JP4084975B2

JP4084975B2 - 超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン

Info

Publication number: JP4084975B2
Application number: JP2002240048A
Authority: JP
Inventors: ブシェマルク; ファンレンパンフランソワ; ルヴァンヴァディム
Original assignee: MBDA France SAS
Current assignee: MBDA France SAS
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: ATE285031T1; DE60202246D1; JP2003083168A; FR2829188A1; US20040011045A1; US6672068B1; DE60202246T2; EP1288480A1; EP1288480B1; FR2829188B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広い速度範囲、特にマッハ２からマッハ８にわたって動作するようにされた、超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
一般に複式ラムジェットエンジンといわれる形式のラムジェットエンジンの設計は、亜音速燃焼段階と超音速燃焼段階の連続により、広い作動領域をもつため、空気力学的流れの定義と、この流れの範囲を定める構造の製造との両面で多くの問題を有している。
【０００３】
これらの問題を克服しようとしていろいろな技術が用いられていて、これらの中で最も興味深いものが、１つ米国特許第５７２７３８２号に記載されているものである。この米国特許は、対になって互いに向かい合う４枚の壁からなる細いラムジェット本体を持つラムジェットにかかるもので、上記壁同士間には、
・酸化剤の流れのための入り口と、
・少なくとも１つの燃料噴射器が設けられ、酸化剤と燃料とを混合させ、この混合物を燃焼させる幾何学的可変燃焼室と、
・上記燃焼室から排出されるガスを通す排気ノズルとが形成されている。
なお、この場合上記対向壁を構成している一対の壁はフラットで互いに平行に位置している。
【０００４】
この既知のラムジェットでは、他方の対向壁を構成している一対の壁のうちの一方の壁は変形できるように複数の板を次々と関節接合することにより変形壁として形成されている。作動システムが上記変形壁を飛行条件の関数に応じた幾何学的配列に形成する。このような制御された変形壁の利点は、燃焼室の長さに沿った横断面の逐次的変化を各飛行条件に精密に合致させることができること、亜音速域燃焼に適した幾何学的ノズル隘路を位置させることができることである。他方、このようなラムジェットの実製作では、特に可動板同士を相対変化させなければないことから、複雑で高価になる。さらに、亜音速燃焼に適した燃焼室を形成するためには、このラムジェットは少しばかり長すぎる超音速燃焼室を含む必要があり、ある程度高速でのラムジェットの性能を制限するとともに、その冷却が複雑になる。
【０００５】
さらに、英国特許第２２２２６５３号には、超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジンが記載されている。このラムジェットエンジンは、細長い本体を有しており、この細長い本体は、
・互いに平行なフラットな２枚の側壁と、
・この側壁に一体に固定された上壁であって、鈍角のＶ字形形状に固定された前側面と後側面とを有し、この前側面と後側面は相互に傾斜して、上記側壁に対して少なくとも略直交する隆起線で連結されており、
・長手方向に摺動して並進運動することができるように上記側壁で一体に移動可能に構成した下壁であって、上記上壁とは逆向きの鈍角のＶ字形形状に固定された前側面と後側面とを有し、これらは相互に対して傾斜して、上記側壁に対して少なくとも略直交する隆起線で連結されているものをとからなり、
