JP5791323B2 - スクラムジェットエンジン - Google Patents

Description

本発明は、スクラムジェットエンジンに関する。

超音速で飛行する飛しょう体が知られている。飛しょう体には、超音速飛行時における推進装置として、スクラムジェットエンジンが用いられることがある。

図１は、スクラムジェットエンジンの一例を示す概略断面図である。このスクラムジェットエンジン１００は、機体１０１に取り付けられたカウル１０２（流路形成部材）と、燃料供給機構１０４とを備えている。カウル１０２と機体１０１との間には、空気流路１０３が形成されている。燃料供給機構１０４は、空気流路１０３に燃料を噴射する機能を有している。

空気流路１０３には、進行方向前方側から、超音速の空気が取り込まれる。取り込まれた空気は、空気流路１０３の入口付近において、圧縮され、超音速状態が維持される範囲で減速する。圧縮及び減速された空気は、燃料供給機構１０４によって噴射された燃料により、燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、膨張し、加速し、空気流路１０３から後方側へ向かって噴射される。これにより、機体１０１を推進させるための推進力が得られる。

ところで、スクラムジェットエンジン１００では、熱閉塞が発生する場合がある。図２は、熱閉塞が発生した場合におけるスクラムジェットエンジン１００を示す概略図である。例えば、燃料の供給量が過多である場合、燃焼時における発熱量が増大し、空気流路１０３内において熱閉塞が発生する。熱閉塞の発生時には、超音速で流れる空気に対して、燃料の質量及び燃焼による熱が付加され、空気の流速が亜音速にまで低下する。すなわち、燃焼状態が、亜音速燃焼状態になる。その結果、推力が得られなくなる。従って、熱閉塞の発生を防止することが望まれる。

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

熱閉塞を回避するために、空気流路１０３に開き角を設けることが考えられる。図３は、開き角が設けられた空気流路１０３の一例を示す概略図である。図３には、空気流路１０３において燃料が噴射される部分の構成が描かれている。図３に示される例において、空気流路１０３は、その断面積が後方側に向かうほど広くなるように、形成されている。すなわち、空気流路１０３に、開き角（機体１０１の下面とカウル１０２の上面とが成す角度）が設けられている。このような構成を採用することにより、空気の流れが加速され、熱閉塞の発生を回避しやすくなる。しかしながら、開き角の大きさによっては、着火及び保炎が不安定となり、保炎を継続することができない場合がある。

熱閉塞を回避するための他の手法として、燃料の供給量を制限する手法が考えられる。すなわち、燃料供給量を、熱閉塞が発生しないような量に制限することにより、熱閉塞を防止できる。しかしながら、燃料供給量を制限する場合には、エンジンサイズに対して得られる推力が小さくなり、エンジン効率が低下する。

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を提供することにある。

本発明に係るスクラムジェットエンジンは、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、前記空気流路内に燃料を供給する、燃料供給機構とを具備する。前記空気流路は、前方側に設けられた前方開口と、後方側に設けられた後方開口とを接続するように形成されている。前記空気流路は、超音速飛行時に、前記前方開口を介して空気を取り込む、上流領域と、前記上流領域の後方側に接続され、前記燃料が供給され、前記取り込まれた空気が燃焼し、燃焼ガスを生成する、燃料供給領域と、前記燃料供給領域の後方側に接続され、前記後方開口を介して前記燃焼ガスを噴出する、下流領域とを備える。前記燃料供給領域は、前方側に設けられた供給領域前方部分と、後方側に設けられた供給領域後方部分とを備える。前記下流領域は、後方側に向かって断面積が大きくなるように形成されている。前記下流領域における単位長さあたりの断面積の増加量は、前記供給領域前方部分におけるそれよりも、大きい。

上述の発明によれば、下流領域が、後方側に向かって断面積が大きくなるように形成されている。従って、下流領域において、空気流路を流れる超音速の空気を加速させることができ、熱閉塞を回避することができる。一方、供給領域前方部分では、下流領域よりも、断面積の増加量が小さい。燃料供給領域において、空気が流れる速度を抑えることができ、安定して着火及び保炎を行うことができる。また、上述の発明によれば、より大きな燃料の供給量において熱閉塞を回避することができるので、エンジン効率の向上が可能である。

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を提供することができる。

スクラムジェットエンジンの一例を示す概略断面図である。 熱閉塞が発生した場合におけるスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 開き角が設けられた空気流路の一例を示す概略図である。 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。 第１の実施形態の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第１の実施形態の他の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第１の実施形態の他の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第１の実施形態の他の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第１の実施形態の他の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第２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。 第２の実施形態の第１の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第２の実施形態の第２の変形例に係るスクラムジェットエンジンを示す概略図である。 第２の実施形態の第３の変形例に係るスクラムジェットエンジン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４Ａは、本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１１は、図１に示した例と同様に、機体１に取り付けられたカウル２（流路形成部材）、及び燃料供給機構９を備えている。尚、図４Ａにおいては、図１とは異なり、カウル２が上側に描かれており、機体１が下側に描かれている。

