JP2016514647A - 宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間の飛行機の速度を制御するための装置およびその移行方法 - Google Patents

Abstract

本体および下翼面を規定する翼（１５）ならびに姿勢制御手段を備える航空飛行に適したスペースプレーンであって、スペースプレーンの下翼面の下に配置された１つまたは複数のシャッタ（１１）を備え、このシャッタは、航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間に空気力学で制動するために、収納位置と、傾斜して広がった位置との間で操縦可能なものである、スペースプレーン（１０）。【選択図】図５

Description

本発明は、航空機、とりわけスペースプレーン類の速度であって、この航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間の速度を制御するための装置に関するとともに、その移行方法に関する。

スペースプレーンは、航空飛行に適した航空宇宙船であり、そのために揚力発生面を備えている。宇宙船としてスペースプレーンは、例えば、ロケットモータと、空気またはその他の助燃ガスがない際にこのロケットモータを制御するのに適した手段とを備えている。

このような航空機にみられる一連の問題は、大気圏への再突入、および特に、弾道飛行または揚力のない類の飛行から、大気から受ける揚力を航空機が利用する航空飛行への移行である。

スペースプレーンの場合、１つの特定の制約は、航空機の構造および乗客によって受ける荷重および加速度を制限して、例えば以前にＮＡＳＡが運行していたスペースシャトルのように乗組員が訓練を受けた宇宙飛行士からなる航空機と比較した際の値を下げる必要があることである。

通常の大気圏用の飛行機に対するブレーキ装置として、翼の上方または胴体の上部に設置されたエアブレーキがある。

さらに、大気圏用の飛行機という状況では、米軍飛行機Ｆ−１１１で知られているような降着装置ドアを使用するブレーキシステムがある。

しかしながら、宇宙空間領域でこのような装置を使用することはない。

現在、スペースプレーンまたはスペースシャトルが宇宙飛行から航空飛行への飛行を行うためには、航空機の下側を空気に対して押し下げることで制動し、これによって航空機の抗力が増す。スペースプレーンは、このように制動されて高度を下げる。

米国のスペースシャトルの場合、この制動は重大な加熱を引き起こし、乗組員は、その後の減速力に応じた重力を受ける。

宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間のスペースプレーンなどの航空機の速度を制御するための装置であって、飛行機に制動段階を持たせ、荷重が少なく減速した航空飛行に戻すのに適した装置を提供することが本発明の目的である。

前述したように、スペースプレーンは、航空飛行が可能で、宇宙飛行が可能な航空機である。

宇宙飛行では、航空機は、地球周りの軌道、例えば軌道飛行を描くことがあり、あるいは単純に、最大高度数十から数百キロメートルでとりわけ軌道に乗らない飛行向けに放物線状の弧形状の針路を有することがある。いずれの場合でも、航空飛行段階に戻るには、飛行機の速度を制御して、この飛行機およびその乗客にかかっている荷重を制限する必要がある。

これを実現するために、本発明は、本体および揚力発生面を規定する翼構造ならびに姿勢制御手段を備える航空飛行に適した宇宙航空機であって、前記航空機は、航空機の揚力発生面の下に設置された１つ以上のフラップを備え、このフラップは、航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間に、引っ込み位置と、傾斜して展開した空気力学制動位置との間で操縦できるものである、航空機を提供する。

好ましくは、１つまたは複数のフラップは、制御可能で変化可能な傾斜で展開するのに適している。

また、航空機は、航空機の長手軸の両側に設置された少なくとも一対のフラップを備える。

１つの特定の実施形態によれば、フラップは、航空機の降下を制御するために互いに独立して制御されるのに適している。

１つの有利な実施形態によれば、フラップの全部または一部は、エアブレーキ装置／降着装置ドアである。

有利には、フラップは、降着装置とは関係なく、または降着装置と合わせて、飛行の段階に応じて操縦できるものである。

１つの特定の実施形態によれば、フラップは、フラップを風上に対して開くための第１の操縦軸であって、フラップがその際にエアブレーキとして動作する第１の操縦軸と、風上に平行にフラップを開くための操縦軸であって、フラップがその際に降着装置ドアとして動作する操縦軸とを備える。

