JPH1134990A - 流体浮揚ビークルを推進させおよび抗力を低減させる方法および構造 - Google Patents

流体浮揚ビークルを推進させおよび抗力を低減させる方法および構造

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JPH1134990A
JPH1134990A JP10166781A JP16678198A JPH1134990A JP H1134990 A JPH1134990 A JP H1134990A JP 10166781 A JP10166781 A JP 10166781A JP 16678198 A JP16678198 A JP 16678198A JP H1134990 A JPH1134990 A JP H1134990A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビークルにより形成される抗力を低減させ、
同時に流れ分離を回避させる流体浮揚ビークルの推進方
法および推進構造を提供することにある。 【解決手段】 本発明の方法および構造は、ビークルの
最大幅部分を含む前部胴体セクションとテーパ状の後部
胴体セクションとの間の移行領域を包囲する入口を備え
た推進システムを使用して、前部胴体セクションにより
発生される粘性境界層から流体を除去しかつこの境界層
流体浮揚を、後部胴体セクションの推進システムを通し
て加速することからなる。境界層流体の除去により、種
々の等級のビークルにより発生される後流中に生じる運
動量の損失が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体媒体を通るビ
ークルの移動により発生される粘性境界層からの抗力を
低減させる流体浮揚ビークル（fluidborne vehicle) 用
推進システム構造に関する。粘性境界層はビークルの後
部の入口内に導入され、ここで境界層流体は加速されか
つ排出される。
【０００２】
【従来の技術】多くの形式のビークルは、周囲の流体を
加速することによりビークルに推力を付与する推進シス
テムを使用している。しかしながら、これらの推進シス
テムの殆どは、ビークルを包囲する自由流れからの流体
が、遠位場（far field)の流体媒体に対し、ビークルの
速度でまたはビークルの速度に近い速度で入口に接近す
るように構成されている。これは、ガスタービンを動力
とする固定翼航空機には好ましい。なぜならば、流体が
エンジン入口（吸込み口）での淀み点の近くに運ばれる
ときに、入口に接近する流体の高い速度が圧力水頭に変
換されるからである。これにより、ガスタービンの圧縮
機が発生すべき圧力比が低下され、従ってより小形の圧
縮機、およびより高いサイクル効率かつより軽量のエン
ジンに変換できる。もちろん、この代償として、効率の
悪いエンジン入口を、ビークルを包囲する自由流れ中に
懸架することにより、ビークルの形状抗力すなわち圧力
抗力が全体として増大される。この殆ど汎用のエンジン
構造は、航空機およびエンジン製造業者が協力して行な
った入念な共同研究の結果と考えられる。すなわち、多
量の圧縮ガスを必要としないが、ビークルの移動方向に
対して垂直な平面内で回転するプロペラを駆動すべく便
利に配置されるレシプロエンジン構造の単なる流用であ
るともいえる。
【０００３】また、接近流体が全入口領域に亘ってでき
る限り均一な速度に近い速度を有するように、シャフト
ドライブ形プロペラおよびファンを構成するのが望まし
い。
【０００４】プロペラおよびファンブレードのピッチお
よび幾何学的形状は狭い範囲の接近速度で最適化でき、
個々のブレードは大きな周期荷重を受ける。このため、
プロペラまたはファンの上流側の流体速度が不均一の角
分布を有する場合には、疲労が加速されかつ推進効率が
低下される。これは、航空機のプロペラおよびファン
を、揚力面、制御面および胴体の回りに発生される境界
層から離れた位置に配置することについての可能性ある
他の動機付けである。
【０００５】多数の試験的かつ商業的航空機は、自由流
れ中に懸架された前向きのプロペラ・ファン・エンジン
入口からの種々の逸らし（departures）を実行してい
る。例えば回転翼航空機は、主回転翼システムおよび尾
部回転翼が、殆どの場合実際に主胴体から離れて配置さ
れていて、境界層流を使用しないが、一般に、半径方向
を向いたエンジン入口を使用している。いわゆる「プロ
ペラ推進形（pusher-prop)」航空機は、1 つ以上の胴体
または張出し構造の後部に位置するプロペラまたはファ
ンを使用し、胴体または張出し構造を包囲する境界層か
ら流体を吸引するが、このようなプロペラに作用する流
体の主要部は、一般に自由流れであることが許容されて
いる。これらの構造で境界層流を除去することのあらゆ
る利益は、プロペラ後流（すなわち、胴体または張出し
構造のみからの後流より直径が大きい「プロップウォッ
シュ（prop wash)」）により、および大きな揚力面によ
り生じる寄与に比べ、胴体または張出し構造境界層から
の全形状抗力への寄与の方が小さいという事実により否
定される。
【０００６】米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）のジェット推
進研究所（ＪＰＬ）により構成および試験されたＸ−２
１Ａのような試験航空機は、航空機の全外面上に亘って
分散配置されたファン、ダクトおよび通気孔からなる複
雑な構造を使用し、全ての境界層流体を殆ど完全に除去
している。この航空機は抗力を２０〜３０％低減させ、
空気力学的見地から成功であることを証明したが、複雑
