(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音速風洞における始動／停止時に模型に負荷される衝撃荷重の低減法であって、
突起を、模型から上流側に所定の距離だけ離隔した風洞壁面に格納可能に、且つ該突起の上面は、格納状態において前記風洞壁面の一面を成し、データ精度に直結する気流の一様性に悪影響を及ぼさないように各々設け、風洞の始動／停止時に前記突起を前記風洞壁面から突出させ、該突起に起因して発生する衝撃波の作用によって、前記模型に負荷される前記衝撃荷重を低減することを特徴とする超音速風洞の始動／停止荷重低減法。
【請求項２】
前記突起の前記模型からの離隔距離および該突起の前記風洞壁面からの突出量については、少なくとも気流のマッハ数又は／及びレイノルズ数に基づいて決定される請求項１に記載の超音速風洞の始動／停止荷重低減法。
【請求項３】
実機を模擬した模型を風路に配置し、該模型周りに所望の気流を形成する超音速風洞であって、
前記模型から上流側に所定の距離だけ離隔した風洞壁面に格納可能となるように設けられた突起と、該突起を風洞壁面から所定の長さだけ突出させるスライド機構とを備え、
前記突起はその上面が、格納状態において前記風洞壁面の一面を成すように設けられ、
風洞の始動／停止時に前記突起を前記風洞壁面から突出させ、該突起に起因して発生する衝撃波の作用によって、前記模型に負荷される衝撃荷重を低減するようにしてなることを特徴とする超音速風洞。
【請求項４】
前記突起の前記模型からの離隔距離および該突起の風洞壁面からの突出量については、少なくとも気流のマッハ数又は／及びレイノルズ数に基づいて決定される請求項３に記載の超音速風洞。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音速風洞の始動／停止荷重低減法および超音速風洞、特に、簡易かつ試験模型に限定されない機構によって超音速風洞の始動／停止時に模型に負荷される衝撃荷重を好適に低減することが可能な超音速風洞の始動／停止荷重低減法および超音速風洞に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、現行の吹出式超音速風洞を示す概観図である。図６は、図５の２次元可変ノズルを示す概観図である。
吹出式超音速風洞は、実機を模擬した模型周りの空間（測定部）に所望の空気の流れ場を形成するための風流供給設備であり、その構成は、2MPaの高圧空気を貯蔵する高圧空気源としての２基の貯気槽と、高圧空気を貯気槽の下流へ導入する高圧導管と、高圧空気源と高圧導管を遮断する仕切弁と、高圧空気を所定圧に減圧して下流へ供給する調圧弁と、減圧された高圧空気を整流する集合胴と、超音速の一様な流れを形成する２次元可変ノズルと、風洞模型が設置された測定部と、気流を絞って亜音速まで減速する第２スロートと、亜音速の流れをさらに減速させる亜音速ディフューザーと、発生する騒音を吸収するサウンドサプレッサ及びヘルムホルツ共鳴型消音器とから成っている。
また、図６に示すように、２次元可変ノズルは、可撓性を有するノズル壁と、ノズル壁を法線方向に変位させる複数の電動ジャッキとを備え、電動ジャッキが軸方向に伸縮することによって、所望のノズル壁面およびスロート部を形成する。
上記吹出式超音速風洞は、仕切弁を開とすることにより、高圧空気が高圧導管を通り調圧弁によって調圧されながら集合胴からノズルスロートを通過して絞られ、さらに拡大される流路（ラバールノズル）によって超音速まで加速される。流れは、測定部を通過して第２スロートにおいて亜音速まで減速され、亜音速ディフューザーにおいてさらに減速圧縮されて大気開放される構造を採用する。亜音速ディフューザーを通過する際に発生する騒音は、サウンドサプレッサ及びヘルムホルツ共鳴型消音器によって消音される。また、通風時間は約４０秒程度の極めて限られた時間である。
