(57)【要約】航空機は気流が通過する表面を含む。プラズマアクチュエータは、前記表面上にプラズマを発生するように構成され、前記プラズマは前記表面から気流の剥離を低減するために有向運動量を前記表面周囲の空気へと結合させる。航空機の表面からの気流の剥離を低減する方法は、前記気流がプラズマが存在しない場合に前記表面から剥離するであろう位置で前記表面周囲の空気中に前記プラズマを発生するステップを含む。【選択図】      図１
2009511360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気流が通過する表面、および前記表面上でプラズマを発生するように構成され、前記プラズマは前記表面からの前記気流の剥離を低減するために有向運動量を前記表面周囲の空気へと結合させるプラズマアクチュエータ含む航空機。
【請求項２】
前記プラズマアクチュエータは誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む、請求項１に記載の航空機。
【請求項３】
前記誘電体はポリイミドテープである、請求項２に記載の航空機。
【請求項４】
前記誘電体はセラミックである、請求項２に記載の航空機。
【請求項５】
前記第１および第２の電極のそれぞれは銅箔である、請求項２に記載の航空機。
【請求項６】
前記第１および第２の電極の端部は重なる、請求項２に記載の航空機。
【請求項７】
前記表面はエアフォイル上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項８】
前記航空機はティルトローター機であり、前記エアフォイルは翼である、請求項７に記載の航空機。
【請求項９】
前記翼は第１部分および第２部分を含み、前記第２部分は前記第１部分に対して回転可能であり、前記プラズマアクチュエータは前記第２部分上に提供される、請求項８に記載の航空機。
【請求項１０】
前記航空機はヘリコプターであり、前記エアフォイルはローターである、請求項７に記載の航空機。
【請求項１１】
前記表面は前記航空機の胴体上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１２】
前記表面は前記航空機のナセル上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１３】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に定常周波数で電圧を印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１４】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に非定常周波数で電圧を印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１５】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に定常周波数または非定常周波数で電圧を選択的に印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１６】
前記プラズマアクチュエータは、基本的に前記エアフォイルのスパン方向寸法の全体にプラズマを発生するように構成される、請求項７に記載の航空機。
【請求項１７】
前記プラズマアクチュエータは前記エアフォイルの前縁上に提供される、請求項７に記載の航空機。
【請求項１８】
複数のプラズマアクチュエータは前記表面に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１９】
前記非定常周波数は、ストローハル数がおよそ単一となるように選択される、請求項１５に記載の航空機。
【請求項２０】
航空機の表面からの気流の剥離を低減する方法であって、前記気流がプラズマが存在しない場合に前記表面から剥離するであろう位置で前記表面周囲の空気中に前記プラズマを発生するステップを含む、方法。
【請求項２１】
前記プラズマは、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含むプラズマアクチュエータによって発生され、
前記第１および第２の電極間に定常周波数または非定常周波数で交流電圧を印加するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラズマは、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含むプラズマアクチュエータによって発生され、
前記表面を振動させるステップと、
前記第１および第２の電極間に定常周波数または非定常周波数で交流電圧を印加するステップとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記交流電圧は前記表面の振動中に選択的に印加される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記非定常周波数は、ストローハル数がおよそ単一となるように選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
