JP3163333B2 - ラムジェット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ラム圧を利用して圧
縮された空気に燃料を噴射し、この混合気を燃焼器内で
燃焼させて飛翔推力を得るラムジェットの改良に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のラムジェットとしては、
例えば、図４に示すものがある。

【０００３】図に示すラムジェット５１は、飛翔体５０
の尾部側に設けた燃焼器５２と、この燃焼器５２の前方
に設けた燃料タンク５３と、飛翔体５０の中間部分外周
における円周方向の複数ケ所（図では２ケ所）に設けら
れて各々の湾曲状後端部分５４ｃを燃焼器５２にそれぞ
れ接続させた空気取入管５４，５４を備えており、燃焼
器５２の後端にはラムノズル５５が設けてある。

【０００４】空気取入管５４は、その空気取入口５４ａ
と湾曲状後端部分５４ｃとの間をディフューザ部５４ｂ
として形成してある。このディフューザ部５４ｂの後端
側には燃料噴射ノズル５６が設けてあり、この燃料噴射
ノズル５６に対して燃料タンク５３から燃料ポンプ５７
および制御弁５８を介して燃料が供給されるようになっ
ている。また、この空気取入管５４の湾曲状後端部分５
４ｃには点火装置５９が設けてあり、ディフューザ部５
４ｂを通過する流入空気と燃料噴射ノズル５６から噴射
された燃料との混合気に点火するようになっている。

【０００５】このラムジェット５１を備えた飛翔体５０
が、燃焼器５２に充填した図示しないブースタ推進薬の
燃焼により飛翔して、あるいは、母機に搭載されてラム
ジェット５１の作動に必要な超音速度域に到達すると、
空気取入口５４ａから空気取入管５４内に流入する超音
速の空気流は、空気取入口５４ａの前方で発生する斜め
衝撃波Ａにより圧縮・減速される。

【０００６】この空気流は、ディフューザ５４ｂ内に生
じる垂直衝撃波Ｂによりさらに圧縮されて大幅に減速さ
れ、亜音速流となって燃焼器５２内に流れ込む。

【０００７】この亜音速の空気流が燃焼器５２内に流れ
込む直前に、この空気流に対して燃料噴射ノズル５６か
ら燃料が噴射され、これにより生じる混合気に対して点
火装置５９による点火がなされる。

【０００８】そして、このラムジェット５１では、前記
混合気を燃焼器５２内で燃焼させ、ラムノズル５５から
燃焼ガスを膨脹させて高速で噴射することにより、推力
を得る。

【０００９】上記垂直衝撃波Ｂは、空気取入管５４のデ
ィフューザ部５４ｂにおいて、飛翔速度およびこの空気
取入管５４の特性から定まる回復圧力と、燃焼器５２の
内部圧力とが釣り合う位置に発生し、燃焼器５２の内部
圧力の上昇によりディフューザ部５４ｂの先端側に移動
すると共に、内部圧力の低下によって後端側に移動す
る。

【００１０】そして、垂直衝撃波Ｂがディフューザ部５
４ｂの先端側に移動して空気取入口５４ａ（臨界作動
点）から外へ出ると、抗力が急激に増大するため、燃焼
器５２の内部圧力、すなわち、推力を制御して、各空気
取入管５４において超臨界状態（垂直衝撃波Ｂがディフ
ューザ部５４ｂに位置する状態）を維持する必要があ
る。

【００１１】このような構成のラムジェットに類するも
のとして、例えば、特開平２−６４２５６号公報に記載
されたものがある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来のラムジェット５１にあっては、複数設けた空気取入
管５４の個々の寸法や内部の表面あらさなどの若干の違
いにより、これらの空気取入管５４の各々の特性が一定
せず、垂直衝撃波Ｂの発生位置にばらつきが生じる可能
性があり、とくに、飛翔体５０が迎え角をとった場合に
は、この位置のばらつきが一層顕著になる。

【００１３】したがって、特性が最も劣る空気取入管５
４、すなわち、垂直衝撃波Ｂがディフューザ部５４ｂの
先端側に移動しやすい空気取入管５４に合わせて、燃焼
器５２の内部圧力の上昇限度を小さ目に設定しなくては
ならないことから、ラムジェット５１の性能を十分に発
揮させることができないという問題があった。

