JP5335618B2 - ダクテッドファン無人航空機用の騒音を抑える支柱支持システム - Google Patents

Description

米国政府は、米国陸軍との政府契約＃Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４（ＴＡＣＯＭ）に従って、本発明の一定の権利を有することができる。

ダクテッドファン無人航空機（ＵＡＶ）では、ダクトと中心体の間に構造的支持をもたらすのに支柱が使用される。ファンによってダクト内に誘導される流れは、いくつかの流れと構造の相互作用の仕組みにより騒音を発生する。ダクテッドファンＵＡＶにおける最も中心的な騒音源の１つは、ファンのロータと相互作用する、支柱により引き起こされる流れ妨害である。支柱により引き起こされる２つの主な流れ妨害は、（１）各支柱の上を流れる空気により生成される伴流、および（２）支柱とダクトの接合部で発生する逆回転渦である。これら２つの騒音源は、ダクテッドファンＵＡＶのステルス特性（ｓｔｅａｌｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）を妨げ、結果的に過度の騒音シグナチャ（ｎｏｉｓｅ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）による航空機（ｖｅｈｉｃｌｅ）の早期の位置特定を招く恐れがある。したがって、ダクテッドファンにより生成される騒音を低減することができれば、ＵＡＶをより軍事的なステルス用途で使用できるようになるであろう。

ダクテッドファンＵＡＶは、航空機の飛行に必要な揚力を発生させるのに、非常に大量のダクト通過空気流を利用する。そのため、ダクトの中央に置かれるファンを保持しかつエンジンを支持する有効な構造的支持がダクト内に必要とされる。したがって、これらの支持支柱の設計および配置は、航空機の構造的完全性だけでなくダクテッドファンの音響および騒音性能にとっても極めて重要である。支柱を実施する従来の手法は、それらをダクト内部に径方向直線構成で配置することである。この構造は、特に、音が大きい。

さらに、超小型航空機（ＭＡＶ）またはクラスＩ航空機（Ｃｌａｓｓ Ｉ ｖｅｈｉｃｌｅ）などのＵＡＶでは、ダクトリップの前または上に重心が集中されなければならない。これには、かなりの重量が航空機のダクトの上に集中され、かつその重量を支持する構造的要素が所定位置にあることが必要である。ＭＡＶにおいて、それらの構造的支持すなわち支柱は、ダクト流の全流量中に配置され、かなりの騒音を発生する。

本明細書に示される発見は、ダクテッドファン無人航空機用の騒音を抑える有益な効果がある支柱支持システムを略述する。
したがって、一態様において、本発明は、ダクテッドファン無人航空機用の騒音を抑える支柱支持システムであって、（ａ）開口を画成するダクテッドファン胴体と、（ｂ）胴体の開口を通って長手方向に延び、（１）エンジン、（２）エンジンに回転可能に取り付けられる駆動機構、および（３）駆動機構上に取り付けられるファンを備える中心体と、（ｃ）ダクテッドファン胴体と中心体の間に延び、曲線状接合部によって互いに接合される第１の脚部および第２の脚部をそれぞれが有する複数の支柱とを備える支柱支持システムを提供する。第１の脚部は、ダクテッドファン胴体に取り付けられ、第２の脚部は、エンジンに取り付けられる。複数の支柱は、ファンの上流に配置され、複数の支柱のそれぞれの第１の脚部とダクテッドファン胴体との間の接合部は、ダクテッドファン胴体の前縁のハイライトの外側にある。

第２の脚部が９０度より大きい角度をなしている、支柱支持システムの側面図である。 第２の脚部が第１の脚部に実質的に垂直である、支柱支持システムの側面図である。 支柱支持システムの上面図である。 図４ａは６０度の前進方向傾斜角を示す支柱支持システムの側面図である。図４ｂは６０度の後退方向傾斜角を示す支柱支持システムの側面図である。

