JP6037818B2 - Jet engine - Google Patents
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Description
本発明は、ジェットエンジンに関する。特に、本発明は、ラムジェットエンジン及びスクラムジェットエンジンに関する。 The present invention relates to a jet engine. In particular, the present invention relates to a ramjet engine and a scramjet engine.
ジェットエンジンの一種として、ラムジェットエンジン(ramjet engine)が知られている。ラムジェットエンジンは、機械的な圧縮機の代わりに、高速飛行に伴うラム圧による空気の圧縮を利用する。このようなラムジェットエンジンは、動作領域が超音速領域などの高速領域(マッハ3〜5が最も効率が良い)に限られるが、機械的な圧縮機を使用しないため、機体の軽量化の観点から好適である。 A ramjet engine is known as a type of jet engine. A ramjet engine uses air compression by ram pressure associated with high-speed flight instead of a mechanical compressor. Such a ramjet engine is limited to a high speed region such as a supersonic region (Mach 3 to 5 is most efficient), but since a mechanical compressor is not used, the viewpoint of weight reduction of the fuselage To preferred.
図1は、典型的なラムジェットエンジンの構成を概略的に示している。ラムジェットエンジンは、インレット110、燃焼室120、ノズル130、及びスロート部140を備えている。スロート部140は、空気流を調整するために、燃焼室120の壁に設けられている。より詳細には、スロート部140は、インレット110側に設けられたスロート部140Aと、ノズル130側に設けられたスロート部140Bと、を含んでいる。
FIG. 1 schematically illustrates the configuration of a typical ramjet engine. The ramjet engine includes an inlet 110, a combustion chamber 120, a nozzle 130, and a throat section 140. The throat part 140 is provided on the wall of the combustion chamber 120 in order to adjust the air flow. More specifically, the throat part 140 includes a
インレット110およびスロート部140Aにおいて、ラム圧により空気の圧縮が行われ、超音速空気流は亜音速まで減速させられる。燃焼室120では、その亜音速空気流に対して燃料が噴射され、燃焼(亜音速燃焼)が発生する。そして、その燃焼により発生した燃焼ガスがスロート部140Bおよびノズル130において超音速まで加速され、ノズル130から噴出し、その反動で推進力が得られる。このようなラムジェットエンジンの特徴的な構成の1つは、空気流を調整するために設けられたスロート部140である。
In the inlet 110 and the
その一方で、飛行速度がマッハ5を超えると、吸入した超音速空気流を亜音速まで減速する場合、吸入した空気流の圧力損失や機体に係る空気抵抗が増大し、非効率に(最悪の場合はエンジンの作動が困難に)なってくる。そこで、吸入した超音速空気流を超音速のまま燃焼室120に導き、超音速燃焼を行う技術も提案されている。これは、スクラムジェット(スーパーソニック・コンバスチョン・ラムジェット(supersonic combustion ramjet))エンジンと呼ばれている。吸入から排気までのエンジン全域にわたって、空気流が音速以下に減速されることがないため、広いマッハ数域で高いエンジン性能が維持される。 On the other hand, when the flying speed exceeds Mach 5, when the supersonic airflow sucked is decelerated to subsonic speed, the pressure loss of the sucked airflow and the air resistance related to the aircraft increase, which is inefficient (worst The engine will be difficult to operate). Therefore, a technique has been proposed in which the supersonic air that has been sucked is guided to the combustion chamber 120 while maintaining the supersonic speed to perform supersonic combustion. This is called a scramjet (supersonic combustion ramjet) engine. Since the air flow is not decelerated below the sound speed over the entire engine from intake to exhaust, high engine performance is maintained in a wide Mach number range.
図2は、典型的なスクラムジェットエンジンの構成を概略的に示している。図1で示されたラムジェットエンジンと比較して、スロート部140が設けられていないことがスクラムジェットエンジンの特徴の一つである。 FIG. 2 schematically shows the configuration of a typical scramjet engine. Compared to the ramjet engine shown in FIG. 1, one of the features of the scramjet engine is that the throat portion 140 is not provided.
