JP6320549B2 - 低無線信号減衰量のローカルエリアを有するレードーム - Google Patents

低無線信号減衰量のローカルエリアを有するレードーム Download PDF

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Description

本件出願は、ここに引用することによりその全体を本明細書の一部とする2013年11月11日付で提出された米国仮出願第61/902,549号及び2014年3月13日付で提出された非仮出願第14/209,713号の優先権の利益を主張するものである。
本発明は一般にレードームに関し、詳しくは、機械的特性と無線信号減衰特性とが分離されたローカルエリアを有する航空機レードームに関する。
レードームはレーダーあるいは無線アンテナを保護する耐候性の構造エンクロージャである。レードームはアンテナ表面を気象から保護し、及び又は、アンテナの電子機器を見えないように隠す。レードームはアンテナの可動部品による人員の怪我をも防止する。レードームは航空機のレードーム付近における空力プロファイルをも改善させる。
レードームはその使用意図に応じて球形、ジオデシック状、平坦状等の異なる形状を有し得る。レードームは、グラスファイバ、PTFEコート繊維、プラスチック、あるいはその他、低重量の、しかし強靱構造の材料から作成される場合がある。
固定翼型航空機では機体上に配置したレーダーあるいは無線アンテナを保護するレードームがしばしば使用される。例えば、多くの航空機が、気象レーダーアンテナ等の前方監視レーダーアンテナを保護するための、機体前端側をノーズコーン形態としたレードームを含む。レードームは、それが無線通信アンテナ(例えば、衛星通信アンテナ)を保護するものである場合は機体の頂部、底部、あるいは後部に設け得、あるいは地上ベース通信用の無線アンテナを保護するものである場合は機体底部上に設け得る。このような場合、レードームは機体上のブリスターあるいは小ドームのようにも見える。
一般に、レードームはレーダーあるいは無線アンテナのパーツが自由に動けるよう十分な大きさとするべきである。例えば、大抵の気象レーダーアンテナは多軸ジンパルで作動する。それにより、気象レーダーアンテナは航空機近辺の気象を探るべく事実上どの方向にも向けることが出来る。かくしてレードームは、無線アンテナが正しく較正され得るよう全方位的に一様な信号送受信特性を有するべきである。更には、飛行中に異物(例えば鳥)が衝突した場合でさえその形状を維持(航空機の空力特性を変化させないよう)し得る構造特性を有するレードームを提供することも望ましい。レードームは、航空機用レードームの構造強度を備えた上で一様な信号送受信特性を持つ必要があるため、この強度要件が保証されるようその送受信特性を犠牲にすることがある。
米国仮出願第61/902,549号明細書 非仮出願第14/209,713号明細書
無線信号送受信減衰要件を機械的強度要件から分離し、且つ、異なる無線信号周波数に渡る無線信号減衰を最小化させる上での問題を解消する、既知の同種のレードームより軽量化され、高性能化されたレードームを提供することである。
図1は、本発明に従う構成のレードームを有する航空機の側面図である。 図2は、図1のレードームの平面図である。 図3は、図1のレードームの側面図である。 図4は、図1のレードームの1実施態様の側方断面図である。 図5は、図1のレードームの他の実施態様の側方断面図である。 図6は、本発明に従う構成のレードーム及び取り付けアセンブリの他の実施例の部分切断した上面図である。 図7は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの側面図である。 図8は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの後部の拡大側面図である。 図9は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの前部の拡大側面図である。 図10は、図6を線10−10に沿って切断したレードーム及び取り付けアセンブリの正面断面図である。 図11は、図10のレードーム及び取り付けアセンブリの右側部の部分破除した正面図である。 