表面と、
前記表面上でプラズマを発生するように構成されたプラズマアクチュエータであって、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極とを含むプラズマアクチュエータと、
を備える、空気力学的構造。
【請求項２６】
気流が通過する表面および前記表面上でプラズマを発生するように構成され、前記プラズマは前記表面からの前記気流の剥離を低減するために有向運動量を前記表面周囲の空気へと結合させるプラズマアクチュエータを含む空気力学的構造。
【請求項２７】
前記プラズマアクチュエータは、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む、請求項２６に記載の空気力学的構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直離着陸（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｔａｋｅ−Ｏｆｆ  ａｎｄ  Ｌａｎｄｉｎｇ：ＶＴＯＬ）向けに設計された空気力学的輸送手段の翼、ナセルおよび／または胴体の抵抗低減のための単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年１０月１７日に出願された米国出願第６０／７２６，６４８号の優先権を主張するものであり、その全体の開示は、参照することによりその全体が本願明細書に組み込まれる。
【０００３】
連邦政府による資金提供を受けた研究の記載
本発明は、Ｂｅｌｌ  Ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ  Ｔｅｘｔｒｏｎ  Ｉｎｃ．およびＤｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙ  間の協定ＤＡＢＴ  ６３−００−３−００１に従って開発された。
【０００４】
航空機は、表面上の気流が表面の輪郭をたどることができない領域を有する表面を含むことがある。気流はこれらの領域にある表面から「剥離」するとされる。表面からの気流の剥離は燃費の増加、移動速度および／または範囲および航空機の積載量の減少および／または制限をもたらす場合がある。例えば、ヘリコプターのように垂直に離陸し、通常の航空機として飛行するように構成を変更する航空機、つまりティルトローター機において、離陸時の翼上のローターからの気流の剥離は、ダウンロードとしても知られる翼の上昇運動に対する抵抗、また積載量およびティルトローター機の操作範囲の低減をもたらす。
【０００５】
気流剥離を防ぐための以前の試みは、剥離した流域内または近くに位置する表面開口部から空気を吹くおよび／または吸い込むことなどであった。スロットは表面に形成され、振動する空気の噴流が気流剥離を防ぐためにスロットから周期的に放出された。噴流は、表面に沿って直線配列で提供される音声コイルベースのアクチュエータまたは圧電アクチュエータによって形成された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
気流剥離を防ぐための音声コイルベースのアクチュエータまたは圧電アクチュエータの使用では、アクチュエータに適合するように表面の設計を変更する必要があった。音声コイルベースのアクチュエータまたは圧電アクチュエータは、スロット、アクチュエータおよびワイヤーから、航空機に余分な重量および費用を加えることとなった。また、音声コイルベースのアクチュエータまたは圧電アクチュエータを既存の航空機に組み込むことも難しかった。回転翼の羽根上でそのようなアクチュエータを使用するには、それらをエアフォイルの輪郭内に合わせる必要があった。振動する空気の噴流を生成するためには、ある種の構造の振動膜が必要であり、揚力要素内部の容量要件に加えて機体騒音および振動をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面によると、航空機は気流が通過する表面を含む。プラズマアクチュエータは前記表面上にプラズマを発生するように構成され、前記プラズマは前記表面からの前記気流の剥離を低減するために有向運動量を前記表面周囲の空気へと結合させる。
【０００８】
