JP5758161B2 - ジェットエンジン及びジェットエンジンの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジン及びジェットエンジンの制御方法に関する。

飛しょう体には、推進力を発生させるため、ジェットエンジンが搭載されることがある。高速飛行中に運用されるジェットエンジンとして、スクラムジェットエンジンが知られている。

図１は、スクラムジェットエンジンの一例を概略的に示す断面図である。図１に示されるように、スクラムジェットエンジン１００は、機体１０１との間に空気流路１０４が形成されるように取り付けられたカウル１０２（流路形成部材）、及び燃料供給機構１０３を備えている。空気流路１０４は、前方開口１０５、燃焼部１０７、及び後方開口１０６を備えている。燃料供給機構１０３は、燃焼部１０７に燃料を導入するように構成されている。飛行中において、空気流路１０４には、前方開口１０５を介して、超音速の空気が取り込まれる。取り込まれた空気は、圧縮及び減速され、超音速のまま、燃焼部１０７に導かれる。燃焼部１０７においては、導入された燃料が、超音速の空気により燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、膨張し、加速し、後方開口１０６から噴射される。これによって、機体１０１を推進させる推進力が得られる。

スクラムジェットエンジンに関連する技術が、特許文献１（特開平７−４３１４号公報）に開示されている。特許文献１には、前方開口部、中央空洞部、および後方開口部を連ねた流路を備え、かつ中央空洞部へ水素を噴射する装置を備えたスクラムジェットエンジンにおいて、流路の周囲を構成する部材の一部を可動構造として前方開口部を閉鎖できるようにし、かつ中央空洞部へ酸素を噴射する装置を追加設置したことを特徴とするスクラムジェットエンジンが開示されている。

特開平７−４３１４号公報

ところで、スクラムジェットエンジンでは、熱閉塞現象が発生することがある。図２は、熱閉塞現象が発生した場合のスクラムジェットエンジンの様子を概略的に示す図である。例えば、燃焼部１０７に供給される燃料の量が過多である場合、燃焼部１０７における発熱量が増大する。発熱量の増大により、燃焼部１０７における圧力が異常に高まり、熱閉塞状態が発生する。熱閉塞状態が発生すると、燃焼部１０７への空気の流入が妨げられる。その結果、燃焼部１０７における燃焼状態が、亜音速燃焼状態になり、必要な推進力が得られなくなる。

従って、本発明の課題は、熱閉塞を防止することのできる、スクラムジェットエンジン、及びスクラムジェットエンジンの制御方法を提供することにある。

本発明に係るジェットエンジンは、機体との間に空気流路が形成されるように、前記機体に取り付けられた、空気流路形成部材と、前記空気流路に燃料を導入する、燃料供給機構とを具備する。前記空気流路は、前方開口と、前記前方開口を介して取り込まれた空気により、前記導入された燃料が燃焼する、燃焼部と、前記燃焼部の後方に接続され、前記燃焼により生成した燃焼ガスが噴出される、後方開口とを備える。前記空気流路形成部材には、前記空気流路を外部と連通させる、逃気孔と、前記逃気孔を開閉する、開閉部材とが設けられている。

この発明によれば、開閉部材により逃気孔を開放することにより、燃焼部の圧力を下げることができる。これにより、熱閉塞の発生を防止することができる。

本発明に係るジェットエンジンの制御方法は、機体との間に空気流路が形成されるように、前記機体に取り付けられた、空気流路形成部材と、前記空気流路に燃料を導入する、燃料供給機構とを具備し、前記空気流路は、前方開口と、前記前方開口を介して取り込まれた空気により、前記導入された燃料が燃焼する、燃焼部と、前記燃焼部の後方に接続され、前記燃焼により生成した燃焼ガスが噴出される、後方開口とを備え、前記空気流路形成部材には、前記空気流路を外部と連通させる、逃気孔と、前記逃気孔を開閉する、開閉部材とが設けられているジェットエンジンの制御方法である。この制御方法は、前記燃焼部の状態を検知し、検知結果を示す状態データを生成するステップと、前記状態データに基づいて、前記燃焼部が熱閉塞状態であるか否かを判定し、熱閉塞状態であると判定した場合に、前記逃気孔が開かれるように、前記開閉部材を制御するステップとを具備する。

