(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．ノズル一次流れ喉部高さ、ノズル圧力比、及びノズル内部膨張比に関する単一膨張傾斜ノズル（ＳＥＲＮ）設計パラメータを選択する工程と、
ｂ．前記選択された単一膨張傾斜ノズル設計パラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて、等エントロピー関係から追加的なノズル一次流れ単一膨張傾斜ノズルパラメータを決定する工程と、
ｃ．平面０８０におけるノズル一次流れ喉部流入角度を決定する工程と、
ｄ．平面０８１におけるノズル一次流れ喉部流出角度を決定する工程と、
ｅ．ノズル一次流れ下方膨張面の初期部を定めるために、前記平面０８０における前記ノズル一次流れ喉部流入角度と前記平面０８１におけるノズル一次流れ喉部流出角度とを、一定の半径の円弧によって結合する工程と、
ｆ．特性曲線法（ＭｏＣ）を用いて、ノズル一次流れシステム上方膨張面を定める工程と、
ｇ．特性曲線法を用いて、前記一次流れ下方膨張面の後方部を定める工程と、
ｈ．前記一次流れ下方膨張面の初期部と前記後方部とを、直線によって結合する工程と
からなる、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の設計方法。
【請求項２】
前記ｎｘＳＥＲＮ内に三次流れノズルを構築する工程であって、前記三次流れノズルが、
ａ．ノズル三次流れ喉部高さ、ノズル圧力比、及びノズル内部膨張比に関する単一膨張傾斜ノズル設計点パラメータを選択する工程と、
ｂ．前記選択された単一膨張傾斜ノズル三次流れ設計パラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて、等エントロピー関係から追加的なノズル三次流れ単一膨張傾斜ノズルパラメータを決定する工程と、
ｃ．平面３８０におけるノズル三次流れ喉部流入角度を決定する工程と、
ｄ．平面３８１におけるノズル三次流れ喉部流出角度を決定する工程と、
ｅ．ノズル三次流れ下方膨張面の初期部を定めるために、前記平面３８０における前記ノズル三次流れ喉部流入角度と前記平面３８１における前記ノズル三次流れ喉部流出角度とを、一定の半径の円弧によって結合する工程と、
ｆ．特性曲線法を用いて、ノズル三次流れシステム上方膨張面を定める工程と、
ｇ．前記三次流れ上方膨張面の後端を前記一次流れ下方膨張面と交差させる工程と、
ｈ．前記一次流れ下方膨張面と前記三次流れ上方膨張面との交差部の前記一次流れ下方膨張面の一部及び前記三次流れ上方膨張後部を削除する工程と、
ｉ．特性曲線法を用いて、前記三次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、前記一次流れ上方膨張面の後方部から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｊ．一次流れの静圧と一致するために必要とされる前記三次流れ下方膨張面の前記後方部の傾斜を計算する工程と、
ｋ．前記三次流れ下方膨張面の前記初期部を前記三次流れ下方膨張面の前記後方部に結合する工程と
によって構築される、工程をさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ａ．ノズル一次流れ喉部高さ、ノズル圧力比、及びノズル内部膨張比に関する単一膨張傾斜ノズル（ＳＥＲＮ）設計パラメータを選択する工程と、
ｂ．前記選択された単一膨張傾斜ノズル設計パラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて、等エントロピー関係から追加的なノズル一次流れ単一膨張傾斜ノズルパラメータを決定する工程と、
ｃ．平面０８０におけるノズル一次流れ喉部流入角度を決定する工程と、
ｄ．平面０８１におけるノズル一次流れ喉部流出角度を決定する工程と、
ｅ．ノズル一次流れ下方膨張面の初期部を定めるために、前記平面０８０における前記ノズル一次流れ喉部流入角度と前記平面０８１におけるノズル一次流れ喉部流出角度とを、一定の半径の円弧によって結合する工程と、
ｆ．特性曲線法（ＭｏＣ）を用いて、ノズル一次流れシステム上方膨張面を定める工程と、
ｇ．特性曲線法を用いて、前記一次流れ下方膨張面の後方部を定める工程と、
ｈ．前記一次流れ下方膨張面の初期部と前記後方部とを、直線によって結合する工程とからなる工程によって設計された、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）を作製する工程を備える、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の製造方法において、
前記ｎｘＳＥＲＮ内に三次流れノズルを構築する工程であって、前記三次流れノズルが、
ａ．ノズル三次流れ喉部高さ、ノズル圧力比、及びノズル内部膨張比に関する単一膨張傾斜ノズル設計点パラメータを選択する工程と、
