JP5231770B2 - 航空機システム、およびエーロフォイルシステムを作動させるための方法 - Google Patents
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Description
現在の空港のキャパシティは、大部分が、(空港周囲における騒音公害を防ぐために大半が日中に限られている)運営時間と、飛行機を空港から出入させることのできる頻度とによって制御されている。着陸および離陸の頻度のペース配分要素として、移動中の飛行機が発生させる伴流渦を消散させるのに必要な時間が挙げられる。伴流渦の大きさおよび強度は航空機の大きさおよび重量によって決定され、機体幅の広い飛行機の伴流に乱流状態をもたらす可能性がある。最悪のシナリオの場合、これらの渦は、航空機を墜落させるのに十分に強いものとなるおそれがある。この問題は数十年にわたって認識されており、この問題を多少とも解決するのにいくつかの方策が提案されてきた。しかしながら、提案された多くの解決策は、実際に適用するには効果的でないかまたは不適切であることが判明した。したがって、翼先端部の渦の影響に対処するための改良された技術が必要となる。
この開示は、概して、航空機の渦を制御するためのシステムおよび方法に向けられる。一局面に従った航空機システムは、第1および第2の対向する流れ面および先端部を有するエーロフォイルを含む。当該システムはさらに、エーロフォイルが担持する渦消散装置を含み得る。渦消散装置は、流体の流れを先端部から外に方向付けるよう位置決めされた流体流れオリフィスを含み得る。当該装置はさらに、当該流体流れオリフィスに作動的に結合されたアクチュエータを含み得る。当該アクチュエータは、流れが先端部から外に方向付けられる態様を変えるよう位置決めされている。当該装置はさらに、当該アクチュエータの動作を指示するよう当該アクチュエータに作動的に結合されたコントローラを含み得る。たとえば、アクチュエータは、当該オリフィスを通じて流れを内方向および外方向にパルス化することができる。特定の実施例においては、この構成により、エンジンのブリードエアを当該オリフィスに供給する必要をなくすことができる。代わりに、エーロフォイル先端部付近の周囲空気を、当該オリフィスを通じて前後にパルス化して、先端部の渦の影響を乱す、消散させる、分解する、および/または、低減させることができる。
この開示の局面は、エーロフォイル渦消散システムと、これに関連する方法とを含む。当該システムが搭載されたエーロフォイルは、典型的には、前縁、後縁、外端部分、上方の空力面、下方の空力面、スパン方向軸、前後方向の翼弦軸、ならびに、当該スパン方向軸および翼弦軸と重なる位置合せ基準面を有する。エーロフォイルが揚力を作り出すよう機能している場合、エーロフォイルの外端部分(たとえば、エーロフォイルの先端部)に渦が作り出される。この渦は渦芯軸、主要な周囲流れ領域、および外周流れ領域を有する。
傍にあるノズル区域を含み、ノズル放出部分を有する。当該ノズル放出部分は、この実施例においては、エーロフォイルの外端部分においてまたはその近傍において概して前方から後方に延在した整列位置にある。当該ノズル区域は、ジェット気流(たとえば流体ジェット)を渦に放出するよう配置される。一実施例においては、流体ジェットは、概ね翼弦軸に対して垂直であり位置合せ面に対して平行な実質的な放出位置合せ成分を有する横向きの放出方向に放出される。
大型で重量のある飛行機の場合、気象条件に応じて、これらの渦度は極めて強く、比較的長期間にわたって持続する可能性があり、これにより、その飛行経路に沿って残留している影響に対して比較的長距離にわたることとなる。たとえば、進入中の比較的大型の輸送機の後流が、その飛行経路を辿る飛行機に対して、飛行機間の間隔である約20kmの距離に対応する約1.5分にわたって危険を及ぼすおそれがある。静穏な大気中では、渦は、分子や乱流の消散によって破壊されるまで非常に長期にわたって持続する。しかしながら、通常、大気の乱れによって最終的に渦の分解を招くメカニズムは、流れの不安定性である(これは、しばしば、″Crow Instability″と称される(クロウ・エス・シー(Crow,S.C.)による「一対の後曳き渦についての安定性理論(″Stability Theory for a Pair of Trailing Vortices″)」、AIAAジャーナル(AIAA Journal)、第8巻第12号2172頁〜2179頁、1970年12月))。不安定性の発生は、周囲の乱流、風および大気の層化によって促進される。これらの刺激の源が、渦要素の芯に沿って正弦波の生成を誘発する。次に続く非線形増幅のプロセスにより渦要素が分解され、破壊されることとなる。静穏な条件に対して、大気擾乱やこれに伴う不安定性による乱れによって渦の寿命が短くなる。残念ながら、これらの不安定性は、通常、幾分ゆっくりと発展し、結果として、飛行機間の距離を実際に短くすることを可能にする流れ条件はもたらさない。