本体の側壁同士間には、
・酸化剤の流入口と、
・少なくとも１つの燃料噴射器を備え、酸化剤と燃料とを混合させ、その混合物の燃焼が内部で行われる燃焼室と、
・上記燃焼室から排出されるガスを流通させ前記上壁の後側面と前記下壁の後側面との間に形成された排気ノズルとを位置させる。
この英国特許では、摺動可能な下壁が衝撃拡散装置として作用するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃焼が亜音速であろうと、超音速であろうと、最適な燃焼室を得ることができる摺動下壁を備えたラムジェットエンジンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明にかかる摺動下壁を備えたラムジェットエンジンは、以下の特徴を有する。
・燃料噴射器が上壁の隆起線近傍部に配置されている。
・下壁の前側面は、全体方向が上壁の後側面に少なくとも略平行で上壁後側面に対面されて配置された少なくとも１つの第１面と、側壁に少なくとも略直交する接合線に沿って前記第１面に連結固定された１つ以上の第２面とを有している。この第２面は前記第１面に対し傾斜させられていて、第１面と第２面とを組み合わせたものは上壁に対して凹んだ状態になっている。
・上壁の隆起線は下壁の前記第２面に対面する一方で、第１面と第２面との間の接合線は上壁の後側面に対向しており、上記第２面は燃料噴射器に対し一部が上壁後側面に、残りの一部が上壁の前側面にそれぞれ対面した状態で配置されている。
・燃焼室は上壁の後側面と、第１面及びこれに対応する下壁の第２面の一部との間に形成してある。
・酸化剤の流入口は、上壁の前側面と、これに対応する下壁の第２面の一部との間に形成されている。
・下壁の摺動により、第１面と第２面との接合線を上記燃料噴射器に徐々に近づけ、酸化剤の流入口と燃焼室との幾何学的形状を変化させる。この幾何学的形状は、前記酸化剤流入口が酸化剤流を僅かに収縮させるとともに燃焼室が長い末広がりとなる１.５〜３の間のマッハ数に対応する第１状態から、酸化剤流入口は酸化剤流を強力に収縮させ、燃焼室が短くて一定の横断面を示す８〜１２の間のマッハ数に対応する第２状態に徐々に変化する。
【０００８】
本発明によれば、ラムジェットの壁の１つの直線状あるいは曲線状の並進運動を用いるだけで燃焼室の横断面及び、酸化剤入口とノズルの幾何学形状に徐々の変化が得られることになる。これにより、ラムジェットを航空機の飛行条件に合致させることができ、推力あるいは比スラスト値について最大の性能が得られることになる。このため、相互に平行なフラットな対向壁を構成している壁面を除く他の２つの壁面は、非常に異なった横断面法則が課せられるように並進運動する輪郭に形成されている。すなわち、酸化剤(空気)入口の収縮度合いが低いと、低マッハ数では幾何学的なノズル隘路を備えた長い末広がりの燃焼室となり、酸化剤(空気)入口での収縮度合いが高いと高マッハ数に対しては一定横断面を持った短い燃焼室となる。
【０００９】
よって、本発明を実施すると、米国特許第５７２７３８２号に開示されているラムジェットにおける幾何学的可変壁を無くすことができる。幾何学的可変壁を設けた場合には、板同士の関節接合のためのヒンジと、これら板用の複数の作動体を要するという問題点が生じる。これに対して、本発明のラムジェットでは、１つの作動体だけで上述の並進運動を行わせることができる。さらに、フラットで平行な壁と並進して移動する上述の壁の不完全な漏洩止めを許容できる。
【００１０】
なお、前記した可動第２壁(下壁)は第１上側壁よりも短いのが好ましい。
さらに、酸化剤の流れ用の特徴的な入口隘路(最小横断面)を形成するために、上記第１壁の隆起線は上記第２面とともに斜面を呈している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
添付の各図により、本発明の構成がよく理解できると思う。各図における同一符号は同一構成要素を示す。