このように大量の高圧空気を一気に大気開放させる吹出式超音速風洞においては、風洞が始動／停止する際に衝撃波が発生し、その衝撃波に起因する大きな衝撃荷重が模型に負荷される。特にマッハ数３.０から４.０の高マッハ数では、図７に示すように、風洞の始動／停止の際に模型に対し瞬間的に上下（左右）に互い違いの非対称衝撃波が通過する。最大迎角の定常時空気力の５倍から１０倍に及ぶ衝撃荷重が模型に負荷されることもある。図８は、風洞におけるマッハ数と翼面垂直方向の衝撃荷重の関係を示すグラフである。図からマッハ数が３.０以上では、垂直方向の衝撃荷重が２０００Ｎ以上となり、かなりの衝撃荷重が模型に負荷されることが分かる。従って、吹出式超音速風洞において使用される模型は、その衝撃荷重に耐えられるように強固に設計・製造する必要がある。この場合、強度・剛性が最優先されるため形状、厚み等の設計の自由度は制約され、模型に係る材料も必然的に高強度の材料に限定され、その結果、模型の設計に係るコストは増大することになる。また、そのような高強度の材料は加工が難しく、模型に係る製造コストも増大することになる。従って、模型の設計・製造に係るトータルコストは増大するばかりか、望む形状の風洞試験が不可能なことさえある。
他方、代表的な測定項目である模型にかかる空気力は、歪みゲージ式天秤によって測定される。吹出式超音速風洞においては、定常時空気力よりもはるかに大きい上記衝撃荷重に耐える容量の大きな天秤を使う必要がある。従って、計測精度の悪化を余儀なくされる。
ところで、吹出式超音速風洞において上記衝撃荷重から模型を保護する方式としては、（１）風洞の始動／停止時に模型を風洞壁の下に格納する方式（例えば、特許文献１を参照。）、（２）風洞の始動／停止時に模型周りに平板または保護シェルを近接させる平板近接方式（例えば、特許文献２を参照。）、（３）風洞始動／停止時に模型とそれを支持するスティング（支持棒）との隙間にブロックを挿入するストッパーブロック方式（例えば、特許文献３及び４を参照）、等の方法が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１４８０２４号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８４２３号公報
【特許文献３】特開平４−１４２４３７号公報
【特許文献４】特開平３−６７１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記（１）の模型格納方式については、２次元可変ノズルに大きな格納空間を設ける大改造（図６のノズル壁）をする必要があり、その改修費用が莫大となる。また、定常時に格納空間を塞ぐ大型のプレートが別途必要となり、風洞壁面とプレートとの継ぎ目には必然的に段差が生じる。この継ぎ目段差が存在すると圧縮膨張波が生じ、データ品質（気流の一様性）に問題が生じる。
次に、上記（２）の平板近接方式については、改修費用に対する衝撃荷重低減効果が低いという問題を有している。
次に、上記（３）のストッパーブロック方式については、スティング及び模型に依存するシステムなため、スティング及び模型が変わる場合、別途新たなブロック挿入機構が必要となり汎用性に乏しい。また、衝撃荷重の各部荷重分配は、正確な予測が難しいため、ブロックによって衝撃荷重を低減することが出来ない場合が生じる。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、超音速風洞において、汎用性、経済性および実用性に優れた風洞の模型支持装置に対する始動／停止荷重低減機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために請求項１に記載の風洞の始動／停止荷重低減法では、超音速風洞における始動／停止時に模型に負荷される衝撃荷重の低減法であって、
突起を、模型から上流側に所定の距離だけ離隔した風洞壁面に格納可能に、且つ該突起の上面は、格納状態において前記風洞壁面の一面を成し、データ精度に直結する気流の一様性に悪影響を及ぼさないように各々設け、風洞の始動／停止時に前記突起を前記風洞壁面から突出させ、該突起に起因して発生する衝撃波の作用によって、前記模型に負荷される前記衝撃荷重を低減することを特徴とする。
上記超音速風洞（以下、超音速風洞以外の風洞と区別する場合を除き単に風洞という。）の始動荷重低減法では、上記突起に起因して発生する別の衝撃波が模型周りの流れを減速させ、その結果、模型周りに減速領域が形成される。風洞の始動／停止に起因して発生する衝撃波が模型を通過する際、その減速領域によって衝撃波の強度が弱められ、その結果、模型に負荷される衝撃荷重が好適に低減されることになる。
ところで、風洞壁面に突起を設けることによって、風洞の定常状態における気流特性（気流の一様性）が損なわれることが考えられる。しかし、上記突起は風洞壁面に格納可能となるように設けられているため、例えば突起を風洞壁面に対し垂直方向にスライドさせ、風洞壁面に対し面一に格納することが可能である。また、突起は小型であるため、突起と風洞壁面との継ぎ目段差の管理も容易である。従って、突起が気流の一様性に影響を与えることは殆どない。