その部分の範囲内で適切に適合するような輪郭にされ得る。
で上下に動かされる場合、10.7Hzの周波数(0.093秒で1サイクル)では、渦に対する影響が、図9A、図9B、図9C−1、図9C−2、図9D−1および図9D−2に図示のとおり、翼先端部の流れの線の跡によって表わされる。図9A、図9C−1および図9C−2においては、ジェット気流62は渦へと排出されず、図9B、図9D−1および図9D−2は、ジェット気流62が10.7Hzで上下に60°の動きで排出されている渦を示す。これらの「スナップショット」が示すように、ジェットの循環運動によってもたらされる断続的な混合が先端領域における流れを乱し、さらに、強度を下げ交差面において拡散させることによって後曳き渦の発生を変えてしまう。
の組60bとが示される。これらはともに、図14Aに示されるのと同じ位置にある。図14Bに図示のとおり、前方の組60aは下方に30°動き、後方の組60bは上方に30°動いている。図14Cにおいては、ジェット気流部分の2つの区域60aおよび60bはそれらの配向方向が逆になっており、図14Cにおいては水平位置へとさらに移動し、水平位置を通って移動しているが相対する方向にも回転する。図14Dに図示のとおり、これらは、前方のジェット気流部分60aが上方に30°移動し、かつ後方のジェット気流部分60bが下方に30°移動した位置へと移動している。次いで図14Eに図示のとおり、2つのジェット気流部分60aおよび60bは逆方向に移動し、同時に水平位置を通過しているが相対する方向に進んでいる。こうして、このジェット気流の振動により、はさみパターンと称され得るものが形成される。
ェット気流として放出される空気の速度はマッハ0.62である。
よび第2の、たとえば下方の、列1594bとして示される)複数の列1594に配置され得る。ノズル1590を介して方向付けられる空気または別の気体の流れは、図16A〜図22に関連してさらに以下に記載されるとおり、翼先端部1520から出てくる渦の消散を促進するよう時間依存的な態様で制御しかつ変えることができる。
図18Aは、予想される全圧力レベルが、線1596aで示される元の擾乱されていない渦よりもはるかに速く自由流の全圧力条件(たとえば、約1.0の全圧力比)に近づくことを示している。
れの実施例の一局面においても、開いたノズル2098bおよび閉じたノズル2097bは、翼先端部の渦を崩壊させるよう交互に構成されてもよい。他の実施例においては、いくつかのノズル(たとえば後方のノズル)を開いておくことがいくつかの飛行条件で特に有益であり得、他のノズル(たとえば、前方のノズル)を開いておくことが他の飛行条件で特に有益であり得ることが明らかにされ得る。したがって、開いたノズルおよび閉じたノズルの選択は、航空機の飛行状況に応じた態様でなされてもよい。他の実施例においては、ノズルは、さまざまな態様で開いた状態と閉じた状態とが交互になっていてもよい。これらの実施例のいずれにおいても、流れは、ノズルが作動状態から非作動状態に切換わる経時変化の態様に重ね合わされる経時変化の態様でノズル1591を介してパルス化され得る。したがって、作動状態のノズルまたは開いたノズルを介して流れがパルス化される周波数は、ノズルが作動状態と非作動状態とで交互にされている周波数と同じであるか、それよりも高いかまたはそれよりも低い可能性がある。
フト2462に結合されてもよい。他の実施例においては、各オリフィス2491は専用のドライバ2461aを有し得る。したがって、各オリフィス2491を通って出入りする流れは独立して制御可能である。
フィス2491cと2491dとの間に作動的に結合されて、これらと流体連通するようにされる。たとえば、アクチュエータ2460eは、ドライバ2461eに結合されたピストン2463を含み得る。ピストン2463は、第1のオリフィス2491cの方に移動すると、第1のオリフィス2491cから空気を排出し、第2のオリフィス2491dに空気を引込む。ピストン2463は、第1のオリフィス2491cから遠ざかると、第1のオリフィス2491cに空気を引込み、第2のオリフィス2491dから空気を排出する。2つのオリフィス2491c、2491dは互いに隣接しているかまたは互いから離れていてもよい。さらなる実施例においては、複数のオリフィス2491は連通チャネル2466のネットワークと接続されてもよく、好適に位置決めされたバルブを用いて、交互に動作するようオリフィスのさまざまな対(または他の組合せ)のいずれかを選択することもできる。