本発明によれば、熱閉塞を防止することのできる、スクラムジェットエンジン、及びスクラムジェットエンジンの制御方法が提供される。

スクラムジェットエンジンの一例を概略的に示す断面図である。 熱閉塞現象が発生した場合のスクラムジェットエンジンの様子を概略的に示す図である。 第１の実施形態に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 熱閉塞状態が発生する危険性があるときのスクラムジェットエンジンの様子を示す概略図である。 逃気孔が開放されたときのスクラムジェットエンジンの様子を示す概略図である。 熱閉塞状態が発生した場合のスクラムジェットエンジンの状態を示す概略図である。 再始動時におけるスクラムジェットエンジンの状態を示す概略図である。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図３Ａは、本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１を示す概略図である。図３Ａに示されるように、スクラムジェットエンジン１は、飛しょう体の機体２の下部に取り付けられたカウル３（流路形成部材）、燃料供給機構８、制御装置１０、及び状態検知装置１１を備えている。

カウル３は、カウル３と機体２との間に空気流路４が形成されるように、機体２に取り付けられている。空気流路４は、前方開口５、燃焼部７、及び後方開口６を備えている。前方開口５は、空気を取り込む部分である。燃焼部７は、取り込まれた空気により燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる部分である。後方開口６は、燃焼部７で発生した燃焼ガスを噴出する部分である。空気流路４において、燃焼部７の上流側の領域は、下流側に向かって断面積が徐々に小さくなるように形成されている。また、空気流路４において、燃焼部７の下流側の領域は、下流側に向かって断面積が徐々に大きくなるように形成されている。

また、カウル３には、逃気孔１３、及び開閉部材９が設けられている。逃気孔１３は、燃焼部７を外部と連通させるために設けられている。逃気孔１３は、カウル３を貫通している。一方、開閉部材９は、逃気孔１３を開閉する部材である。

燃料供給機構８は、燃焼部７に燃料を供給するために設けられている。燃料供給機構８は、燃焼部７内に配置された図示しない燃焼ノズルを備えている。燃料供給機構８は、その燃焼ノズルを介して、燃焼部７に燃料（例えば、水素及びジェット燃料）を供給する。

状態検知装置１１は、燃焼部７の状態を検知し、検知結果を示す状態データを生成する。検知される燃焼部７の状態としては、例えば、燃焼部７における壁面圧力、及び燃焼部７における温度などが挙げられる。また、燃焼部７にピトー管が設けられている場合には、ピトー圧力が燃焼部７の状態として検知されてもよい。

制御装置１０は、状態データに基づいて、開閉部材９を開閉する機能を有している。制御装置１０は、例えば、コンピュータにより実現され、ＣＰＵが予めＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等に格納された制御プログラムを実行することにより、実現される。

続いて、本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１の制御方法について説明する。

本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１では、前方開口５を介して、空気流路４に超音速の空気が取り込まれる。取り込まれた空気は、燃焼部７の上流側の領域において、圧縮され、超音速状態が維持される範囲で減速され、燃焼部７に導かれる。燃焼部７においては、燃料供給機構８から供給された燃料が、超音速の空気により燃焼し、燃焼ガスが発生する。発生したガスは、燃焼部７の下流側の領域において、膨張し、加速し、後方開口６から噴射される。これにより、機体１を推進させるための推進力が得られる。

ここで、燃料が過多に供給された場合等において、燃焼部７の温度が異常に上昇し、熱閉塞状態が発生することがある。図３Ｂは、熱閉塞状態が発生する危険性があるときのスクラムジェットエンジン１の様子を示す概略図である。過剰な燃料供給などにより、燃焼部７の温度が上昇すると、図３Ｂに示されるように、燃焼部７における圧力が上昇し、燃焼状態が亜音速燃焼状態になる。この場合、制御装置１０が、圧力データに基づいて、熱閉塞状態が発生する危険性がある状態であることを検知する。具体的には、予め、制御装置１０に、熱閉塞状態が発生する危険性がある場合の圧力を示す閾値が設定されている。制御装置１０は、状態検知装置１１から取得した状態データを設定された閾値と比較し、状態データにより示される値が閾値を越えた場合に、熱閉塞状態が発生する危険性があると判定する。尚、機体１が必要とする推進力は、機体１の高度、速度、加速度、及び燃焼部７の温度等に依存する。従って、閾値は、高度、速度、加速度、及び燃焼部７の温度等に対応付けられて設定されていることが好ましい。この場合、制御装置１０は、図示しない高度計、速度計、加速度計、及び温度計などから、それぞれ、高度データ、速度データ、加速度データ、及び温度データを取得する。そして、これら取得したデータに基づいて、対応する閾値を識別し、識別した閾値と状態データとを比較することにより、熱閉塞状態が発生する危険性があるか否かを判定する。