ｂ．前記選択された単一膨張傾斜ノズル三次流れ設計パラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて、等エントロピー関係から追加的なノズル三次流れ単一膨張傾斜ノズルパラメータを決定する工程と、
ｃ．平面３８０におけるノズル三次流れ喉部流入角度を決定する工程と、
ｄ．平面３８１におけるノズル三次流れ喉部流出角度を決定する工程と、
ｅ．ノズル三次流れ下方膨張面の初期部を定めるために、前記平面３８０における前記ノズル三次流れ喉部流入角度と前記平面３８１における前記ノズル三次流れ喉部流出角度とを、一定の半径の円弧によって結合する工程と、
ｆ．特性曲線法を用いて、ノズル三次流れシステム上方膨張面を定める工程と、
ｇ．前記三次流れ上方膨張面の後端を前記一次流れ下方膨張面と交差させる工程と、
ｈ．前記一次流れ下方膨張面と前記三次流れ上方膨張面との交差部の前記一次流れ下方膨張面の一部及び前記三次流れ上方膨張後部を削除する工程と、
ｉ．特性曲線法を用いて、前記三次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、前記一次流れ上方膨張面の後方部から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｊ．一次流れの静圧と一致するために必要とされる前記三次流れ下方膨張面の前記後方部の傾斜を計算する工程と、
ｋ．前記三次流れ下方膨張面の前記初期部を前記三次流れ下方膨張面の前記後方部に結合する工程と
によって構築される、工程をさらに含んでなる、方法。
【請求項５】
ａ．所望のノズル圧力比（ＮＰＲ）を指定する工程と、
ｂ．ノズルの喉部出口平面面積と喉部入口平面面積の間の比（Ａ０８１／Ａ０８０）で表される所望のノズル膨張比を指定する工程と、
ｃ．代表比熱比（γ）を指定する工程と、
ｄ．一次流れ排気ノズル喉部の高さ（ｈ）を指定する工程と、
ｅ．プラントル−マイヤー関数を計算する工程と、
ｆ．前方への推力を得るために必要とされる平面０８１における膨張角度（θＡ０８１）を決定する工程と、
ｇ．一次流れ下方膨張面の初期部の後端における流れマッハ数ＭＡ０８１を得るために必要とされる前記一次流れ下方膨張面の初期部の前端における膨張角度（θＡ０８０）を決定する工程と、
ｈ．一次流れ下方膨張面の初期部の前端と後端とを結合する円弧を作り出すことによって、一次流れ下方膨張面の初期部を配置する工程と、
ｉ．特性端点の第１の軌跡を定めるために、特性曲線法（ＭｏＣ）を用いることで決定されるように、一次流れ下方膨張面部の初期部に沿って外向きに下流へと特性線を延ばす工程と、
ｊ．一次流れ上方膨張面を定めるために、特性端点の前記第１の軌跡を結合する工程と、
ｋ．特性端点の第２の軌跡を定めるために、前記特性曲線法によって決定されるように、前記一次流れ上方膨張面部の後端から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｌ．一次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、特性端点の前記第２の軌跡を結合する工程と、
ｍ．一次流れ下方膨張面の初期部と前記後方部とを、直線によって結合することで、一次流れ下方膨張面の中間部を配置する工程と
からなる、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の設計方法。
【請求項６】
前記ｎｘＳＥＲＮ内に三次流れノズルを構築する工程であって、前記三次流れノズルが、
ａ．三次流れノズル喉部の高さを指定する工程と、
ｂ．前方への推力を得るために必要とされる平面３８０における膨張角度（θＡ３８０）を決定する工程と、
ｃ．三次流れ下方膨張面の初期部の後端において指定された流れマッハ数Ｍ３８１を得るために、平面３８１における膨張角度（θＡ３８１）を決定する工程と、
ｄ．前記三次流れノズル喉部の前記指定された高さと等しい半径を有する、平面３８０及び平面３８１における膨張角度（θＡ３８０，θＡ３８１）同士を結合する円弧を作り出すことによって、三次流れ下方膨張面の前記初期部を配置する工程と、
ｅ．特性端点の第３の軌跡を定めるために、特性曲線法を用いて、三次流れ下方膨張面の初期部に沿って下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｆ．三次流れ上方膨張面を定めるために、特性端点の前記第３の軌跡を結合する工程と、
ｇ．前記三次流れ上方膨張面の後端を前記一次流れ下方膨張面と交差させる工程と、
ｈ．一次流れ下方膨張面と前記三次流れ上方膨張面との交差部における一次流れ下方膨張面の一部及び前記三次流れ上方膨張面後部を削除する工程と、
ｉ．特性端点の第４の軌跡を定めるために、特性曲線法によって決定されるように、前記一次流れ上方膨張面の後縁から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｊ．三次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、特性端点の前記第４の軌跡を結合す
る工程と、
