JP5580552B2 - 無人航空機（ｕａｖ）ダクテッドファンのリップ成形 - Google Patents

Description

政府の権利
米国政府は、米国陸軍に授与された契約第Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４条項に準拠して本発明の一定の権利を獲得した。

本発明は、一般にダクテッドファン航空機に関し、より具体的には、ダクテッドファン航空機のダクトリップの形状に関する。

無人航空機（ＵＡＶ）などのダクテッドファン航空機は、ファン翼を駆動するための少なくとも１つのダクテッドファンおよびファンエンジンを有することがある。ダクテッドファン航空機は複数の飛行状況での運転能力があることで知られている。例えば、ダクテッドファン航空機は前方飛行の能力を有し、静止ホバリング空力性能で知られている。

図１は、典型的なダクテッドファン航空機１００の絵画表示図である。ダクテッドファン航空機１００は、空気ダクト１０２内に位置するダクトリップ１０４およびファン１０６を有する空気ダクト１０２を含む。ダクテッドファン航空機は、中央本体１０８を含むことができる。中央本体１０８は、航空機１００の他の構成要素を含む筺体であることができる。中央本体１０８は、航空機１００に動力を供給するエンジンを含むことができる。中央本体１０８は、アビオニクスシステムなど、航空機操作向けの追加の構成要素を含むことができる。

ダクテッドファン航空機１００はまた、推力の方向付けを提供する固定子組立体１１０およびベーン１１２を含むこともできる。固定子組立体１１０およびベーン１１２は、空気ダクト１０２内に位置するファン１０６の下に位置することができる。固定子組立体１１０は空気ダクト１０２内のファン１０６の真下に位置することができて、ファン１０６によって生成された渦およびトルクを減少し、またはなくすことができる。ベーン１１２はファン１０６の下に配置されることもできる。例えば、ベーン１１２は空気ダクト１０２の出口部分１１４のわずかに下に配置可能である。航空機１００は固定式および／または可動式ベーン１１２を含むことができて、航空機１００向け推力の方向付けを実行することができる。

複数の飛行状況で効果的および制御可能であるためには、航空機１００などのダクテッドファン航空機は、複数の飛行状況でダクトリップの周りに汚染物質が少ない付着空気流を有することが好ましい。さらに、ダクテッドファン航空機は効果的で制御可能であるために、好都合な重力中心を有することが好ましい。均一なファン内部への流入速度プロフィールもまた、ダクトファン相互作用の音響的特性を最小にするために望ましい。

加えて、ダクテッドファン航空機は操作時に様々な構成要素を搬送する必要があることがある。例えば、ダクテッドファン航空機は操作中に、制限なく、視角センサ、赤外線センサ、カメラ、無線通信装置、慣性センサユニット、地表面センサユニット、および／またはペイロードを搬送する必要があることがある。ダクテッドファン航空機のサイズが制限されているので、ダクテッドファン内に様々なユニットを貯蔵するために、ユニットはダクテッドファン航空機に取り付けられた外部ポッド内に配置されることがある。これらのポッドは、（ｉ）重力中心の移動を起こし、（ｉｉ）空気取り入れおよび排気を妨害することによりダクト内の空気流特性に負の干渉を生成し、（ｉｉｉ）ＵＡＶが前方飛行中にＵＡＶ上に追加の抗力を生成する。加えて、装置の追加された重量が追加のエンジン容量および貯蔵燃料容量を要求することがある。ダクテッドファン航空機の空力的な要求を維持する一方で外部ポッドの必要を減少させ、またはなくすために、ダクトリップ内の体積を増加させることが有益であることがある。

従って、ダクテッドファン航空機の空力的な要求、重力中心の要求、制御可能性要求、音響的要求、重量要求、抗力要求をやはり満たす一方で、ダクトリップ内の増加した体積を可能にするダクトリップの形状を有するダクテッドファン航空機を提供することが有益であろう。

本発明の開示は、ダクトリップ形状を有するダクテッドファン航空機およびダクテッドファン航空機のダクトリップを成形する方法を記載する。ダクテッドファン航空機は、ダクトリップおよび周囲を有する空気ダクトを備える。ダクトリップは、内側ダクトリップ部分および外側ダクトリップ部分を有する。内側ダクトリップ部分の形状が空気ダクトの周囲の周りに実質的に連続する湾曲であり、外側ダクトリップ部分の形状もまた、空気ダクトの周囲の周りに実質的に連続する湾曲である。ダクトの周囲の周りの複数の横断面の少なくともいくつかが異なる形状を有する。さらに、各横断面がａ／ｂ比率を有し、ダクトの各横断面のａ／ｂ比率が実質的に同じである。