エアブレーキフラップ／降着装置ドアは、好ましくは、宇宙空間降下と航空降下との間を移行する間にエアブレーキを部分的に開くことができ、着陸のために降着装置ドアを完全に開くことができるように見積もられたアクチュエータによって操縦され、アクチュエータは、飛行の段階に応じて変更できるようにフラップを開くのに適している。

１つの特定の実施形態によれば、姿勢制御手段は、ピッチング姿勢制御面を備える。

本発明は、航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行している航空機の降下段階で、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の航空機の速度を制御するための方法であって、この降下段階が、
− 航空機が放物線状に降下する第１のステップであって、航空機が迎え角の大きい位置にある、第１のステップ；
− 航空機を機首下げ位置に持って行く第２のステップ；および
− 空気力学飛行で小さい迎え角で航空機を水平飛行にする第３のステップ
を含み、
航空機の速度の制御が、前記フラップを開くことによって少なくとも第２のステップで実現される、
方法にも関する。

迎え角が大きい位置は、とりわけ航空機の長手軸と速度軸との間が４０°よりも大きい角度によって規定される。

１つの特定の実施形態によれば、前記フラップを開くことによる航空機の速度の制御は、第１のステップで開始される。

ピッチング姿勢制御面を備える航空機の姿勢を制御する手段を用いると、ピッチング姿勢制御面は、好ましくは第１のステップで機首上げモーメントを航空機に印加するように傾斜する。

第１のステップから第２のステップへの移行は、有利には、ピッチング姿勢制御面をまっすぐにすることで起こり、フラップを開くことで航空機の速度を制御する。

第２のステップの終わりで航空機が揚力を得た時点で、好ましくは、機首上げモーメントを航空機に印加するようにピッチング姿勢制御面を傾斜させて水平飛行ステップを実行し、その際にフラップは再び閉じられる。

１つの有利な実施形態によれば、エアブレーキフラップとして動作するのに適した降着装置ドアを備える本発明のスペースプレーンの宇宙空間領域から航空領域への移行は、
− 機首上げモーメントを航空機に印加するようにピッチング姿勢制御面を傾斜させる第１のステップであって、スペースプレーンが、迎え角Ｉが大きく事実上垂直な速度Ｖを有し、スペースプレーンが実質的に水平のまま維持される、第１のステップ；
− 降着装置ドアを開け、ピッチング姿勢制御面をまっすぐにする第２のステップであって、それによってスペースプレーンが機首下げ形態に持って行かれ、スペースプレーンの速度Ｖが事実上垂直で迎え角Ｉが小さい、第２のステップ；
− 機首上げモーメントを航空機に印加するようにピッチング姿勢制御面を傾斜させ、降着装置ドアを閉じる第３のステップであって、このステップでスペースプレーンが航空運転に戻り、スペースプレーンおよび速度Ｖが水平に戻り、前記飛行機の迎え角Ｉが小さい、第３のステップ
を必要とする。

本発明は、本発明の１つの非限定的で例示的な実施形態の以下の説明文を読み、添付の図面を検討することによってさらによく理解されるであろう。これらの図面は、本発明を非限定的に説明するために挙げたものに過ぎず、以下を描いたものである。

本発明によるスペースプレーンタイプの航空機の図である。 図１のスペースプレーンが宇宙空間を降下する第１の段階である。 図１のスペースプレーンの移行段階である。 図１のスペースプレーンの大気圏飛行の段階である。 図１のスペースプレーンの拡大図である；本発明の１つの特定の実施形態に従って、翼構造の降着装置ドアが降着装置のベイを開けた位置にある状態で着陸する前の最終形態である。

前述したように、宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間に、スペースプレーン１０などの航空機の速度を制御し、航空機に引き起こされた荷重を制限するための装置を提供することが本発明の目的である。

本発明は、例えば図１に描いたようなスペースプレーン１０に適用され、このスペースプレーンは、胴体１７、翼１５で構成される翼構造、制御面１２、方向舵１６、航空飛行中に動作するジェットエンジン１４などのエンジン、およびロケットモータ１３を備えている。