図１〜図４に示されている本発明に係る航空機用ラムジェットエンジンの細長いラムジェット本体(１)は、対になって対向する４枚の壁(２)(３)(４)(５)からなっている。そして、対向する状態で位置している２枚の側壁(２)(３)はフラットで相互に平行に位置している。
【００１２】
上壁(４)は一対の側壁(２)(３)と一体になっており、鈍角に開いているＶ字形状をなしている。この上壁(４)は前側面(６)と後側面(７)とを有し、これらは互いに傾斜していて隆起線(８)で連結されている。図示されているように前側面(６)および後側面(７)は、実際、各々相互に僅かに傾斜した小側面を有する。
燃料噴射器(９)はその隆起線(８)の近傍に配置されている。
【００１３】
下壁(５)は上壁(４)の長さ(Ｌ)よりも短い長さ(ｌ)に形成してあり、この下壁(５)も鈍角に開いたＶ字形状をなしており、その突出方向は上壁(４)とは逆になっている。この下壁(５)は前側面(１１)と後側面(１２)とを含み、これらの面は相互に傾斜していて、隆起線(１３)で連結されている。
【００１４】
下壁(５)の前側面(１１)は第１面(１１Ａ)を含み、この第１面(１１Ａ)はその全体方向が上壁(４)の後側面(７)に少なくとも略平行となる状態で該後側面(７)と対面する状態に配置してある。そして、下壁(５)の前側面(１１)は前記第１面(１１Ａ)に接合線(１４)に沿って固定連結されるとともに、前述の側壁(２)(３)に対して直交する第２面(１１Ｂ)を有しており、この第２面(１１Ｂ)は前記第１面(１１Ａ)に対して傾斜した状態に連結され、上壁(４)と対面する凹所を形成している。
【００１５】
図４に明確に示されているように、(図４は、図１で定義された直交軸ox、oy、ozを参照して描かれ、図中軸ox、ozは各々ラムジェットの長さと高さに平行である。)
・上壁(４)の隆起線(８)は下壁(５)の第２面(１１Ｂ)に対面して配置されている。
・下壁(５)の接合線(１４)と隆起線(１３)とは、上壁(４)の後側面(７)に対面して配置されている。
・下壁(５)の第１面(１１Ａ)は、上壁(４)の後側面(７)と完全に対向している。
・下壁(５)の第２面(１１Ｂ)は、燃料噴射器(９)と対向していて、この第２面(１１Ｂ)の前部は上壁(４)の前側面(６)と対向しており、この第２面(１１Ｂ)の後壁は上壁(４)の後側面(７)に対面している。
【００１６】
したがって、図１〜図４に示したラムジェットでは、
・燃焼室(１５)は上壁(４)の後側面(７)とこの後側面(７)に対向する下壁(５)の第１面(１１Ａ)および第２面(１１Ｂ)の一部との間に形成される。
・酸化剤(空気)の入口(１６)は上壁(４)の前側面(６)と、この前側面(６)に対面する下壁(５)の第２面(１１Ｂ)の一部との間に形成される。
・排気ノズル(１７)は上壁(４)の後側面(７)と、下壁(５)の後側面(１２)との間に形成される。
【００１７】
さらに、ラムジェット(１)の下壁(５)は全体にわたって、上記側壁(２)(３)の間で、並進運動の際長手方向に摺動するように移動自在に取り付けられている。
【００１８】
概略的に示した図１において、
・摺動および案内手段が、外側ジャッキ(１８)(１９)と、側壁(２)(３)に切り込み形成された傾斜路(２２)内を摺動するスピンドル(２０)(２１)として表現されている。そして、外側ジャッキ(１８)(１９)が傾斜路(２２)でガイドされるスピンドル(２０)(２１)を押すことによって、スピンドル(２０)(２１)が上壁(４)と側壁(２)(３)に対して下壁(５)を摺動移動させる。いうまでもないことで有るが、この摺動案内手段は、概略的に説明したものであり、少なくともその一部が下壁(５)内に収容されているモータ手段を摺動案内手段として用いることが好ましい。
・図３では、傾斜路(２２)を直線溝孔として表しているが、この傾斜路(２２)は破線で示すような曲線溝孔で形成しても良い。なお、下壁(５)と側壁(２)(３)との間の接合部および、傾斜路(２２)での封止機構は図示を省略している。