ｋ．一次流れの静圧と一致するために必要とされる三次流れ下方膨張面の前記後方部の傾斜を計算する工程と、
ｌ．三次流れ下方膨張面の初期部を三次流れ下方膨張面の前記後方部に、前記計算された傾斜において直線で結合する工程と
によって構築される、工程をさらに含んでなる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ａ．所望のノズル圧力比（ＮＰＲ）を指定する工程と、
ｂ．ノズルの喉部出口平面面積と喉部入口平面面積の間の比（Ａ０８１／Ａ０８０）で表される所望のノズル膨張比を指定する工程と、
ｃ．代表比熱比（γ）を指定する工程と、
ｄ．一次流れ排気ノズル喉部の高さ（ｈ）を指定する工程と、
ｅ．プラントル−マイヤー関数を計算する工程と、
ｆ．前方への推力を得るために必要とされる平面０８１における膨張角度（θＡ０８１）を決定する工程と、
ｇ．一次流れ下方膨張面の初期部の後端における流れマッハ数ＭＡ０８１を得るために必要とされる前記一次流れ下方膨張面の初期部の前端における膨張角度（θＡ０８０）を決定する工程と、
ｈ．一次流れ下方膨張面の初期部の前端と後端とを結合する円弧を作り出すことによって、一次流れ下方膨張面の初期部を配置する工程と、
ｉ．特性端点の第１の軌跡を定めるために、特性曲線法（ＭｏＣ）を用いることで決定されるように、一次流れ下方膨張面部の初期部に沿って外向きに下流へと特性線を延ばす工程と、
ｊ．一次流れ上方膨張面を定めるために、特性端点の前記第１の軌跡を結合する工程と、
ｋ．特性端点の第２の軌跡を定めるために、前記特性曲線法によって決定されるように、前記一次流れ上方膨張面部の後端から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｌ．一次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、特性端点の前記第２の軌跡を結合する工程と、
ｍ．一次流れ下方膨張面の初期部と前記後方部とを、直線によって結合することで、一次流れ下方膨張面の中間部を配置する工程と
によって設計された、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）を作製する工程を備える、内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の製造方法。
【請求項８】
請求項３に記載の内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の製造方法において、
前記ｎｘＳＥＲＮ内に三次流れノズルを構築する工程であって、前記三次流れノズルが、
ａ．三次流れノズル喉部の高さを指定する工程と、
ｂ．前方への推力を得るために必要とされる平面３８０における膨張角度（θＡ３８０）を決定する工程と、
ｃ．三次流れ下方膨張面の初期部の後端において指定された流れマッハ数Ｍ３８１を得るために、平面３８１における膨張角度（θＡ３８１）を決定する工程と、
ｄ．前記三次流れノズル喉部の前記指定された高さと等しい半径を有する、平面３８０及び平面３８１における膨張角度（θＡ３８０，θＡ３８１）同士を結合する円弧を作り出すことによって、三次流れ下方膨張面の前記初期部を配置する工程と、
ｅ．特性端点の第３の軌跡を定めるために、特性曲線法を用いて、三次流れ下方膨張面の初期部に沿って下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｆ．三次流れ上方膨張面を定めるために、特性端点の前記第３の軌跡を結合する工程と、
ｇ．前記三次流れ上方膨張面の後端を前記一次流れ下方膨張面と交差させる工程と、
ｈ．一次流れ下方膨張面と前記三次流れ上方膨張面との交差部における一次流れ下方膨張面の一部及び前記三次流れ上方膨張面後部を削除する工程と、
ｉ．特性端点の第４の軌跡を定めるために、特性曲線法によって決定されるように、前記一次流れ上方膨張面の後縁から下流へと外向きに特性線を延ばす工程と、
ｊ．三次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、特性端点の前記第４の軌跡を結合する工程と、
ｋ．一次流れの静圧と一致するために必要とされる三次流れ下方膨張面の前記後方部の傾斜を計算する工程と、
ｌ．三次流れ下方膨張面の初期部を三次流れ下方膨張面の前記後方部に、前記計算された傾斜において直線で結合する工程と
によって構築される、工程をさらに含んでなる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェット機排気ノズルに関し、より詳細には、固定出口領域、浅いボートテール、及び設計圧力比における衝撃のない運転を有する超音速ノズルの設計の方法及び構築に関する。
【背景技術】
【０００２】
推進ノズルは、排気ジェットを形成するために、及び、エンジンからのガスの速度又はガスを推進することを最大化するために、流れを絞るように作用するジェットエンジンの構成要素である。推進ノズルは、亜音速、音速、又は超音速であり得る。物理的に、ノズルは、収束又は収束−発散であり得る。収束−発散ノズルは、発散区域内で超音速ジェット速度を与えることができ、一方、収束ノズルでは、排気流体はノズル内で音速を超えることはできない。