宇宙飛行または弾道飛行の段階を図２に示している。これは、航空機の翼構造が空気不足のために揚力を発生させず、航空機の迎え角がさらに、揚力発生面がどのような場合でも失速形態であるような迎え角になっている飛行の段階である。

航空飛行段階を図４に示しており、この段階では航空機は、通常その翼構造に支持されて飛行する。

宇宙飛行または弾道飛行の段階から航空飛行段階への移行を行うために、本発明の一側面によれば、図４に示したような機首下げステップを利用する移行が起こる。

航空機が戻るためには、スペースプレーン１０は宇宙飛行と航空飛行との間で移行を行う必要があり、図４を参照されたい。さらに航空機は、大幅に制動する必要があるとともに、この宇宙飛行段階と航空飛行段階との間の移行全体にわたってその速度を制御する必要がある。

宇宙飛行段階では、航空機は、大気に対して摩擦を起こして制動する。このようにするために、航空機は、迎え角が極めて大きく、４０°を上回る姿勢になるか、あるいは約７０°の迎え角で速度ベクトルが事実上垂直の姿勢になる。

この状態では、航空機は厳密な意味では飛行しない。なぜならその主翼構造は恒久的な失速状態にあるからである。

宇宙飛行段階から航空機の翼構造に支持された航空飛行段階への移行を行うために本発明に取り入れた解決策は、航空機に機首下げ形態をとらせて、航空機の速度ベクトルを変更する必要なしに航空機の迎え角を小さくすることである。

ただし、航空機の速度、加速度および荷重を妥当な形態に維持するために、この機首下げを制御しなければならない。

このようにするために、本発明によるスペースプレーン１０は、まだ航空飛行になっていない飛行移行中に航空機を制動するのに適したエアブレーキとして動作し、この移行中に航空機の速度Ｖを制御するフラップ１１を備えている。

とりわけ図１に示したフラップ１１は、航空機の翼の下および／または胴体の下に設置され、引っ込み位置と展開した空気力学制動位置との間で操縦できるものである。

図２による宇宙空間降下段階では、スペースプレーン１０のフラップ１１は閉鎖し、スペースプレーンのピッチング姿勢制御面１２は、航空機に機首上げモーメントを印加するように傾斜している。したがって、スペースプレーン１０はほぼ水平である。航空機の迎え角Ｉ、つまり長手軸Ａと速度ベクトルとの間の角度は、好ましくは４０°よりも大きく、速度Ｖに対して７０°から９０°の間であってもよく、この速度ベクトル自体はほぼ垂直である。そのため、空気抵抗は高く、抗力は最大である。目的は、乗客、操縦士およびスペースプレーン１０が受ける加速度を制限することである。迎え角が大きいため、主翼構造１５は失速する。

失速は、航空機の翼構造の揚力が急激になくなることが特徴であり、飛行機は支持されなくなって落下する。

失速中、飛行機は機首を下げ、急速に高度を失う。これは、宇宙空間降下に用いられる方法だが、ここで言う失速は、降下段階の始めは空気があまりにも希薄で航空機を支持できず、この航空機がさらに、最初から翼に対する迎え角が大きすぎて揚力を発生させられない体勢にあることに起因する。

ただし、風上にある制御面は失速しない。

図３によれば、飛行機の長手軸および速度Vの軸を再調整して航空飛行に戻すために、スペースプレーン１０は機首下げ姿勢をとる。

このようにするために、それ自体を風上に向けることのできる可動面を利用する。この面は航空機のピッチング姿勢制御面１２で構成され、この制御面は、航空機を傾斜させて機首下げ姿勢にするために操縦される。

例によれば、制御面は、操縦軸周りに完全に動ける水平面であることが理想的である。

この場合、航空機の機首を引き上げる命令は、制御面の前縁が下がって後縁が上がるように制御面を航空機の軸周りに一方向に回転させることに相当し、このことを本明細書では、機首上げするための傾斜または機首上げモーメントを印加するための傾斜という表現で呼ぶ。

航空機自体を機首下げするための命令は、制御面の前縁が上がって後縁が下がるように制御面を回転させることに相当し、このことを本明細書では、機首下げするために制御面を傾斜させる、または機首下げモーメントを印加するために制御面を傾斜させると言い、また、制御面が中立位置に戻るとき、このことを本明細書では制御面をまっすぐにすると言う。

