JP6441726B2 - ジェットエンジン、飛しょう体、および、ジェットエンジンの動作方法 - Google Patents
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Description
図1を参照して、用語の定義を行う。図1は、ジェットエンジン2を模式的に示す概略断面図である。ジェットエンジン2は、インレット11と、燃焼器12と、ノズル13とを備える。燃焼器12は、燃焼室Chと、複数の燃料噴射器20を備える。図1には、ジェットエンジンの作動時における主流空気の流れMA(換言すれば、インレットからジェットエンジンに取り込まれる空気の流れ)が記載されている。
図2乃至図4を参照して、発明者によって認識された事項について説明する。図2乃至図4は、ジェットエンジン2を模式的に示す概略断面図である。図2乃至図4において、図1に記載した部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。なお、図2乃至図4は、発明者によって認識された事項について説明するために便宜的に使用される図である。よって、図2乃至図4は、公知技術を示すものではない。
図5は、実施形態に係るジェットエンジン2の構成の一例を模式的に示す概略断面図である。図5において、図1乃至図4に記載した部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。
図6Aおよび図6Bを参照して、第1動作モードについて説明する。図6Aおよび図6Bは、実施形態に係るジェットエンジン2の構成の一例を模式的に示す概略断面図である。なお、図6Aおよび図6Bにおいて、制御線95Cは、図面の複雑化を避けるために、記載が省略されている。
図6Cおよび図6Dを参照して、第2動作モードについて説明する。図6Cおよび図6Dは、実施形態に係るジェットエンジン2の構成の一例を模式的に示す概略断面図である。なお、図6Cおよび図6Dにおいて、制御線95Cは、図面の複雑化を避けるために、記載が省略されている。
実施形態に係る飛しょう体1の構成について説明する。
図7は、実施形態に係る飛しょう体1の構成の一例を示す斜視図である。飛しょう体1は、ジェットエンジン2と、ロケットモータ3とを具備している。ロケットモータ3は、飛しょう体1を発射装置から飛行させるとき、飛しょう体1を飛しょう開始時の速度から所望の速度まで加速する。ただし、飛しょう開始時の速度は、飛しょう体1が静止している発射装置から発射されるときは、速度ゼロであり、飛しょう体が移動中(または飛行中)の移動体(または飛行体)の発射装置から発射されるときは、その移動体(または飛行体)の移動速度(または飛行速度)である。ジェットエンジン2は、飛しょう体1がロケットモータ3を分離した後、飛しょう体1を更に加速して、目標へ向かって飛しょうさせる。ジェットエンジン2は、機体10とカウル40とを備えている。機体10とカウル40とは、ジェットエンジン2のインレット、燃焼器及びノズルを構成している。ジェットエンジン2は、インレットにて前方から空気を取り入れ、燃焼器にてその空気と燃料とを混合し、燃焼させ、ノズルにてその燃焼ガスを膨張させ、後方へ送出する。それにより、ジェットエンジン2は推進力を得る。飛しょう体1は、センサ60、飛行制御装置80、および、燃料噴射制御器90を備える(詳細は、後述される。)。なお、燃料噴射制御器90は、飛行制御装置80の一部であってもよいし、飛行制御装置80とは別に設けられる制御器であってもよい。
次に、図8A乃至図11を参照して、実施形態に係るジェットエンジンについてより詳細に説明する。図8A乃至図11において、図1乃至図7に記載した部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。なお、図8Aおよび図8Bにおいて、制御線95A乃至95C等は、図面の複雑化を避けるために、記載が省略されている。
燃焼器12は、燃焼室Chと、複数の燃料噴射器20(例えば、上流側燃料噴射器20A、第1の下流側燃料噴射器20B、第2の下流側燃料噴射器20C)とを備える。燃焼器12は、少なくとも1つの燃料点火器を備えていてもよい。燃料点火器の数は、1つであってもよい。また、燃焼器12は、少なくとも1つの保炎器22(例えば、上流側保炎器22A、下流側保炎器か22B)を備えていてもよい。
