し、発明者は少なくとも１つの好ましい実施形態において、ファンの周辺は１８個の２０度の制御セクションに分割されるべきであることを見出した。

図３および図４は制御セクションの断面図を示す。図３は特定の制御セクションに関連したカウリング制御面を示すのみであり、図４はまたカウリング支柱４０１を含む。参考までに、これらの図面はプロペラの先端３０１を含む。上述したように、内側カウル１０７は、プロペラの下降気流内にあり、図４において取付け支柱４０１を介してダクトに取付けられた周辺要素である。内側カウル１０７の前縁３０３と支柱４０１の前縁４０３は、プロペラ３０１の面３０５の近くまで延び、プロペラ面３０５と前縁３０３、４０３の間に小さな隙間３０７のみを残す。間隔３０７は、回転するプロペラ３０１と内側カウル１０７／支柱４０１の間の干渉を避けるのに十分である。好ましくは、空間３０７はイジェクタの入り口部において測定されるプロペラの翼弦長の1/10程度である。本発明の好ましい実施形態において、間隔３０７は約0.25インチである。

内側カウル１０７は永久にプロペラの吹き下ろしの中にあるので、ダクト付きファンに作用する抗力を最小にするように設計されることが重要である。図３に示されるように、内側カウル１０７の面３０９は面３１３とともに広がり角３１１を形成し、これはダクト１０３の中心壁部３１５に対応する。好ましくは角３１１は、剥離を生じる抗力を防止するために、約15°であり、概略的に18°より大きくはない。なお、本発明の図示実施形態において、好ましくは、内側カウル１０７の表面はダクトの後縁３１７にほぼ平行である。前縁３０３、４０３は上述したようにプロペラ面に近接しなければならないが、カウル１０７の全高は、寄生する抗力を最小にするためにできるだけ小さく保たれなければならない。内側カウル１０７の後縁３１９はダクト１０３の後縁３１７の下に延びて、混合領域３２１を形成する。

好ましくは、内側カウル１０７はプロペラ３０１によって生じる空気流の10％から20％を、より好ましくは約プロペラ３０１によって生じる空気流の約20％を取り込むように構成される。したがってプロペラから出てダクトを通過する均一な空気流を仮定すると、内側カウル１０７の入り口と内側ダクト表面３１５との間の離間距離はプロペラ半径の5％と10％の間であり、より好ましくはプロペラ半径の10％程度である。

外側カウル１０１はダクト１０３の外側に位置する周辺要素である。好ましくは、図４に示されるように、同じ取付け支柱４０１が内側カウル１０７と外側カウル１０１とともに用いられる。外側カウル１０１はプロペラ３０１の面３０５まで延びる必要はないので、図示されるように内側カウル１０７よりも短くてもよい。外側カウル１０１は断面形状において、窄まって拡がっている。カウル１０１の前縁３２３はダクト１０３の近接する外表面にほぼ平行であり、カウル１０１の後縁３２５は内側カウル１０７の後縁３１９にほぼ平行である。外側カウル１０１は２つの目的を果たす。第１に、後に詳述するように、外側カウルはアクチュエータによって偏向された空気流をさらに偏向する。第２に、外側カウルは、この装置を通る流れがアクチュエータによって偏向されないときに外気を引き込むように形成されているので、イジェクタの外側壁部を形成する。

カウリング支柱４０１あるいは個々のカウリング支柱１０５、１０９はダクトの後縁に沿って径方向に配置され、イジェクタすなわち内側カウル１０７および外側カウル１０１の構造的支持部材として作用する。支柱はイジェクタに入り込む空気流を真っ直ぐにするとともに、各イジェクタキャビティのための端部板となり、これにより近接するイジェクタキャビティから各イジェクタキャビティを本質的に遮断する。

