JPH0359435A - 風洞および空気力学的表面テスト方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、色々の表面の空気力学的特性をテストするた
めに用いる極超音速風洞に関する。

（従来の技術） 色々の風洞が極超音速における空気力学的表面特性をテ
ストするため製作されている。連続流超音速風洞におい
て、空気は大圧縮機、熱交換器、収束−拡散入口ノズル
、テスト領域、および出口デイフユーザからなるループ
に沿って再循環する。

このような装置における固有の問題は、圧縮機および熱
交換器が、衝撃波および境界層による速度抗力損失を補
正するため、過大な動力を必要とすることである。圧縮
機および熱交換器に必要とされる動力は、１０以下のテ
スト領域マツへ数を維持するために、数百メガワットの
オーダとなっている。

他の公知の風洞は、テスト領域の一端部で高圧力あるい
は低圧力が生じ、これによってテスト領域を通るガスの
脈動が生じる断続的超音速風洞である。風洞から引出さ
れた脈動管において、高圧ガスが低圧領域に解放され、
その結果として、ガス流がテスト領域から大気中に導か
れる。大気入口風洞は、テスト領域の一側に大気圧を有
し、他側に真空を有している。

吹出風洞において、貯留タンク内の高圧ガスはテスト領
域を通って通路に解放され、次に大気中に解放される。

この断続的な超音速風洞の固有の問題は、極超音速が、
きわめて短時間においてしか（数秒のオーダ）、達成で
きないことである。更に、これらの風洞は、高マツハ数
を達成することはできない。

〔発明の構成〕

本発明の第１の特徴によれば、周縁に沿ってガスを循環
させるための円筒状空洞を形成するロータ装置と； ノズル端部と排ガス端部との間に延びる内側面および外
側面をそれぞれ有する第１および第２部材であって、各
部材は空洞内に対向した関係で取付けられると共に、各
部材の内周面は協働して、ノズル、テスト領域、および
排気領域を形成する第１および第２部材と； ノズル近傍に設けられ循環ガスの所定量を、ノズル、テ
スト領域、および排気領域に転換させ、排気領域は空洞
に開口し転換ガスを循環ガスに再合流させる装置と、 テスト領域において空気力学的表面を取付ける装置とを
備えた風洞が提供される。

本発明の第２の特徴によれば、連続的に閉ループの内周
に連続的にガスを循環させる工程と；所定量のガスをテ
スト領域に転換させる工程と；転換ガスを閉ループ周縁
に戻す工程と；からなる閉ループの中央部のテスト領域
において表面を空気力学的にテストする方法が提供され
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面とともに説明する。

本発明において、風洞は空洞の周囲にガスを循環させる
円筒空洞を形成するロータ装置を備えている。本実施例
において、このロータ装置５ｏは中心軸線６２の回りに
回転する円筒内壁２５を有している。

第３図に示すように、ロータ装置５ｏの内壁５２は、ガ
ス循環を促進するため内方へ突出するフィン７０を有し
ている。ロータ装置５ｏは、設計壁面速度条件およびガ
ス温度によって色々の金属または合成板から構成するこ
とができる。好適実施例において、第２図に示すように
、風洞はロータ装置５０を囲うとともに覆う外部ケース
９６を備えている。ケース９６はロータ装置５ｏの軸線
と同軸に円筒コア６６をＨしている。円筒コア６６の一
端には、少なくとも一つの観察部が設けられ、テスト領
域７４を観察できるようになっている。この観察部はコ
ア６６によって形成された環状開口６４に固定された２
つの窓９８および９９からなっている。窓つりはガスが
環状開口６４を通過することを防止するよう機能する。

ケース９６は真空囲体となっていることが好ましく、約
１０−４Ｔｏｒｒの真空を維持することができるように
なっている。このことによって、ロータ５０の外側にお
いて、空気力学的な抗力を除去する。ケース９６は、ま
たロータ破損時における押つぶれ抑制構造ともなってい
る。