【０００３】
推進ノズルは、固定された形状であり得るか、又は、大気圧、流れ、及びエンジン圧力での違いに対処するように、異なる喉部直径及び出口直径を与えるために、可変形状を有し得る。これにより、推力及び効率を改善することができる。
【０００４】
推進ノズルは、空気流を絞ることでエンジン内の圧力を増加させるために、その最も狭い部分、すなわち「喉部」を用い、次に、排気流を大気圧又はその近くまで膨張させ、最後に、輸送体を推進するために、排気流を高速ジェットへと形成することで、作用する。
【０００５】
流れを加速するためのエネルギーは、気体の温度及び圧力に由来し、気体は、排気ガスの熱及び圧力が排気ガスの速度に比例しているため、冷却し、膨張し、加速する。
エアーブリージングエンジンは、完全に膨張されたときに航空機の対気速度を超える速度を有するジェット排気ガスを生成することを通じて、空気に正味の後方への推進力を与えることによって、機体に前方への推力を作り出す。
【０００６】
アイドル状態から素早く推力を発生するために必要とされるエンジンは、可変領域を備える推進ノズルを用いる。アイドル状態の間、ノズルは、最小の推力と高速のエンジン回転数とのために開いた構成に設定されるが、例えば旋回を開始している間といった、推力が必要とされるとき、ノズルを絞ることは素早く推力を発生することになる。
【０００７】
ほとんどすべてのノズルは収束区域を有しているが、これは、エンジンの残りの部分での圧力を増加させ、前方区域に作用することでより大きな推力を潜在的に生み出すためである。この収束区域のある収束ノズル端と、概して、より狭い収束ノズルとは、より小さい推力とより高い排気速度とを与えるが、より広い収束ノズルは、より低い排気速度とより大きい推力とを与えることに留意することは、重要である。
【０００８】
単純な収束ノズルは、多くのジェットエンジンにおいて使用されている。ノズル圧力比が１．８：１の臨界値を超えている場合、収束ノズルが細くなり、喉部、つまり、より小さい流れ面積の下流で起こる大気圧への膨張の一部をジェット伴流でもたらす。ジェット推進力が全体の推力の大部分を生成するが、喉部静圧と大気圧との間の不均衡が、いくらかの圧力の推力をなおも発生する。
【０００９】
収束ノズルの高ノズル圧力は、しばしば、エンジンを出て行く排気の圧力を周囲空気の圧力より高くさせてしまい、それによって、膨張の大部分をノズル自体の下流で生じさせてしまうことで効率を低下させている。その結果、例えばロケットといった、あるエンジ
ンは、排気のより多くの部分をノズルの内部で膨張させる収束−発散ノズルを組み込んでいる。
【００１０】
ジェット機用エンジンは、固定排気ノズルシステム及び／又は可変排気ノズルシステムとして構築できる。固定排気ノズルシステムは、一般的に、様々な種類の商用機、及び、一部の軍用機に用いられる。可変排気ノズルシステムは、一般的に、超音速軍用機に用いられ、ノズルの形を動力学的に変えることで、異なる推力レベル及び他の要因に適応することができる。このような可変排気ノズルシステムはある利点を提供するが、追加的な複雑性、費用ももたらし、ある場合には、運転の他の分野における妥協を必要とし得る。
【００１１】
固定排気ノズルシステムは、一般的に、それをかなり効率的にする特定の推力レベルに向けて設計される。しかしながら、固定排気ノズルシステムは、可変排気ノズルシステムの追加的な費用と複雑性とを必要とせずに、推力レベルの変化に適応する流路を定めるように設計されてもよい。本発明は、このような固定排気ノズルシステムを対象としている。
【００１２】
ここで説明するように、固定ノズル設計は、ノズル内で、排気ガスを内部で一部膨張する単一膨張傾斜ノズル（ＳＥＲＮ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  Ｒａｍｐ  Ｎｏｚｚｌｅ）を備える。排気ガスの残りの部分は、ＳＥＲＮの外部で膨張する。
【００１３】
適切に設計されたＳＥＲＮは、典型的には、排気ガスを、形状ノズルの変数を用いることなく、大気圧に従って自動的に膨張させることができる。ＳＥＲＮは、ノズル圧力が飛行エンベロープを通じて広く変化し得る用途に望ましい。しかしながら、ＳＥＲＮノズルは特定の流れ角度（プラントル−マイヤー理論によって定められる）を必要とし、喉部平面は、設計圧力比においてゼロの推力ベクトル角度を達成できる。この角度は、しばしば、飛行の方向に対して急勾配となっている。その結果、排気ダクト（つまり、ＳＥＲＮの喉部平面）の最後の包囲された領域における外側モールド線（ＯＭＬ：Ｏｕｔｅｒ  Ｍｏｌｄ  Ｌｉｎｅ）のボートテール角度が、急勾配である。この構成と関連付けられる抗力の不利益は、推力−抗力の最適化されたノズル構成におけるＳＥＲＮの使用を排除するだけの深刻なものである。
【００１４】