同時に、内側カウル１０７と外側カウル１０１は、ダクト１０３の後縁３１７の全周囲の周りにおける断面において先窄まりの円錐を形成し、先窄まり円錐の頂部は図示されるようにダクト１０３のどちらかの側に開口する。各カウル部材のダクトからの距離は好ましくは一定であり、空気流の経路は遮られず、背圧を生じない。内側および外側カウルは、取付け支柱に結合されたときに各イジェクタキャビティの出口領域が矩形に成形され、この出口領域がキャビティの窄まる首部において生じるように成形される。本発明のこの特徴は図５に示され、この図はイジェクタの平面図である。なお、この図はダクト、プロペラあるいはアクチュエータを含んでいない。図示されるように、本発明の好ましい実施形態において、外側カウル１０１の前縁５０１と内側カウル１０７の前縁５０３は、曲線を成し、それぞれダクトの外側および内側表面に実質的に平衡である。これに対し、外側カウル１０１の後縁５０５と内側カウル１０７の後縁５０７は、直線的であり、取付け支柱４０１とともに矩形のイジェクタ首部を形成する。なお、後縁５０５、５０７はわかりやすくするために図５では破線で示され、カウルの前縁と容易に識別できるようになっている。矩形の首部への変化は、アクチュエータの設計を単純にし、引き込まれた外気の混合を高め、これによりイジェクタの推力を増加させる。イジェクタの首部の矩形の断面の重要性は、アクチュエータが駆動され、あるいは配置されたとき明確になる。これは、この位置においてアクチュエータの端部は正方形の壁に接するように向けられて、流れの向きを変えるクローズアウトを形成するからである。

カウルによって形成され、窄まって拡がる断面は、剥離を避けつつ、内側カウル１０７の取り込み角を増大させる。カウルの窄まるセクションがその中の流速を増加させるので、このセクション内には対応した圧力降下がある。少なくとも１つの好ましい実施形態において、内側カウル１０７は図６に示されるように内側セクションにおいて複数の小穴６０１を含む。好ましくは、穴６０１は直径が約0.040インチで、約0.3インチだけ離れ、取り込み角が大きく、したがって流れの剥離の発生しやすい領域である角部に位置する。圧力差によって、穴６０１は内部のダクト流の吸引を生じ、これにより剥離した流れを再び付着するように作用し、剥離が通常許容するよりも大きい角度を許容する。この方法は、アクチュエータが小さいサイズを保持することを許容しつつ、イジェクタの取り込み領域を増加させる。

図７−１０はアクチュエータの好ましい実施形態を示す。図７および８は、図３に既に示された断面図に基づいており、アクチュエータ７０１を加えている。図９および１０は、４つのアクチュエータを有するイジェクタ制御セクションの斜視図を示す。図７および９は「開」位置にあるアクチュエータを示し、これは空気が自由にアクチュエータの間を流れるのを許容する。図８および１０は「閉」位置にあるアクチュエータを示し、空気の向きが変えられている。なお、アクチュエータをわかりやすくするために、ダクト１０３は図９および１０には示されていない。

好ましいアクチュエータの実施形態は混合領域に配置された３つあるいは４つの曲面７０１から成る。図７および９に示されるように、アクチュエータが未配置位置とも呼ばれる開位置にあるとき、各アクチュエータの円筒軸は主要な気流の流れの下向きベクトルに平行である。この位置において、各アクチュエータは最小断面を有し、したがって最小抗力を示す。各アクチュエータの曲面形状は主要な気流を外側へ向け、周りの流れとの混合を高める渦を発生させ、より大きな推力の増大を生じる。この効果はまた、各アクチュエータの内部をファンの流れに露出することにより、ファンの流れをまっすぐにするとともに、外側へ向ける。

閉じているとき、これは配置されるとも呼ばれるが、図８および１０に示されるように各アクチュエータは約９０°回転される。この位置の変化の結果、各アクチュエータの長軸の端部はカウリングの開口の矩形側に対して本質的によりかかることとなり、窄まる部分の気流を妨げるとともに外側カウリングへ向ける(図８参照)。各アクチュエータによる流路の変化が領域内と、内側カウル１０７およびダクト１０３の間に形成された収束流の風下において一定であるとき、プロペラは背圧、あるいはアクチュエータの作用による逆フィードバックを受けない。

