JP6734762B2 - 境界層剥離を低減する不均一な縁部パターンを有するパネル - Google Patents

Description

本開示は、一般に空気力学的悪影響を低減する、翼に配置されたパネルに関し、具体的には、境界層剥離を低減する１又は２以上の不均一な縁部を有するパネルに関する。

航空機の翼などの翼型の周囲には、空気が翼型を流れ去る時に境界層が生じることがある。境界層は、空気分子の流れが外側の空気分子よりも遅い、翼型面を取り巻く空気の層を意味することができる。この現象は、翼型面における空気分子を翼型に対して実質的に静止させる空気分子の粘性によって生じる。境界層は、空気流の迎角が低い時には航空機の翼に付着したままになり得る。しかしながら、迎角が増加すると、翼型の低圧側（翼型の後縁部付近）を取り巻く境界層が翼型面から剥離して、翼型に加わる抗力を増加させることがある。

１つの実施形態によれば、翼型が、第１の側と、第１の側とは反対側の第２の側と、翼型の第１の側に結合された、第１の不均一な縁部パターンを有する第１の縁部を含む装置と、を含む。

いくつかの実施形態の技術的利点は、翼端渦流の低減を通じて、翼に加わる空気力学的抗力及び／又は翼の後方の後方乱気流を低減することを含むことができる。いくつかの実施形態は、剥離の遅延及び抗力の低減を通じて、運用的飛行エンベロープを、より積極的な条件を含むように拡張させることができる。さらに、いくつかの実施形態は、航空機の稼働停止時間が従来の抗力低減システムよりも少なくて済む抗力低減システムを提供することができる。当業者には、以下の図、説明及び特許請求の範囲から他の技術的利点が容易に明らかになるであろう。さらに、上記では特定の利点を列挙したが、様々な実施形態は、これらの列挙した利点の全部又は一部を含むことも、或いは全く含まないこともできる。

高迎角に起因して境界層剥離を受ける、流れ制御を伴わない翼型例を示す図である。 高迎角に起因して境界層剥離を受ける、流れ制御を伴わない翼型例を示す図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルを含む翼型例の斜視図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルを含む翼型例の斜視図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルを含む翼型例の斜視図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルの実施形態例を示す図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルの実施形態例を示す図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルの実施形態例を示す図である。 本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルを含む航空機の翼の例を示す図である。

航空機の翼などの翼型の境界層剥離は、飛行中に、航空機に加わる抗力の増加を含む多くの問題を引き起こす恐れがある。従って、抗力を低下させ、迎角の範囲を通じて揚力特性を向上させることによって境界層剥離を低減又は遅延させることにより、翼型の性能を改善することができる。翼型の失速を遅らせることもできる。

境界層剥離を低減又は遅延させる１つの方法は、翼型の低圧側に取り付けた渦発生器を使用するものである。渦発生器は、空気流に小さな流れ方向の渦を導入することによって空気力学的表面上又はその付近の気流の向きを変える装置を意味することができる。境界層内に完全に没する又は含まれるほど小さな特定の渦発生器は、微小渦発生器と呼ぶことができる。しかしながら、境界層の厚みは、翼型の長さ及び厚さに比べて小さくなり得るので、所望の効果を得るには、微小発生器を小型にして大量に寄せ集めなければならない。従って、微小渦発生器は、高価であって翼型にしっかりと取り付けるのが困難になり得る。真っ直ぐな縁部を有する典型的な取り付けプラットフォームは、これらの装置の取り付けを単純にすることができるが、翼型の性能に害を及ぼす望ましくない空気力学的特徴をもたらすこともある。