図12は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの線12−12に沿って切断した正面断面図である。 図13は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの線13−13に沿って切断した正面断面図である。 図14は、図6のレードーム及び取り付けアセンブリの線14−14に沿って切断した正面断面図である。 図15は、図6のレードームの長手方向平面断面図である。 図16は、図6の取り付けアセンブリのアダプタプレートの、アンテナを取り付けエリアに組み込んだ状態で示す平面図である。 図17は、本発明の構成を有するレードーム及び取り付けアセンブリの他の実施態様の部分断面斜視図である。 図18は、図17のレードームの底部の部分断面斜視図である。 図19は、図17のレードームの側方断面図である。 図20は、図17のレードームの前部の拡大側方断面図である。 図21は、図17のレードームの後部の拡大側方断面図である。
図1を参照するに、航空機10が例示され、前端12、後端20、そして一対の翼16を含む機体あるいは胴部14を有している。航空機10は機体の上部あるいは背部24上の第1レードーム22、機体の下方あるいは腹部28上の第2レードーム26、そして機体14の前端12に位置付けた第3レードーム30をも含む。
各レードーム22、26、30は機能の異なるアンテナを格納し得る。一例では第1レードーム22は無線信号を通信衛星に送信し、通信衛星からの無線信号を受信する通信アンテナを格納し得る。同様に、一例では第2レードーム26は無線信号を地上ベースの無線施設に送信し、地上ベースの無線施設からの無線信号を受信する通信アンテナを格納し得る。他方、ある例では第3レードーム30は、レーダーエネルギーを送信し、送信したレーダーエネルギーの反射部分を受信することにより航空機10の前方の気象を観測するレーダーアンテナを格納し得る。これらのレードーム22、26、30の構造及び送受信特性は夫々相違するものであり得るが、その場合でもFAR Part25.571等の現地法規に適合するべきであり、前記現地法規はここでの参照により、航空機での使用認定に先立つ本件出願の出願日のものを本明細書の一部として組み込まれるものとする。
レーダーアンテナを格納する第3レードーム30の構造は、一般に、レーダーアンテナ(ジンバル状の)がこの第3レードーム30の任意点を通過するレーダー信号の減衰が一様である状態下に送受信し得る一様性のものである。言い換えれば、第3レードームはレーダーエネルギーが送受信される全ての場所における特性が一様でなければならない。第3レードームを、航空機のダメージを管理する現地法規に適合させる必要上、それらのダメージ法規に規定される機械強度要件が第3レードームの伝送特性を劣化させる可能性がある。言い換えると、レードーム設計において機械強度要件と無線信号減衰特性とは相対立することがよくある。
以下、第1レードーム22及び第2レードーム26の特性は各レードーム間で互換使用され得るものとする。例えば、第1レードーム22の特性は第2レードーム26の特性に等しいものであり得、その逆も然りである。更には、第1レードーム22及び第2レードーム26の特性を相互に組み合わせ得る。
第3レードーム30とは対照的に、本発明に従う構成を有する第1レードーム22及び第2レードーム26はその機械的及び無線波減衰特性が分離され得る。言い換えると、第1レードーム22及び第2レードーム26は機械的強度特性、及び又は、無線波減衰特性が相互に異なるローカルエリアを有し得る。例えば、第1レードーム22は現地のダメージ法規を満たすに十分な強度の第1部分を有し、他方、無線波減衰特性が前記第1部分における以上に良好な第2部分を有し得る。言い換えると、第1レードーム22は構造的損傷を来さずに異物衝突(鳥の衝突など)に構造上耐え得る第1部分(即ち、より高強度の部分)と、前記第1部分より構造的に弱い(異物が衝突しそうもないエリアに位置する、あるいは要求される物理的強度が低い場所であるために)第2部分とを有し得る。
図2〜4を参照するに、第1レードーム22が示され、航空機10の機体14に装着したアウターシェル40を含み得る。アウターシェル40はアンテナ44(図4)を格納する寸法形状を有するエンクロージャ42を構成し得る。アウターシェル40は非一様性構造を有し得る。言い換えると、アウターシェル40は場所毎に異なる物理特性を有し得る。