各アクチュエータのサイズが小さいことにより、アクチュエータは１つの位置（例えば開）から他の位置（例えば閉）へ迅速に切り替わることができる。制御ケーブルの使用を仮定すると、非常に小さな制御ケーブルの移動がアクチュエータの移動を効果的にするために要求されるとき、アクチュエータの位置を変えるために要求される制限された動作は制御システムの設計を単純化する。好ましくは、制御システムはアクチュエータ開位置にも閉位置にも偏らないように、アクチュエータに作用する空気力学的負荷を相殺するように設計され、これにより制御システムの負荷を最小にしている。このような構成の結果は、サーボ制御および伝統的な制御ケーブルの両方に受け入れられるシステムである。

図７−１０に示される曲線形状のアクチュエータが好ましいが、本発明は特定のアクチュエータ形状に限定されないことが理解される。例えば、アクチュエータは上下が逆になるヒンジとして形成してもよい。配置されたとき、このようなアクチュエータは分離して開放し、円錐の底部の開口を閉塞して、ダクトの外側において、外側カウリングの頂部に流れを向ける。収容あるいは開放位置において、アクチュエータはカウリングにより形成される円錐ほぼ中心においてダクトの後縁に接して配置される。収容位置において、アクチュエータは流れに対して小さな流線形状を与え、抗力を最小にする。このようなアクチュエータの配置は、使用されないときは主要な流れに干渉しないことを保証し、そしてアクチュエータは流れに対して平行になるように角度をつけられ、これは広がり角と本質的に同じである。

動作中、各プロペラブレードは、内側カウル１０７、ダクト１０３および支柱４０１によって形成されたイジェクタの入口を通過する。主要な空気流は内側カウル１０７によって、そしてイジェクタの収束部３２１を介して外側へ導かれる。ダクトの後縁において、外側カウル１０１とダクト１０３の外面により形成されたキャビティは、収束部３２１において主要な流れに連続する。これにより、主要な流れへの二次的な外側の流れの引き込みを生じ、これは推力の増大をもたらす（例えば図３および７参照）。

取り込みおよび推力増大のためのメカニズムは、主要な流れの混合を外側の流れによって切断することによる。増大は、混合を高めることによって、例えば混合領域内に存在するアクチュエータを最適化することによって増加する。さらに、増大は主要な流れのポンピング周波数を調整することによって増加する。

本来のジェット気流と反対に、本発明の各周辺イジェクタを通過する主要な流れは、空気流がプロペラあるいはファンのブレードによって駆動されるので、一定の速度ではない。プロペラ/ファンを用いる結果、各イジェクタの制御セクションを通る空気流は、プロペラ/ファンのブレードが通過し、その特定のイジェクタの制御セクションを通る流れをポンプするときに生じる。したがってポンピングの周波数は、プロペラのＲＰＭとプロペラ/ファンのブレードの数の関数である。イジェクタ形状、プロペラブレードのピッチ、ブレードの数および動作ＲＰＭの適切な選択により、本発明はポンピングの周波数を最適化することができる。一例として、好ましい実施形態では、５枚ブレードのプロペラの選択において、各イジェクタ制御セクションにおけるポンピング周波数が１７２Ｈｚであるように、ブレードのピッチは２，０００ｒｐｍのプロペラスピードにおいて要求された推力をもたらすように調整される。

本発明にしたがって、制御は、個々のイジェクタの制御セクションの中あるいは複数のイジェクタの制御セクションの中においてアクチュエータを起動することにより、例えば連続的な制御セクションを起動することによって、達成される。開位置から閉位置への制御セクション内における一組のアクチュエータの位置を切換えることにより、取り込まれた推力はその位置において向きを変えられ、それにより推力の増大を相殺する。これは、延いては、ダクト付きファンをその制御セクションに向って傾斜させることとなる。いくつかの近接した制御セクション内のアクチュエータが同時に閉じられたとき、傾斜させる力はより大きくなり、傾斜の度合いが大きくなる。