制御装置１０は、熱閉塞状態が発生する危険性があると判定した場合、逃気孔１３が開放されるように、開閉部材９を制御する。図３Ｃは、逃気孔１３が開放されたときのスクラムジェットエンジン１の様子を示す概略図である。図３Ｃに示されるように、逃気孔１３が開放されることにより、燃焼部７から、空気及び燃焼ガスの一部が、逃気孔１３を介して外部へ排出される。これにより、燃焼部７の圧力が低下する。従って、熱閉塞状態の発生が防止される。

その後も、制御装置１０は、状態データを監視し続ける。制御装置１０は、熱閉塞状態が発生する危険性がなくなった時点で、逃気孔１３が閉じられるように、開閉部材９を制御する。これ以降、スクラムジェットエンジン１は、通常状態で動作する。

以上説明したように、本実施形態によれば、逃気孔１３が設けられていることにより、燃焼部７内の空気及び燃焼ガスの一部を逃がすことができ、燃焼部７における圧力を低下させることができる。これにより、スクラムジェットエンジンの作動を継続した状態で、熱閉塞状態を防止することができる。

尚、逃気孔１３は、燃焼部７において熱閉塞状態が発生しやすい部分に接続されていることが好ましく、この観点から、燃焼ノズルの近傍、又は燃焼ノズルよりも下流側に設けられていることが好ましい。

（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、制御装置１０の動作が工夫されている。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

第１の実施形態によれば、燃焼部７の圧力を低下させることができるので、熱閉塞状態の発生を事前に回避することができる。しかしながら、飛行中における外気の外乱などにより、熱閉塞状態が突発的に発生する可能性もある。万が一、熱閉塞状態が発生した場合には、燃料供給機構８による燃料の供給が一時的に止められる。そして、熱閉塞状態が解消された後、燃焼部７において再点火が行なわれ、スクラムジェットエンジン１が再始動する。ここで、再始動時には、十分な量の燃料が燃焼部７に供給される必要がある。しかしながら、燃料が過剰に供給された場合には、温度が異常に上昇し、再び熱閉塞状態が発生してしまう。従って、容易に再始動できることが望まれる。そこで、本実施形態においては、再始動時における動作が工夫されている。

図４Ａは、熱閉塞状態が発生した場合のスクラムジェットエンジン１の状態を示す概略図である。制御装置１０は、状態検知装置１１から送られてくる状態データに基づいて、熱閉塞状態が発生しているか否かを監視する。そして、熱閉塞状態が発生した場合、図４Ａに示されるように、制御装置１０は、燃料の供給が停止されるように、燃料供給機構８の動作を制御する。

その後、制御装置１０は、逃気孔１３が開放されるように、開閉部材９を制御する。制御装置１０は、状態データを監視し、熱閉塞状態が解消されたか否かを判定する。熱閉塞状態が解消された場合、制御装置１０は、再始動を行う。

図４Ｂは、再始動時におけるスクラムジェットエンジン１の状態を示す概略図である。制御装置１０は、燃焼部７に燃料が供給されるように燃料供給機構８を制御するとともに、図示しない点火装置を制御し、点火を行なう。この際、制御装置１０は、逃気孔１３が開放された状態において、燃焼部７に燃料が供給されるように、燃料供給機構８及び開閉部材９を制御する。

ここで、本実施形態によれば、再始動時において逃気孔１３が開放されているため、再始動時において熱閉塞状態が発生することが防止される。そのため、十分な燃料を燃焼部７に供給することが可能になり、確実に再始動を実行することができる。