本発明の別の側面によると、航空機の表面からの気流の剥離を低減する方法は、前記気流がプラズマが存在しない場合に前記表面から剥離するであろう位置で、前記表面周囲の空気中に前記プラズマを発生するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ１は、ＶＴＯＬ航空機の表面３に接続される。アクチュエータ１は、気流が表面３から剥離する領域中の表面３に接続することができる。プラズマアクチュエータ１は、露出電極５、被覆された絶縁体電極７および誘電体９を含む。交流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＡＣ）電圧源１１は電極５および７間に接続される。アクチュエータ１は、表面３から延在するように図１に示されているが、アクチュエータ１は表面３と部分的または完全に同一平面となるように表面３の凹所に提供されてもよいと理解されるべきである。電極５および７は、例えば銅箔などの導電材料で作ることができる。誘電体９は、例えばＫＡＰＴＯＮ（R）（登録商標）ポリイミドテープなどの電気的絶縁材料で作ることができる。誘電体の厚さはプラズマアクチュエータ１に印加される最大電圧に依存する。ポリイミドテープは薄く柔軟であるが、プラズマにおけるオゾン発生により経時的に劣化する。誘電体９は、機械加工可能であり、永続的に耐久し得るＭＡＣＯＲ（R）（登録商標）などのセラミックであってもよい。セラミックで作られた誘電体は、ポリイミドテープで作られた誘電体よりも厚く、その最終形状へ機械加工される必要がある。誘導体９は、薄く柔軟で、またオゾンの影響を受けないＰＥＥＫ（R）（登録商標）フィルムであってもよい。ＰＥＥＫ（R）（登録商標）フィルムはまた、水に起因する侵食に耐える。
【００１０】
電圧源１１による高電圧の用途は、空気をイオン化させ、またプラズマを生成させることである。ＡＣ電圧が印加される場合、プラズマ放電は被覆電極７上方の誘電体９の表面上に出現し、有向運動量は周囲空気に結合される。運動量結合はアクチュエータ１上の気流を変化させる。電場Ｅ勾配の存在化にあるプラズマは、図１に示されるように、気流に作用する体積力ベクトルｆＢをもたらす。体積力は、ＡＣ電圧周期中の時間および空間によって異なるプラズマの体積当たりの体積力である。体積力ベクトルｆＢはｆＢ＝ρｃＥによって定義され、ρｃはプラズマの電荷密度であり、Ｅは電場勾配である。ボルツマンの関係式を使用して、ρｃに代入すると、体積力べクトルはｆＢ＝−（ε０／λD２）φＥと書き代えることができ、ここで、ε0は自由空間の誘電率、λDはデバイ長（つまり、プラズマにおける静電遮へいの特性長）、およびφは電位である。この方程式から、プラズマアクチュエータ１からの体積力は、減少するプラズマ密度、つまり増加するデバイ長とともに減少することが明らかである。
【００１１】
再び図１を参照すると、露出電極５および被覆電極７は、表面３の完全なスパン方向で一様なプラズマを生成するためにわずかに重なる。全く重ならない場合、電極５および７の空隙は誘電体９より先に印加した電圧で破壊される。大気圧では、任意の利用可能な誘電体材料の殆どが空気よりも優れた誘電体強度および破壊電圧を有している。従って、空隙はプラズマアクチュエータを設計する際に避けるべきである。空隙が存在すると、結果的にプラズマにおけるスパン方向の非一様性およびプラズマアクチュエータの故障が生じる。
【００１２】
図１のプラズマアクチュエータは、単一誘電体バリア放電（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：ＳＤＢＤ）プラズマアクチュエータである。ＳＤＢＤプラズマアクチュエータは、誘電体９の表面上における電荷蓄積のために大気圧で自己制御されるため、大気圧において安定する。プラズマアクチュエータ１の動作は、主に被覆された絶縁体電極７上の電荷の蓄積によって決定される。ＡＣ電圧源１１がＡＣ電圧を印加する場合、プラズマ放電は被覆された絶縁体電極７上方の誘電体９の表面上に出現し、体積力ベクトルｆＢによって定義された有向運動量は周囲空気に結合される。体積力ベクトルｆＢは、電極５および７の配置の位置付けおよび設計を通じて一定の用途に合わせることができる。例えば、電極５および７は、上流または下流向け壁面噴流または流れ方向の渦を生成するように設計することができる。
【００１３】
プラズマは荷電粒子から成るが、これは中性空気のイオン化によって作られるため総合的には中性であり、等しい数の負電子と正イオンがプラズマ中に存在する。荷電粒子は外部電場に反応し、電子は正の電極へ移動し、正イオンは負の電極へ移動する。この移動は、外部的に印加された電場とは逆のプラズマ端部上にある電荷の不均衡をもたらす。プラズマ端部上の電荷の不均衡は、プラズマ中の荷電粒子の熱運動が原因となる。荷電粒子の再配置はプラズマ中の総合的な電場が中和されるまで継続する。
【００１４】
図２ａおよび２ｂを参照すると、プラズマは、電子が誘電体９の表面上へ移行および該表面上から離れる時の一連の放電の結果として形成される。図２に示されるように、印加電圧が負の場合、電子は露出電極５から誘電体９ａに移動する。図２ｂに示されるように、印加電圧が正の場合、電子は誘電体９から露出電極５に移動する。誘電体９の表面上の電荷の蓄積によって、放電は自己制御され、収縮したアークへ崩壊しない。エネルギーに基づいて、電子は多くとも誘電体９のわずかな単層に浸透する。誘電体９の低伝導性のため、一般的に電子はそれらが沈着する場所に残る。プラズマアクチュエータ１の２つの電極５および７に加え、図１に示すように、不動の電子を収集および含む誘電体９の部分は、仮想電極１３として機能する。
【００１５】