図４Ａに示されるように、カウル２と機体１との間には、空気流路３が形成されている。具体的には、機体１は、第１面４を有している。また、カウル２は、第２面５を有している。カウル２は、第２面５で第１面４に面するように、機体１に取り付けられている。空気流路３は、第１面４と第２面５との間に形成されている。

燃料供給機構９は、空気流路３内に燃料（例えば水素及びジェット燃料）を供給するように構成されている。例えば、燃料供給機構９は、空気流路３の壁面に設けられた燃料ノズル（図示せず）を介して、空気流路３に燃料を噴射する。

空気流路３は、進行方向の前方側の端部で前方開口に接続されており、後方側の端部で後方開口に接続されている。空気流路３は、前方側から、上流領域８、燃料供給領域６、及び下流領域７を有している。

上流領域８は、前方開口を介して超音速の空気を取り込み、燃料供給領域６に導く部分である。図４Ａに示されるように、上流領域８は、縮径部８−１、及び接続部８−２を有している。縮径部８−１は、超音速の空気を圧縮し、減速させる部分であり、前方側の端部で前方開口に接続され、後方側の端部で接続部８−２に接続されている。縮径部８−１では、空気流路３の断面積が、後方側に向かうほど小さくなっている。一方、接続部８−２は、縮径部８−１と燃料供給領域６とを接続する部分である。接続部８−２における空気流路３の断面積は、ほぼ一定である。

燃料供給領域６は、燃料供給機構９により燃料が供給される部分である。上流領域８から燃料供給領域６に導入された空気は、供給された燃料により燃焼し、燃焼ガスを生成する。図４Ａに示されるように、燃料供給領域６は、供給領域前方部分６−１と、供給領域後方部分６−２とを有している。機体１の第１面４には、供給領域後方部分６−２において、凹部１０が設けられている。燃料は、燃料供給機構９により、供給領域前方部分６−１のみ、供給領域後方部分６−２のみ、又は、供給領域前方部分６−１及び供給領域後方部分６−２の双方から、燃料供給領域６内に噴射される。

下流領域７は、前方側の端部で燃料供給領域６に接続され、後方側の端部で後方開口に接続されている。この下流領域７においては、空気流路３の断面積が、後方側に向かうほど大きくなっている。具体的には、下流領域７には、開き角が設けられている。すなわち、下流領域７においては、後方側に向かうほど開くように（第１面４と第２面５との間の距離が大きくなるように）、第１面４と第２面５との間に角度が設けられている。図４Ａに示される例では、下流領域７における第２面５は、燃料供給領域６における第２面５と同一平面上に設けられている。一方、下流領域７における第１面４は、燃料供給領域６における第１面４に対して傾斜して伸びている。これにより、空気流路３は、燃料供給領域６と下流領域７との接続部分において、開き始めている。尚、空気流路３は、必ずしも燃料供給領域６と下流領域７との接続部分において開き始めている必要はない。例えば、図４Ｂに示されるように、第１面４の傾斜は、供給領域後方部分６−２の途中（図４Ｂ中、Ａ）から始まっていてもよい。

ここで、下流領域７における単位長さあたりの断面積の増加量は、供給領域前方部分６−１におけるそれよりも、大きい。すなわち、供給領域前方部分６−１における単位長さあたりの断面積の増加量は、０であるか、下流領域７におけるそれよりも小さい。

本実施形態においては、超音速飛行時に、前方開口を介して、空気流路３に超音速の空気が取り込まれる。取り込まれた空気は、縮径部８−１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、接続部８−２を介して燃料供給領域６に導かれる。燃料供給領域６に導入された空気は、燃料供給機構９によって噴射される燃料により燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、下流領域７において膨張し、加速し、後方開口を介して噴出される。これにより、機体１を推進させる推進力が得られる。

ここで、本実施形態では、供給領域前方部分６−１における単位長さあたりの断面積の増加量が、下流領域７におけるそれよりも小さい。従って、燃料供給領域６においては、空気の流速が抑制される。そのため、燃料供給領域６において、安定的に、着火及び保炎を行うことができる。一方、下流領域７における単位長さあたりの断面積の増加量は、供給領域前方部分６−１におけるそれよりも、大きい。従って、下流領域７においては、空気の流速を加速させることができる。そのため、燃料の供給量が過多となった場合であっても、燃料供給領域６における圧力増加を防止でき、熱閉塞を回避できる。