図１〜４に示される一態様において、本発明は、ダクテッドファン無人航空機１２用の騒音を抑える支柱支持システム１０であって、（ａ）開口４２を画成するダクテッドファン胴体１４、（ｂ）胴体１４の開口４２を通って長手方向に延び、（１）エンジン、（２）エンジンに回転可能に取り付けられる駆動機構、（３）駆動機構上に取り付けられるファンを備える中心体１６、（ｃ）ダクテッドファン胴体１４と中心体１６の間に延び曲線状接合部２４によって互いに接合される第１の脚部２０および第２の脚部２２をそれぞれが有する複数の支柱１８、を備える支柱支持システム１０を提供する。第１の脚部２０はダクテッドファン胴体１４に取り付けられ、第２の脚部２２はエンジンに取り付けられる。複数の支柱１８は、ファンの上流に配置され、それぞれの第１の脚部２０とダクテッドファン胴体１４との間の接合部３２は、ダクテッドファン胴体の前縁２８のハイライト２６の外側にある。

本明細書では、ダクテッドファン胴体１４は、当技術分野で既知の任意のタイプのダクテッドファン胴体であり、好ましくは、内径（ＩＤ）が１５２．４ｃｍ（６０インチ）以下である。

本明細書では、エンジンは、当技術分野で既知の任意のタイプのエンジンである。エンジンは、抗力を低減するように、空気力学的形状のカウル３０で覆われる。エンジンの外径（ＯＤ）とダクテッドファン胴体１４のＩＤは、約１：４の比率で設計される。例えば、ダクテッドファン胴体１４のＩＤが８１．２８ｃｍ（３２インチ）の場合、エンジンのＯＤは約２０．３２ｃｍ（約８インチ）である。

本明細書では、駆動機構は、当技術分野で既知の任意のタイプのプロペラ軸である。エンジンは、固定されており、無人航空機１２の飛行に必要な揚力を得ようと、プロペラ軸を高速で駆動し、ひいてはプロペラ軸に取り付けられるファンを駆動する。プロペラ軸のＯＤとダクテッドファン胴体１４のＩＤは、約１：４の比率で設計される。さらに、エンジンのカウル３０のＯＤは、プロペラ軸が外気に曝されるのを防止するように、典型的には、プロペラ軸のＯＤより大きい。別法として、航空機は、プロペラ軸ではなく直接伝動装置または伝動ベルトによって動力が供給され得る。

本明細書では、複数の支柱１８のそれぞれは、単一の成形片からなるのが好ましいが、複数片の支柱を用いることもできる。接合部は支柱システム１０を弱くするので、複数片の支柱の方が好ましくない。複数の支柱１８に好ましい材料はアルミニウムであるが、他の金属、合金またはプラスチックの使用が企図される。

本明細書では、複数の支柱１８のそれぞれの第１の脚部２０は、ダクテッドファン胴体１４に取り付けられ、支柱の曲線状接合部２４と接するまで実質的に一直線に延びる。本明細書では、支柱の曲線状接合部２４は、支柱の第１の脚部２０から第２の脚部２２への滑らかな空気力学的移行をもたらす。曲線状接合部２４は、第１の脚部２０の長手方向軸がもはや直線でないポイントから始まり、第２の脚部２２の直線状の長手方向軸と接するまで延びる。支柱の第２の脚部２２は、曲線状接合部２４から延び、エンジンのカウル３０を貫通し、エンジンのハウジングに付く。別法として、第１の脚部２０と第２の脚部２２が鋭角で接することもできる。ただし、フェアリングがこの鋭角に対応できる曲線状接合部２６を有する支柱を覆うものとする。

本明細書では、複数の支柱１８は、ファンの上流に配置され、それによって支柱の伴流の強さがファン平面で低減され得るようになる。というのも、伴流は下流へ移動すると混合により消失するからである。