従って、本開示の態様は、前縁部及び／又は後縁部に、ジグザグパターンなどの１又は２以上の不均一な縁部パターンを有するパネルを含むことができる。不均一な縁部パターンは、境界層内に（渦発生器と同様の）極めて小さな流れ方向の渦をもたらして気流の運動量を再分配することにより、境界層剥離を防止、低減又は遅延させることができる。従って、本開示による１又は２以上の不均一な縁部パターンを有するパネルは、渦発生器と同様の効果を奏することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、このパネルが、パネルの上面に結合された１又は２以上の渦発生器（例えば、微小渦発生器又は微小翼）をさらに含むことにより、境界層剥離をパネル自体以上にさらに防止、低減又は遅延させることもできる。

本開示によるパネルは、アルミニウム、チタン、ポリマ又は強化ポリマ材料、或いは複合材料などの、航空機の外装に使用されるいずれかの好適な材料で構成することができる。いくつかの実施形態では、パネルの配列を取り付ける特定の航空機設計の抗力低減を最大化するような形で航空機の翼上にパネルを配置又は配向することができる。例えば、比較的小型の航空機の翼のパネルの配置及び／又は配向は、比較的大型の航空機の翼のものと異なることができる。また、パネルの設計又は配置は、ウィングレットなどの他の空気力学的特徴と併せて使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、パネルが、翼への取り付け中におけるパネルの正しい整列を示す１又は２以上のマークを含むことができる。例えば、翼の特定の特徴に対応する線又は点をパネルに含め、設置者がそのマークを翼の対応する特徴と位置合わせすることによって取り付け中にパネルを正しく位置合わせできるようにすることができる。パネルを位置合わせするために使用できる翼の特徴の例としては、外板の継目、リベット線又はその他の明らかな翼の特徴が挙げられる。パネルは、限定するわけではないが、航空機の翼の低圧側（例えば、翼の上側）を含む、航空機のいずれかの好適な部分に結合することができる。

本発明を理解し易くするために、以下のいくつかの実施形態例を示す。以下の例は、決して本開示の範囲を限定又は規定するものとして解釈すべきではない。本開示の実施形態及びその利点は、同じ数字を用いて同じ及び対応する部分を示す図１〜図３を参照することによって最も良く理解される。本開示の実施形態は、翼及び航空機に関して示すものであるが、本開示の教示は、車両の効率を高めるために渦を生じるパネルを有する、船舶などのあらゆる好適な車両にも適用できると理解されるであろう。

図１Ａ〜図１Ｂに、高迎角に起因して境界層剥離を受ける、流れ制御を伴わない翼型１００の例を示す。具体的には、図１Ａには、境界層１１０が剥離していない翼型１００を示し、図１Ｂには、境界層１１０が剥離した翼型１００を示す。翼型１００は、低圧面１０１及び高圧面１０２を含む。翼型１００を空気が流れ去ると、翼型１００の上側を流れる空気が低い相対圧力を有する一方で、翼型１００の下側を流れる空気が高い相対圧力を受けることによって翼型１００に揚力を生じることができる。境界層１１０は、翼型１００を空気が流れ去る時に翼型１００の周囲に生じることができる。境界層１１０は、空気分子の流れが外側の空気分子よりも遅い、翼型１００の表面を取り巻く空気の層を意味することができる。この現象は、翼型面の空気分子を翼型に対して実質的に静止させる空気分子の粘性に起因して生じる。図１Ａに示すように、境界層１１０は、空気流の迎角が低い時には翼型１００に付着したままになり得る。しかしながら、図１Ｂに示すように、迎角が増加すると、翼型１００の低圧側１０１（特に翼型の後縁部付近）を取り巻く境界層１１０が剥離することがある。この剥離は、翼型１００の表面に沿った乱流１２０の増加などの多くの空気力学的悪影響を引き起こし、これによって失速が生じたり、翼型１００に加わる抗力が増加したりする恐れがある。