なダクトおよび排気ファンのため、任意の有効ペイロー
ドのための積載量の余裕が残されず、かつ数千個の小さ
な通気孔はメインテナンスの見地から非実用的である。
比較的きれいな滑走路条件でも、数回の試験飛行を行な
っただけで、孔は殆ど完全に塞がれてしまった。
【０００７】他の多くの形式の流体浮揚ビークルは、該
ビークルを包囲する流体を加速する推進システムを使用
しているが、真っ直ぐ前方を向いた入口を使用し、ビー
クルの主本体により発生される境界層から極く僅かに流
体を吸引するか、全く吸引しない。飛行船のようなビー
クルは揚力面を使用せず、比較的小さな制御面を使用し
ている。飛行船の形状抗力の殆ど全ては、ビークルの主
本体の周囲に存在する流体境界層により発生される後流
での運動量の損失によるものである。小形の無人航空機
も、一般に、揚力面を殆ど使用しておらず、慣用的な前
向きエンジン入口カウリングを、航空機の胴体後部の周
囲に形成される境界層からできる限り多量の流体を除去
するように設計された、より等角なエンジン入口に置換
するならば、形状抗力を低減させる点で有益であろう。
【０００８】最近では、航洋船も多数のウォータジェッ
トを使用し始めており、該ウォータジェットは、慣用的
なプロペラとは異なり、船体の側方を向いており、一般
に、船体の底部に沿って移動する境界層流体の複雑な渦
流混合体および周囲の自由流れから流体を吸引する。し
かしながら、航洋船として現在利用できる慣用的なウォ
ータジェット推進システムは、水線より下の船のガース
の小さな部分のみから境界層流体を除去できる小さな入
口を有している。従って、大部分の境界層流は船尾に流
れ続け、船の後方の乱流後流に解放されるに過ぎず、こ
のため、この流体が船のほぼ前進速度まで加速されると
きにこの流体に付加される運動エネルギは、徐々に渦流
中に消失されてしまう。
【０００９】有人および無人の小形潜水ビークルも開発
されており、該潜水ビークルは、大きな度合いの境界層
摂取を行なう推進手段を使用するが、推力不足状態すな
わち減速状態中に急激な流れ分離を引き起こす後部本体
の形状を有している。この流れ分離は、自由流れ中また
は推進手段への入口の前方に、推力不足状態中のビーク
ルの安定姿勢制御を維持できる制御面を有するビークル
にとっては許容できるものである。しかしながら、この
ような制御面の好ましい位置は、最小の制御面で最大の
制御を行なうことができるビークルの最後方セクション
にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ビー
クルの主本体の後部の周囲から境界層流体を実質的に除
去しかつビークルの推進システムを通してこの流体を加
速し、推力を発生させると同時に後流を低減させ、これ
により、ビークルにより形成される抗力を低減させると
同時に推力不足状態中のビークルの後部胴体での流れ分
離を回避させる流体浮揚ビークルの推進方法および推進
構造を提供することにある。
【００１１】本発明の他の目的は、制御面上での流れ分
離の可能性をなくすと同時に、境界層の摂取を最大にし
かつビークルからの後流損失を最小にする改善されたビ
ークル構造を提供することにある。
【００１２】本発明の更に別の目的は、例えば流体浮揚
ビークルの操縦のような一般的方向制御および逆推力を
付与して停止できるようにすると同時に推進システムが
その最適流れ／出力比の近くでの作動を維持できるよう
にする推進システム構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらのおよび
他の目的は、前部胴体セクションおよび後部胴体セクシ
ョン（これらの両セクションは移行領域を介して結合さ
れている）を備えたビークルを有する流体浮揚ビークル
の推進システム構造を提供することにより達成される。
ビークルの後部胴体セクションは、典型的には、ビーク
ルの移動方向に平行に延びかつ後部胴体セクションの外
面と交差する平面であって、後部胴体セクションの外面
に対して接線方向の第２平面に垂直な第１平面内で測定
するときに、ビークルの移動方向に対して１５°以下の
角度でテーパしている。ビークルの表面の少なくとも一
部は、ビークルが支持される流体媒体と接触する。移行
領域に配置されかつ流体媒体と接触するビークルの表面
の大きな部分を包囲する入口が、流体媒体から流体を受
け入れる。ポンプは、入口を通して流体を吸い込みかつ
流体の圧力を増大させる。排出ノズルが、ポンプから加
圧流体を受け入れかつビークルの後端部から加圧流体を
排出する。このようにして、ビークルが移動するときお
よびビークルがポンピングの終了後に惰力進行するとき
に、後部胴体セクション上を流れる流体の５％以下が、
後部胴体セクションの外面に沿う流体の流路から分離す
なわち逸らされる。従って、形状抗力およびビークルの
後流が大幅に低減され、優れた効率が得られる。また、
ビークルの姿勢および方向の安定制御に要求される制御
面は、後部胴体セクション上の流れ分離による減速状態
下での制御面の有効性の低下を招くことなく、推進手段
への入口の後方で、ビークル後部胴体セクションの好ま
しい位置に配置できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の他の目的および長所は、
添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明からより完
全に理解されよう。
【００１５】図１を参照すると、本発明による典型的な
飛行船は、ビークルの最大直径部を備えた前部胴体セク
ション１ａ、後部胴体セクション１ｂおよび両セクショ
ン１ａ、１ｂを結合する移行領域１ｃからなる主胴体構