全てのアクチュエータが同期して閉じられるとき、内側カウルにより取り込まれた推力は拡散し、エンジンのスロットルを変えることなくダクト付きファンの推力を変える機構を提供する。推力を制御するこのアプローチは、いくつかの理由により重要である。第１に、パーキングブレーキとして効果的に作用する、飛行を妨げる推力を減少させつつ、エンジンが飛行スピードに急上昇することを許容する。現在の発明の開発に先立って、これは固定ピッチシステムではなく関節型ロータにのみ適していた。第２に、一定スピードでモータを回転させつつダクト付きファンの推力を変化させる能力は、ガスタービンエンジンのようなロートルクを維持し、あるいは一定スピードで最も効率的に動作するエンジンの使用を許容する。かつてこの種のパワープラントは、負荷のある状況では反応があまりにも遅いため、固定ピッチシステムでは選択できなかった。

アクチュエータの配置すなわち起動によって生じる力は、イジェクタの制御セクション内のアクチュエータがほとんど完全に配置されるまで発生しない、イジェクタの制御セクションの十分な有効な力に対して、非直線的である。この結果、単一のアクチュエータによる精密な力の制御は本質的に困難である。これは、活性化された制御セクションが制御に有用でない巨大なほぼ瞬間的な力を発生するので、イジェクタの制御セクションの間隔が大きく、例えば９０°の大きさであると、問題である。この問題を解決するため、本発明は、アプリケーションの制御の力と速度を調整するために、複数の小さなイジェクタ制御セクションを使用する。例えば、好ましい実施形態において、上述のように、１８の２０°イジェクタ制御セクションが用いられる。

特定のイジェクタ制御セクションに発生するモーメントは回転軸からイジェクタ制御セクションの距離の関数であり、したがって、発生する力が同じであったとしても各部分の位置に応じて変化する。表１は、４．８ポンドの力の６０インチのダクト付きファンを使用する単一ダクトプラットホームにおける、本発明の特徴を示す。

本発明により示される制御は、制御が力よりもむしろモーメントを発生させる機能であるので、動力リフト車両にとって有利である。したがって特定のイジェクタの制御セクションを選択的に駆動することによって、精密なクラフト制御が達成されうる。

アクチュエータの動作の非直線性は、低コストで信頼性のあるソレノイド・アクチュエータの使用を許容するので、他の方法にも有利である。これらの装置は直線的なアクチュエータと同様に操作するが、圧縮と完全な拡張の二つの位置だけの単純さを有する。

前述したように、本発明のイジェクタの構成は、ダクト付きファンの推力を増大させる効果的な手段を提供するために、アクチュエータ無しで用いられてもよい。この構成は上述した好ましい実施形態の制御システムを提供しないが、この構成はなお、推力の増大を提供する。

上述した実施形態は、基礎的要素から逸脱することなく修正してもよく、本発明の利点があることが理解される。例えば、イジェクタの正確な形状、アクチュエータの制御のタイプ（例えば、制御ケーブル、電気機械的サーボ等）、アクチュエータ機構、イジェクタの制御セクションの数等は修正されてもよい。図１１は、図３、４、および７―１０に示されるものから修正されたイジェクタの形状における１つの修正を示す。特に、図１１の断面図は湾曲した入口部１１０１の外部カウル１１０３への追加を示す。湾曲した入口部１１０１は、好ましい推力増大に使用されるだけであるイジェクタに、あるいは既に詳述したような制御を提供するためにアクチュエータを有するイジェクタに、加えられてもよい。なお、図１１は簡単のため、アクチュエータあるいはプロペラ/ファンは示さない。

自動車システム
ダクト付きファンの垂直離着陸（ＶＴＯＬ）航空機の新しい構成があり、２つの主要な構成は単一あるいはタンデム型ダクトのＶＴＯＬプラットホームである。したがって、これらの構成のそれぞれに対する本発明のアプリケーションが以下に簡単に説明される。

単一ダクトプラットホーム
単一のダクト付きプラットホームは１９４０年代にヒラーにより普及され、小径の無人航空機（ＵＡＶｓ）用として、今日まで実行可能なプラットホームとして続いている。この構成において、単一ダクト付きファンは航空プラットホームである。制御は典型的には、制御モーメントを引起すために吹き下ろしの中に置かれた制御面を介する。これらの航空機の制御は、このタイプのプラットホームの利点が如何なる方向へも前進できることであるので、ピッチおよびロールによって典型的には定義されない。しかし以下の説明を簡単にするため、この慣習に従う。