図１Ａ〜図１Ｂには、本開示の範囲から逸脱することなく修正、追加又は省略を行うことができる。例えば、翼型１００の設計及び境界層１１０のサイズ／形状は異なることもできるが、本明細書で図示し説明する原理に変わりはない。一例として、本開示の態様は、上述したような高圧と低圧ではなく翼型の両側に同一又は実質的に同様の圧力が加わる対称的な翼型を含む実施形態でも使用することができると理解されるであろう。

さらに、図１Ｂには、比較的高い迎角の翼型１００の片側に境界層剥離が生じている例を示しているが、境界層剥離は、翼型の両側に生じることも、比較的低い（又はゼロの）迎角で生じることもある。本開示の態様は、これらのいずれの状況にも当てはまると理解されるであろう。

図２Ａ〜図２Ｃは、本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネルを含む翼型２１０の例の斜視図である。パネル２２０は、あらゆる好適なサイズとすることができ、翼型２１０上にあらゆる好適な形で配向することができる。いくつかの実施形態では、特定の航空機及び／又は気流速度に合わせてパネル２２０の設計を（サイズ、形状、配向、翼に対する位置を含めて）最適化することができる。例えば、パネル２２０の設計は、抗力低減を最大化するためにパネル２２０を取り付ける特定のタイプの航空機の巡航速度（例えば、この種の航空機の離陸と着陸との間の平均飛行速度）に合わせて最適化することができる。別の例では、パネル２２０の設計を、境界層剥離を生じる傾向又は大きく助長する傾向が高い非巡航速度（例えば、着陸／離陸速度）又は迎角（例えば、フラップの伸長角度）に合わせて最適化することができる。

パネル２２０は、アルミニウム、チタン、ポリマ又は強化ポリマ材料、或いは複合材料などの強固な及び／又は軽量の材料を含む、翼上での使用に適したいずれかの材料で構成することができる。パネル２２０は、一方の表面（例えば、翼型２１０に結合した側）上に、高速及び多くの異なる気象条件に耐えることができるエポキシ接着剤などの、パネルを翼型２１０に結合するのに適した接着剤を含むことができる。パネル２２０は、翼型２１０の高圧面２１２の反対側とすることができる翼型２１０の低圧面２１１に結合することができる。低圧面２１１は、翼型２１０を空気が流れ去る時に低い相対圧力を受ける翼型２１０の側を意味することができ、高圧面２１２は、翼型２１０を空気が流れ去る時に高い相対圧力を受ける翼型２１０の側を意味することができる。

パネル２２０は、前縁部２２１及び後縁部２２２を含むことができる。前縁部２２１は、一般に気流に抗する側に面するパネル２２０の縁部を意味することができ、後縁部２２２は、気流と同じ一般方向に面するパネル２２０の縁部を意味することができる。前縁部２２１及び後縁部２２２の一方又は両方は、図２Ａ〜図２Ｃに示すような不均一な縁部パターンを有することができる。不均一な縁部パターンは、あらゆる好適なパターンを有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、不均一な縁部パターンが、図３Ａに示すようなジグザグ（又はギザギザの鋸歯状）パターンを含むことができる。他の実施形態では、不均一な縁部パターンが、図３Ｂに示すような波状パターンを含むことができる。パネル２２０の不均一な縁部パターンは、上述したような翼型２１０上の境界層における気流を分断させ、又はその方向を転換させることにより、境界層剥離を防止、低減又は遅延させることができる。

特定の実施形態では、パネル２２０が、その表面に結合された１又は２以上の渦発生器２３０をさらに含むことができる。渦発生器２３０は、空気流に小さな渦を導入することによってパネル２２０及び翼型２１０の表面上又はその付近の気流の向きを変えるいずれかの好適な構造とすることができる。いくつかの実施形態では、渦発生器２３０が、微小渦発生器又は微小翼を含むことができる。渦発生器２３０は、パネル２２０のいずれかの好適な表面に結合することができ、パネル２２０の上面（翼型２１０に結合したパネル２２０の表面の反対側）に結合することができる。いくつかの実施形態では、渦発生器２３０の高さを境界層の厚みよりも小さくすることができる。一例として、付着した境界層の高さが約１インチの場合、渦発生器２３０の高さは、０．２〜０．５インチの範囲内とすることができる。渦発生器２３０の形状は、台形又は矩形などのいずれかの好適な形状とすることができる。渦発生器２３０は、配置先のパネル２２０の表面に対して概ね垂直な角度に配向することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、渦発生器２３０を、配置先のパネル２２０の表面に対し、表面に垂直な軸に対して３０度又は４５度などの非垂直な角度に配向することもできる。