ロータ５０は、ロータ５０の両端に円筒内壁５２と直交
し、かつ一体に形成された側壁５８゜６０を有している
。各側壁５８．６０は、コア６６と同軸の環状開口６３
を有している。ロータ５０はコア６６によって回転自在
に支持されている。ベアリングトラック６８．６９が開
口６３の周囲およびコア６６の外壁にそれぞれ固着され
、ロータ５０をコア６６の回りに回転させるようになっ
ている。ロータ５０は、たとえば非接触磁石システムの
ような他の手段によって回転自在に支持されている。

好ましくは、ロータ装置はロータを中心軸線回りに回転
させるモータ駆動装置をＨしている。非限定的実施例に
おいて、このモータ駆動装置は永久磁石モータ駆動装置
となっている。接片マグネット７２およびステータ７３
が、円筒体６６の直径よりわずかに大きい点を除いて公
知のものとなっている。

本発明によれば、風洞は第１および第２部材を有してお
り、各部材はノズル端と排気端との間に内側面および外
側面を有している。また各部材は空洞内で対向した関係
で取付けられており、各部材の内側面は協働して、ノズ
ル、テスト領域、および排気領域を形成している。

好ましくは、第１図に示すように、第１部材８２および
第２部材８４は、内側面８３．８９と、外側面８７．９
１とをそれぞれ有している。各部材８２．８４の面は、
風洞のノズル端１０１と排気端１０３との間に延びてい
る。部材８２．　８４はロータ５０によって形成された
空洞内に対向した関係で配設され、これによって各部材
の内側面の間にノズル９０、テスト領域７４、および排
気領域１１４を形成している。排気領域はロータ空洞に
対して開口し、ロータ５０の周縁においてガスを循環ガ
スに再合流させるようになっている。

本発明によれば、風洞は所定量の循環ガスをノズル、テ
スト領域、および排気領域に転換させるために、ノズル
近傍に配設された装置を有している。この場合、排気領
域は空洞に対して開口し、転換ガスを循環ガスに再合流
させるようになっている。第１図に示すように、転換装
置は第１部材８２のノズル端に一体に形成された先端部
８８を有するさじ状面８６を備えている。先端部８８は
ロータ５０の内壁５２に向って延び、循環ガスの所定量
をノズル９０を介してテスト領域７４に転換させるよう
になっている。好ましくは、さじ状面８６は第２部材８
４の外側面９１の一部と協働して、ガスをノズル９０に
案内する入口領域１０８を形成している。

テスト領域が、第１部材８２と第２部材８４との間に配
設され、ロータ５０の中央に位置している。中心軸線６
２が、テスト領域７４の中央に通っている。テストモデ
ル７６が、テスト領域７４内の公知の風洞針部月７８に
取付けられている。

また、公知のモデル操縦制御装置８０が針部材７８に連
結され、テスト中モデルを操縦するようになっている。

非限定的実施例によれば、風洞のテスト領域は、０．６
ｍＸＱ。８ｍ８１．４ｍとなっている。第１および第２
部材８２．８４の内側面８３．　８９によって形成され
たテスト領域団体は、ロータ破損間において高価なモデ
ルを保護するための押つぶし防止囲体として機能する。

従来のテストにおいて、設計条件のもとで、ロータが破
損しないということは断言できない。

第１部材８２の外側面８７はロータ５０の壁５２から所
定間隔をおいて配設され、さじ状面８６で転換しないガ
スの循環が可能なようにバイパス領域１１０を形成して
いる。

部材８２．８４の排気端は壁５２から所定間隔をおいて
配置され、転換ガスが循環ガスに再合流する混合領域１
０６を形成している。第２部材８４の外側面９１は壁５
２から所定間隔をおいて配置され、自由流回復領域を形
成している。これによって、混合領域にあるガスは、入
口９０に達する前に、自由流勾配を形成するようになっ
ている。