ＳＥＲＮの喉部において必要とされる流れ角度を小さくするために、及び、ボートテール角度を小さくするために、流れ膨張の一部がＳＥＲＮ内で行われてもよい。一部膨張された流れの角度は、従来のＳＥＲＮと比較してかなり浅くなっている。膨張の残りの部分は、外部傾斜によって行われる。この種類の構成はｎｘＳＥＲＮと称され、その名前は、等エントロピー形状の独特の内部／外部構成によるものである。従来のＳＥＲＮで具現化された利点のすべては、ボート角度の低減の追加的な利益を伴って、ｎｘＳＥＲＮの概念で保たれている。
【００１５】
特許文献１には、前述のような従来のＳＥＲＮノズルが記載されている。このようなノズルは、ＳＥＲＮによってもたらされるＣＦＧ性能の利益を利用する一方で、前述のボートテール角度の問題による統合の課題を提起する。このようなノズルは、主要な排気流を妨げることなく三次流れ排気を統合するための手段も、提供しない。
【００１６】
特許文献２も、従来のＳＥＲＮを表している。ＳＥＲＮと関連付けられるボートテールの問題が、開示された設計では緩和されているが、ＣＦＧ性能は妥協されている。追加的に、三次流れの排気の提供は、その提供が設計に盛り込まれているにもかかわらず、なおも流れを妨げている。さらに、特許文献２に記載されているような外側フラップの内面は、あらゆる圧力比においてＣＦＧ性能を悪化し得る未定義の曲線である。同様に、（特許文献２）に示されている「傾斜フラップ」及び「ｆｌａｄｅフラップ」は、ＣＦＧ性能に
とって最適化されていない未定義の曲線である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第３，１４６，５８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９４８，３１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
固定排気ノズルシステムの設計に関して多くが知られている一方、エンジン製造者は、概して、概念的なノズル流路を圧縮性流れの原則から設計する能力が欠如している。代わりに、このような製造者は、一般的に、あらかじめ考えたノズル流路から始まり、実験の統合方法によって微調整され、続いてＣＦＴ分析によって設計概念を微調整する設計方法を用いている。この強引な手法は、多大な時間を必要とし、最適化された解決策を得る明確な方法を、製造者にもたらさないままである。圧縮性流れの原則について流路を定めるノズル設計方法論の導入は、ノズル設計が、例えば低い観察可能特性といった他の基準を考慮して、最適化のために実質的に調整されるとしても、ノズル設計をより正確な初期概念から進めさせるためには望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
内部／外部単一膨張傾斜ノズル（ｎｘＳＥＲＮ）の構築と、ｎｘＳＥＲＮを設計する方法とが提供される。一次流れ構築のための初期設計パラメータが選択され、追加的なパラメータが、選択された設計パラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて、等エントロピーの関係により決定される。ノズル喉部の流入角度と流出角度とが決定され、ノズル一次流れ下方膨張面の初期部を定めるために用いられる。ノズル一次流れ上方膨張面と一次流れ下方膨張面の後方部とが、特性曲線法（ＭｏＣ：Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を用いて定められる。次に、一次流れ下方膨張面の初期部及び後方部は、一次流れノズルを定めるために直線によってつなげられる。
【００２０】
三次流れノズルは、ｎｘＳＥＲＮノズル内に統合され得る。三次流れノズルは、一次流れノズルの設計と概して同様の手法で設計される。三次流れノズル設計パラメータが選択され、他の設計パラメータが、選択されたパラメータとプラントル−マイヤー関数とを用いて決定される。ノズル三次流れ上方膨張面と三次流れ下方膨張面の後方部とが、ＭｏＣを用いて定められる。次に、三次流れ下方膨張面の初期部及び後方部は、三次流れノズルを定めるために直線によってつなげられる。
【００２１】
三次流れ上方膨張面の後端を一次流れ下方膨張面と交差させ、両方の下流部が削除される。一次流れ上方膨張面の後方部から延びる特性線は、ＭｏＣを用いて、三次流れ下方膨張面の後方部を定めるために、下流へと外向きに延ばされる。三次流れ膨張面の残りの部分の傾斜は、三次流れの静圧が一次流れの静圧と一致するように、計算される。次に、三次流れ下方膨張の初期部及び後方部は、三次流れを完全にするためにつなげられる。
【００２２】
次に、単一の流路を有する、又は、一次流れ流路及び三次流れ流路を有するｎｘＳＥＲＮの構築が、前述のように提供された、選択／決定された設計パラメータに従って、実施され得る。
【００２３】
本明細書で開示される様々な実施形態のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の記載と、同様の符号が全体を通じて同様の部品を引用している図面とに関連して、より良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のＳＥＲＮノズルの図。