（図２Ａ〜図２Ｃに示すような）特定の実施形態では、渦発生器２３０を、パネル２２０の不均一な縁部パターンの相対角度とは異なる角度に配向することができる。例えば、気流に対する不均一な縁部パターンの相対角度を約６０°とし、気流に対する渦発生器２３０の相対角度を約３０°とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、渦発生器２３０の配向角度を、パネル２２０の不均一な縁部パターンの相対角度と同じにすることもできる。

図２Ａ〜図２Ｃには、本開示の範囲から逸脱することなく修正、追加又は省略を行うことができる。例えば、ジグザグの縁部パターンを有するように示しているが、パネル２２０の前縁部２２１又は後縁部２２２の一方又は両方が波状縁部パターンを有することもできる。別の例として、前縁部２２１及び後縁部２２２がいずれも不均一な縁部パターンを有するように示しているが、パネル２２０の前縁部２２１又は後縁部２２２の一方のみが不均一な縁部パターンを有することもできる。

図３Ａ〜図３Ｃに、本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネル３２０の実施形態例を示す。具体的には、図３Ａには、曲線部を含まない（「鋸歯」形又は「Ｗ字」形としても知られている）ジグザグの前縁部３２１ａ及び後縁部３２２ａを含むパネル３２０ａの例を示す。図３Ｂには、曲線部を含む波状パターンの前縁部３２１ｂ及び後縁部３２２ｂを含むパネル３２０ｂの例を示す。図３Ｃには、（「Ｎ字」形パターンとしても知られている）別のジグザグパターンの前縁部３２１ｃ及び後縁部３２２ｃを含むパネル３２０ｃの例を示す。

縁部３２１〜３２２は、パネル３２０の設計に依存して、対称又は非対称とすることができる。対称な縁部パターンは、互いに逆向きに回転する渦対を生じることができ、剥離を遅らせるとともに、付着した境界層を翼型の後方に向けて延ばすのに役立つことができる。一例として、図３Ａ〜図３Ｂのパネル３２０ａ〜３２０ｂは、縁部３２１ａ〜ｂ及び３２２ａ〜ｂという対称パターンを有する。一方、非対称な縁部パターンは、（一方の方が他方よりも強い）共回転する渦対を生じることができ、境界層を翼型の片側に向けるのに役立つことができる。

パネル３２０は、渦発生器３３０を含む。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、渦発生器３３０は、（気流に対して）縁部３２１〜３２２と実質的に同じ角度に配向することができる。例えば、渦発生器３３０、前縁部３２１及び後縁部３２２の角度は、気流に対して約６０°とすることができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、渦発生器３３０を、（例えば、図２Ｃに示すように）パネル３２０の縁部３２１〜３２２と異なる角度に配向することもできる。例えば、気流に対する渦発生器３３０の角度を約３０°とし、前縁部３２１及び／又は後縁部３２２の角度を約６０°とすることができる。

図３Ａ〜図３Ｃには、本開示の範囲から逸脱することなく修正、追加又は省略を行うことができる。例えば、縁部３２１〜３２２のパターン及び／又は渦発生器３３０の角度は、図示のものと異なってもよい。