ある実施態様ではアンテナ44は機械操舵式のフェーズドアレイ型アンテナであり得る。フェーズドアレイ型アンテナは一般に、電子的あるいは機械的操作により無線エネルギーの電磁ビームを所望方向に同期させるローカル送信エリア及びローカル受信エリアを含む。従って、フェーズドアレイ型アンテナは航空機10の機体14に非常に接近して位置付けられ得、アウターシェル40はアンテナ44に非常に接近して位置付けられ得る(アンテナは作動中は大きく移動しないため)。かくして、アウターシェル40の輪郭は最小化され得る。
アウターシェル40は、航空機10の前端12方向を少なくとも部分的に向いた第1部分50と、前記第1部分50の後方を向いた第2部分52と、前記第2部分52の後方を向いた第3部分54とを有し得る。前記第1部分50は最強構造部分であり得る。第1部分50は、飛行中の航空機10における構造的損傷を来さずに異物衝突に耐え得る。例えば、第1部分50は、航空機10の飛行完遂能力を損なわせることなく、海面位での航空機の最大設計巡航速度(Vc)、あるいは高度8000フィート(約2400m)での0.85Vcにおける4ポンド(約1.8kg)の鳥の衝突に耐えるに十分な強度を有し得る。
高強度であることから、第1部分50における無線信号の減衰は第2及び第3部分52及び54におけるそれより大きい。第2部分52は飛行方向に関して直角(例えば、第2部分52は航空機の実際の飛行経路に関して第1部分50よりもずっと鋭角に配向される)であることから、第1部分50と同じ構造強度を要さない。かくして、第2部分52は構造強度あるいは剛性を減少させることで無線信号減衰を減少させるよう設計され得る。第2部分52は第1部分50の材料(あるいは構造)よりも無線信号を良好に送信し得る材料(あるいは構造)で作製されるため、例えば、第2部分52を通して送られる送信信号Tの減衰は第1部分50を通して送られる同じ送信信号Tより減少される。その結果、その通信機能を実施するためのアンテナ44の必要出力が、従来の一様構造のレードームに格納したアンテナにおけるそれより減少され得る。減衰の全体的な減少は設計上の制約に依存するものであり得るが、第2部分を通して送られる信号の減衰は第1部分50を通して送られる場合より2dBあるいはそれ以上減少する場合がある。
同様に、第3部分54は、レードームの後部側にあることから前方の構造部に隠れて衝突から保護されるため、第1部分50と同一の構造強度を要さない。かくして、第3部分54は第2部分52と類似の無線信号減衰設計とされ得る。例えば、第3部分54を通して受信される受信信号Rの減衰は、第1部分50を通して受信される同じ受信信号Rのそれより減少され得る。第2部分52と同様に、第3部分54を通して受信される信号の減衰は、第1部分50を通して受信される同じ信号と比較して2dBあるいはそれ以上減少され得る。第2及び第3部分52及び54は、送信信号あるいは受信信号の何れかの減衰が減少するよう設計され得る。随意的には第2部分52及び第3部分54は送信信号及び受信信号の両方の減衰が減少するよう設計され得る。
図5にはレードーム22の第2実施態様が示される。図5の実施態様では第2部分52及び第3部分54は周波数帯の異なる無線信号の減衰を減少させるように設計される。第1アンテナ44aは第1周波数帯(例えばKa帯)の無線信号を送受信し得、第2アンテナ44bは第2周波数(例えばKu帯)の無線信号を送受信し得る。第1送信信号TKaあるいは第1受信信号RKaが第2部分52を通して送受信される場合の減衰は第1部分50あるいは第3部分54を通した場合のそれより減少され得る。減衰の全体的減少は設計上の制約に依存するが、第2部分52を通して送受信されるKa信号あるいはKu信号の減衰は、第1部分50を通して送受信される同じ信号と比較して2dBあるいはそれ以上減少され得る場合がある。同様に、第3部分54を通して送受信される場合の第2送信信号TKuあるいは第2受信信号RKuの減衰は、第1部分50或いは第2部分52を通して送受信される場合より減少され得る。