造１を有している。また、飛行船は、コックピット・乗
客隔室２、垂直制御翼面３および水平スタビライザ４を
有している。飛行船は、主胴体１内のバッグ内に入れら
れたヘリウム、水素等の低密度ガスに作用する浮力によ
り空中に保持され、空気より重いビークルが必要とする
ような揚力面は不要である。このような飛行船の慣用的
な推進システムは、一般に、コックピット・乗客隔室２
または主胴体１の両側から懸架される２つ以上のエンジ
ンナセルからなる。これらのエンジンは、慣用的な露出
プロペラまたはシュラウド形ファンを駆動し、レシプロ
エンジンまたはガスタービンが使用されている。バッテ
リおよび太陽電池を含む多くの電源により駆動される電
気モータも使用されている。エンジン入口は、一般に、
ビークルの進行方向の正面を向いておりかつコックピッ
ト・乗客隔室２および主胴体１から充分に離れていて、
主胴体境界層による吸込み速度プロファイルの歪みを防
止するようになっている。
【００１６】これに対し、本発明による代表的な推進シ
ステムの構造では、エンジン６は、胴体の後部胴体セク
ション１ｂ内に取り付けられる。後部胴体の外面は、主
胴体１の最大部分から１５°以下の角度で内方にテーパ
していることが好ましい。このように後部胴体のテーパ
角を制限することにより、例えば、主エンジンの出力が
急激に低下してもビークルがそれ自体の運動量により依
然として高速で前進する場合に、或る推進条件の下で生
じる流れ剥離（flow separation)を防止する。後部胴体
でのこのような流れ剥離は、制御面の有効性の損失およ
びビークルの制御および安定性の損失を引き起こす。
【００１７】ビークルが翼面３、４のような制御翼面を
有する場合、後部胴体セクション１ｂのテーパ角は、移
行領域１ｃと制御翼面３、４との間の部分で約１５°以
下にすべきである。本発明によるテーパ状後部胴体の使
用は、飛行船のビームを越えて境界層内に延入する制御
翼面を備えたビークルに特に有効である。ビークルが制
御翼面を全く備えていない場合でも、徐々にテーパする
後部胴体によって、動力消費が低減しかつビークルの効
率が最高になる。
【００１８】エンジン６の入口７は、胴体の外面が最初
にテーパし始める長手方向位置の近くの移行領域１ｃで
主胴体を包囲している。エンジン６により入口７から導
入された空気は収斂ノズル８を通って排出され、これに
より流体が加速されて、推力が発生する。推力をビーク
ルの軸線に対して傾斜させてビークルの操縦が行なえる
ようにするため、出口ノズル８を１つ以上の軸線の回り
で枢動させることができる。また、ノズル８には、ノズ
ルからの推力を逆向きにしてビークルの方向を逆転させ
るべく位置決めできる１つ以上の可動流れガイドを設け
ることができる。或いは、ノズル８に、流体の流れを阻
止するブロック要素および１つ以上の横向き出口ポート
を設けて、流体を、横方向にまたは逆推力として前方に
方向変換すこともできる。図１に示すように、入口７に
は、例えば鳥および浮遊物等の安全サイズ以上の異物が
エンジン６に侵入することを防止する保護ルーバが設け
られる。
【００１９】エンジン６は、商業用航空機によく使用さ
れている慣用的ターボファンでもよいし、或いはレシプ
ロエンジンまたは電気モータにより駆動される大形ファ
ンまたは一連のインペラでもよい。ファンまたはインペ
ラを駆動するエンジンは、ファンまたはインペラの前方
または後方或いは周囲に配置するか、ファンまたはイン
ペラのブレードを構造的に一体に連結するハブまたはリ
ムと部分的または全体的に一体化することができる。フ
ァンまたはインペラには、ファンまたはインペラの軸の
構造的支持体およびベアリングを形成する静止入口ガイ
ドベーンおよび／または排出ガイドベーンを設けること
ができる。ファンまたはインペラのこれらのガイドベー
ンおよび／またはブレードには、多くの航空機のターボ
ファンエンジンに一般的な可変ピッチ機構を組み込むこ
とができる。胴体の後部でのエンジンの付加重量は、コ
ックピット・乗客隔室２を前方に移動させるか、主胴体
１内の内部中実バラストを前方に移動させることにより
補償される。また、後部胴体の外面と後部胴体を通る流
路の内面とにより境界が定められる体積は、付加ガスバ
ラスト（該バラストも、ビークルの後部胴体およびエン
ジン重量の幾分かを支持できる）用の空間を形成する。
任意ではあるが、ビークルには、コックピット・乗客隔
室２または制御翼面３、４から、ビークルを包囲する流
体中に突出する任意数の付加物を設けて、ビークルの前
部胴体と後部胴体との境界の外側に一層容易に収容され
るビークルの構成部品のための空間を形成することがで
きる。
【００２０】図１に示す推進システムの空気力学的長所
は３つある。第１の長所は、ビークルの移行領域１ｃに
エンジン入口７を配置することにより、ビークルの主胴
体１の周囲に形成される境界層１１（境界層は、飛行船
および他の多くの同様な流体浮揚ビークル構造に対し、
ビークルの周囲に形成される粘性境界層の大部分を形成
する）が大幅に低減されることである。入口７は、境界
層の流体１５が、通常、テーパ状の後部胴体セクション
から、ビークルの後ろの後流（後流では、流体を、流体
媒体を通るビークルのほぼ前進速度まで加速することに
より消費されるエネルギが、通常、非生産的に消失して
しまう）に流れ始める直前に、境界層の流体１５の大き
な部分を吸引する。境界層１１は、ビークルが接近する
とき、ビークルの前に位置するほぼ淀んだ流体９が変位
されることにより生じ、かつ粘性のある剪断応力により
ビークルの表面に同伴して引き寄せられる。ビークルの
経路から更に離れた流体１２は殆ど影響を受けない。更
に下流側では、ビークルの表面近くの流体１１は、成長