空気ダクトは、角の周りに外側のバルジを有する正方形のダクトであることができる。さらに、空気ダクトは爪型であることができ、その結果、ダクトリップは複数の頂点および複数の谷を有する。この種のダクトリップ形状は、少ないひずみおよび低減された抗力によって、ダクテッドファン航空機の空力的要求を満たす。説明されたダクトリップの形状は様々な流れの状況で良好な付着流を提供し、ファン面で実質的に均一な速度および圧力を保ち、一方、貯蔵に役立つためにダクトリップの幾何形状の変形を可能にする。

ダクテッドファン航空機のダクトリップを成形する方法もまた記載される。周囲およびダクトの周囲の周りに複数の横断面を有するダクトが形成されることができる。複数の横断面の少なくともいくつかが異なる形状を有するように、ダクトリップを有するダクトを設計することができる。さらに、各横断面のａ／ｂ比率が実質的に同じであり、ダクトリップが実質的に連続する湾曲であるようにダクトリップの形状を設計することができる。

これらのならびに他の態様および利点が、以下の詳細な説明を添付の図面を必要に応じて参照して読むことによって当業者にとって明白になるであろう。さらに、この概要は例示にすぎず、特許請求された本発明の範囲を制限するように意図するものではないことを理解されたい。

現在好ましい実施形態が添付の図面に関連して以下に記載され、様々な図面の中で同じ参照番号は同じ要素を指す。

ダクテッドファン航空機の絵画表示図である。 一実施例による、ダクトリップ形状を有する空気ダクトの上面図の絵画表示図である。 一実施例による、ダクトリップ形状を有する空気ダクトの透視図の絵画表示図である。 一実施例による、ダクトリップ形状を有する空気ダクトの側面図の絵画表示図である。 図２ａ〜２ｃに図示された空気ダクトの広い横断面および狭い横断面のグラフである。 一実施例による、ダクトリップ形状を有する空気ダクトの透視図の絵画表示図である。 図３ａに図示された空気ダクトの広い横断面および狭い横断面のグラフである。 一実施例による、ダクテッドファン航空機のダクトリップを成形する方法を図示する流れ図である。

ダクテッドファン航空機は、その優れた静止空力ホバリング性能、３次元の精密な位置保持、低速飛行、精密な垂直離陸および着陸（「ＶＴＯＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅ−ｏｆｆ ａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ」）ならびに安全な近距離運航で知られている。ダクテッドファン航空機は、自律的に操作を実行するように前もってプログラムされることができ、または人間の操縦者によって制御されうる。従って、ダクテッドファン航空機は、無人航空機（「ＵＡＶ」）であることができる。

ＵＡＶは、ＵＡＶの飛行および操作を制御するための、搭載されたアビオニクス機材を有することができる。例えば、アビオニクスは方向、飛行、安定性補償、および他の飛行制御の態様を制御することができる。加えて、ＵＡＶは、ＵＡＶが果たすように割り当てられた任務に合わせて調整された様々な搭載機材を搬送することができる。ＵＡＶは、環境についての情報を得るための搭載センサを搬送することができ、またはＵＡＶは、目標位置で降ろされるペイロードを搬送することができる。ＵＡＶを駆動するＵＡＶエンジンは、燃料がＵＡＶに搭載されて搬送されることを要求する。アビオニクス機材、センサ、ペイロードおよび燃料は、ＵＡＶに貯蔵されることができる。

上記に考察したように、複数の飛行状況で効果的および制御可能であるためには、ダクテッドファン航空機は、複数の飛行状況でダクトリップの周りに汚染物質が少ない付着空気流を有することが好ましい。さらに、ダクテッドファン航空機は効果的で制御可能であるために、好都合な重力中心を有することが好ましい。均一なファン内部への流入速度プロフィールもまた、ダクトファン相互作用の音響的特性を最小にするために望ましい。

本発明は、有効なダクトリップの形状を有するダクテッドファン航空機、およびダクテッドファン航空機のダクトリップを成形する方法を記載する。この方法およびシステムは、ダクテッドファン航空機の空力的な要求、重力中心の要求、制御可能性要求、音響的要求、重量要求、抗力要求をやはり満たす一方で、ダクトリップ内の増加した体積を提供する。ダクトリップの形状は、ダクテッドファン航空機の空力的な要求、重力中心の要求、制御可能性要求、音響的要求、重量要求、抗力要求を維持するために注意深く制御される。さらに、好ましい実施形態によりダクトリップを成形することは、ダクトの周囲に沿って間隔を置いてダクトの内壁と外壁との間により大きな領域を生成することにより、ダクト内に追加の貯蔵庫を提供する様々なダクト設計につながり、および／またはその様々なダクト設計に組み込まれることができる。

好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有するダクトは、図２ａ〜２ｄを参照して説明されることができる。図２ａ〜２ｃは、好ましい実施形態による空気ダクト２００の絵画表示図である。ダクト２００は、図１に図示されたダクテッドファン航空機１００などのダクテッドファン航空機向けダクトであることができる。具体的には、図２ａは好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有する空気ダクト２００の上面図の絵画表示図である。図２ｂは、好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有する空気ダクト２００の斜視図の絵画表示図である。図２ｃは、好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有する空気ダクト２００の側面図の絵画表示図である。さらに、図２ｄは、図２ａ〜２ｃに図示された空気ダクト２００の広い横断面および狭い横断面のグラフである。