次に、ピッチング姿勢制御面は、機首下げで急降下している間は終始使用され、航空機の姿勢の変化に応じて機首下げまたは機首上げによる補償を行うことによってスペースプレーン１０の安定性を確保する。

機首下げで急降下する前の宇宙飛行段階では、制御面１２はすでに風上を向いており、したがって機首上げ位置にあり、よって制御面は揚力を有し、この制御面を使用して航空機を操縦でき、航空機の姿勢を制御できることに注意されたい。

図３のようにスペースプレーン１０が機首下げで急降下すると、その速度Ｖは目に見えて急速に増大する。この速度Ｖの増大は、効果的な引き上げ操縦ができるようにするためだけでなく、翼構造によって発生した揚力が最適となる領域と一致するマッハ領域に航空機がとどまるようにするためにも、制御して制限する必要がある。

マッハ数は、流体の局所速度とこの同じ流体の音速との比を表したものである。スペースプレーン１０の速度を制御して制限することは、乗客に対して許容可能な荷重レベルを確保するために新たに必要なことであり、これはつまり、荷重レベルは２ｇ未満であることが好ましいということであり、これはまだ快適な値である。フラップ１１は、スペースプレーン１０が機首下げで急降下する段階にあるときに速度を制御して制限するこれらの機能を実行する。

フラップ１１は、宇宙空間を降下する過程でスペースプレーン１０の速度Ｖおよび安定性を制御して制限するために使用されるエアブレーキを構成する。フラップは、着陸時に制動するためにも使用でき、従来のエアブレーキとちょうど同じように、最終接近段階でエネルギーを管理するためにも使用できるものである。

フラップ１１は、本明細書では宇宙空間領域でエアブレーキとして使用され、亜音速流れの条件に耐えるように設計される。衝撃波の発生に相当する臨海マッハ数をマッハ数が下回ったとき、障害物の周りの流れは亜音速である。動的条件は、接近段階を想定したエアブレーキが通常設計される条件とは明らかに異なる。特に、図２の宇宙空間降下段階は、マッハ数が０．６未満、とりわけ０．５から０．５５であり、動圧が３０００Ｐａ未満、好ましくは２０００から２５００Ｐａである高度約１５ｋｍ（５００００フィート）までスペースプレーン１０を下げるように想定され、これらの値はミッションに応じて変化してよい。

スペースプレーン１０を機首下げする操縦の最後、したがって図３の宇宙空間降下の第２の段階、およびスペースプレーンが図４の航空運転に戻る過程では、スペースプレーンは、高度約１１ｋｍで、マッハ数が臨海マッハ数よりも小さい、すなわち０．９、好ましくは０．６から０．７である。宇宙空間領域から航空領域への移行過程で達する最大値は、マッハ数が約０．８から０．８５で、動圧が７０００から１００００Ｐａの間である。これらの数字は、純粋に指標として挙げたものにすぎず、当然ながらミッションに応じて変化してよい。比較してみると、着陸時には動圧は約５０００Ｐａであり、速度はおよそマッハ０．２から０．３であり、これは明らかに小さい。

要約すると、本発明によれば、宇宙空間領域から航空領域への移行は、
− 航空機を降下させる第１のステップであって、航空機１０が、事実上垂直な速度Ｖを有し、航空機の姿勢が実質的に水平で、したがって迎え角Ｉが大きく、このステップでは、航空機のピッチング姿勢制御面１２が下がり、相対的な風上に多少なりとも平行である、第１のステップ；
− ピッチング姿勢制御面１２をまっすぐにすることによって航空機が機首下げで急降下する第２のステップであって、スペースプレーンの速度Ｖが事実上垂直にとどまり、したがって航空機の迎え角Ｉが小さくなり、このステップで航空機の速度は、フラップ１１を大きくまたは小さく開くことによって低下して安定化する、第２のステップ；
− 航空機が航空運転を再開する第３のステップであって、速度Ｖが水平になり、したがって航空機が小さい迎え角Ｉで飛行し、このステップが、ピッチング姿勢制御面１２を下げてフラップ１１を閉じることによって実現される、第３のステップ
を必要とする。