尚、本実施形態においては、供給領域後方部分６−２において凹部１０が設けられており、燃料がこの凹部１０から空気流路３内に噴射される。このような構成を採用することにより、火炎が空気の流れによって吹き消されてしまうことが防止され、より安定的に、着火及び保炎を行うことができる。但し、燃料の供給方式は、図４Ａに示した例に限定されず、他の方式を用いて燃料を供給することも可能である。

また、本実施形態では、下流領域７における第１面４が、燃料供給領域６における第１面４に対して傾斜している。但し、必ずしも下流領域７において第１面４が傾斜している必要はなく、供給領域前方部分６−１における単位長さあたりの断面積の増加量が、下流領域７におけるそれよりも小さければよい。例えば、以下に説明される変形例のような構成が採用されてもよい。

図５Ａは、本実施形態の変形例に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。この変形例においては、第１面４は、燃料供給領域６と下流領域７との間において、同一平面上に形成されている。一方、下流領域７における第２面５は、燃料供給領域６における第２面５に対して傾斜している。これにより、下流領域７における単位長さあたりの断面積の増加量が、供給領域前方部分６−１におけるそれよりも大きくなっている。このような構成を採用しても、本実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。また、図４Ｂに示した例と同様に、空気流路３は、供給領域後方部分６−２の途中から開き始めていてもよい。図５Ｂは、そのような例を示す概略図である。図５Ｂに示される例では、第２面５の傾斜が、供給領域後方部分６−２の途中から始まっている。図５Ｂに示されるような構成を採用しても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図６Ａは、本実施形態の他の変形例に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。この変形例においては、下流領域７における第１面４は、燃料供給領域６における第１面４に対して傾斜して伸びている。また、下流領域における第２面５も、燃料供給領域６における第２面に対して傾斜している。これにより、下流領域７における単位長さあたりの断面積の増加量が、供給領域前方部分６−１におけるそれよりも大きくなっている。このような構成を採用しても、本実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。更に、図４Ｂに示した例と同様に、空気流路３は、供給領域後方部分６−２の途中から開き始めていてもよい。図６Ｂは、そのような例を示す概略図である。図６Ｂに示される例では、第１面４および第２面５の傾斜が、供給領域後方部分６−２の途中から始まっている。図６Ｂに示されるような構成を採用しても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。本実施形態においては、第１の実施形態に対して、上流領域８における構成が変更されている。その他の点については、第１の実施形態と同様の構成を採用することができるので、詳細な説明は省略する。

図７に示されるように、上流領域８の接続領域８−２には、断面積一定部８−２−１と、断面積拡大部８−２−２とが設けられている。断面積一定部８−２−１は、前方側端部において、縮径部８−１に接続されている。断面積一定部８−２−１における空気流路３の断面積は、一定である。一方、断面積拡大部８−２−２は、前方側端部において断面積一定部８−２−１に接続されており、後方側端部において燃料供給領域６に接続されている。断面積拡大部８−２−２における空気流路の断面積３は、後方側に向かうほど拡大している。本実施形態では、断面積拡大部８−２−２において、第１面４が傾斜して伸びており、これによって、断面積拡大部８−２−２における断面積が後方側に向かうほど大きくなっている。尚、第２面５は、断面積拡大部８−２−２において傾斜していない。すなわち、断面積一定部８−２−１及び断面積拡大部８−２−２において、第２面５は、同一平面上に形成されている。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、供給領域前方部分６−１における単位長さあたりの断面積の増加量が、下流領域７におけるそれよりも小さい。従って、燃料供給領域６において、空気の流速の増加を抑制でき、安定的に、着火及び保炎を行うことができる。また、下流領域７における単位長さあたりの断面積の増加量は、供給領域前方部分６−１におけるそれよりも、大きい。従って、下流領域７において、空気の流速を加速させることができ、熱閉塞を回避することができる。

加えて、本実施形態によれば、上流領域８において、断面積拡大部８−２−２が設けられている。そのため、熱閉塞が発生しそうな状態になっても、熱閉塞の進行を回避することができる。熱閉塞の発生時には、燃料供給領域６における空気の流速が亜音速にまで低下する。そして、亜音速にまで低下した空気が、空気流路３の上流側に逆流することにより、熱閉塞が進行する。本実施形態においては、断面積拡大部８−２−２が設けられていることにより、燃料供給領域６における空気の流速が低下した場合であっても、断面積拡大部８−２−２よりも上流側に空気が逆流することが防止される。その結果、熱閉塞の進行が抑えられ、熱閉塞を回避することができる。