【図２】三次流れ流路を組み込む、本発明によるｎｘＳＥＲＮノズルの一実施形態の図。
【図３】関心のある平面を示す、ｎｘＳＥＲＮノズルの図。
【図４】一次流れ下方膨張面の初期部の設計を示す図。
【図５】一次流れ上方膨張面の設計をさらに示す図。
【図６】完全な一次流れ下方膨張面の設計をさらに示す図。
【図７】三次流れ上方及び下方の膨張面の設計をさらに示す図。
【図８】一次流れ及び三次流れの境界を示す面部の除去をさらに示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の詳細な説明は、例を用いて提供され、限定ではない。上記の開示を前提として、当業者は、本明細書で開示されている発明の範囲内及び精神内にある変形態様を考案できる。さらに、本明細書で開示されている実施形態の様々な技術及び特徴は、単独で、又は、互いとの様々な組合せで、用いることができ、本明細書に記載されている特定の組合せに限定されるように意図されていない。したがって、請求項の範囲は、例示した実施形態によって限定されるものではない。
【００２６】
概して、本明細書で記載されているｎｘＳＥＲＮノズルは、ＳＥＲＮのＣＦＧ性能を、現代の残存可能非対称ノズルの特徴、具体的には、浅いボートテール角度及び三次流れの提供と組み合わせている。その結果は、空中体の抗力性能への妥協を必要とせずに、ノズル圧力比の全体範囲にわたって高いＣＦＧ性能を得るノズルである。ｎｘＳＥＲＮの性能は、三次流れの導入によって悪化されることはない。これは、ノズルを、三次流れを特徴とするすべてのエンジンにおける使用に対して望ましいものとさせる。
【００２７】
従来のＳＥＲＮの喉部において、流れ角度、延いてはボートテール角度を小さくするために、流れ膨張の一部は、膨張の残りの部分が外部傾斜で起こりつつ、「内部ＳＥＲＮ」流路内で行われ得る。部分的に膨張された流れの上方面出口流路角度は、同じ設計ノズル圧力比（ＮＰＲ：Ｎｏｚｚｌｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｒａｔｉｏ）についての従来のＳＥＲＮと比較してかなり浅くなっている。この構成はｎｘＳＥＲＮと称され、その名前は、等エントロピーＳＥＲＮ形状の独特の内部／外部構成によるものである。
【００２８】
従来のＳＥＲＮで具現化された優位性のある利点のすべては、ボートテール角度の低減の追加的な利益を伴って、本明細書で説明されているｎｘＳＥＲＮの概念で保たれている。また、ｎｘＳＥＲＮ流路内の流れ場は、より下方面における一定圧力の大きな領域のため、三次流れの統合と非常に相性が良い。
【００２９】
本発明は、ＭｏＣを用いる新規の流路形状の設計を可能にする。特性線（一定マッハ数の線）は、ＭｏＣによって規定される角度で、初期膨張面から延ばされる。この初期膨張面は、通常、円弧であるように取られるが、任意の適切な表面であってもよい。ＭｏＣのこの実施では、境界の角度（したがって、流れ角度）は分かっており、マッハ数が求められる。特性線の長さは、排気流管における流量によって決定される。これらの線の端点の軌跡は、上方膨張面を形成する。下方面を定めるために、この方法は、上方面の後縁から延びる線で繰り返される。流れ特性が変化しない三角形の領域（初期膨張面の端、上方面の後縁、及び下流膨張面の開始によって形成されている）がある。
【００３０】
喉部高さ、設計圧力比、及び内部膨張比は、流路を作り出すために必要とされる入力である。三次流れ統合が必要とされる場合、喉部高さ、及び、三次流れノズルの全圧も、必要とされる入力である。三次流れノズルの内部部分を作り出すための方法は、主エンジン
・ノズルについて先に記載した方法と同一である。しかしながら、このノズルの圧力比、延いては膨張比は、主ノズルの局所的な静圧が言及される。このようにして、三次流れノズル出口は、局所的な静圧に再設計をする必要なく、その領域のいずれかに配置できる。この配置の柔軟性は、三次流れの利用（つまり、冷却）及びパッケージングの観点から有利である。
【００３１】
開示された実施形態では、初期基準は、１８．３キロメートル（６０，０００フィート）、マッハ２．２の超音速巡航区分と、１１．０キロメートル（３６，０００フィート）、マッハ０．０８の偵察区分とを含む、架空の任務プロファイルに基づいて選択されている。しかしながら、本明細書で開示されている設計方法は、ノズル圧力比及び飛行条件を操作する範囲にわたって適用可能である。
【００３２】
記載した実施形態で用いられている基準は、内部性能（ＣＦＧ）と、運転圧力比の範囲にわたっての関連する設備の不利益（ボートテール抗力、推力ベクトル角度など）との最良のバランスを得るために選択されている。研究は、膨張不足による損失よりもはるかに深刻である過剰膨張による損失を回避するために、ノズル設計がより小さい圧力比へとされるべきであることも提言している。そのため、７の設計ＮＰＲが、低運転ＮＰＲにおける過剰膨張による性能低下と、高運転ＮＰＲにおける膨張不足による性能低下との間の妥協として選択されている。