図２ａ〜２ｃに図示されるように、ダクト２００はダクトリップ２０２を有する。ダクトリップ２０２は、内側ダクトリップ部分２０４および外側ダクトリップ部分２０６を備える。ダクトの横断面は、ダクトの中心線から半径方向に出る平面から取られることができる。ダクト２００は、ダクトの周囲の周りの複数の横断面を有する。例えば、横断面はＮ−Ｎによって図示された線で取られることができ、それはダクトの狭い部分での横断面である。さらに、横断面はまた、Ｗ−Ｗによって図示された線で取られることもでき、それはダクト２００の広い部分での横断面である。さらに、横断面は周囲に沿った任意の他の点で取られることもできる。

各ダクト横断面はダクトリップのハイライト位置２０８および最大半径方向距離の位置２１０を含む。さらに、ダクト２００は、首部が位置する位置２１２を有する。この首部はダクトリップが終わり、ファン覆い２１１が始まる位置である。ファン覆い２１１はファンが位置するダクテッドファンの部分である。横断面ならびに位置２０８、２１０、および２１２は図２ｄに関連してさらに説明されることができる。図２ｄはダクトの２つの横断面を図示する。具体的には、図２ｄは、図２ａの線Ｎ−Ｎに沿って取られた狭い横断面２１６および図２ａの線Ｗ−Ｗに沿って取られた広い横断面２１８を図示する。図２ｄでは、Ｘ軸がダクトの軸方向の高さを示し、Ｙ軸はダクト中心からのダクトの半径長を示す。これらの横断面に関連する値は、好ましい実施形態による実施例にすぎないことが理解されるべきである。具体的な値は、所望のダクトサイズ、所望の空力的特性および他の追加の設計パラメータにより変動することがある。

ダクトリップのハイライト位置２０８は軸方向でダクトリップ２０２の最前先端部である。狭い横断面２１６のダクトリップのハイライト位置は図２ｄの２０８ｎで示され、広い横断面２１８のダクトリップのハイライト位置は図２ｄの２０８ｗで示される。この種の表記法は、狭い横断面２１６向けと広い横断面２１８向けのある位置を区別するために図２ｄの他の位置で使用される。ダクトリップのハイライト位置２０８で、ダクトの湾曲は半径方向に出る線に接する。言い換えれば、ダクトリップのハイライト位置は、ダクトリップが半径方向に接する位置である。最大半径方向距離の位置２１０は、横断面の最大半径方向の厚さの点である。位置２１２は、内側ダクトリップ部分２０４が終わり、ファン覆いが始まる空気ダクト２００の首部の位置である。

内側ダクトリップ部分２０４は、ダクトリップのハイライト位置２０８から首部位置２１２まで達するダクトリップの部分である。内側ダクトリップ部分２０４の形状は、位置２０８と２１２との間の曲線によって画定される。外側ダクトリップ部分２０６は、ダクトリップのハイライト位置２０８から最大の半径方向厚さの位置２１０まで達する。図２ｄに示すように、位置２１０ｗは位置２１０ｎよりも大きな半径方向の厚さを有する。外側ダクトリップ部分２０６の形状は位置２０８と２１０との間の曲線によって画定される。

ダクト２００の各横断面は、ダクト２００のａ／ｂ比率として画定される特性を有する。ａ／ｂ比率では、ａは、ダクトリップのハイライト位置２０８から首部が位置する位置２１２まで軸方向に達する線２２０によって画定される。さらに、ｂは、首部が位置する位置２１２からダクトリップのハイライト位置２０８まで半径方向に達する線２２２によって画定される。ａ／ｂ比率は、距離ａが距離ｂによって割られるときに得られる比率である。

好ましい実施形態によれば、ａ／ｂ比率は、ダクトの周囲に沿って取られた各横断面内で実質的に同じである。図２ｄに図示されるように、ａおよびｂは狭い横断面２１６および広い横断面２１８に対して同じであるので、広い横断面２１８のａ／ｂ比率は、狭い横断面２１６のａ／ｂ比率に等しい。図２ｄのような好ましい実施形態では、各横断面のａ／ｂ比率は２に等しい。これはａの距離がｂの距離の２倍であることを意味する。他のａ／ｂ比率も同様に可能である。例えば、ａ／ｂ比率は１．５〜３の範囲であることができる。さらに、ダクト２００の各横断面のａ／ｂ比率はまったく同じではないことがありうる。例えば、各横断面の各ａ／ｂ比率が別の割合の範囲であってもよい。この割合は変動可能である。例えば、各横断面のａ／ｂ比率は他の横断面の１０％以内であることができる。