【００１９】
上記摺動案内手段の実施形態にかかわらず、摺動案内手段は下壁(５)を移動させて接合線(１４)を並進運動させながら徐々に燃料噴射器(９)に近づけることにより、酸化剤入口(１６)と燃焼室(１５)の幾何学的形状を変化させる。
【００２０】
図４には、下壁(５)の他の三壁(２)(３)(４)に対する三つの位置が連続的に示されている。この三つの位置は、例えば異なる飛行マッハ値(Ｍｆ)に各々対応して、それぞれ符号Ｉ、II、IIIによって示されている。
【００２１】
図６および図６の２倍の縮尺で描かれている図５に示されている位置Ｉは、低飛行マッハ値(Ｍｆ)が３に対応しており、酸化剤入口(１６)は比較的僅かに収束して酸化剤流を少しだけ収縮すると同時に(図５参照)、燃焼室(１６)は長く拡散している(図６参照)。
【００２２】
図８及び図８の２倍の縮尺で描かれた図７に示されている位置IIでは、中間飛行マッハ値(Ｍｆ)が６に対応しており、前記の位置Ｉと比べると、酸化剤入口(１６)はより収束しており、酸化剤流をより強く収縮させる同時に(図７参照)、燃焼室(１５)は短くなり、拡散度合いも低くなっている。
【００２３】
最後に、図１０および図１０の２倍の縮尺で描かれた図９に示されている位置IIIでは、高い値の飛行マッハ値(Ｍｆ)が８に対応しており、酸化剤入口(１６)は強く収束して、酸化剤流を大きく収縮すると同時に、燃焼室(１５)は短く、全長にわたってその横断面が一定になる。
【００２４】
したがって、本発明によれば、飛行マッハ値(Ｍｆ)の増加によって、段階的に酸化剤入口(１６)と燃焼室(１５)の幾何学的形状を徐々に変化させ、その幾何学的形状を低い超音速飛行時のマッハ数(１.５〜３)に適していて、酸化剤入口が僅かだけ酸化剤流を収縮させ、燃焼室が長くで拡散する形状となる第１状態から、極超音速飛行時のマッハ数(８〜１２)までに適していて、酸化剤入口が酸化剤流を強力に収束させ、燃焼室は横断面が一定の短いものになる第２状態に徐々に変化させることができる。
【００２５】
図１１に示す曲線(２３)は、飛行マッハ数(Ｍｆ)の関数としてのラムジェット高度Ｈ(km)の変化例を示す。この曲線(２３)上に前に詳述した位置Ｉ、II、IIIに対応する操作点が示されている。
【００２６】
同様に、図１２に示す曲線(２４)上には、飛行マッハ数(Ｍｆ)の関数としての比スラストＩps(ｍ／ｓ)の変化を示し、前述の位置Ｉ、II、IIIに対応する点が描かれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラムジェットの一実施例での一部破断概略斜視図である。
【図２】図１のII−II線での横断面図である。
【図３】図２のIII−III線での部分概略側面図である。
【図４】本発明に係るラムジェットの主要素を示す縦方向での線図である。
【図５】マッハ３で作動している状態での主要素前端の位置関係を示す線図である。
【図６】マッハ３で作動している状態での主要素後端の位置関係を示す線図である。
【図７】マッハ６で作動している状態での主要素前端の位置関係を示す線図である。
【図８】マッハ６で作動している状態での主要素後端の位置関係を示す線図である。
【図９】マッハ８で作動している状態での主要素前端の位置関係を示す線図である。
【図１０】マッハ８で作動している状態での主要素後端の位置関係を示す線図である。
【図１１】本発明に係るラムジェットの飛行マッハ数の関数として高度変化率を示す線図である。
【図１２】ラムジェットに対する飛行マッハ数の関数としての比スラスト値を示す線図である。
【符号の説明】
１…ラムジェット本体、２・３…ラムジェット本体の側壁、４…上壁、５…下壁、６…上壁の前側面、７…上壁の後側面、８…上壁の隆起線、９…燃料噴射器、１１…下壁の前側面(１１Ａ…第１面、１１Ｂ…第２面)、１２…下壁の後側面、１３…下壁の隆起線、１４…下壁前側面の接合線、１５…燃焼室、１６…酸化剤の流入口、１７…排気ノズル。

Claims

