JP5255903B2 - 空中移動プラットフォームの飛行を制御する方法および物体の表面上の境界層流に影響を及ぼすためのプラズマアクチュエータ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、一般的主題において、２００７年５月２５日に本願と同時出願された米国出願連続番号第１１／７５３，８５７号（ボーイング社事件０７−０４５６号、ＨＤＰ事件７７８４−００１０５９号）および米国出願連続番号第１１／７５３，８６９号（ボーイング社事件０７−０４５５号、ＨＤＰ事件７７８４−００１０６０号）に関連する。

この開示は、一般的主題において、４／１２／０６に出願されてボーイング会社に譲受された米国出願連続番号第１１／４０３，２５２にも関連する。

前述の出願はすべて、引用によって本願明細書の本開示に援用される。
分野
本開示は流れ制御システムに関し、より特定的には、プラズマ流れ制御システム、および、移動プラットフォームまたは対象物の表面からの境界層流の剥離防止を助けるため、あるいはその表面からの境界層流の剥離を引起すために選択的に制御可能な方法に関する。

背景
この章における説明は、本開示に関連する背景情報を与えるのみであって、先行技術を構成するものではない。

空力学的に効率よくするために、航空機および兵器（飛行体）などの空中移動プラットフォームは典型的には高度に統合された構成でなければならない。これらの構成は、典型的には十分な性能および有効搭載量と十分な安定性および制御特性とを組合せる必要がある。この目的を達成するために、飛行体構成は、効率的、効果的、かつ堅牢な制御エフェクタ機器を有しなければならない。飛行体を空力学的にさらに効率的にするために従来の操縦面を取除くことにより、飛行体の安定性および制御において独特の難問がもたらされる。

無尾翼かつ／またはヒンジレスの飛行体を用いた以前の研究では、機体制御、特に機体の方向制御を与えるのが特に困難であることが証明されている。ヒンジレスの、または無尾翼の制御に関する特定の問題は、典型的には約０−４度の範囲である小さい迎え角から適度な迎え角における方向制御の発生である。現在では、小さい迎え角から適度な迎え角における飛行体の方向制御発生のために用いられるほとんどの空力学的な方法は、垂直尾翼の使用または操縦面の偏向を含む。垂直尾翼が取除かれると、あるとしても、小さい迎え角から適度な迎え角における方向制御を与えることが先行する解決策の限界となる。

重量もまた、移動プラットフォーム、特に航空機などの空中移動プラットフォームの多くの形状における重要な考慮要素である。現代の空力操縦システムは、典型的には、翼の後縁の上などの移動プラットフォームの表面上の境界層流を変えるために偏向される、ヒンジ留めされたパネルを採用している。認識されるように、ヒンジおよびそれらを採用するために必要な関連するリンク機構ならびに水力または電気機械式アクチュエータは、航空機に相当な重量を加えかねず、それによって所与の飛行もしくは特命飛行に必要な燃料を増加させ、または航空機全体の有効搭載量を減じる。

概要
本開示は、移動プラットフォーム、特にジェット機などの高速空中移動プラットフォームに用いるプラズマアクチュエータシステムおよび方法に関する。プラズマアクチュエータシステムは、移動プラットフォームの表面上の境界層流を制御するのに有用な流れ制御装置を形成する。

１つの実現例では、移動プラットフォームの飛行制御のための方法が与えられる。この方法は、プラズマアクチュエータを移動プラットフォームの表面上の境界層流の経路にあるようにこの表面上に配置することを含む。プラズマアクチュエータは、表面に向かって境界層を引き寄せ、かつ表面に対して境界層流を維持する態様でプラズマアクチュエータが境界層流に影響を及ぼすような第１の動作構成をとるように制御される。アクチュエータはまた、表面からの境界層流の剥離を引起す態様でプラズマアクチュエータが境界層流に影響を及ぼすような第２の動作構成をとるよう制御されてもよい。

ある具体的な実現例では、プラズマアクチュエータの配置は、境界層の流れの方向に沿って離間した第１および第３の電極を有するプラズマアクチュエータを配置することを含む。第３の電極は第１および第２の電極の中間に配置され、かつ第１および第２の電極が配置される面から横方向にずれた面内にある。第３の電極と第１および第２の電極との間に誘電材料が配置される。