図２ａ〜２ｄに図示された好ましい実施形態では、ハイライトの軸方向の高さは各横断面に対して一定のままである。図２ｄでわかるように、狭い横断面２１６のハイライト位置（すなわち２０８ｎ）は、広い横断面２１８のハイライト位置（すなわち２０８ｗ）と同じである。しかし、最大厚さの位置の半径方向距離は、複数の横断面によって変動することができる。従って、周囲に沿って取られた複数の横断面の少なくともいくつかの形状が異なる形状である。図２ｄに図示されるように、狭い横断面２１６の最大半径方向距離の位置２１０ｎは約７に等しく、広い横断面２１８の最大半径方向距離の位置２１０ｗは約８．２５に等しい。好ましい実施形態では、ダクト２００は、ダクト２００の角に位置する４つの広い横断面を有する。この種の横断面設計は、ダクトの外側の角で複数のバルジを有するダクトにつながる。例えば、この種の横断面設計により、図２ｂに示す正方形型ダクト設計につながる。

図２ｄでは、狭い横断面２１６および広い横断面２１８の両方のダクト尾部縁２３０からのハイライトの軸方向高さは、約５．４０５に等しい。この高さはまた、コードとしても知られている。このコードは、所望のダクトサイズおよび追加の設計パラメータに応じて、より大きい、またはより小さいことがある。

好ましい実施形態では、内側ダクトリップ部分２０４は楕円形に成形されることができる。楕円形状は以下の方程式によって定義されうる：

この場合、ａ／ｂ比率のａは楕円の半長軸を示し、ｂは楕円の半短軸を示す。内側ダクトリップ部分は、楕円の１四分円によって画定される曲線であることができる。しかし、内側ダクトリップ部分２０４曲線は、１四分円より大きいことも小さいこともある。

代替の好ましい実施形態では、内側ダクトリップ部分２０４は超楕円形状である。超楕円形状は以下の方程式によって定義されうる。

好ましい実施形態では、超楕円形状は累乗指数ｎが１．９〜２．５の範囲である上記の方程式によって定義されうる。しかし、累乗指数ｎはダクトの設計パラメータおよびダクトリップでの所望の空気流状況に応じて、より大きい、またはより小さいことがある。例えば、累乗指数ｎは５と同じ大きさであることがある。

外側ダクトリップ部分２０６の形状は、実質的に丸みを帯びていることがある。例えば、外側ダクトリップ部分は円または楕円であることができる。他のなめらかな形状、または実質的に連続する湾曲形状もまた可能である。

好ましい実施形態によれば、内側ダクトリップ部分２０４および外側ダクトリップ部分２０６は実質的に連続する湾曲であることが好ましい。図２ｂに図示されるように、ダクトリップの設計は、ダクトリップの設計パラメータがダクトの周囲の周りになめらかに変動するようになっている。従って、最大ダクトリップ横断面２１８から小さいダクトリップ横断面２１６までなめらかで均一な移行がある。連続する湾曲であるためには、内側ダクトリップ部分２０４および外側ダクトリップ部分２０６は周囲に沿った湾曲内で鋭角を有することができない。むしろダクトリップの部分の湾曲内の変化は、なめらかで漸次に起こるべきである。具体的には、ダクトリップ上で２つの曲線が接合する所与の点で、その先端が湾曲内の連続を表すことがある。従って、位置、接線および所与の点で接合した複数の面の間の湾曲半径は、一致するべきである。もし２つの曲線が所与の点で結合し、結合部を横切るときに結合部で鋭く曲がるように、２つの曲線が存在するならば、面の間の位置および接線は一致するが、２つの曲線の湾曲半径は一致しない。従って、線は位置的および接線方向に連続的であるが、線は連続する湾曲ではない。ダクトリップは、ダクトの周囲全体にわたって実質的な湾曲連続を示すことが好ましい。

実質的に連続する湾曲という言葉は、面の実質的割合が連続する湾曲のままであることを意味し、一方でダクトリップの湾曲連続のわずかな偏差を許容すると理解されるべきである。従って、実質的に連続する湾曲であることは、ダクトリップがダクトリップ上のすべての数学的な各点で湾曲連続を示さねばならないことを要求するのではないことを理解するべきである。湾曲連続は、製造欠陥および／または使用および運搬によるダクテッドファン航空機の通常の摩損により、破壊されうる。例えば、ダクトの内側ダクトリップ部分２０４または外側ダクトリップ部分２０６の表面の小さな部分が、ダクテッドファンの製造工程または使用中に引っ掻かれ、へこまされることがある。このような引っ掻きおよびへこみは、引っ掻きまたはへこみの点で表面の湾曲連続を壊すことがある。さらに、ダクトの部分を埋め、またはダクトの縁を伸ばすためにダクトの周りにフィレットが使用されることができる。フィレットの使用は接線方向の連続点をもたらすが、湾曲連続はもたらさない。従って、いくつかの場合、内側ダクトリップ部分２０４および外側ダクトリップ部分２０６の面全体（すなわち表面の１００％）が連続する湾曲ではないことがあるが、それでも表面は実質的に連続する湾曲のままであることができる。実質的に連続する湾曲であるためには、ダクトの大きな割合が周囲の周りの連続する湾曲であることができる。例えば、もしダクトリップの表面がダクトリップ上の表面位置の９０％上で連続する湾曲であるならば、ダクトリップは実質的に連続する湾曲である。