次に図6〜21を参照するに、レードーム122(及び取り付けアセンブリ)の他の実施態様が例示される。図6〜21の実施態様では、図1〜5に例示される実施態様に相当する特徴部分は図1〜5の数値を100番あるいは200番台とした数値で示される。例えば、図6〜16のレードームは参照数値122で識別され、図17〜21のレードームは参照数値222で識別され、図1〜5のレードームは参照数値22で識別される。
次に図6〜16を参照するに、レードーム122が前端161及び後端163を含み得る。レードーム122は取り付けアセンブリを用いて航空機に装着され得る。取り付けアセンブリ160は機体取り付け場所165とアンテナ取り付け場所162とを含み得る。アンテナ取り付け場所162はアンテナ(図示せず)を取り付けアセンブリ160に固定する1つあるいはそれ以上のアンテナ取り付けパッド164を含み得る。ある実施態様では取り付けアセンブリ160は単一のアンテナ取り付け場所を含み得る。しかしながら、図6に例示するように、他の実施態様では、第1取り付け場所166及び第2取り付け場所168等の複数の取り付け場所を含み得る。第1及び第2の取り付け場所166、168は類似又は非類似の無線アンテナを取り付けるように適合され得る。
レードーム122は、取り付けアセンブリから航空機の機体14から離れる方向に伸延する主胴部170と、スカート部分172とを含み得る。スカート部分172は、主胴部170を航空機の機体に空力学的に連結する。ある実施態様ではスカート部分は3/32インチ(約0.23cm)厚のアルミニュームシートから形成され得る。他の実施態様ではスカート部分172は0.125インチ(約0.318cm)厚の6061−T6アルミニュームシートから形成され得る。
主胴部170は、レードーム122の前端161付近の強靱構造の第1部分150と、前端161から後方の、減衰減少部分あるいは第2部分152と、第2部分152の後方の、他の減衰減少部分あるいは第3部分154と、第3部分154の後方の、他の強靱構造の第1部分150とを含み得る。強靱構造の第1部分150は、主胴部170のスカート部分172の上方の周囲部分を形成し得る。第2部分152及び第3部分154は第1部分150により分離され得、あるいは、第2部分152及び第3部分154は中間構造部分無しで相互連結され得る。更に他の実施態様では第2部分152と第3部分154との組み合わせが単一の減衰減少部分を形成し得る。
図7に例示されるように、第1アンテナ144aは第1取り付け場所166に配置され得、第2アンテナ144bは第2取り付け場所168に配置され得る。第1アンテナ144a及び第2アンテナ144bは夫々、第2部分152及び第3部分154の内側表面から離間され得る。第2部分152は、第1アンテナ144aへの/からの無線送信信号の減衰を減少させるように最適化され得、第3部分154は第2アンテナ144bへの/からの無線送信信号の減衰を減少させるように最適化され得る。ある実施態様では第1部分152及び第2部分154は3/4インチ(約1.9cm)厚のハニカムパネルから形成され得、他方、第1部分150は1/4インチ(約0.63cm)厚の積層パネルから形成され得る。
図12〜14にはレードーム122及び取り付けアセンブリ160の、図6で線12−12、13−13及び14−14に沿って夫々切断した側方断面図が示される。取り付けアセンブリ160は、機体取り付け場所165及びアンテナ取り付け場所162を構成するアダプタプレート176を含む。アダプタプレート176は1つあるいは1つ以上の取り付けブラケット178を使用して航空機の機体に固定され得る。
図15にはレードーム122の、第1部分150、第2部分152、第3部分154の長手方向断面が例示される。第1部分150は、1/4インチ(約0.63cm)厚の積層プレートから形成されるが、このプレートは比較的強く、少なくとも、FAR Part25.571の規定に適合するに十分な強さのものである(即ち、第1部分150は海面位での航空機の、航空航路に沿っての鳥との相対速度が最大設計巡航速度(Vc)に等しい、あるいは高度8000フィート(約2400m)での0.85Vcである場合の4ポンド(約1.8kg)の鳥の衝突に耐え得るものとする)。第2部分152は、第1部分150と比較して無線波減衰が減少された、分離用の低誘電性フィラーを高誘電性のプライで挟んだサンドイッチ型パネルから形成され得る。