また、本発明では、従来技術に見られる模型格納機構、平板近接機構、防護シェル開閉機構、ストッパーブロック挿入機構等の複雑な機構は全く必要とされず、上記突起を上記形態で風洞壁面に設けることによって、風洞の始動／停止に係る衝撃荷重を好適に低減することが可能となる。従って、既存の風洞に対する改修規模および改修費用が少なくて済む。
また、突起は風洞の始動／停止時に突出され、それ以外の定常時においては風洞壁面に格納され上面が壁面の一面を構成するタイプなので、本発明はあらゆるタイプの模型に対して適用可能であり、汎用性及び実用性を有する。
【０００６】
さらに、突起に起因して発生する別の衝撃波の作用によって、翼面に垂直に作用する風洞の始動／停止に係る衝撃荷重を好適に低減させることが可能となる。
【０００７】
また、前記突起の上面は、格納状態において前記風洞壁面の一面を成すことによって、風洞壁面に段差が形成されなくなり、風洞の定常状態における気流の一様性が好適に保たれる。
【０００８】
請求項２に記載の風洞の始動／停止荷重低減法では、前記突起の前記模型からの離隔距離および該突起の風洞壁面からの突出量については、少なくとも気流のマッハ数又は／及び単位レイノルズ数（１ｍあたり）に基づいて決定されることとした。
本願発明の特徴は、上記突起に起因して発生する衝撃波が模型周りの流れ場を変化させることによって模型に負荷される風洞の始動／停止に係る衝撃荷重を低減することである。従って、上記突起の前記模型からの離隔距離および上記突起の風洞壁面からの突出量については、マッハ数又は／及び単位レイノルズ数に基づいて模型周りの流れ状態を把握した上で個別具体的に決定されることとした。
【０００９】
上記風洞の始動／停止荷重低減法では、突起によって模型周りの流れ場を変化させる別の衝撃波を好適に生成することが可能となる。
【００１０】
前記目的を達成するために請求項３に記載の風洞では、実機を模擬した模型を風路に配置し、該模型周りに所望の気流を形成する超音速風洞であって、
前記模型から上流側に所定の距離だけ離隔した風洞壁面に格納可能となるように設けられた突起と、該突起を風洞壁面から所定の長さだけ突出させるスライド機構とを備え、
前記突起はその上面が、格納状態において前記風洞壁面の一面を成すように設けられ、
風洞の始動／停止時に前記突起を前記風洞壁面から突出させ、該突起に起因して発生する衝撃波の作用によって、前記模型に負荷される衝撃荷重を低減するようにしてなることを特徴とする。
上記風洞では、上記請求項１に記載の風洞の始動／停止荷重低減法を好適に実施することが出来る。
【００１２】
請求項４に記載の風洞では、前記突起の前記模型からの離隔距離および該突起の突出量については、少なくとも気流のマッハ数又は／及び単位レイノルズ数に基づいて決定されることとした。
上記風洞では、上記請求項２に記載の風洞の始動／停止荷重低減法を好適に実施することが出来る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の風洞の始動／停止に係る衝撃荷重低減方法によれば、突起を、模型から上流側に所定の距離だけ離隔した風洞壁面に格納可能となるように設けることによって、その突起に起因して発生する別の衝撃波が、模型の周りに減速領域を形成し、風洞の始動／停止に起因して発生する衝撃波が模型を通過する際、その減速領域によって衝撃波の強度が弱められ、その結果、模型に負荷される衝撃荷重が好適に低減されることになる。このように本発明は上記突起を上記形態で風洞壁面に設けた簡易な機構であるが、後述するように、風洞の始動／停止に係る衝撃荷重を好適に低減することが出来る。
また、突起は格納時にその上面が風洞壁面の一面を成す小型の機構であるため、風洞壁面に継ぎ目段差が殆ど生じない。その結果、風洞の定常状態において気流の一様性が好適に保持されることになる。
また、模型に負荷される衝撃荷重が小さくなる結果、模型に負荷される荷重（空気力）を計測する歪みゲージ式天秤の容量を小さくすることが可能となり、空気力の計測精度が向上する。また、模型の強度・剛性を必要以上に高める必要がなくなり、特に薄翼模型の設計が可能となる等、模型設計の自由度が高くなる。