図２ａは、露出電極５が誘電体９の表面および被覆された絶縁体電極７よりもさらに負である放電の半周期を表す。従って、露出電極５は放電中の陰極として機能する。印加した電圧が十分に高い場合、露出電極５は電子を放つことができる。放電は誘電体９の表面上で終結するため、誘電体９の表面上の電荷の蓄積は電源１１によって印加された電圧に反し、印加電圧が継続的に増加しない限り放電は自己停止する。放電の動作は図２ｂに示される逆半周期と類似し、印加電圧の正勾配は放電を維持するために必要である。図２ｂに示される逆半周期において、誘電体９の表面は陰極として機能する。図２ｂに示される半周期中に、放電に利用可能な電荷は図２ａに示される半周期中に沈着する電荷に制限される。
【００１６】
図２ｃを参照すると、光電子増倍菅（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ：  ＰＭＴ）は、高時間分解能でバルクプラズマを観察するために使用されてよい。ＰＭＴによって観察される発光は、プラズマ中の消散電荷に比例する。図２ｄおよび２ｅに示される結果を得るため、ＰＭＴはプラズマアクチュエータ１の長さの約１／３を観察するように配置された。図２ｄは、印加電圧の各周期中に作動および停止されるプラズマ放電の２つの周期を示す。図の「ａ」点において、ＡＣ電圧を印加する駆動回路におけるいくらかのインピーダンス不整合が原因となり、印加波形の勾配に一時の反転がある。印加電圧がさらに負となることはないため、放電は停止する。図の「ｂ」点において、印加電圧は再び負のコースを取り、放電は再発生し、この例において約ｔ＝０．４ｍｓで電圧波形の勾配がゼロになるまで発生し続ける。
【００１７】
図２ｅは、適用された正弦曲線の電圧波形を用いたプラズマアクチュエータ１の一放電周期を示す。図に示されるように、放電は負に向かう半周期よりも正に向かう半周期においてさらに不規則である。図２ｆは、より細かい時間スケールにおける図２ｅのデータと同じデータを示す。図２ｆに示されるように、ＰＭＴにより観察された光の各パルスは電流信号のパルスに対応する。しかし、全ての電流パルスが光パルスに対応するわけではない。これは、電流モニタが全放電中の電流を計測するのに対し、ＰＭＴはプラズマアクチュエータ１の１／３しか観察しないためである。ＰＭＴの視野内で発生しない放電がある。露出電極５の電圧が負に向かう場合、放電はプラズマアクチュエータ１の幅方向に渡って比較的一様である。電圧が正に向かう場合、放電は不規則または「まばら」である。放電の非対称は、後述するように、流れへの運動量結合の効果に影響を及ぼす。
【００１８】
図２ｇは、プラズマの「オープンシャッター」図（つまりシャッター速度が印加電圧波形の周期よりも長い）を示す。図２ｇは、露出電極５の端部に最も近いプラズマが最も明るいため、プラズマ密度勾配を示すように見える。しかし、図２ｈは、プラズマとＰＭＴ間に介在する開口の横の位置の関数としての最初の光までの相対時間を示す。図２ｈに示されるように、プラズマは横（つまり、翼弦方向）方向に一定の割合で増える。従って、露出電極５の端部近くのプラズマは、放電周期のより大きな割合で放たれるためにより明るく見えるのであって、高密度のプラズマのためではない。また、印加電圧が高いほど、プラズマ放電は誘電体７の表面に沿ってより早く拡散ことが図２ｈに示されている。プラズマ放電の伝播速度はまた、一定の電圧に対する負に向かう半周期および正に向かう半周期について基本的に同じである。両半周期では、放電は露出誘電体７の端部で起こり、誘電体７の表面に沿って伝播する。図２ｅおよび２ｆに示されるように、放電の半周期間ではプラズマの横軸（スパン方向）構造に違いがあるものの、プラズマの横（翼弦方向）の範囲および展開は基本的に同じである。ＰＭＴで観察されるプラズマの発光のサーフェスプロットは図２ｉに示される。
【００１９】
図３を参照すると、プラズマアクチュエータ１は電子回路としてモデル化することができる。コンデンサーＣ１は、露出電極５と仮想電極１３間の静電容量を表す。コンデンサーＣ２は、仮想電極１および被覆された縁体電極７間の静電容量を表す。電極５および７は相殺されるため、いくつかの力線が電極５および７を直接接続するため、コンデンサーＣ３が含まれる。コンデンサーＣ３は、回路内に更なる変位電流のための並列経路を提供するが、放電には影響を及ぼさない。
【００２０】
プラズマの翼弦方向範囲は放電中に変化するため、コンデンサーＣ１およびＣ２は変数として表される。このモデルの目的において、Ｃ１およびＣ２の値は、印加されたＡＣ電圧の振幅に依存する平均静電容量として考えてよい。プラズマは、回路内の単一消散的要素であるため、抵抗器Ｒ１として表される。プラズマは全放電中においては存在するわけではないため、変数値として表される。コンデンサーＣ１全体における電位差の絶対値が閾値を超える場合、プラズマが起こり、抵抗器Ｒ１は有効に無限大の開回路値から低い値へと低下する。電位差の絶対値が別の閾値を割る場合、放電は消光し、抵抗器Ｒ１はその開回路値に戻る。プラズマアクチュエータ１へのＡＣ電圧１１の印加は放電の持続を可能にする。アクチュエータの回路モデルは、流体におけるアクチュエータ効果をモデル化するために使用される。回路モデルはまた、アクチュエータの性能を向上させるためにも使用されてよい。