１つの実施例では、空中移動プラットフォームの飛行制御のためのシステムが開示される。このシステムは移動プラットフォームの表面に隣接して配置されたプラズマアクチュエータと、プラズマアクチュエータを電気的に励起するためのＡＣ電圧源とを含む。プラズマアクチュエータは、表面上の境界層流の経路にあるように移動プラットフォームの表面に隣接して配置された第１の電極と、境界層の流れの方向に対して第１の電極の下流の表面に隣接して配置された第２の電極とを有する。第３の電極は誘電体層によって第１および第２の電極から分離され、第１および第２の電極の間、かつ第１および第２の電極から横方向にずれた面内に配置される。コントローラは、ＡＣ電圧源から電極へのＡＣ電圧の印加を下記のうち少なくとも１つに制御する：
表面上の境界層流の剥離を遅延させる第１および第３の電極間の空気のイオン化を引起すために第１および第３の電極にわたってＡＣ電圧を加えること；および
表面上の境界層流の剥離を引起す第２および第３の電極間の空気のイオン化を引起すために第２および第３の電極にわたってＡＣ電圧を加えること、である。

１つの実施例では、このシステムおよび方法は、対象物の表面からの境界層流の剥離を選択的に防ぐとともに、境界層流の剥離を引起すことができる、プラズマアクチュエータを形成する。

本願明細書に記載される図面は例示目的のみであって、いかなる意味でも本開示の範囲を制限するようには意図されない。

詳細な説明
以下の説明は、現存している例示であり、本開示、用途または使用を限定するようには意図されない。

図１を参照して、複数のプラズマアクチュエータ１０を組込んだ、この例では航空機１
２である移動プラットフォームが示される。この例において、プラズマアクチュエータ１０は、航空機１２の翼１４ａおよび１４ｂのそれぞれ前縁１６ａ、１６ｂに隣接して配置されている。しかしながら、プラズマアクチュエータ１０は、ヒンジ留めされた、または可動のパネルを必要とすることなく移動プラットフォームの方向制御または姿勢制御の効果を生じることが望ましいような、いかなる形状の移動プラットフォームにも事実上用いられ得ることが認識される。他の可能な用途としては、無人機、ミサイル、回転翼機、高速陸上車、およびさらに高速艦船をも含み得る。さらに、プラズマアクチュエータ１０は航空機１２の翼１４ａ、１４ｂの上に示されているが、これらは、胴体に沿って、水平安定板上、垂直尾翼、ボートテールなど、または航空機上の境界層流に影響を及ぼすことが望ましいようないかなる他の位置にも全く同様に容易に採用され得る。

実際には多くの場合、図１に示されるように、境界層の上の制御が必要な表面に沿って複数のプラズマアクチュエータ１０を含むことが望ましい。隣接したプラズマアクチュエータ１０間の間隔、アクチュエータの寸法、およびアクチュエータの具体的な数は、具体的な用途の必要性によって決定される。

図２を参照して、プラズマアクチュエータ１０の１つが側面断面図で示される。各プラズマアクチュエータ１０は、第１の電極１８、第２の電極２０、および第３の電極２２を含む。第２の電極２０は第１の電極１８から離間されている。電極１８および２０は、電極１８および２０のそれぞれの上面１８ａおよび２０ａが表面２４と概して同じ高さにあり、かつ互いに共平面上に位置決めされるように、翼１４ａの表面２４にある凹部に埋め込まれて取付けられるのが好ましい。代替的には、表面２４の上に電極１８および２０を取付けることもできる。しかしながら、電極１８および２０を凹部に埋め込んで取付けることは、アクチュエータ１０が実現されている翼１４ａまたは他の表面の本来の空力学的な輪郭を維持し、かつ空力抵抗を減じるのを助ける。

第３の電極２２は、第１の電極１８と第２の電極２０と間で、かつ概して電極１８および２０に長手方向に並んで取付けられるが、電極１８および２０から横方向にずれて（すなわち縦方向に下に）あるように配置される。第３の電極２２のまわりには材料誘電体層２５が与えられ、第３の電極を第１の電極１８および第２の電極２０からそれぞれ分離する。電極１８、２０および２２の各々は、その主な（すなわち長い側の）軸が境界層の流れの方向に直交するよう配列されたほぼ長方形の形状に形成され得る。具体的な用途の必要性に依存して、他の配向も同様に可能である。