本発明の制御イジェクタを統合すると、高度すなわち地面効果とは無関係であるピッチおよびロール制御の積極的手段をもたらす。このような航空機において、好ましくはヨー制御は従来の制御面の役割を維持できる。イジェクタの制御セクションを従来の制御面に組み合わせる利点は２倍である。第１に、この構成において、制御面はヨー制御にのみ用いられ、したがって制御面の飽和は問題ではない。第２に、本発明のイジェクタは少ないスワールで流場を生じるので、制御面の有効性が改善される。さらに、本発明のアクチュエータは、開くときの固定子として作用するように構成されてもよく、したがってプロペラのトルクに対抗し、カウンタ回転プロペラあるいは分離固定子翼の必要性を除去するための手段をもたらす。

本発明のイジェクタの制御セクションを適切な制御システム内へ組み込む多数の方法があることが理解される。例えば、イジェクタの制御セクションの各々の起動はパイロットの制御下にあってもよい。これに代えて、突風による転倒から安定および軽減を与えるために残りの制御セクションがフライトコンピュータにより制御されつつ、他の全てのイジェクタの制御セクションがパイロットの制御下に置かれてもよい。あるいは、全てのイジェクタの制御セクションがフライトコンピュータにより制御されてもよい。

タンデム型ダクト付きプラットホーム
タンデム型ダクト付きプラットホームは通常、動きの前進方向がそれらの中心線を通るベクトル上にあるようにして、ほぼ同一面にある２つのダクトで構成される。あるいは、ダクト付きファンは、移動の前進方向がそれらの間の線に沿うようにして、地面よりかなり高く、重心よりも上に配置されてもよい。前者の構成よりも安定しないが、このアプローチは地面効果と逆の効果を除去することを助ける。本発明はタンデム型構造に用いられてもよいが、ここに記載され図１２に示されている典型的なアプリケーションは前者の構造を利用する。タンデム型ダクト付きプラットホーム１２００は前方ダクト付きファン１２０１、後方ダクト付きファン１２０３、およびフレーム１２０５を有する。タンデム型ダクト付きプラットホームは様々な航空機のフレームを用いてもよく、またフレーム１２０５がこのようなフレームの代表であることが理解される。この図を簡単にするため、プロペラ、制御システム等のような、プラットホーム１２００の多くの特徴が図１２から除去されている。

プラットホーム１２００において、２つのダクト付きファン１２０１／１２０３のイジェクタは、図示されるように時計回り方向に１から１８まで連続的に番号を付けられている。この取り決めを利用して、長手（ロール）軸１２０７は各ダクトの１から１０番イジェクタを通り、長手軸と前方動作ベクトルは１番イジェクタへ向かう動作として定義される。そして横方向（ピッチ）軸１２０９は、図１２に示されるように、ダクト間に等距離に位置し、ダクトの面における長手軸１２０７に対して垂直な線として定義される。

上述された基本形状において、ダクト１２０１のイジェクタ７とダクト１２０３のイジェクタ４を起動すると、長手軸１２０７周りに、これらのイジェクタに向かうロールモーメントを生じ、このモーメントは、２つのイジェクタの制御力に長手軸からのイジェクタの距離を乗じたものに等しい。ローリングを誘発するために航空機の中心に近接したイジェクタを選択的に起動することにより（例えばダクト１２０１のイジェクタ７／８とダクト１２０３のイジェクタ３／４）、長手軸の距離は、ダクト間の推力差がピッチモーメントを発生させないように、最小化される。これは本発明のシステムに固有である、低減された制御の相互作用の例である。