好ましくは、第１部材８２および第２部材８４はコア６
６に取付けられ、中心軸線６２に平行な軸線回りを移動
できるようになっている。各部材８２．８４は互いに相
対的に可動自在となっており、このため入口を通過する
ガス量を選択的に制御できるとともに、ノズル形状を変
化させ、更に風洞内のガス流バタンを２整できるように
なっている。

非限定的実施例によれば、部月８２および８４はリード
型機構に取付けられたモータを有するサーボモータシス
テム９２を用いて可動自在となっている。このサーボモ
ータシステムは、外部ケース９６に取付（少られた外部
制御パネル９４を用いて制御することもできる。このよ
うな設計によって、各部材８２．８４の位置を調節して
ノズルスロート幅の調節を行うこともできる。移動制御
点（第４図に２つの矢印１２０および１２２によって示
されている）は、ノズルスロート中心から等距離となっ
ている。このため、制御点回りの回転により、ノズルス
ロートを開閉するようになっている。部材８２．８４の
精巧でかつ円滑な移動によって、テスト状態におけるマ
ツへ数の積極的な調整が可能となる。

好適実施例において、風洞は制御された所定量のガスを
循環ガスに供給するためのガス供給・引抜装置を有して
いる。本実施例において、ガス供給引抜装置は外部ケー
ス９６を貫通するガスライン部分９９とガスライン１０
０を備えている。ガスライン１００は部分９９にロータ
５０山の領域で連結し、色々のガスを循環ガス中に供給
するようになっている。大気中のガス分子量は高度の上
昇に伴って減少していくので、ガスライン１００は低分
子量のガスを供給することによって高度の変化を模擬す
るために用いられる。

本発明によれば、風洞はテスト領域に空気力学的表面を
取付ける装置を備えている。本実施例においては、この
取付装置は公知の風洞針部材７８を備えている。操縦制
御装置８０を用いることによって、針部材７８はテスト
工程中、テスト面７６の位置を変化させるよう操縦する
ことができる。

第１図において、風洞の作用が説明される。モデル７６
がテスト領域７４に配置されると、ロータ５０は矢印１
０２に示すように峙計方向に回転する。ロータ５０の回
転によって、ガスが部材８４と壁面５２との間の自由流
回復領域１０４を流れ始める。自由流回復領域１０４は
、乱雑な混合領域１０６を通った後のガスをＩＴ１滑に
加圧するとともに、再加速することができるだけの十分
な長さを有している。圧縮ガスは、その後、さじ状面８
６によって２つに分割され、一方は入口領域１０８から
吸込まれ、他方は壁面５２と部材８２との間のバイパス
領域１１０に流入する。

入口領域１０８内に吸込まれるガス量は、さじ状面８６
の鋭い先端部８８の半径方向位置によって制御すること
ができる。例えば、半径１ｍの半径のロータであって１
５９．１６回転／秒のスピン回転で作用する場合、ロー
タは１０００ｍ／ｓ（Ｖ　−２πｒ　　ｆ）壁面接線ガ
ス速度を有する。

ν　　　　　　　　　　Ｖ 壁面ガス圧が１大気圧であって、壁面温度が３００″に
の場合、自由流の比重線は第５図に示すものと考えられ
ている。理想的な圧力線は同一指数曲線を描く。さじ状
面の先端部が、壁面半径の０．９７５に位置している場
合（ｒ／ｒ　　−ν ０．９７５）、さじ状開口を通る流量速度の積分によっ
て、約７５ｋｇ／秒の流量が入口に入ることを示す。こ
の値はガス壁面圧およびさじ状面の位置によって変化す
る。理想状態において、ガスの７５％は入口領域１０８
から吸込まれ、２５％はバイパス領域１１０に流入する
。