【００１４】また、空気取入管５４内の燃料噴射ノズル
５６が圧力噴霧式である場合に、その燃料流量は燃料供
給圧力と、燃料を噴射する空間の圧力との差圧により決
定されるため、燃料流量を絞るに際して燃焼供給圧力を
下げると、噴霧状となる燃料の粒径が大きくなり、燃焼
効率が低下してしまうという問題を有しており、これら
の問題を解決することが従来の課題であった。

【００１５】

【発明の目的】この発明は、上記した従来の課題に着目
してなされたもので、複数の空気取入管の各特性のばら
つきを解消すると共に、燃焼効率を高めることによっ
て、性能を最大限発揮した状態で作動することが可能で
あるラムジェットを提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は、先端に空気
取入口を有しかつ前記空気取入口と燃焼器に連続する後
端側との間をディフューザ部として形成すると共に、前
記空気取入口から流入して前記燃焼器内に導入される空
気に燃料を噴射する主噴射ノズルを後端部分に具備した
空気取入管を複数備えたラムジェットにおいて、前記複
数の空気取入管の各ディフューザ部には、当該ディフュ
ーザ部内に発生する垂直衝撃波の位置を検知する衝撃波
検知手段と前記空気取入口の近傍位置で当該空気取入口
から流入した超音速の空気流に燃料を噴射する補助噴射
ノズルを設け、前記複数の空気取入管の各ディフューザ
部に設けた補助噴射ノズルに接続して前記各衝撃波検知
手段により検知する垂直衝撃波の位置に応じて前記補助
噴射ノズルへの燃料供給量を個別に制御する燃料制御手
段を設けた構成としたことを特徴としており、このよう
な構成のラムジェットを前述した従来の課題を解決する
ための手段としている。

【００１７】

【発明の作用】この発明に係わるラムジェットでは、空
気取入管のディフューザ部に発生する垂直衝撃波が空気
取入口、すなわち、臨界作動点に近づいて、これを衝撃
波検知手段により検知すると、燃料制御手段において、
これまで行っていた補助噴射ノズルに対する燃料の供給
を少なく制限ないしは遮断して、空気取入管内の燃料流
量を少なくし、垂直衝撃波の背後の圧力を低下させるの
で、垂直衝撃波はディフューザ部後端側に移動して、超
臨界状態が維持されることとなる。

【００１８】そして、このような制御は、複数の空気取
入管のいずれにおいても個別になされることから、特性
の劣る空気取入管を有する場合やこのラムジェットを装
備した飛翔体が迎え角をとった場合でも、特性の最も優
れた空気取入管に合わせて燃焼器の内部圧力を決定でき
るので、このラムジェットは常に性能を最大限発揮した
状態で作動することとなる。

【００１９】また、空気取入管のディフューザ部が超臨
界状態である場合、垂直衝撃波はディフューザ部の中間
部分に位置しているので、補助噴火ノズルからの燃料噴
射は、この場合も超音速の空気流に対して行われること
となる。

【００２０】つまり、噴射された燃料は微粒化し、燃焼
器までの長い流路を進むうちに気化して空気と十分に混
合するので、主噴射ノズルから燃料が噴射されているか
否かにかかわらず、また、このノズルが圧力噴霧式であ
るか否かにかかわらず、この混合気の燃焼器内における
燃焼効率は向上することとなる。

【００２１】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。

【００２２】図１ないし図３はこの発明に係わるラムジ
ェットの一実施例を示している。

【００２３】図３に示すように、ラムジェット１は、飛
翔体２０の尾部に設けた燃焼器２と、この燃焼器２の前
方に設けた燃料タンク３と、飛翔体２０の中間部分に設
けた空気取入管４を備えており、燃焼器２の後端にはラ
ムノズル５が設けてある。

【００２４】前記燃焼器２には、飛翔体２０がこのラム
ジェット１の作動に必要な超音速域に到達するまで燃焼
するブースタ用推進薬を充填することもあり、このよう
な場合には、ラムノズル５の内側に分離継手を介してブ
ースタノズルを装着すると共に、燃焼器２の前部に点火
機構を設けるようになっている。

【００２５】前記空気取入管４は飛翔体２０の中間部分
において、その円周方向の複数ケ所（図では２ケ所）に
設けてある。この空気取入管４は、図１に拡大して示す
ように、先端（図示左端）に空気取入口４ａを有し且つ
湾曲状をなす後端部分４ｃを燃焼器２の前端寄りの部分
に設けたポート２ａに接続させている。そして、空気取
入口４ａと後端部分４ｃとの間をディフューザ部４ｂと
して形成してあると共に、空気取入口４ａの前方に斜め
衝撃波Ｏ．Ｗ．を発生させるための外部圧縮部４ｄを設
けている。