する粘性境界層に帯同され、一方、表面から離れた流体
１２は比較的影響を受けない状態に留まる。
【００２１】境界層に帯同された流体が入口７に接近す
ると、流体１５は取入れ口内に吸引され、遠位の自由流
れからの流体１４は入口７の後方に流れ、比較的薄い境
界層のみを残す。入口７から吸引された流体は、参照番
号１６で示す推進システムに導かれる。残余の薄い境界
層１７は、推進ノズル８上を流れかつ適度の高速でビー
クルを出る推進システムの排気ガス１８に混合される。
これにより、ビークルの後ろには、ノズル８より僅かに
のみ大きい直径をもつ後流が形成される。これに対し、
慣用的設計のビークルを流れる境界層により形成される
後流は、ビークルの中央部の主胴体の直径に等しいか、
これより大きい直径になってしまう。後流が小さければ
小さいほど、ビークルを包囲する流体媒体中に消失され
るエネルギは小さくなる。
【００２２】図１に示す推進システム構造の第２の長所
は、入口７での、特にビークルの移動方向の流体速度成
分が、慣用的な前向きナセル取付け形推進システムと比
較して小さいことである。推力は、ビークルの周囲から
流体を加速することにより、各形式の推進システムによ
り発生される。流体が加速される方向は、推力が望まれ
る方向とは正反対でなくてはならない。推力の大きさ
は、吸込み速度Ｖ in 、排出速度Ｖ out および推進システ
ムを通る流体の質量流量ｍに関して次のように表され
る。
【００２３】推力＝ｍ（Ｖ in −Ｖ ou t ） ここで、Ｖ in およびＶ out に付した下線は、これらがベ
クトル量であることを示す。従って、流体の所与の質量
流量については、推力は、推力が発生される方向に対し
て平行な入口速度のベクトル成分と排出速度のベクトル
成分との差に比例する。
【００２４】慣用的な推進システムでは、吸込み速度は
自由流れ速度にほぼ等しい。従って、ナセルから排出さ
れる流体は、自由流れ速度よりかなり大きい速度まで加
速されなくてはならず、このため、推進システムの後ろ
に、激しく分散された後流および該後流に付随するエネ
ルギ消失をもたらす。本発明による推進システムでは、
入口７に流入する流体は、ビークルの速度に近い速度を
有し、従って、ビークル上を通る流体の自由流れ速度ま
たは自由流れ速度より高い速度（すなわち、自由流れ速
度を０〜６０％超える速度）まで加速するだけでよい。
排出流体１８と周囲の流体１７との間の必要速度差は非
常に小さく、推進システムにより発生されるジェットの
エネルギ消失を低減させる。慣用的システムに比べて入
口のサイズが大きいことにより、および慣用的システム
では不可避であるが、周囲の流体を直接軸線方向ではな
くより半径方向内方に導入することにより、入口７での
流体の速度成分は更に低減される。
【００２５】入口７でのビークルの構造的境界と交差す
る流体の軸線方向成分は、流体質点（fluid particle）
の速度と、流体質点の経路がビークルの中心軸線となす
角度の余弦とを掛け合わせた大きさに等しい。従って、
流れガイドの周囲に局部的流れ分離を引き起こすことな
く、半径方向内方への流れができる限り最大になるよう
にするには、入口面積を最大にし、入口を、境界層の流
体速度ができる限りビークルの速度に近づく位置（すな
わち、できる限り船尾の後方であるが、境界層が実質的
に後部胴体に沿って厚くなり始める位置より前方の位
置）に定め、かつ流れガイドおよび／または構造部材を
入口７に配置することが望ましい。
【００２６】図１に示す推進システムの第３の長所は、
該推進システムが、ビークルの抗力中心と同心の推力を
発生し、従ってビークルにいかなる正味反動トルクも作
用しないことである。慣用的な推進システムでは、アク
セス可能性のため、ナセルをビークルの下方に配置する
ことが望まれる。しかしながら、このような配置は、ビ
ークルに作用する抗力の軸線と推力が加えられる軸線と
の間の差により、ビークルのノーズを上方に駆動する反
動トルクを発生させる。これは、一般に、この反動トル
クと反作用する角度に水平スタビライザを取り付けるこ
とにより矯正される。しかしながら、このようにする
と、この制御面により発生される乱流空気の後流が増大
し、大きな損失が生じる。
【００２７】慣用的な推進システムに一般的な他の問題
は、コストの観点から、エンジン内部を含むナセル組立
体同士を、取付け位置を除き同一にすることが望まれる
ことである。これは、各エンジンの回転方向が同じであ
り、このため、ビークルにローリングを引き起こすトル
クがビークルに発生する。各ナセルには逆回転エンジン
を使用できるが、これは２つの異なるエンジン設計を意
味する。これは、一般にコストが嵩み過ぎて不可能であ
り、かつ単一のエンジン作動の場合のようにはローリン
グトルクを低減させることはできない。ローリングトル
クは、垂直制御翼面または水平制御翼面を僅かに異なる
角度に傾斜させることによっても矯正できるが、この場
合も、制御翼面の後ろに発生される乱流の後流が増大す
る。
【００２８】これに対し、単一の推進ユニット６には、
互いに逆回転する１対以上のファンまたはインペラ、ま
たは流れを真直化させる静止ガイドベーンを設けること
ができ、これにより、駆動エンジン（単一または複数）
により発生される正味反動トルクをゼロにでき、従って
制御翼面を傾斜させることおよびこれに付随する抗力の
増大を防止し、かつ推進ユニットの排出流体により発生
される回転後流をなくすことができる。
【００２９】推進ユニット６のこの構造により、ビーク
ルの推進効率が更に改善される。なぜならば、排出流体
１８により発生される後流の流体速度の回転成分が、逆