実際には、電極１８、２０、２２はいかなる導電材料から形成されてもよい。銅は特に好適な材料の１つである。電極１８、２０、２２は、薄いストリップ、恐らくはシート状ストリップ（foil strip）として形成されてもよく、典型的には約０．００１−０．００５インチ（０．０２５４−０．１２７ｍｍ）のオーダの厚さを有し得る。各電極１８、２０、２２の長さおよび幅は具体的な用途に適合するために異ってもよいが、多くの航空機用途では、各電極の長さおよび幅は、典型的には電極１８および２０の長さについて約１−２０インチ（２．５４ｃｍ−５０．０８ｃｍ）、幅について０．１２−０．２０インチ（３−５ｍｍ）のオーダであり得ることが予想される。埋められた電極２２の幅は典型的には電極２２に使用される電極よりも広く、典型的には、ＡＣ電圧源２６によって供給される動作電圧に依存して約１．０−２．０インチ（２．５４ｃｍ−５．０８ｃｍ）のオーダである。材料誘電体層２５はいかなる適切な誘電材料、たとえばクオーツ、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）誘電材料をも含み得る。セラミックなどの他の誘電材料も使用に適し得、用いられる正確な誘電体は、具体的な用途の必要性によって決定付けられ得る。材料誘電体層２５の一部もまた、第１の電極１８および第２電極２０の間のギャップを満たすために用いられてもよい。第３の電極２２の第１の電極１８および第２電極２０からの縦の間隔は、典型的には約０．００３−０．５０インチ（０．０７
６−１２．７ｍｍ）になるが、同様に具体的な用途の必要性に依存して、これも著しく異なり得る。

図２をさらに参照して、ＡＣ電圧源２６が第３の電極２２に結合され、１対のスイッチ２８および３０を通して第１の電極１８および第２の電極２２にそれぞれ結合される。ＡＣ電圧源２６は、好ましくは約３，０００−２０，０００ボルトの範囲の低電流高圧ＡＣ信号を発生する。ＡＣ電圧源２６の周波数は典型的には１ＫＨｚ−２０ＫＨｚであるが、具体的な用途に適合するよう必要に応じて異なってもよい。ＡＣ電圧源２６からの正確な出力は、アクチュエータ１０が可変の程度の流体流れ制御を与えることができるように、可変であるのが好ましい。

コントローラ３２はスイッチ２８および３０と通信する。スイッチ２８、３０は、ＡＣ電圧源２６によって発生した電圧を扱うのに好適な半導体スイッチ装置であってもよく、または他のいかなる適切な形状のスイッチ装置をも含んでもよい。以下のパラグラフに一層詳細に記載されるように、要素１８、２０、２２、２５、２６、２８、３０および３２は、表面２４からの境界層の剥離を選択的に引起すかまたは抑制することができる「デュアルモード」プラズマアクチュエータ装置を有効に形成する。コントローラ３２はＡＣ電圧源２６からの正確な出力を制御するためにも用いられ得る。１つの実現例では、コントローラ３２は、電極対１８、２２および２０、２２にわたって与えられるＡＣ電圧パルスを発生するようスイッチ２８および３０を制御するために用いられてもよく、負荷サイクルは約１０％−１００％である。電極対１８、２２および２０、２２にパルスＡＣ信号を与えることは、結果としてアクチュエータ１０の電力効率および全体的な有効性の増大を生じ得る。

図２および図３をさらに参照して、プラズマアクチュエータ１０の動作が記載される。図２では、表面２４からの境界層流の剥離を防ぐことが望まれるときにコントローラ３２はスイッチ２８が励起される（すなわち閉じる）ようにし、スイッチ３０が開くようにする。これは、結果としてＡＣ電圧源２６からの高いＡＣ電圧が電極１８および２２にわたって与えられることを生じる。高圧により、電極１８と２２との間隔の近辺の空気がイオン化される。イオン化は、典型的には約３，０００ボルトのＡＣ電圧が電極１８および２２にわたって加えられると生じる。生成される電界はイオン化された空気に作用して荷電粒子を加速し、それは中性の境界層空気分子と衝突して「壁面噴流（wall jet）」を形成する。電界の強さは与えられるＡＣ電圧の大きさに正比例する。より特定的には、電界は、表面２４の極めて近くの流体流量（すなわち壁面噴流）を誘導する役目をするイオン化された空気上の物体力衝撃を誘導する。この誘導流体流は矢印３４によって表示される。誘導流体流３４は、表面２４の近くの境界層の流体の運動量の増加を引起す。結果として生じる誘導流体流は第１の電極１８から第３の電極２２に向かう。誘導流体流３４は表面２４からの境界層の剥離を防ぎ、または少なくとも著しく遅延させるよう機能する。このように図２は、アクチュエータ１０の「付着流モード」または「第１の動作構成」として見ることができるものを示す。