図16には、第1アンテナ144aを第1取り付け場所166に組み込み、第2アンテナ144bを第2取り付け場所168に組み込んだ取り付けアセンブリ160が例示される。
図17〜21には別態様のレードーム222が例示される。レードーム222は、強靱構造の第1部分250a、250bと、受信窓を構成する、無線波減衰が減少された第2部分252と、送信窓を構成する無線波減衰が減少された第3部分254とを含む。レードーム222は航空機機体にレードーム222を空力学的に連結するスカート部分272と、第1部分250a、250bにスカート部分272を連結するエッジ帯部分180とをも含む。第2部分252と第3部分254とは交差ブリッジ部分282により相互に連結され得る。
ある実施態様では第1部分250a及び250b、第2部分252、そして第3部分254はA字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成され得る。同様に、エッジ帯部分280及び交差ブリッジ部分282もまたA字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成され得る。
ある実施態様では交差ブリッジ部分282は、図18に例示するようにレードーム222の内面から内側に延びる複数の支持ポストを含み得る。支持ポスト284は外径0.25インチ(約0.63cm)厚の6061−T6アルミニューム、あるいはその他好適な材料から形成され得る。支持ポスト284は、第1アンテナ及び第2アンテナからレードーム222の内面までの距離を、衝撃時にアンテナがダメージを受けない適正距離に維持する。
レードームは第1部分250aの内面から延びるバルクヘッドプレート286をも含み得る。バルクヘッドプレート286は、送受信アンテナへの/からの見通し線を遮ることなく第1部分152を構造的に補強する。ある実施態様ではバルクヘッドプレートは0.25インチ(約0.63cm)厚の6061−T6アルミニュームあるいはその他好適な材料から形成され得る。
他の実施態様ではレードームは、強靱構造部分無しで、無線波減衰(送受信帯域あるいは異なる周波数に関する)が減少された第1及び第2部分を有し得る。
本発明のレードームによれば、機械的強度要件を無線信号送受信減衰要件から分離させる上での問題が解消される。本発明のレードームによれば、異なる無線周波数信号に亘り無線信号減衰を最小化させる上での問題も解消される。その結果、本発明のレードームによれば既知の一様性のレードームにおけるそれより軽量で性能の良好なレードームが提供される。
本発明は航空機レードームに対して限定されるものではない。本発明は無線信号減衰が減少されるローカルエリアを有する事実上いかなるレードームに対しても適用し得るものである。例えば、本発明のレードームは任意タイプの乗物(例えば、自動車、列車、船舶、潜水艦等)あるいは固定無線施設に対して使用可能である。以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
10 航空機
12 前端
14 胴部/機体/航空機の機体
16 翼
20 後端
22 第1レードーム
26 第2レードーム
30 第3レードーム
40 アウターシェル
42 エンクロージャ
44 アンテナ
44a 第1アンテナ
44b 第2アンテナ
50 第1部分
52 第2部分
54 第3部分
122 レードーム
144a 第1アンテナ
144b 第2アンテナ
150 第1部分
152 第2部分
154 第3部分
160 アセンブリ
161 前端
162 アンテナ取り付け場所
163 後端
164 アンテナ取り付けパッド
165 機体取り付け場所
166 第1取り付け場所
168 第2取り付け場所
170 主胴部
172 スカート部分
176 アダプタプレート
178 ブラケット
180 エッジ帯部分
222 レードーム
250a 第1部分
252 第2部分
254 第3部分
272 スカート部分
282 交差ブリッジ部分
284 支持ポスト
286 バルクヘッドプレート
TKa 第1送信信号
RKa 第1受信信号
TKu 第2送信信号
RKu 第2受信信号

Claims (14)

  1. 航空機用のレードームであって、
    航空機への取り付け時に、第1周波数で送受信する第1無線アンテナと、第2周波数で送受信する第2無線アンテナとを格納する寸法形状を有するエンクロージャの外面を形成するシェルを含み、