よっては、図24Aに関連して上述される複数のアクチュエータよりも軽量であるかもしれない。したがって、適切な渦消散装置が、当面の特定の航空機設計要件に基づいて選択され得る。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
(態様1)
航空機システムであって、
第1および第2の対向する流れ面と先端部とを有するエーロフォイルと、
前記エーロフォイルによって担持される渦消散装置とを含み、前記渦消散装置は、
流体を前記先端部から外に方向付けるよう位置決めされた流体流れオリフィスと、
前記流体流れオリフィスに作動的に結合されたアクチュエータとを含み、前記アクチュエータは、流れが前記先端部から外に方向付けられる態様を変えるよう位置決めされ、前記渦消散装置はさらに、
前記アクチュエータの動作を指示するよう前記アクチュエータに作動的に結合されたコントローラを含む、航空機システム。
(態様2)
前記オリフィスは流体流れ導管によって担持され、前記アクチュエータは、前記流体流れ導管に作動的に結合され、前記先端部に対して前記流体流れ導管および前記オリフィスを動かすよう位置決めされる、態様1に記載のシステム。
(態様3)
前記オリフィスは加圧された流体の源に結合可能であり、前記アクチュエータは、前記オリフィスを通る加圧された流体の流れを選択的に制御するよう位置決めされたバルブを含む、態様1に記載のシステム。
(態様4)
前記アクチュエータは、前記オリフィスと流体連通し、かつ前記オリフィスを通って相対する方向に前後に流体を生じさせるよう位置決めされた面を含む、態様1に記載のシステム。
(態様5)
前記コントローラは、前記オリフィスを通じて流れのパルスを送出するよう前記アクチュエータに指示するようプログラムされる、態様1に記載のシステム。
(態様6)
前記コントローラは、約1Hz〜約10Hzの周波数で前記オリフィスを通じて流れのパルスを送出するようバルブ装置に指示するようプログラムされる、態様5に記載のシステム。
(態様7)
前記流体流れオリフィスは、前記オリフィスが上方に向けられた第1の位置と、前記オリフィスが下方に向けられた第2の位置との間で、前記エーロフォイルに対して移動可能である、態様1に記載のシステム。
(態様8)
前記オリフィスは第1のオリフィスを含み、翼は、先端部を有する展開可能な高揚力装置を含み、前記渦消散装置は、流体の流れを前記高揚力装置の前記先端部から外に方向付けるよう前記高揚力装置の前記先端部に位置決めされた第2のオリフィスを含み、第2の流体流れオリフィスは加圧された流体の源に結合可能である、態様1に記載のシステム。
(態様9)
前記第1および第2の流体流れオリフィスの一方は飛行中に前記エーロフォイルに対して移動可能であり、前記第1および第2の流体流れオリフィスの他方は飛行中に前記エーロフォイルに対して固定される、態様8に記載のシステム。
(態様10)
前記流体流れオリフィスは複数の流体流れオリフィスのうちの1つであり、各々は、流体の流れを前記先端部から外に方向付けるよう位置決めされ、各々は加圧された流体の源に結合可能であり、前記システムはさらに、前記複数の流体流れオリフィスと結合されて流体連通するバルブ装置を含む、態様1に記載のシステム。
(態様11)
前記オリフィスは、前記エーロフォイルの第1の流れ面の方に位置決めされた第1の列と、前記エーロフォイルの第2の流れ面の方に位置決めされた第2の列とを含む少なくとも2つの列に配置される、態様10に記載のシステム。
(態様12)
エーロフォイルシステムを作動させるための方法であって、
空気中にエーロフォイルを通らせつつ前記エーロフォイルで揚力を発生させることによって翼先端部の渦を発生させるステップと、
複数の流体パルスを前記エーロフォイルの先端部から外に方向付けることによって、前記渦を少なくとも部分的に消散させるステップとを含む、方法。
(態様13)
複数の流体パルスを方向付けるステップは、前記流体パルスが通過する出口オリフィスと流体連通するバルブ装置に結合されたコンピュータ読取可能媒体によって実行される、態様12に記載の方法。
(態様14)
複数の流体パルスを方向付けるステップは、約1Hz〜約10Hzの周波数で複数の流体パルスを方向付けるステップを含む、態様12に記載の方法。