特許文献1は、複合サイクルミサイルエンジンシステムを開示している。このシステムは、ミサイルを次の5つのモードで動作させる:(1)統合型逆ハイブリッドロケット、(2)空気増大ハイブリッドロケット、(3)ラムジェット/スクラムジェット、(4)デュアル噴射ハイブリッドロケット、及び(5)単元推進剤ロケット。酸化剤及び燃料を分離しかつ制御することにより、それぞれの動作モードにおいて効率の最適化が行われる。
本発明の1つの目的は、広い動作領域を有するジェットエンジンを実現することができる技術を提供することにある。 One object of the present invention is to provide a technique capable of realizing a jet engine having a wide operating range.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 [Means for Solving the Problems] will be described below using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明の1つの観点において、ジェットエンジン(1)が提供される。そのジェットエンジン(1)は、スクラムジェットエンジンと、スクラムジェットエンジンの燃焼室壁(21)に形成されたスロート部(40)と、を備える。スロート部(40)が存在しているとき、ジェットエンジン(1)はラムジェットエンジンとして作動する。ジェットエンジン(1)がラムジェットエンジンとして作動している最中に、スロート部(40)は、経時的に消失する。 In one aspect of the invention, a jet engine (1) is provided. The jet engine (1) includes a scramjet engine and a throat portion (40) formed on a combustion chamber wall (21) of the scramjet engine. When the throat section (40) is present, the jet engine (1) operates as a ramjet engine. While the jet engine (1) is operating as a ramjet engine, the throat portion (40) disappears with time.
スロート部(40)は、熱的又は空力的影響により形状が消失する材料で形成されていてもよい。当該材料は、発火によらず消失してもよい。当該材料は、アブレーション材であってもよい。 The throat portion (40) may be formed of a material whose shape disappears due to thermal or aerodynamic influence. The material may disappear regardless of ignition. The material may be an ablation material.
燃焼室壁(21)には、凹部(50)が形成されていてもよい。この場合、スロート部(40)は、凹部(50)を埋め、且つ、凹部(50)から突出するように形成される。スロート部(40)は、接着剤(51)で凹部(50)に接着されていてもよい。スロート部(40)は、凹部(50)から突出しないねじ(52)により固定されていてもよい。 A recess (50) may be formed in the combustion chamber wall (21). In this case, the throat portion (40) is formed to fill the recess (50) and protrude from the recess (50). The throat portion (40) may be bonded to the recess (50) with an adhesive (51). The throat portion (40) may be fixed by a screw (52) that does not protrude from the recess (50).
本発明によれば、広い動作領域を有するジェットエンジンを実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a jet engine having a wide operating area.
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るジェットエンジンを説明する。 A jet engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1.第1の実施の形態
図3は、第1の実施の形態に係るジェットエンジン1の構成を示す概略図である。ジェットエンジン1は、インレット10、燃焼室20、及びノズル30を備えている。インレット10には、超音速空気流が流入する。その超音速空気流は、亜音速まで減速され、又は、超音速のまま、燃焼室20に導かれる。燃焼室20では、その空気流に対して燃料が噴射され、燃焼が発生する。そして、その燃焼により発生した燃焼ガスがノズル30から噴出し、その反動で推進力が得られる。
1. First Embodiment FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a
本実施の形態に係るジェットエンジン1は、更に、のど形状のスロート部40を備えている。このスロート部40は、空気流を調整するために、燃焼室20の壁21(燃焼室壁)に形成されている。より詳細には、スロート部40は、インレット10側に設けられたスロート部40Aと、ノズル30側に設けられたスロート部40Bと、を含んでいる。
The
本実施の形態に係るスロート部40は、飛行に伴って経時的且つ自動的に消失するように形成されている。例えば、スロート部40は、空気流の熱的又は空力的影響により形状が消失する材料で形成される。ここで、熱的影響とは、インレット10で発生する衝撃波の下流では空気流が高温になることによる影響を意味し、「融解」や「気化」が挙げられる。空力的影響とは、空気流との接触による影響を意味し、「摩耗」や「気化」が挙げられる。そのようなスロート部40の材料としては、摩耗しやすいセラミックや、アブレーション材が挙げられる。