上流側燃料噴射器20Aは、燃焼器12の壁に設けられている。上流側燃料噴射器20Aは、燃焼室Chに燃料を噴射する。上流側燃料噴射器20Aは、少なくとも1つの燃料噴射孔20a(換言すれば、1つまたは複数の燃料噴射孔20a)を備える。上流側燃料噴射器20Aは、例えば、複数の燃料噴射器のうちで最上流に配置される燃料噴射器である。
上流側燃料点火器21Aは、燃焼器12の壁に設けられている。上流側燃料点火器21Aは、上流側燃料噴射器20Aから噴射される燃料を点火する点火器である。上流側燃料点火器21Aは、燃料噴射孔20aの近傍に設けられる。上流側燃料点火器21Aと、燃料噴射孔20aとの間の距離は、例えば、30cm以内である。
上流側保炎器22Aは、上流側燃料噴射器20Aから噴射される上流側燃料GAの燃焼によって生成される炎を保炎する保炎器である。上流側保炎器22Aは、燃焼器12の壁面に設けられている。上流側保炎器22Aには、主流空気と上流側燃料噴射器20Aから噴射される上流側燃料GAとの混合気体が供給される。混合気体は、上流側保炎器22A内においては、低速で移動する。上流側保炎器22Aは、上流側燃料噴射器20Aから噴射される上流側燃料GAの燃焼に用いる炎を維持する。上流側保炎器22Aは、例えば、燃焼器12の壁面に設けられた凹部である。上流側保炎器22Aは、例えば、上流側燃料噴射器20Aの下流側に配置される。代替的に、上流側保炎器22Aが設けられる位置は、上流側燃料噴射器20Aが設けられる位置と重なっていてもよい(例えば、上流側保炎器22Aの壁部に上流側燃料噴射器20Aが設けられてもよい)。
第1の下流側燃料噴射器20Bは、燃焼器12の壁に設けられている。第1の下流側燃料噴射器20Bは、燃焼室Chに燃料を噴射する。第1の下流側燃料噴射器20Bは、少なくとも1つの燃料噴射孔20b(換言すれば、1つまたは複数の燃料噴射孔20b)を備える。第1の下流側燃料噴射器20Bは、上流側燃料噴射器20Aよりも下流側に配置される。燃焼室Chが上流側保炎器22Aを備える場合、第1の下流側燃料噴射器20Bは、上流側保炎器22Aの下流側に配置される。
下流側保炎器22Bは、第1の下流側燃料噴射器20Bから噴射される下流側燃料GBの燃焼によって生成される炎を保炎する保炎器である。下流側保炎器22Bは、燃焼器12の壁面に設けられている。下流側保炎器22Bには、主流空気と第1の下流側燃料噴射器20Bから噴射される下流側燃料GBとの混合気体が供給される。混合気体は、下流側保炎器22B内においては、低速で移動する。下流側保炎器22Bは、第1の下流側燃料噴射器20Bから噴射される下流側燃料GBの燃焼に用いる炎を維持する。下流側保炎器22Bは、例えば、燃焼器12の壁面に設けられた凹部である。下流側保炎器22Bは、例えば、第1の下流側燃料噴射器20Bの下流側に配置される。代替的に、下流側保炎器22Bが設けられる位置は、第1の下流側燃料噴射器20Bが設けられる位置と重なっていてもよい(例えば、下流側保炎器22Bの壁部に第1の下流側燃料噴射器20Bが設けられてもよい)。
第2の下流側燃料噴射器20Cは、燃焼器12の壁に設けられている。第2の下流側燃料噴射器20Cは、燃焼室Chに燃料を噴射する。第2の下流側燃料噴射器20Cは、少なくとも1つの燃料噴射孔20c(換言すれば、1つまたは複数の燃料噴射孔20c)を備える。第2の下流側燃料噴射器20Cは、上流側燃料噴射器20Aよりも下流側に配置される。燃焼室Chが上流側保炎器22Aを備える場合、第2の下流側燃料噴射器20Cは、例えば、上流側保炎器22Aの下流側に配置される。
図9に、燃料供給系の一例を示す。燃料供給系は、燃料供給部33と、配管35と、少なくとも1つの流量調整器36とを含む。燃料供給部33は、例えば、燃料タンク34と定量ポンプPuとを備える。配管35は、例えば、燃料供給部33と第1分岐点37との間の配管35A、第1分岐点37と上流側燃料噴射器20Aとの間の配管35B、第1分岐点37と第2分岐点38との間の配管35C、第2分岐点38と第1の下流側燃料噴射器20Bとの間の配管35D、第2分岐点38と第2の下流側燃料噴射器20Cとの間の配管35Eを含む。
上流側燃料噴射器20Aからの燃料噴射流量、第1の下流側燃料噴射器20Bからの燃料噴射流量、および、第2の下流側燃料噴射器20Cからの燃料噴射流量は、燃料噴射制御器90によって制御される。燃料噴射制御器90は、少なくとも上流側燃料噴射器20Aおよび第1の下流側燃料噴射器20Bを作動状態とする第1動作モードと、少なくとも上流側燃料噴射器20Aおよび第2の下流側燃料噴射器20Cを作動状態とする第2動作モードとを選択的に実行可能である。第2動作モードは、第1動作モードとは異なる動作モードである。上流側燃料噴射器20Aから噴射される燃料噴射流量に対する第1の下流側燃料噴射器20Bから噴射される燃料噴射流量の割合は、第1動作モードの方が第2動作モードよりも大きくなるように設定される。