図４に、本開示の実施形態による、不均一な縁部パターンを有するパネル４５０を含む航空機の翼４００の例を示す。翼４００は、本体部分４１０とフラップ４２０とを含む。いくつかの実施形態では、翼４００が、１又は２以上の位置に補助翼（図示せず）を含むこともできる。パネル４５０は、本体部分４１０及び／又はフラップ４２０の１又は２以上の領域などの、翼４００のいずれかの好適な表面上に配置することができる。いくつかの実施形態では、翼４００上におけるパネル４５０の正確な配置が、パネル４５０を取り付ける航空機のモデルなどの、特定の翼の用途に基づくことができる。パネル４５０は、（例えば、翼４００の外板内に形成された）翼４００の構成部分とすることも、或いは図４に示すように翼４００に結合された別個の構成部品とすることもできる。

いくつかの実施形態では、パネル４５０が、図２Ａ〜図２Ｃのパネル２２０と同様に、その表面に結合された１又は２以上の渦発生器４５５を含むことができる。渦発生器４５５は、いずれかの好適な渦発生器とすることができ、いくつかの実施形態では微小渦発生器を含むことができる。特定の実施形態では、パネル４５０が、翼４００上におけるパネル４５０の正しい配置を示す１又は２以上のマーク（例えば、線、図示せず）を含むこともできる。例えば、図４に示すように、これらのマークは、翼４００の外板の継目４２５などの、翼４００の特徴のうちの１つ又は２つ以上に対する整列を示すことができる。

特定の実施形態では、翼４００上のいくつかのパネル４５０の設計が、翼４００上の別のパネル４５０と異なることができる。例えば、翼４００の本体部分４１０上に位置するパネル４５０ａの設計の１又は２以上の態様（例えば、不均一な縁部パターンの厚み又は気流に対する角度）は、フラップ４２０上に位置するパネル４５０ｂの設計と異なることができる。同様に、渦発生器４５５ａの設計の１又は２以上の態様（例えば、形状又は気流に対する角度）も、フラップ４２０上の渦発生器４５５ｂの設計と異なることができる。

図４には、本開示の範囲から逸脱することなく修正、追加又は省略を行うことができる。例えば、限定するわけではないが、フラップ４２０の設計を含む翼４００の設計は、パネル４５０を取り付ける航空機に応じて異なることができる。別の例として、パネル４５０は、本体部分４１０及びフラップ４２０の両方に配置されるものとして示しているが、本体部分４１０上のみ又はフラップ４２０上のみに配置することもできる。さらに別の例として、パネル４５０は、本体部分４１０及びフラップ４２０の全体にわたって配置されるものとして示しているが、これらの一部のみに配置することもできる。さらに別の例として、渦発生器４５５は、パネル４５０のうちの１つのパネル上に配置されるものとして示しているが、パネル４５０のいずれかの好適な部分又はパネル４５０全体に配置することもできる。さらに別の例では、鋸歯状パネルが単独で十分な流れ制御をもたらす場合には、（微小翼などの）渦発生器４５５を完全に省くこともできる。

本明細書における「又は（ｏｒ）」は、別途明確に示していない限り、又は文脈的に別途示していない限り包括的であって排他的ではない。従って、本明細書における「Ａ又はＢ」は、別途明確に示していない限り、又は文脈的に別途示していない限り、Ａ、Ｂ、又はこれらの両方を意味する。さらに、「及び（ａｎｄ）」は、別途明確に示していない限り、又は文脈的に別途示していない限り、連帯的かつ個別的である。従って、本明細書における「Ａ及びＢ」は、別途明確に示していない限り、又は文脈的に別途示していない限り、「連帯的かつ個別的にＡ及びＢ」を意味する。