【００２６】また、この空気取入管４は、後端部分４ｃ
にストラット７を設けており、このストラット７には、
燃料ポンプ８を介して燃料タンク３に接続する主噴射ノ
ズル６が、ポート２ａに向けて設けてある。この主噴射
ノズル６から噴射される燃料は、空気取入口４ａから流
入する空気流と混合して燃焼器２の内部に入り込み、こ
の際、空気取入管４の後端部分４ｃの外側に設けた点火
装置９により点火され、燃焼器２において燃焼する。

【００２７】さらに、空気取入管４のディフューザ部４
ｂの先端側、すなわち、空気取入口４ａの近傍には、デ
ィフューザ部４ｂ内で発生する垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．が空
気取入口４ａの近傍位置に近づくのを検知する衝撃波検
知手段としての圧力センサ１０と、空気取入口４ａから
流入した直後の超音速の空気流に対して燃料を噴射可能
とした補助噴射ノズル１１とが、ディフューザ部４ｂの
内壁面４ｅに各々埋め込んで設けてある。

【００２８】この場合、圧力センサ１０は、複数の空気
取入管４の各主噴射ノズル６と燃料ポンプ８との間に設
けた燃料制御装置１２に電気的に接続しており、この圧
力センサ１０は垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．の接近を検知した際
に、燃料制御装置１２に対して電気信号を出力するよう
になっている。一方、複数の空気取入管４に各々設けた
補助噴射ノズル１１も、主噴射ノズル６と同じく燃料制
御装置１２に接続している。

【００２９】この燃料制御装置１２は、垂直衝撃波Ｎ．
Ｗ．の接近を知らせる電気信号がいずれかの圧力センサ
１０から出力されると、この圧力センサ１０と同じ空気
取入管４に設けた補助噴射ノズル１１に対する燃料の供
給を少なく制御し、さらに、図２に示すように、垂直衝
撃波Ｎ．Ｗが圧力センサ１０上にまで移動した場合に
は、補助噴射ノズル１１への燃料の供給を遮断して、垂
直衝撃波Ｎ．Ｗ．の背後の圧力を下げることにより、超
臨界状態を維持するようにしている。

【００３０】また、空気取入管４のディフューザ部４ｂ
内が超臨界状態である場合、燃焼器２の内部圧力が比較
的低く必要燃料流量が少ないことから、この燃料制御装
置１２では、この実施例において、図１に示すように、
空気流に対する燃料噴射は、補助噴射ノズル１１のみか
ら行うように制御しており、これにより、燃料の全てを
超音速の空気流に対して噴射し、燃料を微粒化して空気
と混合させる、すなわち、燃焼効率を高めることができ
るようにしている。

【００３１】上記した構成のラムジェット１では、これ
を装備した飛翔体２０が、燃焼器２に充填した図示しな
いブースタ用推進薬の燃焼によって飛翔して、あるい
は、母機に搭載されて、ラムジェット１の作動に必要な
超音速域に到達すると、複数の空気取入管４の各空気取
入口４ａから空気が超音速で流入するようになり、この
超音速の空気流は、各外部圧縮部４ｄで発生する斜め衝
撃波Ｏ．Ｗ．により圧縮されて減速する。

【００３２】この超音速の空気流は各ディフューザ部４
ｂ内に発生している垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．によりさらに圧
縮されて大幅に減速し、この垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．の背後
では亜音速の空気流となる。

【００３３】このように、ディフューザ部４ｂ内が超臨
界状態である場合には、斜め衝撃波Ｏ．Ｗ．により減速
した直後の空気流に対して、補助噴射ノズル１１のみか
ら燃料が噴射される。

【００３４】このとき、空気流はいまだ超音速の流れで
あるため、噴射された燃料は微粒化して空気流と十分混
合し、さらに、垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．を通過してポート２
ａに達するまでの間に気化するので、点火装置９により
点火されてポート２ａから燃焼器２に流入する亜音速の
混合気は、この燃焼器２内において効率よく燃焼するこ
ととなり、この燃焼によって生じる燃焼ガスが、ラムノ
ズル５から膨脹して高速で噴出することにより、ラムジ
ェット１は推力を発生する。