【００２１】
プラズマアクチュエータ1によって消散される出力およびプラズマ放電の最大範囲が、印加ＡＣ電圧の周波数の関数として、それぞれ、図４ａおよび４ｂに示される。図３の回路によってモデル化されているように、図４ａおよび４ｂは、最適な周波数が最大プラズマ出力に対して存在することを示唆している。最適周波数の存在は、被覆された縁体電極７の幅を減少させることを可能にする。例えば、図４ａおよび４ｂに示すように、６ｋＨｚで印加された２０ｋＶ電圧には１２ｍｍの幅が必要である。しかし、同じ２０ｋＶの電圧に対して、２０ｋＨｚで６ｍｍ電極に電圧が印加されても同じプラズマ出力放電を得ることができる。これによって、被覆された絶縁体電極７の幅を５０％、つまり、１２ｍｍから６ｍｍまでに減少することが可能である。被覆された絶縁体電極７の幅が減少すると、配列内の表面３に対してアクチュエータを、より密集させることが可能である。プラズマアクチュエータを配列で使用すると線形相加効果がもたらされる。しかし、各プラズマアクチュエータの大きさは、生成するプラズマの量に直接関連する。プラズマアクチュエータの翼弦方向長さは、重複作用を防ぐように配列内において使用されるアクチュエータに対するプラズマの最大範囲を超過することはできない。
【００２２】
上記のように、プラズマ放電の空間的構造は非対称的である。この非対称の効果を決定するために、お互いにミラーイメージである２つの異なる非対照的な電圧波形をプラズマアクチュエータ１に適用した。一例において、大きな負勾配および小さめの正勾配を有する正の鋸歯状波形がプラズマアクチュエータ１に適用された。別の例において、大きな負勾配および小さめの正勾配を有する負の鋸歯状波形がプラズマアクチュエータ１に適用された。正および負の鋸歯状電圧および電流の波形はそれぞれ、図５ａおよび５ｂに示される。
【００２３】
図５ｃおよび５ｄは、正の鋸歯状波形および負の鋸歯状波形それぞれの場合におけるプラズマからの発光を示す。一般的に、発光は同じ形状を有するように見えるが、波形の負に向かう部分は図５ｃの点（ｂ）および図５ｄの点（ａ）で示されるように、より均一な放電を生成することが図面から明らかである。これは、上述したプラズマ放電の非対称と一致する。波形の正に向かう部分は、図５ｃの点（ａ）および図５ｄの点（ｂ）で示されるように、図２ｄに関連して上述したような不規則な放電を生成する。
【００２４】
プラズマアクチュエータの効果は、最初に静止空気中に生成される推力を測定することによって決定されてよい。推力を測定するために、アクチュエータはレバーアーム上に搭載され、生成される推力はリバーアームの反対端において物質収支を計測される。図５ｅは、正および負の鋸歯状波形に対する推力対消散出力を示す。図面に示されるように、負に向かう高い負荷周期を有し、より大きい割合の放電周期のためにより拡散されたプラズマを生成する正の鋸歯状波形は、負の鋸歯状波形よりも大きな推力を生成する。負の鋸歯状波形は、より大きな割合の放電周期のためにより不規則なプラズマを生成し、また同程度の消散出力に対して気流への運動量を結合するにはあまり効果的ではない。この結果は、プラズマアクチュエータの操作が主に空気の体積加熱に起因し得るという理論を反証する。
【００２５】
再び図３を参照すると、印加電圧の振幅の関数としての電力消散は、上記のプラズマの形状と構造およびその放電と一致する。プラズマが起こる場合、効果的にコンデンサーＣ１がショートし、分圧器の一部を形成する。分圧器の他の要素、つまり、コンデンサーＣ２のインピーダンスＺ２は適用された波形の周波数に依存し、Ｚ２＝−ｉ／ωＣ２となる。固定周波数では、消散された出力はＣ２が一定の場合ＶＡＣ２となり、ＶＡＣは印加電圧である。図５ｆを参照すると、プラズマ内の消散された出力は約ＶＡＣ７／２となる。
【００２６】
図５ｆに示す結果は、以下の２つの状況の一方または両方と一致する。１）コンデンサーＣ２の平均静電容量は、増加する印加電圧に伴って増加し、および／または、２）抵抗器Ｒ１の平均抵抗は、増加する印加電圧に伴って減少する。図２ｈに関して上述したように、印加電圧が高いほど、プラズマ放電は誘電体７の表面に沿ってより速く拡散する。従って、仮想電極１３の平均領域は、それに対応する図３に示すモデルにおけるコンデンサーＣ２とともに、印加電圧の増加に伴って増加する。
【００２７】
図５ｇおよび５ｈを参照すると、プラズマアクチュエータ１によって空気中に誘導される速度の粒子画像速度測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＰＩＶ）計測は、流れに与えられる該速度も約ＶＡＣ７／２となることを示す。この結果は、アクチュエータ内で消散される電力と空気中に誘導される速度が直接比例していることを示唆する。運動量結合の有効性は、露出電極５の端部における相互作用によって制御することができる。図５ｇは、四角波形印加電圧への誘導速度を示し、図５ｈは三角波形印加電圧への誘導速度を示す。図５ｇおよび図５ｈに示されるこの結果は、ＶＡＣ７／２に比例する誘導電圧が波形形状を問わずに印加することを示唆する。