尚、本実施形態においては、断面積拡大部８−２−２において第１面４が傾斜して伸びている。但し、断面積拡大部８−２−２の断面積は、後方側に向かって大きくなっていればよく、必ずしも図７に示した構成が採用される必要はない。例えば、以下に説明する第１の変形例のような構成を採用することも可能である。

図８は、本実施形態の第１の変形例に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。本変形例においては、断面積拡大部８−２−２において、第２面５が傾斜して伸びている。一方、第１面４は、断面積一定部８−２−１及び断面積拡大部８−２−２において、同一平面上に設けられている。これにより、断面積拡大部８−２−２における断面積が、後方側に向かうほど拡大している。本変形例のような構成を採用しても、本実施形態と同様の効果が得られる。

また、第１の実施形態と同様に、下流領域７においては、後方側に向かうほど断面積が大きくなるように構成されてさえいればよい。

図９は、本実施形態の第２の変形例に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。本変形例においては、断面積拡大部８−２−２においては、第１面４が傾斜して伸びている。一方、下流領域７においては、第２面５が傾斜して伸びている。このような構成を採用しても、本実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本実施形態の第３の変形例に係るスクラムジェットエンジン１１を示す概略図である。本変形例においては、断面積拡大部８−２−２において、第１面４が傾斜して伸びている。また、下流領域７においては、第１面４及び第２面５の双方が、後方側に向かうほど断面積が拡大するように、傾斜して伸びている。本変形例のような構成を採用しても、本実施形態と同様の効果が得られる。

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、既述の実施形態及び変形例は、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 機体
２ カウル
３ 空気流路
４ 第１面
５ 第２面
６ 燃料供給領域
６−１ 供給領域前方部分
６−２ 供給領域後方部分
７ 下流領域
８ 上流領域
８−１ 縮径部
８−２ 接続部
８−２−１ 断面積一定部
８−２−２ 断面積拡大部
９ 燃料供給機構
１０ キャビティ（凹部）
１１ スクラムジェットエンジン
１００ スクラムジェットエンジン
１０１ 機体
１０２ カウル（流路形成部材）
１０３ 空気流路
１０４ 燃料供給機構

Claims (5)

1. 空気流路が形成されるように、機体に取り付けられた、空気流路形成部材と、
   前記空気流路内に燃料を供給する、燃料供給機構と、
   を具備し、
   前記空気流路は、前方側に設けられた前方開口と、後方側に設けられた後方開口とを接続するように形成されており、
   前記空気流路は、
   超音速飛行時に、前記前方開口を介して空気を取り込む、上流領域と、
   前記上流領域の後方側に接続され、前記燃料が供給され、前記取り込まれた空気が燃焼し、燃焼ガスを生成する、燃料供給領域と、
   前記燃料供給領域の後方側に接続され、前記後方開口を介して前記燃焼ガスを噴出する、下流領域とを備え、
   前記燃料供給領域は、
   前方側に設けられた供給領域前方部分と、
   後方側に設けられた供給領域後方部分とを備え、
   前記下流領域は、後方側ほど断面積が大きくなるように形成され、
   前記下流領域における単位長さあたりの断面積の増加量は、前記供給領域前方部分におけるそれよりも、大きく、
   前記上流領域は、前方側に設けられた前記前方開口に接続される縮径部と、前記燃料供給領域に接続される接続部とを備え、
   前記接続部は、空気流路の断面積が一定である断面積一定部を備える
   スクラムジェットエンジン。
2. 請求項１に記載されたスクラムジェットエンジンであって、
   前記供給領域後方部分における側壁には、凹部が設けられており、
   前記燃料供給機構は、前記凹部から前記燃料を前記空気流路内に噴射するように構成されている
   スクラムジェットエンジン。
3. 請求項２に記載されたスクラムジェットエンジンであって、
   前記凹部は、前記機体に設けられている
   スクラムジェットエンジン。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載されたスクラムジェットエンジンであって、
   前記上流領域は、前記燃料供給領域に隣接して設けられた、断面積拡大部を有しており、
   前記断面積拡大部は、後方側に向かって断面積が大きくなるように形成されている
   スクラムジェットエンジン。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載されたスクラムジェットエンジンであって、
   前記機体は、第１面を備えており、
   前記空気流路形成部材は、第２面を備え、前記第２面で前記第１面に面するように、前記機体に取り付けられており、
   前記空気流路は、前記第１面と前記第２面との間に形成されており、
   前記第１面と前記第２面とが成す角度が、開き角として定義され、
   前記下流領域における開き角は、前記供給領域前方部分における開き角よりも、大きい
   スクラムジェットエンジン。
   
   

Images