【００３３】
主ノズルによる最適な性能のために、三次流れは、主エンジン排気と三次流れ排気との間に形成する滑り線が、下流下方膨張面に似るように設計されている。そのため、下方膨張面の下流部は、形状的に一致し、滑り線を表している「仮想膨張面」で、削除されて置き換えられ得る。特性線は、ＭｏＣによって規定される角度で滑り線から下流へと延ばされる。ＭｏＣを用いるこの実施では、滑り線におけるマッハ数（延いては、静圧）が分かっており、三次流れ排気流において同じ静圧を得るために必要とされる流れ角度が求められる。
【００３４】
後でさらに説明するように、特性線の長さは、三次流れ排気流管における流量によって決定される。これらの線の端点の軌跡は、新規の下流下方膨張面を形成する。設計条件において、主排気流れの静圧と三次流れ排気の静圧とは等しく、流れは、それらの間で固体の境界があるかのように振る舞う。この予測における逸脱は、混合層の影響により起こり得るが、あると分かっている逸脱は、比較的小さいものである。
【００３５】
ＭｏＣは、ｎｘＳＥＲＮ流路形状と統合三次流れノズル形状とを作り出すために使用されている。一定マッハ数の線は、ＭｏＣによって規定される角度で、初期膨張面から延ばされる。これらの線の長さは、排気流管における流量を表している。これらの線の端点の軌跡は、上方膨張面を形成する。下方面を定めるために、この方法は、上方面の後縁から延びる線で繰り返される。設計方法はパラメータによるものであり、流路の輪郭は、設計圧力比においてＣＦＧ≒１を得るノズル形状を作り出すために当て推量が必要とされないように、原則から定められる。喉部高さ、設計圧力比、及び内部膨張比は、典型的には、ＣＦＤによる分析について流路を作り出すために必要とされる唯一の入力である。三次流れ統合が必要とされる場合、喉部高さ、及び、三次流れノズルの全圧も、必要とされる入力である。
【００３６】
前述のように、三次流れノズルの内部部分を作成するための方法は、一次ノズルについて先に記載した方法と実質的に同一である。しかしながら、このノズルの圧力比、延いては膨張比は、周囲ではなく、主ノズルの局所的な静圧が言及される。新たな外部膨張面は、結果として得られるマッハ数が主排気流の静圧と等しい局所的な静圧を生み出すように、局所的な傾斜角度を調整することによって形成される。
【００３７】
設計方法は、ＣＡＴＩＡ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）など、市販の設計プログラムの使用によって容易に行われ得る。ＣＡＴＩＡは、フランスの会社ダッソー・システムズ（Ｄａｓｓａｕｌｔ  Ｓｙｓｔｅｍｅｓ）によって開発され、Ｃ＋＋プログラミング言語で書かれたマルチ・プラットフォームＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ市販ソフトウェア・スイートである。
【００３８】
本発明によるｎｘＳＥＲＮノズルを設計するための例示の方法は、次の通りである。
１．初期設計基準を選択する。
航空機速度（Ｍ）＝マッハ２．２
ノズル圧力比（ＮＰＲ）＝７
ノズル膨張比（Ａ０８１／Ａ０８０）＝１．３
比熱比（γ）＝１．４
２．等エントロピー関係及びプラントル−マイヤー関数から基本パラメータを決定する。
【００３９】
Ｍ０８１＝ｆ（Ａ０８１／Ａ０８０）＝１．６５８８
ｎｕ０８１＝ｆ（Ｍ０８１）＝１６．５９８９
Ｍ０９０＝ｆ（ＮＰＲ）＝１．９２８３
ｎｕ０９０＝２４．３８３０
３．外部区域の端におけるゼロ・ピッチ・ベクトル（θ９＝０）に必要な平面０８１（θ０８１）における流れ角度を決定する。
【００４０】
θ０８１＝ｎｕ０９０−ｎｕ０８１＝７．７８４１°
４．内部区域の端において指定されたＭ０８１を得るために必要とされる膨張角度を決定する。流路入口角度（θ０８０）を見つけ出すためにθ０８１によって補正する。
【００４１】
ｎｕ０８１−ｎｕ０８０＝１６．５９８９°
θ０８０＝１６．５９８９−θ０８１＝８．８１４８°
５．喉部の高さと等しい半径で円弧を作り出すことによって初期膨張面を配置する（任意の都合のよい値へとパラメータ化され得る）。１つの端点を（０、０）に固定し、接線をθ０８０及びθ０８１に固定する。反対の端点と円弧中心とは、円弧形状によって拘束される。
【００４２】
６．特性線を初期膨張面から下流へと外向きに延ばす。角度及び長さはＭｏＣによって決定される。
ｈ／ｈ＊＝１／ｓｉｎ（μ）×Ａ／Ａ＊
７．特性線の端点の軌跡をつなげることで上方ＩＭＬを配置する。マッハ数及び方向は特性に沿って一定である。
【００４３】
８．特性線を上方ＩＭＬの後縁から下流へと外向きに延ばす。角度及び長さはＭｏＣによって決定される。
ｈ／ｈ＊＝１／ｓｉｎ（μ）×Ａ／Ａ＊
９．特性線の端点の軌跡をつなげることで下方傾斜の曲線区域を配置する。マッハ数及び方向は特性に沿って一定である。
【００４４】
１０．特性線の端点の軌跡をつなげることで下方傾斜の曲線区域を配置する。マッハ数及び方向は特性に沿って一定である。
１１．三次流れノズルに対して初期膨張面及び上方ＩＭＬに対して設計手順を繰り返す