回転するファンまたはインペラ、または流れを真直化さ
せる静止ガイドベーンの使用により大幅に低減されるか
らである。
【００３０】図１に示す推進システムには、幾つかの別
の姿勢制御および操縦上の特徴を採用すことができる。
このような特徴の１つとして推力ベクトル制御があり、
これは慣用的な推進システムにもときどき採用されてい
る。慣用的システムでは、これは、ナセルまたはナセル
の排出流体の一部を垂直平面または水平平面内で回転さ
せ、これにより、推力を、ビークルの中心軸線に対して
或る角度傾けることにより達成されるが、この結果、ビ
ークルの頭部の変化を引き起こす反動トルクが発生す
る。ノズル８が水平平面および／または垂直平面内で関
節運動できるようにノズル８を取り付け、排出流体１８
をビークルの中心軸線に対して或る角度に傾斜させるこ
とにより、これと同じ形式の方向制御を行うことができ
る。
【００３１】本発明による推進システムに取り入れるこ
とができる他の操縦上の特徴は、推力の反転である。こ
れは、エンジンの下流側でかつ排出部の上流側に、ノズ
ル８からの流体の排出を阻止しかつこの流体を前方に向
けるための、ビークルの側部に設けられた開口１９から
出るように方向転換させる１組の扉または他の可動要素
を設けることにより達成される。これにより、ビークル
を後退させ、またはビークルの前進移動を停止させ或い
は遅くするのに使用される反転推力が発生される。
【００３２】図１に示す推進システムは、ビークルが流
体浮揚を維持するための大きな揚力面を使用するもので
あれば、上記ほど大きな流体力学的利益は得られないと
はいえ翼付き航空機にも適用できる。しかしながら、一
般に図２に示すような小さな揚力面および制御面を有す
る小形高速ビークルに対しては、この形式の推進システ
ム構造は、航続距離および性能をかなり改善できる。
【００３３】図２に示すビークルは、ビークルの最大直
径部を含む前部胴体セクション２１ａ、後部胴体セクシ
ョン２１ｂおよび移行領域２１ｃからなる主本体２１を
有している。また、ビークルは、小さな揚力翼面２２、
２３と、水平制御翼面２４、２６および垂直制御翼面２
５、２７と、ターボファンエンジン２８または他の軸流
流体駆動装置を備えた推進システムとを有している。本
発明によれば、後部胴体セクション２１ｂは移動方向に
対して約１５°以下の角度でテーパしており、移行領域
２１ｃは入口２９を有する。推進システムは、入口２９
を通して主本体２１に沿って流れる境界層３０から流体
を導入しかつノズル３２を通してこの流体３１を排出す
る。図１に示した飛行船について上述した長所は、本質
的にこのビークルにも適用できる。
【００３４】この形式のビークル用の一般的な従来技術
のエンジン入口はビークルの下部に配置されておりかつ
前向き開口を備えたカウリングを有している。この入口
形式は、ターボファンの駆動に使用される一般的エンジ
ンが、空気取入れ口に流入する空気を圧縮する必要があ
る空気吸込み・炭化水素燃焼形ガスタービンである場合
に適している。カウリングは吸気を過給する機能を有
し、従って圧縮機によるサイズ占拠が減少される。しか
しながら、小形の無人航空機は、しばしば、例えば水と
反応して、蒸気タービン（該タービンがターボファンを
駆動する）の駆動に使用する蒸気を発生させるリチウム
金属のような特異な使い捨て形ターボファン用駆動手段
を使用している。この駆動形式は空気吸込み形ではな
く、従って吸気を過給することを目的とせず、本発明に
よるビークルでの使用に特に適している。
【００３５】本発明に従って構成された推進システム
は、航洋表面船の推進および抗力低減にも使用できる。
図３に示す慣用的な航洋表面船は、吃水線３５と、露出
プロペラ３６の後方の舵３７とを備えた船３４からな
る。プロペラ３６はラインシャフト３８により駆動さ
れ、該ラインシャフト３８は、一般に主エンジン４０お
よび減速ギア３９により駆動される。露出プロペラ３６
に近づく流体の速度は、船体の周囲に存在する境界層の
ため不均一である。上方のプロペラブレードが時計文字
盤で見て１０時と２時との間に位置する船体近くの流体
速度は、船に対して非常に小さく、これに対し、下方の
プロペラブードが作動する、船体から遠い位置（すなわ
ち、６時の位置）の流体速度は船に対して大きく、船体
の自由流れ速度にほぼ等しい。回転ブレード列は、流体
に接近する所与の一速度で効率的に作動するように設計
されるため、露出プロペラ構造のブレードは、一般に、
これらが３時の位置と９時の位置との間で回転するとき
にのみほぼ最適条件で作動する。プロペラの残余の回転
位置では、ブレードは「設計外」条件で作動し、このた
め或る角度位置では５０％までのエネルギ損失が生じ
る。また、露出プロペラは、一般に、プロペラの上流側
の船体により形成される境界層の小部分のみを摂取す
る。このため、船により残される粘性後流（これは、良
好な境界層処理を行なえば回避できる）による大きな残
留抗力が生じる。
【００３６】図４に示すウォータジェット構造も、ノズ
ル４１から流体のジェットを噴射することにより推力を
発生する表面船推進構造に一般的に使用されている。流
体はポンプユニット４３により入口開口４２から導入さ
れ、ノズル４１から排出される。ポンプユニット４３内
の回転ブレード列に流入する吸込み速度プロファイル
は、入口開口４２および入口通路のベンド４４を入念に
形成することにより、または回転ブレードのあらゆる角
度位置でほぼ一定効率を与える静止入口ガイドベーンを
設けることにより均一な角度分布に近づくように矯正さ
れる。この効率改善は、一般に、露出プロペラ構造には
存在しないウォータジェット構造に付随する内部ダクト
により引き起こされる付加損失を補償し、例えば６０〜