フラップ／エアブレーキ１１は、宇宙空間降下段階との関係で見積もられるため、相当大きな質量を有する。そのため、記載した有利な実施形態では、フラップ／エアブレーキには第２の機能が与えられる：スペースプレーン１０が、宇宙空間モードと航空モードとの間で移行を行う移行段階になっていないとき、エアブレーキ１１は降着装置ドアとしても作用する。エアブレーキは、空気力学抗力を制限して降着装置を保護するために閉じたままである。

図２の宇宙空間領域から図４の航空領域へ移行を行う操縦を成功させるために、フラップ１１は、翼構造１５の圧力面側５０で、航空機の揚力発生面の下に設置される。そのためフラップを使用して抗力を調整することができ、制御可能性が乱れることなく、航空機の揚力Ｃへの影響が可能な限り小さくなる。揚力Ｃにさらにいっそう影響が及ぶのを制限するために、エアブレーキ１１は、柔軟な胴部５１にある降着装置ドアの辺りの胴体１７に位置していてもよい。

例によれば、フラップは、降着装置ドアでもある。

この場合、フラップは、有利には、降着装置とは関係なく、または降着装置と合わせて、飛行の段階に応じて操縦できるものである。

エアブレーキ装置／降着装置ドア１１を飛行の間中、降着装置から完全に切り離せる場合、アクチュエータは、宇宙空間降下段階で抗力を制御するのに必要な角度までエアブレーキが開くように、また、降着装置を下げるために降着装置ドアを完全に全開させられるように見積もられる。エアブレーキ／降着装置ドアは、例えば着陸時のノイズ発生を低減するために降着装置から切り離されているため、降着装置ドアは降着装置が下がったときに再び閉じられてよい。

飛行段階に応じてエアブレーキ／降着装置ドア１１を降着装置に対して連結し、切り離すことも可能である。そのため、宇宙空間降下段階では、ドアは、エアブレーキのアクチュエータに連結され、降着装置に共通のアクチュエータから切り離される。逆に、着陸段階では、降着装置ドアは降着装置のアクチュエータに連結され、エアブレーキのアクチュエータから切り離される。

エアブレーキと降着装置ドアとのアセンブリは、飛行の段階に応じて、かつ所望の軸周りを回転することによってこれらの様々な飛行段階で実施されるエアブレーキおよび降着装置ドアの機能に応じて、飛行の方向に垂直または飛行の方向に平行な様々な軸周りに回転できる可能性がある。そのため、フラップ１１’は、エアブレーキとして使用される場合、飛行機の軸Ａに垂直な軸周りに回転し、図５に示したように、降着装置のベイを開くための降着装置ドアとして動作する場合、フラップ１１’は、航空機の主軸に平行な軸周りに回転して、この飛行の段階でフラップを開けることで生じる抗力を低減する。

本発明は、図示した例に限定されるものではなく、とりわけフラップの数は、宇宙空間降下過程で制動の均衡を保つために、２つ、４つまたはそれ以上でもよい。

Claims (17)