【００２８】
上記のように、複数のアクチュエータの使用は線形相加効果を提供する。つまり、複数のアクチュエータの速度の増加は付加的である。図５ｉを参照すると、印加圧力では、前後に配置した２台のアクチュエータは２台のアクチュエータのみと比較して２倍より多くのの速度を提供する。
【００２９】
本発明によるプラズマアクチュエータは、図５ｊに示されるようなティルトローター機４０を含むＶＴＯＬ航空機上で使用されてよい。図５ｋおよび５Iに示されるように、ティルトローター機４０はエアフォイル４２を含む。エアフォイル４２は、第1部分４４および第1部分４４に対して回転可能な第２部分４６を含む。第２部分４６はフラップ称されてよい。図５ｍに示されるように、ヒンジフラップカバー４８は第1部分４４と第２部分４８の間に提供される。前縁（Ｌｅａｄｉｎｇ  Ｅｄｇｅ：ＬＥ）プラズマアクチュエータ１Ｂは、ｘ／ｃ＝０の位置で第1部分４４上に提供される。後縁（Ｔｒａｉｌｉｎｇ  Ｅｄｇｅ：ＴＥ）プラズマアクチュエータ１Ｃは、後縁部の前縁から間隔を置いた位置、例えばｘ／ｃ＝０．１７の位置で第２部分４６上に提供される。ティルトローター機４０の垂直離陸中、部分４６は図５ｍに示されるように回転する。
【００３０】
プラズマアクチュエータ１は、ホバリングおよび前方飛行におけるＶＴＯＬ機の前縁および後縁の剥離制御を介して、翼上に揚力の増強を提供するために使用されてよい。これは、航空機の様々な性能面に影響を与る。これらの側面は、最大積載量、航続距離、航続時間および最大および持続回転率を含む。２次元翼において、達成可能な最大揚力はエアフォイルの湾曲をたどる気流の能力によって最終的に制限される。気流が湾曲をたどれない場合に気流は剥離する。剥離は飛行状態に基づき、フラップ構成の前縁で、または後縁付近で、あるいはエアフォイルの他の場所で発生する可能性がある。
【００３１】
図６ａおよび６ｂを参照すると、プラズマアクチュエータは流れの剥離を制御するためにエアフォイルの前縁および後縁上に配置されてよい。プラズマアクチュエータは、エアフォイルの表面に接着または付着あるいは積層されてよい。プラズマアクチュエータは、露出電極が翼エアフォイルの空気力学的表面と同一平面となるようにエアフォイル中に埋め込まれてもよい。図６ｂに示されるように、露出電極および被覆電極はスパン方向に配列される。電極は、流れが剥離する翼弦位置から電極間の接点がわずかに上流となるように配置される。Ｖ−２２翼のホバリング構成において、これらはｘ／ｃ＝０の前縁およびｘＦ／ｃＦ＝０．１７のフラット上にあった。プラズマアクチュエータの配置は、翼上方および伴流への流れの剥離を防ぐための下流方向の速度成分を含む。
【００３２】
図６ａおよび６ｂに示すプラズマアクチュエータにおいて、２つの電極は厚さ０．０５ｍｍの銅箔テープで作られる。誘電体は、約３．３の誘電率と厚さ１０−３インチにつき約６ｋＶの破壊電圧を持つ、厚さ０．０２５から０．１２７ｍｍを有するＫＡＰＴＯＮ（R）（登録商標）フィルムで作られる。印加交流電圧は、７から１２ｋＶｐ．ｐであってよく、周波数は約３から１０ｋＨｚであってよい。エアフォイル形状は、１５．２４ｃｍの翼弦および２２．８６ｃｍのスパンを有するＶ−２２航空機で使用されるものであった。
【００３３】
エアフォイルの試験は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｎｏｔｒｅ  ＤａｍｅにあるＨｅｓｓｅｒｔ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｙのＣｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｆｌｏｗ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦｌｏｗＰＡＣ）において、亜音速風洞内で行われた。気流の視覚化を提供するために煙が気流へ誘導された。図６ｂを参照すると、エアフォイルは気流への視覚的アクセスを可能とするようにプレキシガラスで作られた終板によって支持された。終板はまた、エアフォイルへの３次元終端効果を最小限にした。実験はエアフォイルが静止した状態で行われた。これらの実験において、終板は半径２０ｃｍの円形であった。気流内に配置された第1のピトー静圧管は、各圧力ポートへの基準静圧を提供した。第２のピトー静圧管は、そのスパン方向の中心線でエアフォイルのトラバース機構二翼弦長下流に搭載された。離散点は伴流全体に渡って平均速度プロファイルを決定するためにサンプリングされた。
【００３４】
ホバリング構成における翼周囲の気流の分離を制御するプラズマアクチュエータの有効性は、抵抗低減に基づいて評価された。図６ｅおよび６ｆは、フラップ角度７０°のホバリング構成において、Ｖ−２２翼の伴流で測定された平均速度プロファイルに対応する。空気速度Ｕ∞は２０ｍ／ｓであった。図６ｅの実線の曲線は、全てのプラズマアクチュエータがオフであった場合に相当する。図面の他の点線の曲線は、前縁またはフラッププラズマアクチュエータが別々に操作されていた場合に相当する。