本発明を利用し、図１２に示された設計に基づいた６００ポンドのテスト飛行機において、十分な航空機制御が前方ダクト１２０１におけるイジェクタの制御セクション２，３，４，７，８，１２，１３，１６，１７そして１８と後方ダクト１２０３におけるイジェクタの制御セクション３，４，９，８，１１，１２，１６および１７を用いて達成された。付加的なイジェクタの制御セクションが、付加的な制御の結果をもたらすために、このような構成に用いられてもよいが、イジェクタの制御セクションのこの数は十分であり、自動安定および／または突風緩和制御システムに用いるために他のイジェクタを残しておく。なお、ピッチダウンのために前方ダクト付きファン１２０１に用いられた６つのイジェクタ（すなわち２，３，４，１６，１７そして１８）があるが、ピッチアップのためには後方ダクト付きファン１２０３において４つのイジェクタ（すなわち８，９，１１そして１２）だけである。ピッチダウンとピッチアップのために用いられるイジェクタの制御セクションの数の違いは、前進スピードが増加するときにこのタイプの航空機の復元性に対抗するためであり、後方のイジェクタは停止に対して拡大するためのみに用いられる。上述したイジェクタの制御セクションを用いて、典型的な構造は以下の表２―５に示された制御モーメントを発生させる。なお表２―５において、イジェクタの参照番号の前の文字“Ａ”は後方ダクト付きファン１２０３に対応するイジェクタであることを示す。同様に、イジェクタの参照番号の前の文字“Ｆ”は前方ダクト付きファン１２０１に対応するイジェクタであることを示す。

この技術に精通した人により理解されるように、本発明は、その意図または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態に具体化しされてもよい。したがって、開示および記述は、説明的であることを意図されているが、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定するものではない。

Claims (29)