６５％に匹敵する全推進効率をもたらす。しかしなが
ら、露出プロペラ構造と同様に、慣用的なウォータジェ
ット構造の入口開口は、吃水線より下の船体の全表面に
亘って形成される境界層の小さな部分に限定される。こ
れにより、吃水線より下の船体により形成される粘性後
流の大きな部分が残される。従って、船により形成され
る粘性後流の大きな部分が推進システムによって排除さ
れず、このため、残留形態の抗力（抗力は、改善された
境界層処理により大幅に回避される）が船に作用する。
【００３７】図５は、本発明による航洋表面船の構造を
示す。図１および図２に示す空中ビークルにおけるよう
に、図５の船３４は、船の最大幅部分を含む前部胴体セ
クション３４ａ、約１５°以下の角度でテーパする後部
胴体セクション３４ｂ、およびこれらの両セクション３
４ａ、３４ｂを結合する移行領域３４ｃとを有する。本
発明によれば、吃水線より下の船体の実質的に全てのガ
ースを含む流体入口開口４６が、移行領域３４ｃに設け
られている。これは、推進システム入口が、移動船体に
属する境界層流体の大部分を排除することを可能にす
る。この境界層流体の除去により、ビークルにより形成
される後流が減少され、このため、推進システム入口の
後方の圧力回復が改善され、かつビークルの抗力形成が
減少される。これは、殆どの場合の慣用的なウォータジ
ェット入口に比べ、船の全推進効率を５％まで改善す
る。
【００３８】以上、特定実施形態に関連して本発明を説
明したが、当業者ならば多くの変更が容易であろう。例
えば、本願に開示の推進システム構造は、他の多くの形
式の流体浮揚ビークルおよび或る形式の陸上ビークルに
も有効であろう。表面効果船（surface-effect craft）
は、推力および／または表面効果浮揚クッションを与え
かつ空気クッションの上方の全周に亘ってビークルの最
適位置で境界層を低減させるべく構成されたターボファ
ンエンジン用入口を配置することにより、同様な推進シ
ステムを使用できる。水中に浸漬されるビークルは、推
進システムが、液体に適した流体駆動装置、例えば機械
的または電気的に駆動されかつ同一方向または逆方向に
回転する１つ以上のインペラを備えた軸流ポンプを使用
する点を除き、図１に示す飛行船と同様な推進構造を使
用できる。従って、このようなあらゆる変更および改造
は本発明の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による飛行船の構造を示す斜視図
【図２】本発明による無人航空機を示す斜視図
【図３】プロペラ推進システムを備えた従来技術の表面
船を示す側面図
【図４】ノズル排出構造を備えた従来技術の航洋船を示
す側面図
【図５】本発明による航洋船を示す側面図
【符号の説明】
１ 主胴体構造 １ａ 前部胴体セクション １ｂ 後部胴体セクション １ｃ 移行領域 ３ 制御面 ４ 安定化面 ６ エンジン ７ エンジンへの入口 ８ 出口ノズル
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年７月１７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図３】
【図５】
【図２】
【図４】

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 前部胴体セクション、後部胴体セクショ
    ン、およびこれらの両セクションを結合する移行領域を
    備えたビークルを有し、前部胴体セクションはビークル
    の最前端位置から最大幅部分まで拡大する形状をもつ外
    面を有し、後部胴体セクションはビークルの後方に向か
    って内方に縮小する形状をもつ外面を有し、ビークルの
    表面の少なくとも一部が流体媒体と接触し、 流体媒体から流体を導入するための、移行領域に配置さ
    れた入口を有し、該入口は流体媒体と接触するビークル
    の表面の大きな部分を包囲し、 前記入口から流体を導入しかつ流体の圧力を増大させる
    ポンプ手段と、 ポンプ手段から加圧流体を受け入れかつビークルの後端
    部から加圧流体を排出するための排出手段とを更に有
    し、排出される加圧流体の速度は前記入口に導入される
    流体の速度より大きく、後部胴体セクション上を流れる
    流体は、ビークルがポンプ手段により一定速度で推進さ
    れる場合およびビークルがポンプ手段によるポンピング
    の低下後に惰力移動する場合に、実質的に剥離すること
    がないことを特徴とする流体浮揚ビークル用推進システ
    ム構造。
  2. 【請求項２】 前記後部胴体セクションの外面と移動方
    向との間に形成される角度は、ビークルの前進方向に平
    行に延びかつ後部胴体セクションの外面と交差する平面
    であって、後部胴体セクションの外面に対して接線方向
    の第２平面に垂直な第１平面内で測定するときに約１５
    °以下であることを特徴とする請求項１記載の推進シス
    テム構造。
  3. 【請求項３】 前記ビークルはビークルの正規の前進方
    向に平行な中心軸線を有し、後部胴体セクションは、ビ
    ークルに作用してその移動方向に対するビークルの中心
    軸線の角度変位を引き起こそうとする力に反作用する安
    定化翼面を形成する付加物を有することを特徴とする請
    求項１記載の推進システム構造。
  4. 【請求項４】 前記付加物は、付勢されたときにビーク
    ルの方向制御を行なう可動部分を有することを特徴とす
    る請求項３記載の推進システム構造。