The
次に、本実施の形態に係るジェットエンジン1の動作を説明する。
Next, the operation of the
図3に示されるように、スロート部40が存在している場合、ジェットエンジン1は、ラムジェットエンジンとして作動する。すなわち、インレット10およびスロート部40Aにおいて、ラム圧により空気の圧縮が行われ、超音速空気流は亜音速まで減速させられる。燃焼室20では、その亜音速空気流に対して燃料が噴射され、亜音速燃焼が発生する。飛行速度は徐々に増加する。
As shown in FIG. 3, when the
ジェットエンジン1がラムジェットエンジンとして作動している最中、図4に示されるように、スロート部40は、経時的且つ自動的に消失していく。例えば、スロート部40は、空気流の熱的又は空力的影響により消失していく。スロート部40の経時的消失により、ラムジェットエンジンとしての特性は徐々に減少し、その代わりに、スクラムジェットエンジンとしての特性が徐々に増加していく。
While the
飛行速度が更に増加していく一方で、スロート部40はどんどん消失していく。最終的には、図5に示されるように、空気流の経路からスロート部40が完全に消失する。この場合、ジェットエンジン1は、スクラムジェットエンジンとして作動する。すなわち、インレット10に吸入された超音速空気流は、超音速のまま燃焼室20に導かれ、燃焼室20では超音速燃焼が行われる。
While the flight speed further increases, the
このように、本実施の形態に係るジェットエンジン1は、最初ラムジェットエンジンとして作動した後、スクラムジェットエンジンとして作動する。本実施の形態に係るジェットエンジン1は、スクラムジェットエンジンの構造にスロート部40が追加された構造を備えていると言うこともできる。ジェットエンジン1は、スロート部40が存在している間はラムジェットエンジンとして作動し、スロート部40の消失後はスクラムジェットエンジンに切り替わって作動する。
As described above, the
以上に説明されたように、本実施の形態に係るジェットエンジン1は、単体で、ラムジェットエンジンとしてもスクラムジェットエンジンとしても作動することができる。すなわち、広い動作領域を有するジェットエンジン1が実現される。
As described above, the
また、本実施の形態によれば、インレット10、燃焼室20、ノズル30といったエンジン構造を、ラムジェットエンジンとスクラムジェットエンジンとで共用することができる。従って、機体の軽量化が可能である。 Moreover, according to this Embodiment, engine structures, such as the inlet 10, the combustion chamber 20, and the nozzle 30, can be shared by a ramjet engine and a scramjet engine. Therefore, the weight of the aircraft can be reduced.
更に、本実施の形態によれば、スロート部40は、飛行に伴って自動的に消失する。比較例として、機械的機構を用いてスロート部40を変形させる場合を考える。この比較例の場合、大掛かりな装置が必要であり、エンジン構造が複雑化し、エンジン重量が増加するという問題がある。本実施の形態では、そのような問題は発生しない。
Furthermore, according to the present embodiment, the
スロート部40の材料として、固体推進剤を利用することも考えられる。その固体推進剤に着火することにより、スロート部40は自動的に消失するからである。但し、固体推進剤の燃焼は非常に速いため、スロート部40の消失時間も短時間に制限される。これは、ラムジェットエンジンからスクラムジェットエンジンへの切り替え(形状変更)が直ぐに発生してしまうことを意味する。しかし、飛行速度が十分上昇していないタイミングでスクラムジェットエンジンへ切り替わってしまうと、非効率であり、最悪の場合、作動停止が発生する。また、固体推進剤の燃焼により、エンジン構造に大きな熱負荷が加わるという問題もある。
It is also conceivable to use a solid propellant as a material for the
このような問題を考慮すると、スロート部40の材料として、固体推進剤以外のものを用いることが好適である。例えば、上述の通り、空気流の熱的または空力的影響により形状が消失するような材料が好適である。そのような材料は発火によらず消失するため、固体推進剤の場合の上記問題点は解消される。
In consideration of such a problem, it is preferable to use a material other than the solid propellant as the material of the
図6は、本実施の形態において好適な各種材料に関する形状消失速度[単位:mm/秒]を示している。形状消失速度は、材料の種類、加熱量、せん断力に依存して変わることが分かる。逆に言えば、材料を適宜選択することによって、形状消失速度を任意に調整することが可能である。すなわち、ラムジェットエンジンからスクラムジェットエンジンへの切り替えタイミングを任意に調整することが可能である。 FIG. 6 shows shape disappearance speed [unit: mm / second] regarding various materials suitable for the present embodiment. It can be seen that the shape disappearance rate varies depending on the type of material, the heating amount, and the shearing force. In other words, it is possible to arbitrarily adjust the shape disappearance speed by appropriately selecting the material. That is, it is possible to arbitrarily adjust the switching timing from the ramjet engine to the scramjet engine.