さらに、図２ｄに図示されるように、横断面の外側リップの鈍さは変動することができる。外側リップの鈍さは以下のように定義されることができる：

Ｙはハイライト位置２０８から最大の半径方向厚さの位置２１０までの半径方向距離に等しく、Ｘはハイライト位置２０８から最大の半径方向厚さの位置２１０までのダクトの軸方向に下方への距離に等しく、Ｒ_Ｈはハイライトの半径に等しい。図２ｄでは、外側リップの鈍さは約０．０５〜０．３５の間で変動する。しかし、外側鈍さの範囲は異なることがある。例えば、外側鈍さは０．２５〜０．４の範囲でありうる。外側リップの鈍さは、所望のダクトサイズ、所望の空力的特性およびダクトの追加の設計パラメータに応じて異なって変動することがあることが理解されるべきである。

実験的分析によれば、ダクトリップ２０２のダクトリップ形状は少ないひずみ、および低減された抗力によってダクテッドファン航空機の空力的要求を満たすことを示した。説明されたダクトリップ２０２の形状は様々な流れ状況で良好な流れ付着をもたらし、およびファン面で速度および圧力を均一に保ち、一方では貯蔵を助けるためにダクトリップの幾何形状の変形を可能にする。ダクト周りの周囲に均一な流れを維持することにより、音響問題を起こすファンの周りの圧力変動を削減する。ダクトの幾何形状の増加した厚さは、ダクト内に貯蔵される機器のための追加の貯蔵空間をもたらす。例えば、追加の貯蔵体積は、制限なく、アビオニクス機材、センサ、ペイロードおよび燃料を貯蔵するために使用されうる。ダクトのコードおよび電気的構成要素のサイズに応じて、外側ダクトリップ部分横断面は、同じリップの高さを維持する一方で、必要に応じて変化されることがある。

図２ａ〜２ｄに図示されたダクトは、任意のダクテッドファンに使用可能である。上述のように、ダクト２００は、ダクテッドファン航空機１００などのダクテッドファン航空機内部に組み込まれることができる。さらに、ダクトは最高に速い速度を有しない従来の航空機内に使用されうる。ダクトは低速で航空機の推力を増加させるであろう。さらに、上述の内側ダクトリップ形状は、機首にファンを有する複合攻撃戦闘ジェット機で使用されうる。他の適用もまた可能である。

別の好ましい実施形態が、図３ａ〜３ｂに図示されている。別の好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有するダクトが、図３ａ〜３ｂを参照することにより説明されうる。具体的には、図３ａは、好ましい実施形態によるダクトリップ形状を有する空気ダクト３００の斜視図の絵画表示図である。図３ｂは、図３ａに図示された空気ダクト３００の広い横断面および狭い横断面のグラフである。

図３ａに図示されるように、ダクト３００はダクトリップ３０２を有する。ダクトリップ３０２は内側ダクトリップ部分３０４および外側ダクトリップ部分３０６を備える。ダクトの横断面はダクトの周囲に沿って取られることができる。例えば、横断面は１−１によって図示された線で取られることができ、それはダクトの広い部分の横断面である。横断面は２−２によって図示された線で取られることもでき、それはダクト３００の狭い部分の横断面である。さらに、横断面は周囲に沿った他の任意の点で取られることができる。従って、ダクト３００はダクトの周囲の周りに複数の横断面を有する。

各ダクト横断面はダクトリップのハイライト位置３０８および最大半径方向距離の位置３１０を含む。さらに、ダクト３００は首部が位置する位置３１２を有する。首部は内側ダクトリップが終わり、ファン覆いが始まるダクテッドファンの位置である。

横断面ならびに位置３０８、３１０、および３１２は図３ｂに関連してさらに説明されることができる。図３ｂはダクトの２つの横断面を図示する。具体的には、図３ｂは、図３ａの線２−２に沿って取られた狭い横断面３１６および図３ａの線１−１に沿って取られた広い横断面３１８を図示する。図３ｂで、Ｘ軸はダクトの軸方向の高さを示し、Ｙ軸はダクトの中心からのダクトの半径長を示す。これらの横断面に関連する値は好ましい実施形態の実施例にすぎないことを理解するべきである。具体的な値は、所望のダクトサイズ、所望の空力的特性および他の設計パラメータによって変動されうる。