(態様15)
前記流体パルスはノズルを通り、前記方法はさらに、前記ノズルを上方向および下方向に動かして、前記ノズルが上方向に向けられている間、前記流体パルスのいくらかを方向付け、前記ノズルが下方向に向けられている間、他の流体パルスを方向付けるステップを含む、態様12に記載の方法。
(態様16)
複数の流体パルスを方向付けるステップは、第1の列および第2の列に配置された複数のオリフィスを通じて複数の流体パルスを方向付けるステップを含み、前記方法はさらに、前記第1の列におけるノズルのオリフィスを作動状態にする一方で前記第2の列におけるノズルのオリフィスを非作動状態にするステップと、前記第2の列におけるノズルのオリフィスを作動状態にする一方で前記第1の列におけるノズルのオリフィスを非作動状態にするステップとを含む、態様12に記載の方法。
Claims (7)
- 航空機システムであって、
第1および第2の対向する流れ面と先端部とを有するエーロフォイルと、
前記エーロフォイルによって担持される渦消散装置とを含み、前記渦消散装置は、
流体を前記先端部から外に方向付けるよう位置決めされた流体流れオリフィスと、
前記流体流れオリフィスに作動的に結合されたアクチュエータとを含み、前記アクチュエータは、流れが前記先端部から外に方向付けられる態様を変えるよう位置決めされ、前記渦消散装置はさらに、
前記アクチュエータの動作を指示するよう前記アクチュエータに作動的に結合されたコントローラを含み、
該オリフィスは第1と第2のオリフィスを含み、該アクチュエータは同時に第1のオリフィスから空気を排出し第2のオリフィスへと空気を吸い込む及びその逆をするように構成されたことを特徴とする、航空機システム。 - 航空機システムであって、
第1および第2の対向する流れ面と先端部とを有するエーロフォイルと、
前記エーロフォイルによって担持される渦消散装置とを含み、前記渦消散装置は、
流体を前記先端部から外に方向付けるよう位置決めされた流体流れオリフィスと、前記流体流れオリフィスに作動的に結合されたアクチュエータとを含み、前記アクチュエータは、流れが前記先端部から外に方向付けられる態様を変えるよう位置決めされ、前記渦消散装置はさらに、
前記アクチュエータの動作を指示するよう前記アクチュエータに作動的に結合されたコントローラを含み、
該コントローラは前記オリフィスを通じて流れのパルスを送出するよう前記アクチュエータに指示するようプログラムされ、あるパルスサイクルの一位相中に前記オリフィスから出る空気の量が次のサイクルの位相中に該オリフィスに入る空気の量と等しいことを特徴とする、
航空機システム。 - 前記アクチュエータは、前記オリフィスと流体連通し、かつ前記オリフィスを通って相対する方向に前後に流体を動かすよう位置決めされた面を含む、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記アクチュエータは、ドライバに結合され前後に移動可能なピストンを含み、該ピストンは該オリフィスと流体流通する面を有する、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記アクチュエータは偏向可能なダイヤフラムを含む、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記アクチュエータは回転可能なベーンを含み、該ベーンは該ベーンを回転可能に揺動するように構成されるドライバに連結された、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のシステム。
- エーロフォイルシステムを作動させるための方法であって、
空気中にエーロフォイルを通らせつつ前記エーロフォイルで揚力を発生させることによって翼先端部の渦を発生させるステップと、
複数の流体パルスを前記エーロフォイルの先端部から外に方向付けることによって、前記渦を少なくとも部分的に消散させるステップとを含み、
複数の流体パルスを方向付けるステップは、第1の列および第2の列に配置された複数のオリフィスを通じて複数の流体パルスを方向付けるステップを含み、前記方法はさらに、前記第1の列におけるノズルのオリフィスを作動状態にする一方で前記第2の列におけるノズルのオリフィスを非作動状態にするステップと、前記第2の列におけるノズルのオリフィスを作動状態にする一方で前記第1の列におけるノズルのオリフィスを非作動状態にするステップとを含む、方法。
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