  5. 【請求項５】 前記移行領域と安定化面との間の後部胴
    体セクションの部分において、前記後部胴体セクション
    の外面と移動方向との間に形成される角度は、ビークル
    の移動方向に平行に延びかつ後部胴体セクションの外面
    と交差する平面であって、後部胴体セクションの外面に
    対して接線方向の第２平面に垂直な第１平面内で測定す
    るときに約１５°以下であることを特徴とする請求項３
    記載の推進システム構造。
  6. 【請求項６】 前記入口は、流体媒体から導入される流
    体の流路に一致しかつ前部胴体セクションの表面と後部
    胴体セクションの表面とを連結する流線型部材からなる
    ことを特徴とする請求項１記載の推進システム構造。
  7. 【請求項７】 前記流線型部材は、周囲の流体媒体から
    ポンプ手段に導入される異物のサイズを制限できるよう
    に互いに間隔を隔てて配置されていることを特徴とする
    請求項６記載の推進システム構造。
  8. 【請求項８】 前記排出手段は、加圧流体を受け入れか
    つビークルの移動に対して前方に加圧流体を排出してビ
    ークルに逆推力を付与する可動流れガイドを有している
    ことを特徴とする請求項１記載の推進システム構造。
  9. 【請求項９】 前記排出手段は、ビークルの方向制御を
    行なうため、導入された流体をビークルの移動方向に対
    して或る角度に方向転換させるべく作動できる少なくと
    も１つの可動流れガイドを有することを特徴とする請求
    項１記載の推進システム構造。
  10. 【請求項１０】 前記流体ポンプ手段は、少なくとも１
    対の逆回転軸流インペラを有することを特徴とする請求
    項１記載の推進システム構造。
  11. 【請求項１１】 前記少なくとも１対の逆回転軸流イン
    ペラの各々を駆動する電気モータを更に有することを特
    徴とする請求項１０記載の推進システム構造。
  12. 【請求項１２】 前記各軸流インペラは、外側リムと、
    該外側リムに取り付けられたインペラブレードとを有
    し、外側リムはインペラブレードの先端部に連結されて
    おり、外側リムの周囲に配置されたモータステータと、
    外側リムと一体のアーマチャとを更に有することを特徴
    とする請求項１１記載の推進システム構造。
  13. 【請求項１３】 前記排出手段は、流体が、ビークルの
    中心軸線に対して或る角度で排出できるようにする可動
    ノズルを有することを特徴とする請求項１記載の推進シ
    ステム構造。
  14. 【請求項１４】 前記排出ノズルは、流体がノズルから
    排出されないように遮断する可動遮断手段と、該可動遮
    断手段が流体を遮断すると開かれるポートとを有し、該
    ポートは、流体がノズルから排出される方向とは逆の、
    実質的に前方に流体を指向させるように配置されている
    ことを特徴とする請求項１記載の推進システム構造。
  15. 【請求項１５】 前記ビークルは、該ビークルを支持す
    る流体媒体中に完全に浸漬され、ビークルにより排除さ
    れる流体媒体の重量は、ビークルが浮力により流体媒体
    中に支持されるようにビークルの重量に等しいことを特
    徴とする請求項１記載の推進システム構造。
  16. 【請求項１６】 前記ビークルは、該ビークルを支持す
    る流体媒体中に完全に浸漬され、ビークルの重量は、ビ
    ークルにより排除される流体媒体の重量より大きく、ビ
    ークルは、流体媒体を通ってビークルが移動するときに
    ビークルの重量を支持するのに充分な上向き力を付与す
    る水平揚力面を更に有していることを特徴とする請求項
    １記載の推進システム構造。
  17. 【請求項１７】 前記ビークルは、該ビークルを支持す
    る流体媒体中に部分的に浸漬され、ビークルの重量は、
    ビークルが浮力により支持されるように、ビークルによ
    り排除される流体の重量に等しいことを特徴とする請求
    項１記載の推進システム構造。
  18. 【請求項１８】 前部胴体セクション、後部胴体セクシ
    ョン、およびこれらの両セクションを結合する移行領域
    を備えたビークルを設け、前部胴体セクションはビーク
    ルの最前端部から最大幅部分まで拡大する形状を有し、
    後部胴体セクションは、ビークルの後方に向かって内方
    に縮小する形状をもつ外面を有し、ビークルの表面の少
    なくとも一部が流体媒体と接触し、流体媒体から流体を
    導入するための、移行領域に配置された入口を有し、該
    入口は流体媒体と接触するビークルの表面の大きな部分
    を包囲し、入口から流体を導入しかつ流体の圧力を増大
    させるポンプ手段と、ポンプ手段から加圧流体を受け入
    れかつビークルの後端部から加圧流体を排出するための
    排出手段とを更に有し、 流体媒体から入口内に流体を導入し、 導入された流体をポンプ手段を通してポンピングするこ
    とにより、流体の圧力を増大させ、 加圧流体をビークルの後端部から排出させ、排出される
    加圧流体の速度は入口に導入される流体の速度より大き
    く、後部胴体セクション上を流れる流体は、ビークルが
    ポンプ手段により一定速度で推進される場合およびビー
    クルがポンプ手段によるポンピングの低下後に惰力移動
    する場合に、ビークルの入口と後端部との間でビークル
    の表面から実質的に分離することがないことを特徴とす
    る、ビークルを推進させおよびビークルの抗力を低減さ