図２ａ〜２ｄに関連して説明されたダクトに類似して、ダクトリップのハイライト位置３０８は軸方向でダクトリップ３０２の最前先端部である。狭い横断面３１６のダクトリップのハイライト位置は図３ｂの３０８ｎで示され、広い横断面３１８のダクトリップのハイライト位置は図３ｂの３０８ｗで示される。この種の表記法は、狭い横断面３１６と広い横断面３１８のある位置を区別するために図３ｂの他の位置で使用される。最大半径方向距離の位置３１０は、横断面の最大の半径方向厚さの点である。位置３１２は、空気ダクト３００の首部が始まる位置であり、ダクトリップの内側部分３０４が終わる位置である。

内側ダクトリップ部分３０４は、ダクトリップのハイライト位置３０８から首部位置３１２まで達するダクトリップの部分である。内側ダクトリップ部分３０４の形状は、位置３０８と３１２との間の曲線によって画定される。外側ダクトリップ部分３０６は、ダクトリップのハイライト位置３０８から最大の半径方向厚さの位置３１０まで達する。外側ダクトリップ部分３０６の形状は、位置３０８と３１０との間の曲線によって画定される。

各横断面は、ダクトリップ３０２のａ／ｂ比率として画定される特性を有する。図２ａ〜２ｄに関連して説明されたように、ａ／ｂ比率ではａは、ダクトリップのハイライト位置３０８から首部が位置する位置３１２まで軸方向に達する線によって画定される。さらに、ｂは、首部位置３１２からダクトリップのハイライト位置３０８まで半径方向に達する線によって画定される。

図３ａ〜３ｂでは、ａ／ｂ比率はダクトの周囲に沿って取られた各横断面で実質的に同じである。図３ｂに図示されるように、広い横断面３１８に対するａ／ｂ比率は、狭い横断面３１６に対するａ／ｂ比率に等しい。具体的には広い横断面３１８に対するａはａ_Ｗに等しく、広い横断面に対するｂはｂ_Ｗに等しい。狭い横断面に対しては、ａはａ_ｎに等しく、ｂはｂ_ｎに等しい。わかるように、ａ_Ｗ／ｂ_Ｗはａ_ｎ／ｂ_ｎに等しい。図３ｂでは、各横断面のａ／ｂ比率は２に等しい。図２ｄに図示されたダクト２００とは異なり、ハイライト位置の軸方向の高さは異なる横断面に対して変化する。わかるように、ａ／ｂ比率を各横断面に対して同じに保つためには、ハイライト位置の半径方向距離もまた変化し、ａが大きくなるときｂを大きくする。

図２ｄと同様に、各横断面のａ／ｂ比率はまったく同じではない可能性がある。例えば、各横断面の各ａ／ｂ比率は別の割合の範囲内であることができる。この割合は変動することがある。例えば、各横断面のａ／ｂ比率は他の横断面の１０％以内であることがある。

図３ａ〜３ｂに図示された好ましい実施形態では、ハイライトの軸方向の高さは複数の横断面に対して変動し、最大厚さの位置の半径方向距離は複数の横断面に対して変動することがある。図３ｂに図示されるように、狭い横断面３１６に対してハイライトの軸方向の高さの位置は０（約５．４のコード長に相当する）であり、最大半径方向距離の位置は約７である。広い横断面３１８に対して、ハイライトの位置は約１．７（約７のコード長に相当する）であり、最大半径方向距離の位置は約８．２５である。

ダクトが、広い横断面３１８が周囲に沿って他のそれぞれの広い横断面から約９０度離隔されるような４つの広い横断面、および広い横断面の間の狭い横断面３１６などの狭い横断面を有するように設計されるとき、横断面の設計は図３ａに示された爪型ダクト設計をもたらす。ダクト３００は、ダクトの周囲の全体にわたって、複数の頂点３２０、３２２、３２４、３２６および対応する複数の谷３２１、３２３、３２５、３２７を有する。頂点および谷の数は、設計パラメータおよび所望の空気流状況特性に応じて変動することができる。好ましい実施形態では、ハイライトの軸方向の高さは前方飛行時に頂点によって流れの妨害を低減するために、谷に向かってわずかに偏向することができる。ダクト３００のコード長は約５．４〜６の間で変動する。しかし、コードは所望の設計パラメータに応じてより大きい、またはより小さくなることができる。

図２ａ〜２ｄと同様に、内側ダクトリップは楕円に成形され、または超楕円に成形されることができる。好ましい実施形態では、超楕円形状は、累乗指数ｎが１．５〜２．５の範囲である上記の方程式によって定義される。しかし、累乗指数ｎはダクトの設計パラメータおよびダクトリップでの所望の空気流状況に応じて、より大きい、またはより小さくなることができる。例えば、累乗指数ｎは５と同じ大きさであることができる。さらに、外側ダクトリップ部分３０６の形状は実質的に丸いことがある。例えば、外側ダクトリップ部分は円または楕円でありうる。他のなめらかで実質的に連続する湾曲形状も同様に可能である。