。
【００４５】
１２．三次流れの下方傾斜後方を「仮想面」で置き換える。
１３．特性線を仮想面から下流へと外向きに延ばす。角度及び長さはＭｏＣによって決定される。
【００４６】
１４．一次流れにおける静圧と一致するために必要とされるマッハ数について、新規の下方傾斜の曲線区域の傾斜を計算する。
図面を参照すると、本発明の一実施形態の実施が示されており、次のように説明される。
【００４７】
図１は、ボートテール角度θ１を有する先行技術ＳＥＲＮの構築を示している。前述のように、このような構築は、かなりの抗力の不利益を受ける。
図２は、一次流路２１を定める一次ノズル２５と、三次流れ流路２３を定める三次ノズル２７とを備える本発明によるｎｘＳＥＲＮノズル２０の構築を示している。このような構築と関連付けられるボートテール角度θ２は、図１で示された従来のＳＥＲＮのボートテール角度よりかなり小さい。
【００４８】
図３は、図２で示したｎｘＳＥＲＮノズルの特徴をさらに示している。図３で示すように、一次ノズル２５は、上方膨張面３３（又は、上方内側モールド線（ＩＭＬ））と、下方膨張面３４、又は、下方傾斜とを組み込んでいる。三次流れノズル２７は、上方膨張面５５と下方膨張面５７とを備えている。より詳細に説明するように、一次ノズル下方膨張傾斜３４と三次流れノズル上方膨張面５５とは、それらの元の設計長さから切り詰められ得る。
【００４９】
図３でも示しているように、本発明の設計方法は、それぞれの面積が一次流れノズルの膨張比（Ａ０８１／Ａ０８０）を定める平面０８０，０８１を定めることによって進行する。それによって、一次流れノズルの初期部３１が定められる。同様に、平面３８０，３８１は、三次流れノズル下方膨張面の初期部５３を定めるために用いられる。
【００５０】
プラントル−マイヤー関数も、ノズル構築の基礎パラメータを決定するために利用される。プラントル−マイヤー関数は、流れが所与の初期マッハ数及び最終マッハ数に向けて等エントロピー的に変わることができるように通る角度を表す。音速（Ｍ＝１）流れが凸状の角を回り込まされ得るように通る最大角度である。理想気体の場合、次のように式で表される。
【００５１】
【数１】
0006005884.tif 000002
【００５２】
ここで、νはプラントル−マイヤー関数であり、Ｍは流れのマッハ数であり、γは比熱容量の比である。
慣例により、積分定数は、ν（１）＝０であるように選択される。
【００５３】
マッハ数が１から∞で変化するため、νは、０からνｍａｘまでの値を取る。
【００５４】
【数２】
0006005884.tif 000003
【００５５】
等エントロピー膨張に関しては、ν（Ｍ２）＝ν（Ｍ１）＋θ
等エントロピー圧縮に関しては、ν（Ｍ２）＝ν（Ｍ１）−θ
ここで、θは流れが回るように通る角度の絶対値であり、Ｍは流れマッハ数であり、添え字「１」及び「２」は、初期条件及び最終条件をそれぞれ意味している。
【００５６】
図面を再び見ると、図５は、一次ノズル上方膨張面３３を定めるために、ＭｏＣを用いて示している。前述のように、一連の特性線は、上方ノズル膨張面３３を定めるために、下方膨張面の初期部３１から延びている。
【００５７】
図６は、さらに、下方膨張面３４の後方部４５を定めるために、ＭｏＣを用いて示している。方法は、一次ノズル上方膨張面３３の後縁３７から延びる複数の特性線４１を定めることによって進行する。下方膨張面３４の後方部４５が定められると、部分３１，４５は、中間部４７を形成し、それによって一次ノズル下方膨張面３４を完全にするために、直線によってつなげられ得る。
【００５８】
図７は、さらに、一次ノズル２５に隣接する、三次流れノズル２７の構築を示している。一次ノズル２５の構築と同様に、三次流れノズル２７の設計は、平面３８０，３８１（図３に示す）を定め、三次流れノズル下方膨張面５７の初期部５３を決定することによって、進行する。ＭｏＣを用いて、三次流れノズル上方膨張面５５が次に決定され得る。
【００５９】
三次流れノズル下方膨張面５７の後方部６１は、ＭｏＣを用いて、特性線４１を、一次ノズル下方膨張面３７を超えて延ばすことによって形成され得る。後方部６１が定められると、三次流れノズル下方膨張面の初期部５３及び後方部６１は、一次流れ流と三次流れ流との間の圧力勾配を回避するために定められた傾斜を有する直線によって、つなげられ得る。
【００６０】
図８で示すように、一次ノズル下方膨張面３４の部分５９と三次流れ上方膨張面５５とで、一次ノズル下方膨張面３４及び三次流れノズル上方膨張面５５の後部交差は、２つの流れの間の圧力勾配がないという前提で、排除され得る。
【図１】
0006005884.tif 000004
【図２】
0006005884.tif 000005
【図４】
0006005884.tif 000006
【図５】
0006005884.tif 000007
【図６】
0006005884.tif 000008
【図８】
0006005884.tif 000009
【図３】
0006005884.tif 000010
【図７】
0006005884.tif 000011