    前記シェルが、前記シェルの残余部分の機械的特性とは異なる機械的特性を有する第1部分と、前記第1部分の第1無線周波数における無線信号減衰特性と比較した場合に第1無線周波数における減少された無線信号減衰特性を有し且つ前記第1無線アンテナ用の送受信窓を形成する第2部分と、前記第1部分及び第2部分の第2無線周波数における無線信号減衰特性と比較した場合に第2無線周波数における減少された無線信号減衰特性を有し且つ前記第2無線アンテナ用の送受信窓を形成する第3部分とを含み、前記第1無線周波数及び第2無線周波数が異なる無線周波数であるレードーム。
  2. 前記第1部分が、A字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成される請求項1に記載のレードーム。
  3. 前記第2部分が、A字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成される請求項1に記載のレードーム。
  4. 前記第3部分が、A字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成される請求項1に記載のレードーム。
  5. 前記第2部分及び前記第3部分が交差ブリッジにより連結される請求項4に記載のレードーム。
  6. 前記交差ブリッジが、A字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成される請求項5に記載のレードーム。
  7. 前記交差ブリッジから延びる複数の支持ポストを更に含み、少なくとも1つの前記支持ポストが外径0.63cm厚の6061−T6アルミニュームから形成される請求項5に記載のレードーム。
  8. 前記第1部分から延びるスカート部分を更に含み、前記スカート部分が外径0.63cm厚の6061−T6アルミニュームから形成される請求項1に記載のレードーム。
  9. 前記スカート部分が、A字型サンドイッチ構造、C字型サンドイッチ構造、ラミネート構造、あるいは半波状構造の何れかにおいて形成されたエッジ帯により前記第1部分に連結される請求項8に記載のレードーム。
  10. 減少された無線信号減衰を有するローカルエリアを含むレードームを有する航空機であって、
    第1端及び第2端を有する機体と、
    前記機体に装着された一対の翼と、
    前記機体に装着されたレードームにして、航空機への取り付け時に、第1周波数で送受信する第1無線アンテナと、第2周波数で送受信する第2無線アンテナとを格納する寸法形状を有するエンクロージャの外面を形成するシェルを含み、前記シェルが、前記シェルの残余部分の機械的特性とは異なる機械的特性を有する第1部分と、前記第1部分の第1無線周波数における無線信号減衰特性と比較した場合に第1無線周波数における減少された無線信号減衰特性を有し且つ前記第1無線アンテナ用の送受信窓を形成する第2部分と、前記第1部分及び第2部分第2無線周波数における無線信号減衰特性と比較した場合に第2無線周波数における減少された無線信号減衰特性を有し且つ前記第2無線アンテナ用の送受信窓を形成する第3部分とを含み、前記第1無線周波数及び第2無線周波数が異なる無線周波数であるレードームと、
    を含む航空機。
  11. 前記第1部分が前記第2部分より機械的に強靱である請求項10に記載の航空機。
  12. 前記第1部分が、海面位での航空機の最大設計巡航速度(Vc)、あるいは高度2400mでの0.85Vcにおける1.8kgの鳥の衝突に耐え得るものである請求項11に記載の航空機。
  13. 前記第2部分の、送信帯域に渡る無線信号減衰が減少され、前記第3部分の、受信帯域に渡る無線信号減衰が減少される請求項10に記載の航空機。
  14. 前記第2部分を通して送信される場合の無線信号減衰が、前記第1部分を通して送信される場合のそれより2dBあるいはそれ以上減少される請求項13に記載の航空機。
JP2016553257A 2013-11-11 2014-11-10 低無線信号減衰量のローカルエリアを有するレードーム Active JP6320549B2 (ja)

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