1. ダクトとプロペラを有するダクト付きファンのための空気流増大システムであって、
   内側カウル部材であって、前記内側カウル部材が複数の内側カウル取付け支柱を介して前記ダクトの後縁の内面に機械的に取付けられ、前記内側カウル部材が前記プロペラの吹き下ろしの中に取付けられ、前記内側カウル部材の後縁が前記ダクトの前記後縁の下方に延びる、内側カウル部材と、
   外側カウル部材であって、前記外側カウル部材が複数の外側カウル取付け支柱を介して前記ダクトの前記後縁の外面に機械的に取付けられ、前記外側カウル部材の後縁が前記ダクトの前記後縁の下方に延びる、外側カウル部材と
   を備える気流増大システム。
2. 前記内側カウル部材の前縁が、前記内側カウル部材の前記前縁において測定されるプロペラの弦長の１／１０以下の間隔だけ前記プロペラに対応する面から離間する請求項１に記載の気流増大システム。
3. 前記内側カウル部材の内面が前記ダクトの前記後縁の内面に実質的に平行である請求項１に記載の気流増大システム。
4. 前記内側カウル部材の内面が前記ダクトの中心内面と、１８°以下の角度を形成する請求項１に記載の気流増大システム。
5. 前記内側カウル部材の内面が前記ダクトの内面と、１５°から１８°の間の角度を形成する請求項１に記載の気流増大システム。
6. 前記内側カウル部材の内面が前記プロペラに対応する半径の少なくとも１０％に等しい間隔だけ隣接する内側ダクト面から離間する請求項１に記載の気流増大システム。
7. 前記内側カウル部材の内面が前記プロペラに対応する半径の５％から１５％の間の間隔だけ隣接する内側ダクト面から離間する請求項１に記載の気流増大システム。
8. 前記内側カウル部材の内面が、前記ダクト内において前記プロペラにより発生した少なくとも２０％の気流を前記内側カウル部材が取り込むことを許容するのに十分な間隔だけ、隣接する内側ダクト面から離間する請求項１に記載の気流増大システム。
9. 前記外側カウル部材の内面の前縁が前記ダクトの隣接する外面に実質的に平行である請求項１に記載の気流増大システム。
10. 前記外側カウル部材の前記後縁が前記内側カウル部材の前記後縁に実質的に平行である請求項１に記載の気流増大システム。
11. 前記内側カウル部材が多重の複数の穴を有し、前記多重の複数の穴が剥離した空気流の再付着に作用する請求項１に記載の気流増大システム。
12. 前記多重の複数の穴のうちの各複数の穴が、前記内側カウル部材と前記内側カウルの取付け支柱の１つとの交点に近接して配置される請求項１１に記載の気流増大システム。
13. 複数のイジェクタキャビティをさらに備え、前記複数のイジェクタキャビティの各キャビティが前記内側カウル部材の一部と前記外側カウル部材の一部とを備え、隣接するイジェクタキャビティが前記複数の内側カウル支柱の１つと前記複数の外側カウル支柱の１つとの組みにより分離される備える請求項１に記載の気流増大システム。
14. 複数のカウル支柱が、前記複数の内側カウル支柱のそれぞれが前記複数の内側カウル支柱の１つと前記複数の外側カウル支柱の１つとを備えるように、前記複数の内側カウル支柱と前記複数の外側カウル支柱を備える請求項１３に記載の気流増大システム。
15. 前記複数のイジェクタキャビティの各イジェクタキャビティに対応する出口部が矩形に成形される請求項１４に記載の気流増大システム。
16. 前記外側カウル部材の前縁が外側に湾曲した入口部を有する請求項１に記載の気流増大システム。
17. 複数のアクチュエータをさらに備え、前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記内側カウル部材の前記後縁と前記外側カウル部材の前記後縁の間に取付けられ、前記複数のアクチュエータのそれぞれが少なくとも２つの位置に配置され、前記少なくとも２つの位置の第１の位置におけるアクチュエータが前記内側カウル部材と前記ダクトとの間を通過する空気流に最小の形状をもたらし、前記少なくとも２つの位置の第２の位置における前記アクチュエータが、前記内側カウル部材と前記外側カウル部材および前記ダクト間の前記ダクト外側板との間に空気流が入るように方向を変えさせる請求項１に記載の気流増大システム。
18. 前記複数のアクチュエータのそれぞれが曲線形状を有する請求項１７に記載の気流増大システム。
19. 前記曲線形状に対応する円筒軸が、前記アクチュエータが前記第１の位置にあるときに主要気流に対応する下向きベクトルに平行である請求項１８に記載の気流増大システム。
20. 前記複数のアクチュエータのそれぞれが、前記アクチュエータが前記第１の位置にあるときに混合を高めるように形成され、前記混合が、前記内側カウル部材および前記ダクト間に流入する前記空気流と、外側カウル部材および前記ダクト間に流入する引き込まれた空気流との間に発生する請求項１７に記載の気流増大システム。
21. 前記複数のアクチュエータに連結された制御システムをさらに備え、前記制御システムは、ユーザが前記複数のアクチュエータのそれぞれに対して前記第１の位置と前記第２の位置との間において選択することを許容する制御システムをさらに備える請求項１７に記載の気流増大システム。
22. 前記制御システムは、前記ユーザが前記複数のアクチュエータのそれぞれに対して前記第１の位置と前記第２の位置の間において個々に選択すること許容する請求項２１に記載の気流増大システム。
23. 前記複数のアクチュエータが多重のアクチュエータグループを備え、各アクチュエータグループが多重の個々のアクチュエータを備え、前記制御システムは、前記ユーザが個々のアクチュエータグループに対して前記第１の位置と前記第２の位置の間で選択することを許容する請求項２１に記載の気流増大システム。
24. 複数のイジェクタ制御セクションをさらに備え、前記複数のイジェクタ制御セクションの各イジェクタ制御セクションが前記内側カウル部材の一部と前記外側カウル部材の一部と備え、隣接するイジェクタ制御セクションが前記複数の内側カウル支柱の１つと前記複数の外側カウル支柱の１つとの組みによって分離され、各アクチュエータグループが前記複数のイジェクタ制御セクションに対応する請求項２３に記載の気流増大システム。
25. 単一の複数のカウル支柱が、前記カウル支柱のそれぞれが前記複数の内側カウル支柱の１つと前記複数の外側カウル支柱の１つとを備えるようにして、前記複数の内側カウル支柱と前記複数の外側カウル支柱とを備える請求項２４に記載の気流増大システム。
26. 前記複数のイジェクタ制御セクションの各イジェクタ制御セクションに対応する出口部が矩形に成形される請求項２４に記載の気流増大システム。
27. 前記複数のイジェクタ制御セクションのそれぞれが同じ大きさである請求項２４に記載の気流増大システム。
28. 前記制御システムが制御ケーブルを介して前記複数のアクチュエータの前記位置を制御する請求項２１に記載の気流増大システム。
29. 前記制御システムが電気機械的サーボを介して前記複数のアクチュエータの前記位置を制御する請求項２１に記載の気流増大システム。

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