図３を参照して、表面２４からの境界層の剥離を引起すことが望まれるとき、コントローラ３２はスイッチ３０を励起し（すなわち閉じ）、スイッチ２８を開く。これによりさらに第２の電極２０と第３の電極２２との間の領域の空気がイオン化されるが、矢印３６によって表される誘導流体流は、誘導流体流３４のほぼ反対方向にある。誘導流体流３６は、表面２４からの境界層の剥離を引起す役目をする。したがって、各プラズマアクチュエータ１０の電極対１８、２２または２０、２２を制御するだけでＡＣ電圧が互いの間に加えられ、境界層流が必要に応じて影響を受けることができる。可変のＡＣ電圧が与えられると、次に電界の強さと、そのために電極１８および２２が境界層流に影響を及ぼす程度とを変えることができる。図３は、アクチュエータ１０の「剥離流モード」または「第
２の動作構成」として見ることができるものを示す。

プラズマアクチュエータ１０は、翼１４ａおよび１４ｂの上のアクチュエータ１０を異なる態様で制御することにより、たとえば小さい迎え角における方向制御の目的のために用いられ得る。たとえば、流れの剥離を誘導するために翼１４ｂの上のアクチュエータ１０を制御する一方で、たとえば流れの剥離を防ぐという効力が達成されるように翼１４ａの上のプラズマアクチュエータ１０を制御することによって、航空機１２の方向制御を達成することができる。方向制御は、翼１４ａおよび１４ｂの上のプラズマアクチュエータ１０の協働する効果によって生成される差分抗力（differencial drag）および、各翼１４ａおよび１４ｂの中心線のまわりの各翼端で生じるモーメントアームに起因する。

上記は明らかに、プラズマアクチュエータ１０が航空機１２でいかに実現され得るかを示す一例にすぎない。プラズマアクチュエータ１０は、この代りに航空機またはミサイルの胴体に差分横力（differencial side force）を発生し、したがってヨーイングモーメントを生じるために用いられてもよい。代替的には、ロールモーメントを誘導するために翼１４ａおよび１４ｂで差分揚力（differential lift）を生じてもよい。

従来の機械的／油圧式駆動制御エフェクタをなくすか減らすことにより航空機の重量を著しく減らすことができ、したがって、所与の航空機についてミッション飛行時間または範囲を増大することができる。本願明細書に記載されたプラズマアクチュエータ１０ならびに関連するシステムおよび方法論は、前縁または後縁フラップ、補助翼、全可動尾翼表面およびボルテックススジェネレータなどの従来的な制御エフェクタを置換するよう用いられることができ、そのような要素に関連付けられる重量および抗力を減じる。

さまざまな実施例が記載されたが、当業者はこの開示から逸脱することなくなされ得る修正または変形を認識するであろう。例はさまざまな実施例を例示し、本開示を制限するようには意図されない。したがって、説明および請求項は、適切な先行技術を考慮して必要な制限のみにより広く解釈されるべきである。

本開示の１つの実施例に従う複数のプラズマアクチュエータを組込んだ移動プラットフォームの平面図であって、航空機の翼の前縁に沿ってプラズマアクチュエータが採用されている。 図１の断面線２−２に従って得られた図１に示されるプラズマアクチュエータの１つの拡大した断面側面図であって、翼の表面上の境界層流の剥離を遅延させるように励起されたアクチュエータを示し、さらにＡＣ電圧源およびアクチュエータを制御するために用いられるコントローラを単純化された形で示す。 図２のプラズマアクチュエータの図であるが、アクチュエータが翼の表面からの境界層流の剥離を引起すよう制御される図である。

符号の説明

１０ プラズマアクチュエータ、１２ 航空機、１８ 第１の電極、２０ 第２の電極、２２ 第３の電極、２４ 表面、２６ ＡＣ電圧源、２８,２９ スイッチ ３２ コントローラ。

Claims (15)