また、本発明は始動／停止時の気流そのものの流れ場を変化させているために、模型にかかる全方向の空気力の低減に効果があると考えられる。
また、風洞壁面に対する比較的小規模な改修で済むため、費用面において優れている。
また、本発明は上記突起を上記形態で風洞壁面に設ける簡素な機構であるため全ての模型に対し適用でき、高い汎用性及び実用性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の超音速風洞を示す説明図である。
【図２】本発明の風洞の始動／停止に係る衝撃荷重低減のメカニズムを示す説明図である。
【図３】本発明の超音速風洞において使用される模型を示す説明図である。
【図４】本発明の風洞の始動時の衝撃荷重の低減効果を示すグラフである。
【図５】従来の超音速風洞を示す説明図である。
【図６】図５の可変ノズルを示す説明図である。
【図７】始動／停止時の衝撃波を示す説明図である。
【図８】マッハ数と翼面垂直方向の衝撃荷重との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の超音速風洞１００を示す説明図である。なお、説明の都合上、測定部のみが示されている。また、図１(a)は要部断面説明図であり、同(b)はそのＡ矢視である。
この超音速風洞１００は、風流を供給する基本的構成については図５において示した超音速風洞と同じであり、１m×１mの測定部断面（風洞断面）を持つ。風路中央には、模型１０（図３）が模型支持部２０によって支持・固定されている。模型支持部２０の先端にはスティング型６分力検出器（図示せず）が取り付けられ、模型１０にリジッドに結合されている。そして、模型１０より一定距離Ｌ（又はＬ'）隔てた上流側の風洞壁面には、突起３０u,３０Lが格納可能となるように各々設けられている。詳細については、後述するが、上記突起３０u,３０Lを上記形態で風洞壁面に各々設けることによって、突起３０u,３０Lに起因して発生する別の衝撃波が、模型１０の周りの流れを減速させ、その結果、模型周りに減速領域が形成される。その結果、風洞の始動／停止に伴い発生する衝撃波がその減速領域を通過する際に、衝撃波の強度が弱められ、その結果、模型１０に負荷される衝撃荷重が好適に低減されることになる。つまり、超音速風洞１００は、風洞の始動／停止に起因して発生する衝撃波を、突起３０u,３０Lに起因して発生する別の衝撃波の作用によって弱める機構を備えている。
【００１７】
図示されてはいないが、突起３０u,３０Lにはスライド機構が備わり、突起３０u,３０LはＺ軸方向に対し移動可能に構成されている。従って、突起３０u,３０Lは、風洞の始動／停止時においては、スライド機構によって風洞壁面から突出される一方、風流が定常流に達する時は、スライド機構によって風洞壁面に格納される。この場合、突起３０u,３０Lの各上面が風洞壁面を構成し、他の風洞壁面と面一となる。従来の模型格納機構では、格納空間を塞ぐプレートが別途必要であった。そのプレートは模型より大きくする必要があるため、プレートが閉じた状態では、プレートと風洞壁面との間には必然的に継ぎ目段差が生じていた。しかし、本発明は、突起３０u,３０Lそのものが小型であるため、突起上面と風洞壁面との間に継ぎ目段差が生じることは殆どない。従って、格納時に突起３０u,３０Lが気流の一様性に影響を及ぼすことは殆どない。
【００１８】
ここで、寸法例を挙げると、突起３０u,３０Lは、模型１０の中心から風洞上流側へ距離Ｌ＝１２４０mm（模型１０の先端から風洞上流側へ距離Ｌ'＝１０１５mm）離隔した位置に、風洞壁面に格納可能となるように各々設けられている。また、突起３０u,３０Lの外形寸法（正確には、風洞壁面からの突出部の外形寸法）は、幅８００mm×高さ３０mm×奥行き８０mmの直方体である。なお、上記設置距離Ｌ（又はＬ'）及び外形寸法（大きさ）は、測定部断面が１m×１m、マッハ数が３、および単位レイノルズ数が４０×１０6（1/m）の風流の場合の値である。従って、突起３０u,３０Lの上記設置距離Ｌ、外形寸法は、風洞断面の形状及び大きさ、並びにマッハ数及び／又は単位レイノルズ数が変わる場合は、これらに応じてその値は変わることになる。従って、上記設置距離Ｌ、外形寸法は、風洞断面の形状及び大きさ、並びにマッハ数及び／又は単位レイノルズ数に応じて個別具体的に決定されることになる。
【００１９】
本実施例では、測定部の断面形状は矩形（1m×1m正方形）であり、突起３０u,３０Lの突出部分の風流当接面の形状は長方形(800mm×30mm）であった。