上述のダクト２００に類似して、内側ダクトリップ部分３０４および外側ダクトリップ部分３０６は、実質的に連続する湾曲であることが好ましい。軸方向の高さの変化は実質的になめらかであるべきである（すなわち実質的に連続する湾曲）。

さらに、ダクト３００などのダクトの各横断面は、以下の方程式によって定義された縮小比率を有する：
（Ｒ_Ｈ／Ｒ_Ｔ）^２．
Ｒ_Ｈはハイライトの半径であり、Ｒ_Ｔは首部の半径である。図３ａ〜３ｂに図示された実施形態では、縮小比率は約１．３２〜１．７まで変動する。しかし、縮小比率は所望の設計パラメータに応じて変動することができる。例えば、縮小比率は１．１５〜２の間で変動することができる。他の範囲も同様に可能である。図２ｄを参照すると、ハイライトの半径および首部の半径は各横断面に対して一定であるので、ダクト２００の各横断面の縮小比率は同じである。

より大きい縮小比率は、ダクトリップ上方のより低い最高速度およびより小さい反対圧力勾配に対応し、その結果、より大きな範囲の速度および攻撃角度内でのより安定的な付着流をもたらす。頂点のハイライトと谷のハイライトとの間の軸方向の距離は、表面に沿った周囲の変化の性質と共に、ファン内部に入る渦の軸方向の速度に影響を及ぼすことができる。顕著な相違がダクトの周りの周囲の位置の流れ内で起こるとき、ファン翼上の不安定な、あるいは起こりうる調和的圧力変動による音響的特性の増加が存在する。有利なことに、ダクトの周りの頂点から谷までの横断面の湾曲に漸次変化を生成することにより、この種の変動を低減する。

図３ｂに図示されたように、横断面の外側リップの鈍さは変動することができる。例えば、図３ｂでは外側リップの鈍さは約０．０５〜０．０７の間で変動することができる。しかし、外側の鈍さの範囲は異なることがある。例えば、外側の鈍さは０．０２５から０．０８まで変動することができる。外側リップの鈍さは、所望のダクトサイズ、所望の空力的特性およびダクトの追加の設計パラメータに応じて、異なって変動することができることを理解されるべきである。

実験的分析によれば、ダクトリップ３０２のダクトリップ形状は少ないひずみ、および低減された抗力によってファンおよび航空機の空力的要求を満たすことを示した。説明されたダクトリップ３０２の形状は様々な流れ状況で良好な流れ付着をもたらし、およびファン面で速度および圧力を一定に維持し、一方では貯蔵を助けるためにダクトリップの幾何形状の変形を可能にする。ダクト周りの周囲に均一な流れを維持することにより、音響問題を起こすファンの周りの圧力変動を削減する。ダクトの幾何形状の増加した厚さは、ダクト内に貯蔵される機器のための追加の貯蔵空間をもたらす。例えば、追加の貯蔵空間は、限定しないが、アビオニクス機材、センサ、ペイロードおよび燃料を収納するために使用されうる。

加えて、頂点３２０、３２２、３２４、３２６および谷３２１、３２３、３２５、３２７の設計を調整することは、ダクト３００を利用するダクテッドファン航空機の重力中心を調整するために有益であることがある。安定性のために、ダクテッドファン航空機の重力中心はダクトリップに、またはダクトリップより上にあるべきである。これを達成するために、ダクトリップのハイライトの部分は谷に関して高くされることができる。この爪型ダクトリップにより、内部構成要素がダクトリップ内でより高く配置されることが可能であり、そのことは結果として機体の重力中心を上に移動させる。燃料もまた、重力中心に近づけるためにダクト頂点内部に配置されてもよく、それにより燃料の消費による重力中心の移動が減少する。外側ダクトリップ部分の半径長は、ダクトの内部体積を制御するために、ハイライトの距離が変化するとき、ダクトの周りの周囲で変動することができる。

図３ａ〜３ｂに図示されたダクトは、任意のダクテッドファンに使用可能である。例えば、ダクト３００は、ダクテッドファン航空機１００などのダクテッドファン航空機内部に組み込まれることができる。さらに、ダクトは最高に速い速度を有しない従来の航空機内に使用されうる。ダクトは低速で航空機の推力を増加させるであろう。さらに、上述の内側ダクトリップ形状は、機首にファンを有する複合攻撃戦闘ジェット機で使用されうる。他の適用もまた可能である。

図４は、空気ダクト２００または空気ダクト３００などの空気ダクトのリップを成形するための方法４００を図示する流れ図である。工程は、製造機械および／または人によって実行されることができる。図４に図示された実施例は、ダクテッドファン航空機を建造する製造工程中に実行されることができる。区画４０２で、ダクトリップの複数の横断面の少なくともいくつかが異なる形状を有する、ダクトリップを有するダクトを設計することができる。例えば、図２ａ〜２ｄおよび３ａ〜３ｂに図示されたダクトを設計することができる。区画４０４で、各横断面のａ／ｂ比率が実質的に同じであるようにダクトリップの形状を設計することができる。また、ダクトの周囲の周りのダクトリップ形状が、ダクトリップの形状がダクトリップの周囲の周りに実質的に連続する湾曲であるようにダクトリップの形状を設計することができる。