本開示の範囲は、本明細書において説明又は図示した実施形態例に対する、当業者が理解する全ての変更、置換、変形、改変及び修正を含む。本開示は、本明細書において説明又は図示した実施形態例に限定されるものではない。さらに、本開示では、本明細書におけるそれぞれの実施形態を、特定の構成部品、要素、機能、動作又はステップを含むものとして説明し図示したが、これらの実施形態は、いずれも本明細書のいずれかで説明又は図示した構成部品、要素、機能、動作又はステップの、当業者が理解するあらゆる組み合わせ又は置換を含むことができる。さらに、添付の特許請求の範囲における、特定の機能を実行するように適合された（ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ）、するように構成された（ａｒｒａｎｇｅｄ ｔｏ）、することができる（ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ）、するように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）、することができる（ｅｎａｂｌｅｄ ｔｏ）、又はするように動作する（ｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｔｏ）装置、システム、或いは装置又はシステムの構成部品という言及は、これらの装置、システム又は構成部品がそのように適合され、構成され、行うことができ、構成され、行うことができ、又は動作できる限り、これらの装置、システム又は構成部品、或いはその特定の機能が作動するか否か、オンになっているか否か、又はロック解除されているか否かに関わらず、これらの装置、システム又は構成部品を含む。

Claims (12)

1. 翼型であって、
   内側端部と、この内側端部とは反対側の外側端部と、
   第１の側と、前記第１の側とは反対側の第２の側と、
   前記第１の側に結合された連続するパネルであって、前記第１の側は前記翼型の低圧力側であり、前記パネルが、第１の不均一な縁部パターンを有する第１の縁部を備え、前記第１の縁部はその上に配置された少なくとも４つの頂点を含み、前記パネルが、前記翼型の内側端部から外側端部まで延びている前記パネルと、を有し、
   前記パネルは、更に、このパネルの表面に結合され且つこのパネルの長さに沿って均一に設けられた１又は２以上の渦発生器を有する、翼型。
2. 前記第１の不均一な縁部パターンは前記翼型の前後方向に沿って対称である、請求項１に記載の翼型。
3. 前記第１の不均一な縁部パターンは前記翼型の前後方向に沿って非対称である、請求項１に記載の翼型。
4. 前記第１の不均一な縁部パターンはジグザグパターンである、請求項１に記載の翼型。
5. 前記第１の不均一な縁部パターンは波状パターンである、請求項１に記載の翼型。
6. 前記パネルは、更に、第２の不均一な縁部パターンを有する第２の縁部を有する、請求項１に記載の翼型。
7. 前記第１の不均一な縁部パターンは、前記第２の不均一な縁部パターンと同じものである、請求項６に記載の翼型。
8. 前記１又は２以上の渦発生器は、前記第１の不均一な縁部パターンと実質的に同じ角度に配向される、請求項１に記載の翼型。
9. 前記１又は２以上の渦発生器は、前記第１の不均一な縁部パターンと異なる角度に配向される、請求項１に記載の翼型。
10. 前記１又は２以上の渦発生器のうちの少なくとも１つは台形である、請求項１に記載の翼型。
11. 前記１又は２以上の渦発生器のうちの少なくとも１つは矩形である、請求項１に記載の翼型。
12. 翼であって、
    前記翼の内側端部と、前記内側端部とは反対側の前記翼の外側端部と、
    低圧側と、この低圧側とは反対側の高圧側であって、前記低圧側及び前記高圧側は、これらの低圧側及び高圧側を空気が流れ去るときに、前記高圧側に合力を生じるように形成された前記低圧側と前記高圧側と、
    前記翼の低圧側に結合された連続するパネルであって、このパネルが、第１の不均一な縁部パターンを有する第１の縁部と、第２の不均一なパターンを有する第２の縁部と、前記パネルの表面に結合された１又は２以上の渦発生器と、を備え、前記第１の縁部はそれに配置された少なくとも４つの頂点を含み、前記パネルが、前記翼の内側端部から外側端部まで延びている前記パネルと、を有し、
    前記パネルは、更に、このパネルの表面に結合され且つこのパネルの長さに沿って均一に設けられた１又は２以上の渦発生器を有する、翼型。

Images