図10Aに燃料噴射制御器90による制御の第1例を示す。燃料噴射制御器90は、センサ60から、ジェットエンジン2を備えた飛しょう体1の速度V(またはマッハ数M)についての情報を取得する。速度V(マッハ数M)についての情報は、GPS等の位置センサからの情報、加速度センサからの情報、あるいは、圧力センサからの情報等に基づいて取得されてもよい。燃料噴射制御器90は、飛しょう体1の速度Vが速度閾値V1未満の時(または、マッハ数Mがマッハ数閾値M1未満の時)、上流側燃料噴射器20Aおよび第1の下流側燃料噴射器20Bを作動状態(図10Aの「○」を参照。)に制御し、第2の下流側燃料噴射器20Cを非作動状態(図10Aの「×」を参照。)に制御する(以下、「制御動作A」という)。
図10Bに燃料噴射制御器90による制御の第2例を示す。燃料噴射制御器90は、センサ60から、ジェットエンジン2を備えた飛しょう体1の速度V(またはマッハ数M)についての情報を取得する。燃料噴射制御器90は、飛しょう体1の速度Vが第1速度閾値V0未満の時(または、マッハ数Mが第1マッハ数閾値M0未満の時)、上流側燃料噴射器20Aを作動状態に制御し、第1の下流側燃料噴射器20Bおよび第2の下流側燃料噴射器20Cを非作動状態に制御する(以下、「制御動作C」という)。
図7に示されるように、飛しょう体1は、飛行制御装置80を備える。図7に記載の例では、飛行制御装置80は、ジェットエンジン2に設けられ、かつ、燃料噴射制御器90を含む。代替的に、飛行制御装置80は、ジェットエンジン2以外の飛しょう体1の部分に設けられ、燃料噴射制御器90とは、制御線等を介して情報伝達可能に構成されてもよい。
燃料噴射制御器90は、例えば、ハードウェアプロセッサを含む演算装置と、記憶装置とを備える。ハードウェアプロセッサは、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、演算装置を、情報取得部901と、動作モード決定部903と、燃料送出指示部905と、流量調整指示部906等として機能させる。ハードウェアプロセッサは、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、記憶装置を記憶部902として機能させる。
図12A〜図12Dを参照して、実施形態の変形例について説明する。図12Aは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略断面図である。また、図12Bは、図12Aにおける燃焼器の部分を拡大した図であり、燃焼領域が小さい状態を示す図である。図12Cは、図12Aにおける燃焼器の部分を拡大した図であり、燃焼領域が大きい状態を示す図である。図12Dは、飛行制御装置および燃料噴射制御器の機能ブロック図の一例を示す。なお、図12A〜図12Dにおいて、図1〜図11に記載した部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。なお、図12A乃至図12Cにおいて、制御線95A乃至95C等は、図面の複雑化を避けるために、記載が省略されている。
図12Eは、飛行制御装置および燃料噴射制御器の機能ブロック図の一例を示す。また、図12Eに記載の機能ブロック図は、図12Dに記載の機能ブロック図と比較して、センサ60からの高度Hに関する情報が、燃料噴射制御器90Cに伝達される点で異なる。なお、図12Eにおけるオートパイロット82、推力制御器84、情報取得部901、動作モード決定部903、燃料送出指示部905、流量調整指示部906、比較部909の機能は、それぞれ、図12Dにおけるオートパイロット82、推力制御器84、情報取得部901、動作モード決定部903、燃料送出指示部905、流量調整指示部906、比較部909は、の機能と同一である。
2 :ジェットエンジン
2B :ジェットエンジン
3 :ロケットモータ
10 :機体
11 :インレット
12 :燃焼器
13 :ノズル
14 :第1壁面
15 :第2壁面
16 :下面
20 :燃料噴射器
20A :上流側燃料噴射器
20B :第1の下流側燃料噴射器
20C :第2の下流側燃料噴射器
20a :燃料噴射孔