尚、本実施形態において、逃気孔１３は、燃焼ノズル１２の近傍又は下流側に設けられていることが好ましい。燃焼ノズル１２の近傍又は下流側に逃気孔１３が設けられていることにより、熱閉塞状態が発生する部分における圧力を効果的に下げることができる。但し、逃気孔１３は、燃焼ノズル１２よりも上流側に設けられていてもよい。燃焼ノズル１２よりも上流側に逃気孔１３が設けられている場合、燃焼部７の圧力の増加によって前方開口５から空気を取り込み難くなる状況が回避され、再始動させることが容易になる。

以上、本発明について、第１及び第２の実施形態を用いて説明した。尚、これらの実施形態は互いに独立するものではなく、矛盾のない範囲内で組み合わせて用いることも可能である。

１ スクラムジェットエンジン
２ 機体
３ カウル（空気流路形成部材）
４ 空気流路
５ 前方開口
６ 後方開口
７ 燃焼部
８ 燃料供給機構
９ 開閉部材
１０ 制御装置
１１ 状態検知装置
１２ 燃料ノズル
１３ 逃気孔
１００ スクラムジェットエンジン
１０１ 機体
１０２ カウル（空気流路形成部材）
１０３ 燃料供給機構
１０４ 空気流路
１０５ 前方開口
１０６ 後方開口
１０７ 燃焼部

Claims (7)

1. 空気流路が形成されるように、機体に取り付けられたカウルと、
   前記空気流路に燃料を導入する、燃料供給機構と、
   を具備し、
   前記空気流路は、
   前方開口と、
   前記前方開口を介して取り込まれた空気により、前記導入された燃料が燃焼する、燃焼部と、
   前記燃焼部の後方に接続され、前記燃焼により生成した燃焼ガスが噴出される、後方開口とを備え、
   前記カウルには、
   前記空気流路を外部と連通させ、前記カウルを貫通する逃気孔と、
   前記逃気孔を開放する位置と、前記逃気孔を閉じる位置との間で移動可能な開閉部材とが設けられている
   ジェットエンジン。
2. 請求項１に記載されたジェットエンジンであって、
   更に、
   前記燃焼部の状態を検知し、検知結果を示す状態データを生成する、状態検知装置と、
   前記状態データに基づいて、前記燃焼部において熱閉塞状態が発生する危険性があるか否かを判定し、危険性があると判定した場合に、前記逃気孔が開放されるように、前記開閉部材を制御する、制御装置と、
   を具備する
   ジェットエンジン。
3. 請求項２に記載されたジェットエンジンであって、
   前記状態検知装置は、前記燃焼部における状態として、前記燃焼部における圧力、又は、前記燃焼部における温度を検出する、
   ジェットエンジン。
4. 請求項２または３に記載されたジェットエンジンであって、
   前記燃料供給機構は、前記燃焼部に前記燃料を噴出する燃料ノズルを備えており、
   前記逃気孔は、前記燃料ノズルの近傍又は下流側に設けられている
   ジェットエンジン。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載されたジェットエンジンであって、
   前記燃焼部において燃焼が停止した場合、前記制御装置は、前記逃気孔が開放された状態で前記燃焼部に前記燃料が供給されるように、前記開閉部材及び前記燃料供給機構の動作を制御し、再始動を行う
   ジェットエンジン。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載されたジェットエンジンであって、
   前記空気流路は、前記燃焼部において超音速の空気が燃焼するように、構成されている
   ジェットエンジン。
7. 機体との間に空気流路が形成されるように、前記機体に取り付けられたカウルと、
   前記空気流路に燃料を導入する、燃料供給機構と、
   を具備し、
   前記空気流路は、
   前方開口と、
   前記前方開口を介して取り込まれた空気により、前記導入された燃料が燃焼する、燃焼部と、
   前記燃焼部の後方に接続され、前記燃焼により生成した燃焼ガスが噴出される、後方開口とを備え、
   前記カウルには、
   前記空気流路を外部と連通させ、前記カウルを貫通する逃気孔と、
   前記逃気孔を開放する位置と、前記逃気孔を閉じる位置との間で移動可能な開閉部材とが設けられている
   ジェットエンジンの制御方法であって、
   前記燃焼部の状態を検知し、検知結果を示す状態データを生成するステップと、
   前記状態データに基づいて、前記燃焼部において熱閉塞状態が発生する危険性があるか否かを判定し、危険性があると判定した場合に、前記逃気孔が開放されるように、前記開閉部材を制御するステップと、
   を具備する
   ジェットエンジンの制御方法。
   

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