【００２０】
図２は、本発明の風洞の始動／停止に係る衝撃荷重低減のメカニズムを示す説明図である。
本発明の特徴は、上記設置距離Ｌ、上記外形寸法で風洞壁面に各々設けられた突起３０u,３０Lに起因して発生する別の衝撃波が、模型１０の周りの流れを減速させ、模型１０の周りに減速領域を形成する。そして、風洞の始動／停止に起因して発生する衝撃波１,１',２,２'が減速領域を通過する際に、その減速領域によって強度が弱められ、模型１０に負荷される衝撃荷重が低減されることになる。また、始動／停止時の気流そのものの流れ場を変化させているため、模型にかかる全方向の空気力に対し効果があると考えられ、従って、模型に負荷される全方向の衝撃荷重が本発明によって好適に低減されると考えられる。
上述した通り、突起３０u,３０Lの上記設置距離Ｌ、外形寸法については、突起３０u,３０Lに起因して発生する別の衝撃波が、模型１０の周りの気流を好適に減速させるように、模型１０の周りの流れ場の状態を把握した上で個別具体的に決定される必要がある。
【００２１】
図３は、本発明の超音速風洞１００において使用される模型１０を示す説明図である。
本発明の超音速風洞１００では、風洞の始動／停止時に模型１０に負荷される衝撃荷重が好適に低減される。その結果、模型の強度・剛性を必要以上に高める必要がなくなり、模型設計の自由度が高くなる。
【００２２】
模型１０のノーズ部には円筒タイプの圧力センサＰ1、前胴部上面および下面にはフラッシュマウントタイプの圧力センサＰ2U,Ｐ2L、翼右上面および下面には同じくフラッシュマウントタイプの圧力センサＰ3U,Ｐ3L、翼左上面には同じくフラッシュマウントタイプのＰ4Uが取り付けられている。
【００２３】
図４は、本発明の風洞の始動時の衝撃荷重の低減効果を示すグラフである。なお、図４(a)は突起３０u,３０Lを備えない従来の超音速風洞における翼に負荷される垂直力および翼表面圧力を示し、同(b)は突起３０u,３０Lを備えた本発明の超音速風洞１００における翼に負荷される垂直力および翼表面圧力を示している。
垂直力について、図から突起３０u,３０Lを備えない従来の超音速風洞では、１.２７５秒から１.３７５秒の間に模型翼面に２０００Nを超える垂直力（約３０００N）が衝撃荷重として負荷されていることが分かる。対する突起３０u,３０Lを備えた本発明の超音速風洞１００では、１.２７５秒から１.３７５秒間に模型翼面に負荷される垂直力は２０００N以下（約１８００N）に抑えられていることが分かる。
また、翼表面圧力について、図から右翼上の圧力結果は、従来の超音速風洞では大きなピークが生じているが、本発明の超音速風洞１００ではピークが小さいことが分かる。
【００２４】
上述した通り、本発明の風洞の始動／停止荷重低減法は、上記突起３０u,３０Lを、上記設置距離Ｌ、上記外形寸法で模型１０の上流側の風洞壁面に格納可能となるように各々設け、突起３０u,３０Lに起因して発生する別の衝撃波が、模型１０の周りの流れを減速させ、その結果、模型周りに減速領域が形成されるようにする。その結果、風洞の始動／停止に伴い発生する衝撃波がその減速領域を通過する際に、衝撃波の強度が弱められ、その結果、模型１０に負荷される衝撃荷重が好適に低減されることになる。このように、本発明は簡易な機構であるが、風洞の始動／停止に係る衝撃荷重低減効果は非常に大きい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の風洞の始動／停止に係る衝撃荷重低減方法は、間欠式の吹出式超音速・極超音速風洞に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１,１',２,２'   衝撃波
１０            模型
１１            翼
２０            模型支持部
３０u,３０L     突起
１００          超音速風洞
【図１】
0005605537.tif 000002
【図２】
0005605537.tif 000003
【図３】
0005605537.tif 000004
【図４】
0005605537.tif 000005
【図５】
0005605537.tif 000006
【図６】
0005605537.tif 000007
【図７】
0005605537.tif 000008
【図８】
0005605537.tif 000009