【００３５】
各アクチュエータにおいて、その効果は、抵抗の低下を意味する翼の伴流速度を増加させることである。図６ｆは、両方のプラズマアクチュエータを同時に操作することの効果を示す。これは点線の曲線に相当する。効果の組み合わせによって最大量の抵抗低減が与えられる。
【００３６】
ある速度範囲を対象としたプラズマアクチュエータの抵抗効果は、図７ａにまとめられている。これは、実線曲線で示されるアクチュエータオフでの抵抗係数Ｃｄおよび点線の曲線で示されるフラップアクチュエータオンでの抵抗係数を表す。プラズマアクチュエータは、アクチュエータオンの状態での曲線の下方移動から分かる顕著な抵抗低減を生んだ。
【００３７】
翼への抵抗の全体的な向上（低下）は、図７ｂに要約される。最低速度で抵抗はほぼ４５％低下する。この多大な向上は、前縁およびフラップでの剥離を制御しているためである。高速度では前縁の流れは自然にほぼ付着され、また殆どの向上はフラッププラズマアクチュエータによるものである。これらの場合において、抵抗は約２５％低下する。
【００３８】
プラズマアクチュエータによって使用される電力は、操作されているモードに依存する。プラズマアクチュエータは「定常」または「非定常」モードで操作されてよい。「定常」モードにおいて、プラズマアクチュエータは印加交流電圧の周波数、例えば、３から１０ｋＨｚで操作される。印加交流電圧の周波数は流体応答の周波数より大きくなり、従って気流は一定体積力ｆＢにさらされる。
【００３９】
「非定常」モードでプラズマアクチュエータを操作する利点がある。「非定常」モードにおいて、印加交流電圧の周波数はより低い周波数、例えば何分の１ヘルツまで下げてスイッチがオンおよびオフとされる。図８を参照すると、非定常操作では、交流電圧は非定常期間にオフおよびオンを循環させる（つまり、強制的周波数ｆ＝ｌ／（２πＴ）、ここでＴは非定常期間である）。交流電圧がオンである期間内の時間（負荷）の割合は制御可能である。
【００４０】
剥離位置近くの周期的な変動の導入は、剥離発現を防止または遅延させるコヒーレント渦構造を生成させ得ることが分かっている。渦構造は表面へ高い運動量を持つ流動性を断続的にもたらし、また気流が剥離なく逆圧力勾配に耐えることを可能にする。非定常操作は、プラズマアクチュエータ１の効果を増幅するように機能する渦構造および流体不安定性を起こすために使用されてよい。最も所望される結果を提供する強制的周波数は、ストローハル数Ｓｔ＝ｆｃ／Ｕ∞がおよそ単一であるときに発生することが分かっており、ｆはプラズマアクチュエータ強制的周波数、ｃは分離領域の長さ、Ｕ∞は気流速度である。非定常操作では、非常に短い負荷周期が可能であり、これはプラズマアクチュエータの電力要件を下げる。例えば、１０％の負荷周期は電力要件を９０％減少させる。
【００４１】
例えば、図６ｅ、６ｆ、７ａおよび７ｂの結果は、１０％の負荷サイクルを用いた「非定常」モードの操作で得られた。これらの場合において最適な条件は、フラップなしの翼弦長に対応する分離領域の長さを用いた１．０から１．３のストローハル数に対応する。使用された総電力は約２ワットであった。
【００４２】
図９ａを参照すると、エアフォイル２０が振動させられた、つまり迎角αが変化した実験がまた行われた。これらの実験において、終板２２は半径２０ｃｍの丸型であった。回転軸２４は、２５％弦位置、つまりｘ／ｃ＝０．２５に対応するエアフォイルのピッチ位置にある終板２２の中央に接続された。サーボモータ２６は軸を振動させるために使用された。コントローラ２８はサーボモータ２６内に組み込まれたが、コントローラ２８はサーボモータ２６とは別々に提供され得ることが理解されるべきである。２つのエンコーダ信号３０、３２は、エアフォイル２０の振動周期中の瞬間迎角αを決定するために使用された。
【００４３】
図９ｂを参照すると、定常操作に対する揚力係数ＣＬ対迎角αが図解される。四角記号で示されるプラズマアクチュエータオフでは、揚力は約１４°の自然静的失速角まで線形に増加する。実線曲線は、プラズマアクチュエータがオフの場合の数値予報を表す。円形記号で示される定常モードでプラズマアクチュエータがオンの場合、失速角は約１８°に増加する。これは、電極配置に対する体積力の計算および計算された体積力分布を運動量方程式に加算することを含む数値シミュレーションと一致する。
【００４４】
図９ｃを参照すると、非定常操作に対する印加交流電圧の関数としての流れを再付着するための最低電圧が図解される。図９ｄは、およそ単一のストローハル値に対するプラズマアクチュエータオンおよびオフの状態での揚力係数対迎角を図解する。これらの図面は、プラズマアクチュエータがほぼＳｔ＝１の周期的強制を用いた非定常モードで操作される場合に揚力係数が増加し、揚力が自然静的失速角を８°越えた迎角α＝２２°に維持されたことを示す。図９ｂ〜ｄで得られた結果は１０％の負荷周期を用いて得られた。
【００４５】