1. 本体および揚力発生面を規定する少なくとも１つの第１の翼構造（１５）ならびに姿勢制御手段を備える、航空飛行に適した宇宙航空機であって、前記制御手段は、前記揚力発生面の下に設置された１つ以上のフラップを備え、該フラップは、航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行する間に、引っ込み位置と、傾斜して展開した空気力学制動位置との間で操縦できるものであることを特徴とする、宇宙航空機。
2. 前記１つまたは複数のフラップは、制御可能で変化可能な傾斜で展開するのに適している、請求項１に記載の宇宙航空機。
3. 前記航空機の長手軸の両側に設置された少なくとも一対のフラップを備える、請求項１または２に記載の宇宙航空機。
4. 前記フラップは、前記航空機の降下を制御するために互いに独立して制御されるのに適している、請求項３に記載の宇宙航空機。
5. 前記フラップの全部または一部は、エアブレーキ装置／降着装置ドア（１１）である、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の宇宙航空機。
6. 前記フラップは、前記降着装置とは関係なく、または前記降着装置と合わせて、飛行の段階に応じて操縦できるものである、請求項５に記載の宇宙航空機。
7. 前記フラップは、前記フラップを風上に対して開くための第１の操縦軸であって、前記フラップがその際にエアブレーキとして動作する第１の操縦軸と、風上に平行に前記フラップを開くための操縦軸であって、前記フラップがその際に降着装置ドアとして動作する操縦軸とを備える、請求項６に記載の宇宙航空機。
8. 前記エアブレーキフラップ／降着装置ドア（１１）は、宇宙空間降下と航空降下との間を移行する間に前記エアブレーキを部分的に開くことができ、着陸のために前記降着装置ドアを完全に開くことができるように見積もられたアクチュエータによって操縦され、該アクチュエータは、飛行の段階に応じて変更できるように前記フラップを開くのに適している、請求項５、６または７に記載の宇宙航空機。
9. 前記姿勢制御手段は、ピッチング姿勢制御面（１２）を備える、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の宇宙航空機。
10. 第２の翼構造（１５）は、前記ピッチング姿勢制御面（１２）を備える、請求項９に記載の宇宙航空機。
11. 航空機が宇宙飛行段階から航空飛行段階へ移行している前記航空機の降下段階で、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の前記航空機の速度を制御するための方法であって、前記降下段階が、
    − 前記航空機が放物線状に降下する第１のステップであって、前記航空機が迎え角の大きい位置にある、第１のステップ；
    − 前記航空機を機首下げ位置に持って行く第２のステップ；および
    − 空気力学飛行で小さい迎え角で前記航空機を水平飛行にする第３ステップ
    を含み、
    前記航空機の速度の制御が、前記フラップを開くことによって前記第２のステップで実現される、
    方法。
12. 前記迎え角が大きい位置は、前記航空機の長手軸と速度軸との間が４０°よりも大きい角度によって規定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記フラップを開くことによる前記航空機の速度の制御は、前記第１のステップで開始される、請求項１１または１２に記載の方法。
14. ピッチング姿勢制御面（１２）を備える前記航空機の姿勢を制御する手段を用いて、前記ピッチング姿勢制御面は、前記第１のステップで機首上げモーメントを前記航空機に印加するように傾斜する、請求項１１、１２または１３に記載の方法。
15. 前記第１のステップから前記第２のステップへの前記移行は、前記ピッチング姿勢制御面（１２）をまっすぐにすることで起こり、前記フラップを開くことで前記航空機の速度を制御する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２のステップの終わりで前記航空機が揚力を得た時点で、機首上げモーメントを前記航空機に印加するように前記ピッチング姿勢制御面（１２）を傾斜させて水平飛行ステップを実行し、その際に前記フラップは再び閉じられる、請求項１５に記載の方法。
17. 軌道に乗らない宇宙飛行段階から航空飛行段階へ、エアブレーキとして動作するのに適した降着装置ドア（１１）を備える前記スペースプレーン（１０）タイプの航空機の速度を制御するための請求項１１に記載の方法であって、前記宇宙空間領域から前記航空領域への前記移行は、
    − 機首上げモーメントを前記スペースプレーンに印加するように前記ピッチング姿勢制御面（１２）を傾斜させる第１のステップであって、前記スペースプレーン（１０）が、迎え角Ｉが大きく事実上垂直な速度Ｖを有し、前記スペースプレーン（１０）が実質的に水平のまま維持される、第１のステップ；
    − 前記降着装置ドア（１１）を開け、前記ピッチング姿勢制御面（１２）をまっすぐにする第２のステップであって、それによって前記スペースプレーン（１０）が機首下げ形態に持って行かれ、前記スペースプレーン（１０）の前記速度Ｖが事実上垂直で迎え角Ｉが小さい、第２のステップ；
    − 機首上げモーメントを前記スペースプレーン（１０）に印加するように前記ピッチング姿勢制御面（１２）を傾斜させ、前記降着装置ドア（１１）を閉じる第３のステップであって、該ステップで前記スペースプレーン（１０）が航空運転に戻り、前記スペースプレーン（１０）および前記速度Ｖが水平に戻り、前記航空機の迎え角Ｉが小さい、第３のステップ
    を必要とすることを特徴とする、方法。

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