この状態において、最大流速は１００ｋｇ／秒となる。

また上達の計算は、１ｍ入口高さに基づいて行なわれる
。バイパス領域１１０は、またロータ５０によって加圧
され、長い円筒状ノズルを形成する。このことによって
、バイパスガス流を加速し、かつガスを冷却する。理想
的には、バイパスガスは壁面層において設計温度３００
Ｋに達する。この冷却ガス層は、回転壁面が混合領域１
０６において高温影響を受けることを防止する。

このバイパスガス層は超音速で混合領域に入る（設計系
ｆｆでマツハ数＞２．８８）。このことによって、はと
んどの風洞に比較して、デイフユーザ排気ガスと容易に
混合できるようになっている。

（すなわち、静的周囲ガスに対する排気よりも容易とな
っている。）バイパス領域１１０の形状は、バイパスガ
スを十分加速し、かつ冷却するよう設計されている。

入口領域１０８を通るガス流は、部材８２゜８４のノズ
ル端の間に配設されたノズル９０によって拡散される。

第４図に示すように、入口領域ガス流１３２はさじ状先
端部から生じる入門衝撃波１２４の部分を通過する。こ
の衝撃波は比重／圧力勾配のために生じるプラントーメ
イヤ圧縮波として形成される。入口領域における差分ネ
ービーストークスの解法によって、衝撃波は第４図に示
す衝撃形状１２６，１２８および１３０と同様となるこ
とを示している。この衝撃波は入口ガスを加熱するとと
もに、収束、拡散ノズル領域１１２に入るガスのガス速
度を遅くし、加圧する。

ガスはマツハ１０ノズルを通って拡散し、テスト領域７
４内に入る。カム面８２および８４の相対位置は外部制
御パネルを用いて調整することができ、これによってノ
ズルスロートの開閉を行うことができる。テスト領域７
４を通るガス流は、モデル７６を通って流れ、排気領域
１１４に流入する。

ガス流パタンは円筒体６６の開口６４に配設された観察
窓９８および９９を通して観察することができる。モデ
ル操縦制御装置８０を用いることによって、テスト表面
７６の位置を、テスト工程中変化させることができる。

排気領域１１４からのガスはバイパス領域１１０からの
ガスと混合し、その後自由流回復領域１０４内に再流入
する。

テスト領域のマツハ数の制御関数は、基本的にロータの
直径に関係している。計算によると、６．５ｍの直径の
ロータは、テスト領域マツハ数２５に十分達するだけの
Ａ／Ａ比を可能とする。

直径を大きくした場合でも、さじ状先端部の位置は同様
であり、バイパス領域１１０１混合領域１０６、および
自由流回復領域１０４において、追加の体積増が生じる
。これらの体積増は、より大きなマツハ数の出口流に対
して必要とされるより大きな混合領域、より長い自由流
回復領域長さ、およびより大きなバイパス冷却延長部を
補正する。