20b :燃料噴射孔
20c :燃料噴射孔
21A :上流側燃料点火器
22 :保炎器
22A :上流側保炎器
22B :下流側保炎器
33 :燃料供給部
34 :燃料タンク
35 :配管
35A :配管
35B :配管
35C :配管
35D :配管
35E :配管
36 :流量調整器
36A :第1流量調整器
36B :第2流量調整器
36C :第3流量調整器
37 :第1分岐点
38 :第2分岐点
40 :カウル
50 :空間
60 :センサ
60A :センサ
80 :飛行制御装置
80B :飛行制御装置
80C :飛行制御装置
82 :オートパイロット
84 :推力制御器
90 :燃料噴射制御器
90B :燃料噴射制御器
90C :燃料噴射制御器
95 :制御線
95A :制御線
95B :制御線
95C :制御線
95D :制御線
901 :情報取得部
902 :記憶部
902C:記憶部
903 :動作モード決定部
905 :燃料送出指示部
906 :流量調整指示部
909 :比較部
Ch :燃焼室
Pu :定量ポンプ
S1 :上流側端面
S2 :下流側端面
Claims (11)
- 空気を取り込むインレットと、
前記空気を用いて燃料を燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスを放出するノズルと、
燃料噴射制御器と
を具備し、
前記燃焼器は、
燃焼室と、
前記燃焼室に前記燃料を噴射する複数の燃料噴射器と
を備え、
前記複数の燃料噴射器は、
上流側燃料噴射器と、
前記上流側燃料噴射器の下流側に配置される第1の下流側燃料噴射器と、
前記上流側燃料噴射器の下流側に配置される第2の下流側燃料噴射器と
を備え、
前記上流側燃料噴射器をとおり、前記燃焼室の長手方向に平行な直線を第1直線と定義する時、前記第1の下流側燃料噴射器と前記第1直線との距離は、前記第2の下流側燃料噴射器と前記第1直線との距離より小さく、
前記第1の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室の第1壁部に設けられ、
前記第2の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室を挟んで前記第1壁部に対向する第2壁部に設けられ、
前記第1の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料は、前記上流側燃料噴射器から噴射された前記燃料により生成される炎により着火され、
前記第2の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料は、前記上流側燃料噴射器から噴射された前記燃料により生成される炎により着火され、
前記燃料噴射制御器は、前記上流側燃料噴射器および前記第1の下流側燃料噴射器を作動状態とする第1動作モードと、前記第1動作モードとは異なる動作モードであり、前記上流側燃料噴射器および前記第2の下流側燃料噴射器を作動状態とする第2動作モードとを選択的に実行可能に構成されて、
前記第1動作モードにおいては、前記第2の下流側燃料噴射器は、非作動状態とされる
ジェットエンジン。 - 請求項1に記載のジェットエンジンにおいて、
前記燃焼室の第3壁部に、前記上流側燃料噴射器から噴射される前記燃料の燃焼によって生成される炎を保炎する上流側保炎器と、
前記上流側保炎器と異なり、前記第1の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料の燃焼によって生成される炎を保炎する下流側保炎器と
を更に備え、
前記下流側保炎器は、前記第3壁部の壁面に沿った前記燃焼室の長手方向の下流側に設けられている
ジェットエンジン。 - 請求項2に記載のジェットエンジンにおいて、
前記第1の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室の長手方向にみて、前記上流側保炎器とオーバーラップする位置に配置され、
前記第2の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室の長手方向にみて、前記上流側保炎器とオーバーラップしない位置に配置される
ジェットエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のジェットエンジンにおいて、
前記燃料噴射制御器は、飛しょう体の速度またはマッハ数の変化に応答して、前記第1動作モードから前記第2動作モードに切り替える