1. 空中移動プラットフォームの飛行を制御する方法であって、
   前記空中移動プラットフォームの表面上の境界層の流れの方向に沿って離間した第１および第２の電極を有するプラズマアクチュエータを前記表面上の境界層流の経路にあるように前記表面に隣接して配置するステップと、
   第３の電極を前記第１および第２の電極の中間、かつ前記第１および第２の電極が配置される面から横方向にずれた面内に配置するステップと、
   前記第３の電極ならびに前記第１および第２の電極の間に誘電材料を配置するステップと、
   前記プラズマアクチュエータが前記表面からの前記境界層流の剥離を遅延させるように前記境界層流に影響を及ぼし、前記表面近くにおいて前記境界層流と同じ方向の第１の誘導流体を生成する第１の動作構成をとるよう、前記プラズマアクチュエータを制御するステップと、
   前記プラズマアクチュエータが前記表面からの前記境界層流の剥離を引起し、前記表面近くにおいて前記境界層流とは反対の方向の第２の誘導流体を生成する第２の動作構成をとるよう、前記プラズマアクチュエータを制御するステップとを含む、方法。
2. 第１の動作構成をとるよう前記プラズマアクチュエータを制御するステップは、
   前記第１および第３の電極にわたって交流（ＡＣ）電圧を与えるＡＣ信号源を用いるステップを含み、前記ＡＣ電圧は、前記第１および第３の電極の近辺の空気のイオン化を引起し、それは前記第１および第３の電極の前記近辺で前記表面からの前記境界層流の剥離を遅延させるよう前記境界層流に作用する衝撃を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 第２の動作構成をとるよう前記プラズマアクチュエータを制御するステップは、
   前記第２および第３の電極にわたって交流（ＡＣ）電圧を与えるＡＣ信号源を用いるステップを含み、前記ＡＣ電圧は、前記第２および第３の電極の近辺の空気のイオン化を引起し、それは前記第２および第３の電極の前記近辺で前記表面からの前記境界層流の剥離を引起すよう前記境界層流に作用する衝撃を形成する、請求項１に記載の方法。
4. 前記交流信号源を用いるステップは、少なくとも約３，０００ボルトの電圧をもたらす交流信号源を用いるステップを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記交流信号源を用いるステップは、約３，０００ボルト−２０，０００ボルトの電圧をもたらす交流信号源を用いるステップを含む、請求項３に記載の方法。
6. プラズマアクチュエータを前記移動プラットフォームの表面に隣接して配置するステップは、プラズマアクチュエータを航空機の翼の前縁に隣接して配置するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 物体の表面上の境界層流に影響を及ぼすためのプラズマアクチュエータであって、前記アクチュエータは、
   前記表面に隣接して配置された第１の電極と、
   前記表面に隣接し、前記境界層流の流れの方向に対して前記第１の電極の下流に配置された第２の電極と、
   前記第１および第２の電極の間に、かつ前記第１および第２の電極から横方向にずれて配置された第３の電極と、前記第３の電極ならびに前記第１および第２の電極の間に配置された誘電材料とを含み、さらに
   前記表面上の前記境界層流の剥離を遅延させ、前記表面近くにおいて前記境界層流と同じ方向の第１の誘導流体を生成するように前記第１および第３の電極間の空気のイオン化を引起すための前記第１および第３の電極と、
   前記表面上の前記境界層流の剥離を引起し、前記表面近くにおいて前記境界層流とは反対の方向の第２の誘導流体を生成するように前記第２および第３の電極間の空気のイオン化を引起すための前記第２および第３の電極とのうち、
   少なくとも１つにわたってＡＣ電圧を与えるためのＡＣ電圧源を含む、プラズマアクチュエータ。
8. 前記第１および第２の電極は、前記境界層流の流れの方向に対して長手方向に互いに並んで配置される、請求項７に記載のプラズマアクチュエータ。
9. 前記第１および第２の電極は共通の面内に配置される、請求項８に記載のプラズマアクチュエータ。
10. 前記第３の電極は材料誘電体層によって前記第１および第２の電極から分離される、請求項９に記載のプラズマアクチュエータ。
11. 第１および第２の電極は両方とも、各々の上面が前記物体の前記表面とおよそ共平面上にあるように配置される、請求項７のプラズマアクチュエータ。
12. 前記ＡＣ電圧源は約３，０００−２０，０００ボルトのＡＣ電圧を発生する、請求項７に記載のプラズマアクチュエータ。
13. 前記ＡＣ電圧源は１ＫＨｚ−２０ＫＨｚの周波数で動作する、請求項７に記載のプラズマアクチュエータ。
14. 前記電極の各々は、長さ方向寸法が前記境界層流の流れ方向と平行に配向された長方形を形成する、請求項７に記載のプラズマアクチュエータ。
15. 前記ＡＣ電圧源と前記電極のうちの前記１つとの間に配置され、前記ＡＣ電圧の前記電極への印加を制御するためのコントローラに反応する、少なくとも１つのスイッチをさらに含む、請求項７に記載のプラズマアクチュエータ。

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