    せる方法。
  19. 【請求項１９】 前記後部胴体セクションの外面とビー
    クルの移動方向との間に形成される角度は、ビークルの
    前進方向に平行に延びかつ後部胴体セクションの外面と
    交差する平面であって、後部胴体セクションの外面に対
    して接線方向の第２平面に垂直な第１平面内で測定する
    ときに約１５°以下であることを特徴とする請求項１８
    記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記ビークルはビークルの正規の前進
    方向に平行な中心軸線を有し、 後部胴体セクションに配置される付加物を設け、該付加
    物が安定化翼面を形成し、 付加物を備えたビークルの移動方向に対するビークルの
    中心軸線の角度変位を引き起こす、ビークルに作用する
    あらゆる力に反作用する力を加えることを特徴とする請
    求項１８記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記付加物は可動部分を有し、該可動
    部分を作動してビークルの移動方向を制御することを特
    徴とする請求項２０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記移行領域と安定化翼面との間の後
    部胴体セクションの部分において、前記後部胴体セクシ
    ョンの外面と移動方向との間に形成される角度は、ビー
    クルの移動方向に平行に延びかつ後部胴体セクションの
    外面と交差する平面であって、後部胴体セクションの外
    面に対して接線方向の第２平面に垂直な第１平面内で測
    定するときに約１５°以下であることを特徴とする請求
    項２０記載の方法。
  23. 【請求項２３】 少なくとも１つの可動流れガイドを備
    えた排出手段を設け、 ビークルの移動方向を制御するため、流れガイドを作動
    させかつ導入された流体をビークルの移動方向に対して
    或る角度に方向転換させることを特徴とする請求項１９
    記載の方法。
  24. 【請求項２４】 少なくとも１つの可動流れガイドを備
    えた排出手段を設け、 ビークルに逆推力を付与するため、流れガイドを作動さ
    せかつ導入された流体をビークルの移動方向に対して前
    方に方向転換させることを特徴とする請求項１９記載の
    方法。
  25. 【請求項２５】 前記入口は、導入される流体の流路に
    一致しかつ前部胴体セクションをビークルに連結する流
    線型部材からなることを特徴とする請求項１８記載の方
    法。
  26. 【請求項２６】 周囲の流体媒体からポンプ手段に導入
    される異物のサイズを制限するため、前記流線型部材の
    間隔を隔てることを特徴とする請求項１８記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記ポンプ手段は、少なくとも１対の
    逆回転軸流インペラを有することを特徴とする請求項１
    ８記載の方法。
  28. 【請求項２８】 電気モータを設け、 前記少なくとも１対の逆回転軸流インペラの各々を電気
    モータで駆動することを特徴とする請求項２７記載の方
    法。
  29. 【請求項２９】 前記電気モータは、外側リムと、該外
    側リムの周囲に配置されたモータステータと、外側リム
    に取り付けられたインペラブレードと、外側リムと一体
    のアーマチャとを有することを特徴とする請求項２８記
    載の方法。
  30. 【請求項３０】 可動ノズルを備えた排出手段を設け、 加圧流体を、ビークルの中心軸線に対して或る角度でノ
    ズルから排出することを特徴とする請求項１８記載の方
    法。
  31. 【請求項３１】 前記排出ノズルは、流体がノズルから
    排出されないように遮断する可動遮断手段と、該可動遮
    断手段が流体を遮断すると開かれるポートとを有し、該
    ポートは、流体がノズルから排出される方向とは逆の、
    実質的に前方に流体を指向させるように配置されている
    ことを特徴とする請求項３０記載の方法。
  32. 【請求項３２】 水平なビークル揚力面を設け、 流体媒体中にビークルを浸漬し、 揚力面を用いて、流体媒体を通ってビークルが移動する
    ときにビークルの重量を支持するのに充分な上向き力で
    ビークルを浮揚させることを特徴とする請求項１８記載
    の方法。
  33. 【請求項３３】 ビークルにより排除される流体媒体の
    重量がビークルの重量に等しくなるように、ビークルを
    流体媒体中に完全に浸漬し、 ビークルを浮力により支持することを特徴とする請求項
    １８記載の方法。
  34. 【請求項３４】 ビークルにより排除される流体媒体の
    重量がビークルの重量に等しくなるように、ビークルを
    流体媒体中に部分的に浸漬することを特徴とする請求項
    １８記載の方法。
  35. 【請求項３５】 ビークルの前部胴体セクションと後部
    胴体セクションとの境界の外側に一層容易に収容される
    ビークルの構成部品用空間を形成するため、前記ビーク
    ルの外面には流体媒体中に突出する少なくとも１つの付
    加物が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
    推進システム構造。
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