【００３５】また、上記ラムジェット１の作動中に、複
数の空気取入管４のうち、特性の劣る空気取入管４のデ
ィフューザ部４ｂ内に生じている垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．が
空気取入口４ａに接近した場合には、この空気取入管４
に設けた圧力センサ１０がこれを検知して燃料制御装置
１２に出力するので、この燃料制御装置１２により、同
じ空気取入管４に設けた補助噴射ノズル１１のみに対す
る燃料の供給が少なく制限され、さらに、垂直衝撃波
Ｎ．Ｗ．が、図２に示すごとく、圧力センサ１０上に位
置した場合には、前記補助噴射ノズル１１に対する燃料
の供給が遮断され、主噴射ノズル６のみへの燃料供給と
なる。これにより、特性の劣る空気取入管４のディフュ
ーザ部４ｂ内の燃料流量が減少し、垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．
の背後の圧力が低下して、この垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．が後
退することとなり、この空気取入管４も他の空気取入管
４とともに超臨界状態を維持することとなる。そして、
この後は、補助噴射ノズル１１から再び燃料の噴射が開
始されることとなる。

【００３６】このような制御は、複数の空気取入管４の
いずれにおいても個別になされることから、特性の最も
優れた空気取入管４に合わせて燃焼器２の内部圧力を決
定することができるので、このラムジェット１は、常に
性能を十分に発揮した状態で作動することになる。

【００３７】なお、この発明に係わるラムジェットの詳
細な構成は、上記した実施例に限定されるものではな
く、他の構成として、例えば、補助噴射ノズルに、燃料
流量がノズル供給圧力とディフューザ部４ｂの内部圧力
との差圧で決定される圧力噴霧式のものを使用すること
も可能であり、この場合には、図２に示すように、垂直
衝撃波Ｎ．Ｗ．が圧力噴霧式の補助噴射ノズル上を通過
すると、この部分での内部圧力が上昇するので、燃料流
量が自動的に減少することとなり、燃料制御装置１２の
機能も相まって、垂直衝撃波Ｎ．Ｗ．は迅速に後退する
こととなる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明に係
わるラムジェットでは上記した構成としているので、複
数の空気取入管の各補助噴射ノズルに対する燃料の供給
を燃料制御手段により個別に行って、空気取入管の各特
性のばらつきを解消することができるようになり、性能
を最大に発揮した状態での作動が常に可能であると共
に、超音速の空気流に対して燃料を噴射できることか
ら、燃料を微粒化し、さらに気化させて空気流に混合さ
せることが可能となり、主噴射ノズルが圧力噴霧式のも
のであったとしても、燃焼効率の向上を実現できるとい
う極めて優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるラムジェットの空気
取入管内が超臨界状態である状況を示す空気取入管部分
の拡大断面説明図である。

【図２】図１のラムジェットの空気取入管内がほぼ臨界
状態である状況を示す空気取入管部分の拡大断面説明図
である。

【図３】図１のラムジェットが飛翔体に装備された状態
を示す全体断面説明図である。

【図４】従来のラムジェットが飛翔体に装備された状態
を示す全体断面説明図である。

【符号の説明】

１ ラムジェット ２ 燃焼器 ４ 空気取入管 ４ａ 空気取入口 ４ｂ ディフューザ部 ４ｃ （空気取入管の）後端部分 ６ 主噴射ノズル １０ 圧力センサ（垂直衝撃波検知手段） １１ 補助噴射ノズル １２ 燃料制御装置 Ｎ．Ｗ． 垂直衝撃波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−219452（ＪＰ，Ａ) 特公 昭45−37485（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3450142（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02K 7/10 F02K 9/78

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に空気取入口を有しかつ前記空気取
   入口と燃焼器に連続する後端側との間をディフューザ部
   として形成すると共に、前記空気取入口から流入して前
   記燃焼器内に導入される空気に燃料を噴射する主噴射ノ
   ズルを後端部分に具備した空気取入管を複数備えたラム
   ジェットにおいて、前記複数の空気取入管の各ディフュ
   ーザ部には、当該ディフューザ部内に発生する垂直衝撃
   波の位置を検知する衝撃波検知手段と前記空気取入口の
   近傍位置で当該空気取入口から流入した超音速の空気流
   に燃料を噴射する補助噴射ノズルを設け、前記複数の空
   気取入管の各ディフューザ部に設けた補助噴射ノズルに
   接続して前記各衝撃波検知手段により検知する垂直衝撃
   波の位置に応じて前記補助噴射ノズルへの燃料供給量を
   個別に制御する燃料制御手段を設けたことを特徴とする
   ラムジェット。