本明細書では、ダクテッドファン胴体１４の前縁２８は、ＵＡＶ１２が停止しているときのダクト１４の上面である。ハイライト２６は、前縁２８の最前位置である。複数の支柱１８のそれぞれの第１の脚部２０とダクテッドファン胴体１４との間の接合部３２は、ダクテッドファン胴体の前縁２８のハイライト２６の外側に配置され、それによって支柱とファンの相互作用による騒音がさらになくなる。これは、空気流速度が、前縁２８の湾曲により空気がそこで加速されるダクトの内面３４よりもダクトのハイライト２６の外側の方が低いことによるものである。支柱とダクトの接合部３２における空気流速度がより低いことによって、逆回転渦がより弱くなり、それによって渦が下流のファンと相互に作用するときの騒音がいっそう小さくなる。さらに、支柱とダクトの接合部３２における空気流速度がより低いことによって、複数の支柱１８の下流における伴流がより小さくかつ弱くなり、その結果、伴流が下流のファンと相互に作用するときの騒音がいっそう小さくなる。

一実施形態において、複数の支柱のそれぞれのプロファイルは、空気力学的な形状である。本明細書において、翼型ＮＡＣＡ００２４の支柱プロファイルすなわち断面が好ましい。しかし、翼のプロファイルには多くの変形形態があり、そのうちのどれかを特許請求の範囲に記載される支柱システムに使用することもできる。適切なプロファイルを選択するにあたっての重要考慮事項は、低い抗力と、プロファイルの前縁４０に向かう流れの大きな変動に対する適応能力との折り合いである。

一実施形態において、支柱の前縁４０は、断面において、鋭い角を形成する支柱の後縁３６に比べて角を取って丸みがつけられる。前縁４０は、ＵＡＶから外側に向き、一方、後縁３６はファンおよびエンジンの方に内側に向く。前縁２８および後縁３６は、外向面および内向面の外形の滑らかな線によって相互に接続される。本実施形態において、厚さと翼弦長の比率は、ダクテッドファン胴体１４のハイライト２６から始まりエンジンで終わる支柱の長さに沿って変わらない。この厚さと翼弦長の比率は、翼弦の両側に、厚さが前縁４０に向かって大きくなり後縁３６に向かって徐々に減少する凸形の支柱表面をもたらす。

一実施形態において、複数の支柱１８のそれぞれの第１の脚部２０の長さに沿う後縁３６は、第１の脚部２０が曲線状接合部２４と接するポイントまで、ダクトのハイライト２６の外周の外側にある。これは、支柱の第１の脚部２０がその長さに沿って実質的に垂直であることを意味する。別法として、第１の脚部２０は、支柱の曲線状接合部２４と接するまでハイライト２６を越えて延在しないように第１の脚部２０のエンジン方向への若干の傾きに対応できるように、十分に、ダクトのハイライト２６の外側に移動されてもよい。他の可能性としては、第１の脚部２０が、絶対にハイライト２６を越えて延在しないように、中央体１６（図示せず）から離れるように垂直線から３０度まで傾斜することである。

図２に示される一実施形態において、第１の脚部２０および第２の脚部２２は、実質的に、互いに垂直である。本明細書では、第１の脚部２０は、実質的に、中心体１６の長手方向軸に平行である。

一実施形態において、第１の脚部２０と第２の脚部２２の長さの比率は、第２の脚部２２が第１の脚部２０に実質的に垂直である場合、約１：２である。第１の脚部２０および第２の脚部２２の最終的な長さは、ダクテッドファン胴体のＩＤ寸法によって決まる。例えば、ダクテッドファン胴体１４のＩＤが８１．２８ｃｍ（３２インチ）、エンジンのＯＤが２０．３２ｃｍ（８インチ）の場合、第２の脚部２２の長さは、少なくとも６０．９６ｃｍ（２４インチ）、さらに、確実に第１の脚部２０がダクトハイライト２６の外側になるようにダクト内部からダクト前縁までの距離３８を加えた長さである必要がある。この例では、第１の脚部２０の長さは、第２の脚部２２の長さの約半分になるであろう。