図7は、様々な環境において要求される形状消失速度を示している。ここでは、飛行速度が500m/s(約マッハ1.7)から1500m/s(約マッハ5)に増加する間に、形状を変更させる(スロート部40を消失させる)ことを考える。環境としては、機体平均加速度、及び必要な形状変更量が挙げられる。要求される形状消失速度は、環境に応じて変わるが、図6に示されるように材料等を調整することにより、その要求を満たすことができることが分かる。
FIG. 7 shows the shape loss rate required in various environments. Here, it is considered that the shape is changed (the
尚、図6で挙げられた2種類の材料は、いずれもアブレーション材である。アブレーション材は、消失時に吸熱反応を伴う。そのため、アブレーション材で形成されたスロート部40の消失は、周囲のエンジン構造の冷却に寄与する。結果として、周囲のエンジン構造への熱負荷が軽減され、好適である。
The two types of materials listed in FIG. 6 are both ablation materials. Ablation materials have an endothermic reaction upon disappearance. Therefore, the disappearance of the
2.第2の実施の形態
第2の実施の形態では、スロート部40全体が燃焼室壁21から一気に剥離してしまわないように、スロート部40を強固に保持するための技術を提案する。
2. Second Embodiment In the second embodiment, a technique for firmly holding the
例えば、図8に示されるように、燃焼室壁21に凹部50(くぼみ部)が形成される。スロート部40の材料は、その凹部50を埋め、且つ、その凹部50から突出するように形成される。そして、図9に示されるように、空気流の熱的または空力的影響により、凹部50から突出しているスロート部40の部分が消失する。このような構造によれば、凹部50を埋めている部分の引っ掛かりにより、スロート部40全体が燃焼室壁21から一気に剥離してしまうことが防止される。
For example, as shown in FIG. 8, a recess 50 (recessed portion) is formed in the
また、スロート部40は、接着剤51で凹部50に接着されていてもよい。この場合、スロート部40は更に強く保持される。
The
また、スロート部40は、ねじ52によって固定されていてもよい。尚、図9に示されるように、ねじ52は、凹部50から突出しないように設けられている。もし、ねじ52が凹部50から突出していると、その突出部分が空気流を乱してしまうからである。
Further, the
本発明に係るジェットエンジン1は、飛しょう体、航空機、ロケット等に適用可能である。
The
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
1 ジェットエンジン
10 インレット
20 燃焼室
21 燃焼室壁
30 ノズル
40、40A、40B スロート部
50 凹部
51 接着剤
52 ねじ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記スクラムジェットエンジンの燃焼室壁に形成されたスロート部と
を備え、
前記スロート部が存在しているとき、ジェットエンジンはラムジェットエンジンとして作動し、
ジェットエンジンが前記ラムジェットエンジンとして作動している最中に、前記スロート部は、経時的に消失する
ジェットエンジン。 A scramjet engine,
A throat portion formed on a combustion chamber wall of the scramjet engine,
When the throat portion is present, the jet engine operates as a ramjet engine,
While the jet engine is operating as the ramjet engine, the throat portion disappears with time.
前記スロート部は、熱的又は空力的影響により形状が消失する材料で形成されている
ジェットエンジン。 The jet engine according to claim 1,
The throat portion is formed of a material whose shape disappears due to thermal or aerodynamic influences.
前記材料は、発火によらず消失する
ジェットエンジン。 The jet engine according to claim 2,
The material is a jet engine that disappears regardless of ignition.
前記材料は、アブレーション材である
ジェットエンジン。 The jet engine according to claim 2 or 3,
The material is an ablation material.
前記燃焼室壁には、凹部が形成され、
前記スロート部は、前記凹部を埋め、且つ、前記凹部から突出するように形成されている
ジェットエンジン。 A jet engine according to any one of claims 2 to 4,
A recess is formed in the combustion chamber wall,
The throat portion is formed to fill the recess and protrude from the recess.
前記スロート部は、接着剤で前記凹部に接着されている
ジェットエンジン。 The jet engine according to claim 5,
The throat portion is bonded to the concave portion with an adhesive jet engine.
前記スロート部は、前記凹部から突出しないねじにより固定されている
ジェットエンジン。 The jet engine according to claim 5 or 6,
The throat portion is fixed by a screw that does not protrude from the concave portion.
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