例示的実施形態は例示にすぎないことを理解されるべきであり、本発明の範囲を限定するように取られるべきではない。特許請求の範囲は、その旨言及されない限り、説明された順序または要素を制限するものとして読まれるべきではない。従って、以下の特許請求の範囲およびその相当物の範囲内および趣旨内になるすべての実施形態は、本発明として請求される。

１００ ダクテッドファン航空機
１０２ 空気ダクト
１０４ ダクトリップ
１０６ ファン
１０８ 中央本体
１１０ 固定子組立体
１１２ ベーン
１１４ 空気ダクト１０２の出口部分
２００ 空気ダクト
２０２ ダクトリップ
２０４ 内側ダクトリップ部分
２０６ 外側ダクトリップ部分
２０８ ダクトリップのハイライト位置
２０８ｎ 狭い横断面２１６のダクトリップのハイライト位置
２０８ｗ 広い横断面２１８のダクトリップのハイライト位置
２１０ 最大半径方向距離
２１０ｎ 狭い横断面２１６の最大の半径方向距離の位置
２１０ｗ 広い横断面２１８の最大の半径方向距離の位置
２１１ ファン覆い
２１２ 首部位置
２１６ 狭い横断面
２１８ 広い横断面
２２０ ハイライト位置２０８から首部位置２１２まで軸方向に達する線
２２２ 首部位置２１２からハイライト位置２０８まで半径方向に達する線
２３０ ダクト尾部縁
３００ ダクト
３０２ ダクトリップ
３０４ 内側ダクトリップ
３０６ 外側ダクトリップ
３０８ ダクトリップのハイライト位置
３０８ｎ 狭い横断面３１６のダクトリップのハイライト位置
３０８ｗ 広い横断面３１８のダクトリップのハイライト位置
３１０ 最大半径方向の厚さの位置
３１２ 首部位置
３１６ 狭い横断面
３１８ 広い横断面
３２０ 頂点
３２１ 谷
３２２ 頂点
３２３ 谷
３２４ 頂点
３２５ 谷
３２６ 頂点
３２７ 谷
４００ 空気ダクトのリップを成形するための方法

Claims (3)

1. ダクトリップを備え、周囲を画定する空気ダクトを備えるダクテッドファン航空機であって、前記ダクトリップが内側ダクトリップ部分および外側ダクトリップ部分を有し、
   前記内側ダクトリップ部分が前記空気ダクトの前記周囲の周りに実質的に連続する湾曲であり、前記外側ダクトリップ部分が前記空気ダクトの前記周囲の周りに実質的に連続する湾曲であり、
   前記周囲に沿った空気ダクトの横断面の各々がａ／ｂ比率を有し、前記横断面の各々は前記空気ダクトの中心線から半径方向に出る平面から取られたものであり、前記ａ／ｂ比率の“ａ”は、前記ダクトリップのハイライト位置から前記空気ダクトの首部位置まで軸方向に延びる第１の線によって画定され、該ａ／ｂ比率の“ｂ”は、前記空気ダクトの首部位置から前記ダクトリップのハイライト位置まで半径方向に延びる第２の線によって画定され、前記首部位置は、前記内側ダクトリップと前記ファン覆いとの間にあり、前記空気ダクトの各横断面の前記ａ／ｂ比率が実質的に同じであり、前記空気ダクトの少なくともいくつかの横断面が異なる形状を有する、ダクテッドファン航空機。
2. 請求項１に記載のダクテッドファン航空機において、前記空気ダクトの各横断面のハイライト位置が軸方向の高さを有し、前記空気ダクトの各横断面は、前記空気ダクトの中心から半径方向距離を有する最大の半径方向厚さ位置を備え、
   前記ハイライト位置の前記軸方向の高さが前記周囲の周りの各横断面で一定であり、
   前記空気ダクトの前記中心から前記最大の半径方向厚さ位置までの前記半径方向距離が前記周囲の周りの前記空気ダクトの少なくともいくつかの横断面の間で異なる、ダクテッドファン航空機。
3. 請求項１に記載のダクテッドファン航空機において、前記空気ダクトの各横断面が軸方向の高さを有するダクトリップのハイライト位置および前記空気ダクトの中心から半径方向距離を有する最大の厚さ位置を備え、
   前記ダクトリップのハイライトの軸方向の高さが前記周囲の周りの複数の横断面によって異なり、
   前記空気ダクトの前記中心から前記最大の厚さ位置までの前記半径方向距離が前記周囲の周りの複数の前記横断面によって異なる、ダクテッドファン航空機。