一実施形態において、複数の支柱１８のそれぞれのプロファイルの厚さは、ダクテッドファン胴体１４のハイライト２６付近で最も薄く、エンジン付近で最も大きい。ハイライト付近がより薄い支柱は、支柱の伴流をさらに低減し、ロータ／伴流の相互作用の低減につながり、したがって騒音がより小さくなる。さらに、このやり方で支柱を先細にすることによって、航空機の総重量が低減され得る。

一実施形態において、第２の脚部２２は、０〜６０度の前進傾斜角（ｆｏｒｗａｒｄ ｓｗｅｅｐ）４４を有する。傾斜角が０度ということは、本質的に傾斜角がなく、第２の脚部２２の前縁４０が、ＵＡＶ１２の停止のとき、中心体１６の長手方向軸に実質的に垂直であることを意味する。図４ａに示されるように、前進傾斜角４４の角度が６０度に向かって増大すると、第２の脚部２２のエンジンハウジングへの取り付けポイントがファンにさらに近づく。

一実施形態において、第２の脚部２２は、０〜６０度の後退傾斜角（ａｆｔ ｓｗｅｅｐ）４６を有する。傾斜角が０度ということは、本質的に傾斜角がなく、第２の脚部２２の前縁４０が、ＵＡＶ１２の停止のとき、中心体１６の長手方向軸に実質的に垂直であることを意味する。図４ｂに示されるように、後退傾斜角４６の角度が６０度に向かって増大すると、第２の脚部２２のエンジンハウジングへの取り付けポイントがファンからさらに遠ざかる。

一実施形態において、複数の支柱１８のそれぞれは、０〜２０度の傾きを有する。支柱が中心体から径方向に延びる場合、支柱の傾きは０度である。支柱は、この０度の径方向位置から時計回りまたは反時計回り方向に２０度まで曲がることができる。最終的に、傾きは、音響の考慮事項によって定められる。

一実施形態において、複数の支柱１８のそれぞれは実質的に傾きがない。支柱１８には傾きがない方が好ましい。
本明細書では、支柱支持システム１０に関する全ての上述の説明および実施形態は、他の実施形態と組み合わせることができる。

１０ 支柱支持システム
１２ ダクテッドファン無人航空機
１４ ダクテッドファン胴体
１６ 中心体
１８ 支柱
２０ 第１の脚部
２２ 第２の脚部
２４ 接合部
２６ ハイライト
２８ ダクテッドファン胴体前縁
３０ カウル
３２ 接合部
３４ 内面
３６ 支柱後縁
３８ 距離
４０ 支柱前縁
４２ 開口
４４ 前進傾斜角
４６ 後退傾斜角

Claims (3)

1. ダクテッドファン無人航空機用の騒音を抑える支柱支持システムであって、
   開口を画成するダクテッドファン胴体と、
   前記胴体の前記開口を通って長手方向に延び、エンジン、前記エンジンに回転可能に取り付けられる駆動機構、および前記駆動機構上に取り付けられるファンを備える中心体と、
   前記ダクテッドファン胴体と前記中心体の間に延び、曲線状接合部によって互いに接合される第１の脚部および第２の脚部をそれぞれが有し、前記第１の脚部が前記ダクテッドファン胴体に取り付けられ、前記第２の脚部が前記エンジンに取り付けられる、複数の支柱であって、前記ファンの上流に配置され、前記複数の支柱のそれぞれの前記第１の脚部と前記ダクテッドファン胴体との間の接合部が前記ダクテッドファン胴体の前縁のハイライトの外側にある、複数の支柱と
   を備える、支柱支持システム。
2. 前記複数の支柱のそれぞれの前記第１の脚部の長さに沿う後縁が、前記第１の脚部が前記曲線状接合部と出合うポイントまで、前記ダクテッドファン胴体の前縁のハイライトの周囲の外側にある、請求項１に記載の支柱支持システム。
3. 前記第１の脚部および前記第２の脚部が、実質的に、互いに垂直である、請求項１に記載の支柱支持システム。

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