更なる利点および変形例は、当業者であれば思いつくこ
とができる。従って本発明は上述の詳細な説明に限定さ
れるものではない。このため特許請求の範囲に記載され
た発明の範囲から離れない限り、変形、改良することは
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による風洞の側断面図であり、第２図は
第１図の風洞の上面断面図であり、第３図は本発明の第
２の実施例によるロータの側断面図であり、第４図は第
１図の風洞におけるガス流パタンを示す側断面図であり
、′Ｎ４５図は本発明による好適実施例のさじ状面の半
径方向位置と自由流圧力、比重の関係を示すグラフであ
る。 ５０・・・ロータ、５２・・・内側面、６２・・・中心
軸線、６６・・・コア、７４・・・テスト領域、７６・
・・モデル、８２・・・第１部材、８３・・・内側表面
、８４・・・第２部材、８７・・・外側表面、８９・・
・内側表面、９０・・・ノズル、９１・・・外側表面、
１０１・・・ノズル端部、１０３・・・排ガス端部、１
０４・・・自由流回復領域、１０６・・・混合領域、１
０８・・・入口領域、１１２・・・ノズル領域、１１４
・・・排気領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周縁に沿ってガスを循環させるための円筒状空洞を
   形成するロータ装置と； ノズル端部と排ガス端部との間に延びる内側面および外
   側面をそれぞれ有する第１および第２部材であって、各
   部材は空洞内に対向した関係で取付けられると共に、各
   部材の内周面は協働して、ノズル、テスト領域、および
   排気領域を形成する第１および第２部材と； ノズル近傍に設けられ所定量の循環ガスを、ノズル、テ
   スト領域、および排気領域に転換させ、排気領域は空洞
   に開口し転換ガスを循環ガスに再合流させる装置と、 テスト領域において空気力学的表面を取付ける装置とを
   備えた空気力学的表面をテストするための風洞。 ２、転換装置はノズル端における第２部材の外側表面と
   協働して入口領域を形成するよう配設された、第１部材
   のノズル端に一体に形成されたさじ状表面であることを
   特徴とする請求項１記載の風洞。 ３、第１部材の外側面は空洞の内周と所定間隔をおいて
   協働し、さじ状面によって転換されない循環ガスの通路
   のためのバイパス領域を形成することを特徴とする請求
   項１または２のいずれか記載の風洞。 ４、第１および第２部材は空洞の内周と所定間隔をおい
   て配置されて混合領域を形成し、混合領域に存在するガ
   スはバイパス領域からの循環ガスに合流することを特徴
   とする請求項１乃至３のいずれか記載の風洞。 ５、第２部材の外側面は空洞の内周と所定間隔をおいて
   協働し、混合領域からの循環ガスを受入れるとともに、
   循環ガスが入口領域およびバイパス領域に案内する自由
   流回復領域を形成することを特徴とする請求項４記載の
   風洞。 ６、各部材は空洞の中心軸線と略平行する軸線を中心と
   して回動自在に取付けられていることを特徴とする請求
   項１乃至５のいずれか記載の風洞。 ７、各部材を各々の軸線回りに選択的に回転させ、ノズ
   ルの開口を変化させる装置を含むことを特徴とする請求
   項６記載の風洞。 ８、入口領域の形状を変化させてノズルに転換される循
   環ガスの量を制御する装置を含むことを特徴とする請求
   項２記載の風洞。 ９、形状を変化させる装置は、各部材を空洞の中心軸線
   に平行な各々の軸線回りに回動自在に取付ける装置と、
   各部材を選択的に回動させる装置を有することを特徴と
   する請求項８記載の風洞。 １０、ロータ装置は円筒状ロータと、このロータを選択
   的に回動させる装置とを備えていることを特徴とする請
   求項１乃至９のいずれかに記載の風洞。 １１、回動装置は磁力モータであることを特徴とする請
   求項１０記載の風洞。 １２、更にロータを覆いかつ回動自在に支持するケース
   を備えたことを特徴とする請求項１０記載の風洞。 １３、ケースはロータが同軸に取付けられる円筒コアを
   有し、ロータはコアに対してその軸線回りに回転するこ
   とを特徴とする請求項１２記載の風洞。 １４、第１および第２部材はコアによって回動自在に支
   持され、これら部材はコアの軸線に平行な軸線に対して
   回動するようになっていることを特徴とする請求項１３
   記載の風洞。 １５、追加のガス量を循環ガス中に選択的に追加するた
   めの供給、引抜装置を更に備えたことを特徴とする請求
   項１乃至１４のいずれか記載の風洞。 １６、閉ループの内周に連続的にガスを循環させる工程
   と； 所定量のガスをテスト領域に転換させる工程と；転換ガ
   スを閉ループ周縁に戻す工程と； からなる閉ループの中央部のテスト領域において表面を
   空気力学的にテストする空気力学的表面テスト方法。 １７、追加のガス量を循環ガス中に追加する工程を更に
   含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。