フラットでお互いに平行な２枚の側壁(２)(３)と、前側面(６)と後側面(７)とを相互に傾斜する状態で連結固定して鈍角に開いたＶ字形の形状に構成し、前後側面(６)(７)の連結隆起線(８)が側壁(２)(３)に略直交する状態で両側壁(２)(３)に一体となる状態で連結固定した固定上壁(４)と、前側面(１１)と後側面(１２)とを相互に傾斜する状態で連結固定して、前記上壁とは反対方向で鈍角に開いたＶ字型の形状に構成し、前後側面(１１)(１２)の連結隆起線(１３)が側壁(２)(３)に略直交する状態で上記側壁(２)(３)同士間に一体で長手方向に摺動移動可能な状態に配置される下壁(５)とで細長い本体(１)を構成し、この本体(１)の側壁(２)(３)の間に、少なくとも１つの燃料噴射器(９)を備え、酸化剤と燃料とを混合するとともに、その混合物の燃焼を行う燃焼室(１５)と、酸化剤の流入口(１６)と、上記上壁(４)の後側面(７)と下壁(５)の後側面(１２)との間に設けられ、上記燃焼室(１５)から排出されるガスを流す排気ノズル(１７)とを有する超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジンにおいて、
上記燃料噴射器(９)を前記上壁(４)の隆起線(８)近傍部分に配置し、全体方向が上壁後側面(７)に少なくとも略平行な１つ以上の第１面(１１Ａ)と、この第１面に対して傾斜する状態に位置し、上記側壁(２)(３)に少なくとも略直交する接合線(１４)に沿って前記第１面(１１Ａ)に連結固定される少なくとも一つの第２面(１１Ｂ)とで前記下壁(５)の前側面(１１)を形成し、この下壁前側面(１１)を第１面(１１Ａ)と第２面(１１Ｂ)とで構成される部分が上記上壁(４)に対面して凹む状態に配置し、上記上壁(４)の隆起線(８)を前記下壁(５)の第２面(１１Ｂ)に対面状態に位置させるとともに、上記第１面(１１Ａ)と第２面(１１Ｂ)との接合線(１４)を上壁(４)の後側面(７)に対向して配置し、上記第２面 ( １１Ｂ ) をその一部が上壁 ( ４ ) の後側面 ( ７ ) に対面し残りの一部が上壁 ( ４ ) の前側面 ( ６ ) と対面する状態で上記燃料噴射器 ( ９ ) に対応させて配置し、上記燃焼室(１５)を、前記上壁(４)の後側面(７)と、前記第１面(１１Ａ)及びこれに対応する前記下壁(５)の第２面(１１Ｂ)の一部との間に形成し、前記酸化剤の入口(１６)を、前記上壁(４)の前側面(６)とこれに対応する前記下壁(５)の第２面(１１Ｂ)の一部との間に形成し、下壁(５)の摺動により、上記第１面(１１Ａ)と第２面(１１Ｂ)との間の接合線(１４)を燃料噴射器(９)に近づけて上記酸化剤入口(１６)と、前記燃焼室(１５)の幾何学的位置関係を変化させるように構成し、この幾何学的変位は、前記酸化剤入口(１６)は前記酸化剤流を僅かだけ収縮させ、燃焼室(１５)を長い末広がり形状とするマッハ数１.５から３に対応する第１状態から、酸化剤入口(１６)は上記酸化剤流を強く収縮させ、上記燃焼室(１５)はその横断面が一定の短い形状となるマッハ数８から１２に対応する第２状態に徐々に変化するように構成したことを特徴とする超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン。
下壁(５)の移動を直線的に行う請求項１に記載した超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン。
下壁(５)の移動を曲線的に行う請求項１に記載した超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン。
下壁(５)が上壁(４)よりも短い請求項１に記載した超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン。
上壁(４)の隆起線(８)が、第２面(１１Ｂ)とともに斜面を形成して、酸化剤流用の最少入口横断面を形成する請求項１に記載した超音速及び極超音速航空機用のラムジェットエンジン。