ジェットエンジン。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のジェットエンジンにおいて、
前記第1動作モードと前記第2動作モードを含む複数の動作モードの中から採用すべき動作モードを決定する動作モード決定部を更に備え、
前記動作モード決定部は、センサによって測定される測定値に基づいて、前記採用すべき動作モードを決定し、
前記燃料噴射制御器は、前記決定された動作モードを実行する
ジェットエンジン。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のジェットエンジンにおいて、
前記燃焼室内の領域であって、前記第2の下流側燃料噴射器の近傍領域の状態量を測定するセンサと、
閾値を記憶する記憶部と、
前記第1動作モードと前記第2動作モードを含む複数の動作モードの中から採用すべき動作モードを決定する動作モード決定部と
を更に備え、
前記動作モード決定部は、前記センサによって測定される測定値と前記記憶部に記憶された前記閾値との比較に基づいて、前記採用すべき動作モードを決定し、
前記燃料噴射制御器は、前記決定された動作モードを実行する
ジェットエンジン。 - 請求項6に記載のジェットエンジンにおいて、
前記センサは、圧力センサまたは温度センサである
ジェットエンジン。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のジェットエンジンにおいて、
前記上流側燃料噴射器、および、前記第1の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室の第1壁面に配置され、
前記第2の下流側燃料噴射器は、前記第1壁面とは異なる壁面に配置される
ジェットエンジン。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載のジェットエンジンを備える飛しょう体。
- ジェットエンジンの動作方法であって、
ここで、前記ジェットエンジンは、
空気を取り込むインレットと、
前記空気を用いて燃料を燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスを放出するノズルと、
燃料噴射制御器と
を具備し、
前記燃焼器は、
燃焼室と、
前記燃焼室に前記燃料を噴射する複数の燃料噴射器と
を備え、
前記複数の燃料噴射器は、
上流側燃料噴射器と、
前記上流側燃料噴射器の下流側に配置される第1の下流側燃料噴射器と、
前記上流側燃料噴射器の下流側に配置される第2の下流側燃料噴射器と
を備え、
前記上流側燃料噴射器をとおり、前記燃焼室の長手方向に平行な直線を第1直線と定義する時、前記第1の下流側燃料噴射器と前記第1直線との距離は、前記第2の下流側燃料噴射器と前記第1直線との距離より小さく、
前記第1の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室の第1壁部に設けられ、
前記第2の下流側燃料噴射器は、前記燃焼室を挟んで前記第1壁部に対向する第2壁部に設けられ、
前記第1の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料は、前記上流側燃料噴射器から噴射された前記燃料による炎により着火され、
前記第2の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料は、前記上流側燃料噴射器から噴射された前記燃料による炎により着火され、
前記ジェットエンジンの動作方法は、
前記上流側燃料噴射器および前記第1の下流側燃料噴射器を作動状態とする第1動作モードを実行するステップと、
前記第1動作モードとは異なる動作モードであり、前記上流側燃料噴射器および前記第2の下流側燃料噴射器を作動状態とする第2動作モードとを実行するステップと
を具備し、
前記第1動作モードにおいては、前記第2の下流側燃料噴射器は、非作動状態とされる
ジェットエンジンの動作方法。 - 請求項10に記載のジェットエンジンの動作方法であって、
前記第1動作モードを実行するステップは、第2動作モードを実行した結果、前記第2の下流側燃料噴射器から噴射される前記燃料の着火が行われていない場合に実行される
ジェットエンジンの動作方法。
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