再び図９ａを参照すると、エアフォイル２０はエアフォイル２０の迎角αの変化が可能となるように回転軸２４に搭載された。迎角αを変化させるためにエアフォイル２０を振動させることは、ヘリコプターローターの翼失速を回避する研究に有益である。下記のように、エアフォイルは、ω＝２ｋυ／ｃである迎角α＝αｍｅａｎ＋αｍａｘＳｉｎωｔとなるように２５％弦位置に関して周期的循環で振動された。これらの条件下で、動的な失速はエアフォイルがその自然静的失速角を越えてで上昇下降した場合に発生する。エアフォイルがピッチアップする際、揚力は最初に増加し、静的失速角を越えて増加し続ける。この過程中、渦はエアフォイルの前縁で最初に形成され、最終的に発散され、エアフォイル上方で下降し、ある程度の揚力を戻す。渦がエアフォイルの後縁を過ぎた後、流れは完全に剥離する。エアフォイルがピッチダウンし続けると、気流は最終的に再付着し、その周期を繰り返す。
【００４６】
この周期の繰り返しは揚力周期ヒステリシスをもたらす。プラズマアクチュエータ１は、振動性の揚力周期および揚力周期ヒステリシスを制御するその能力を決定するために定常および非定常モードで操作された。図９ｅおよび９ｆは、迎角αが２°の増加量で７°から２５°の間で変化し、ｋ＝０．０８の場合の、翼弦方向距離（ｘ／ｃ）の関数としての圧力係数を図解する。図９eは、プラズマアクチュエータがオフの場合の係数を図解し、図９ｆは、プラズマアクチュエータが定常モードで操作される場合を図解する。
【００４７】
図９ｅに示されるように、圧力係数はほぼ迎角α＝２１°での約Ｃｐ＝−４で頂点に達する。振動周期が継続すると、圧力係数は減少し、動的失速渦の特徴である広範な出っ張りが係数に表れる。周期中のその後の角度は渦の下流対流と一致する後縁（ｘ／ｃ＝１）へ向かう出っ張りの動きを示す。
【００４８】
図９ｆは、定常モードでプラズマアクチュエータが操作される状態で最大圧力係数Ｃｐが約−５．７５に増加することを示す。さらに、定常プラズマアクチュエータは、より高い迎角での係数Ｃｐにおける、出っ張りの欠如からも明らかなように、動的失速渦の形成を抑制する。
【００４９】
図９ｇは、図９ｅおよび９ｆで示される振動周期に対する揚力係数を図解する。図９ｇで示されるように、周期のピッチアップ部分間では、約α＝２２°までの迎角の増加を伴って、殆ど線形に揚力係数が増加する。この角度より上では、動的な渦の形成に対応する揚力係数の急激な増加がある。振動周期のピッチダウン部分の最初の部分は、αｍａｘを越えた揚力係数における急増および約２２°まで継続する周期における「ローブ」を伴う渦の残留を示す。
【００５０】
定常モードでのプラズマアクチュエータの使用は、プラズマアクチュエータが停止される場合に比較して向上を示す。振動周期のピッチアップ部分中、揚力係数はα＝２０°より少ない全ての角度に対し、定常プラズマアクチュエータの使用でより高くなる。さらに、定常プラズマアクチュエータは、動的渦およびそれに関連する揚力を抑制する。これは、プラズマアクチュエータオフの状態において２２°で発生する揚力の急激な増加および最初のピッチダウン部分における揚力周期でのローブの解消から明らかである。ピッチダウン部分の残余に対する振動周期の最初のピッチダウン部分を越えると、定常プラズマアクチュエータでは揚力が向上する。
【００５１】
図９ｈ〜９ｌは、翼弦方向距離（ｘ／ｃ）の関数としての圧力係数、および振動周期の頂点近くおよび頂点での迎角に対する定常プラズマアクチュエータの流れの視覚化を示す。図９ｈおよび９ｉに示めされるように、α＝２１°およびα＝２３°で、ピッチアップ中に定常プラズマアクチュエータは前縁で付着された流れを維持し、約−５の圧力係数Ｃｐを提供する。また、図９ｉに示されるように、圧力係数は動的渦の形成の印となる出っ張りを示さない。
【００５２】
最大迎角α＝２５°では、図９ｊに示されるように、圧力の出っ張りの欠如が明らかである。流れの視覚化は、剥離バブルは定常プラズマアクチュエータオンの使用で存在するが、プラズマアクチュエータオフで存在する剥離バブルよりも極めて小さいことを示す。前縁での圧力係数Ｃｐは依然強く、プラズマアクチュエータがオフの場合の前縁圧力係数よりも大きい。気流の外縁は完全に剥離されるが、表面により近い気流は、動的渦に対応するための適切な位置および適切な大きさのコヒーレント形状として現れることが流れの視覚化によって示唆される。
【００５３】
図９ｋおよび９ｌを参照すると、エアフォイルが振動周期においてピッチダウンを開始すると、前縁圧力係数はさらに下がり、また圧力の出っ張りはエアフォイルの後縁へ対流によって移動する。流れは最終的にはに剥離するが、プラズマアクチュエータがオフの場合と比較するとそれほど剥離しない。圧力係数は、最初の３分の１の翼弦内のより高い、つまりより負の値で、エアフォイル全体に渡ってより一様となる。
【００５４】
図９ｍに見られるように、８０Ｈｚの強制的周波数は、振動周期のピッチダウン部分において、より低い迎角で揚力係数を増加させた。しかし、ピッチダウン部分の始めでは、図９ｇで示されるように揚力係数はプラズマアクチュエータがオフの場合、またはプラズマアクチュエータが定常モードで作動される場合よりも低い。非定常作動もまた、αｍａｘが越ると圧力係数に所望されない大きな低下をもたらす。
【００５５】
図９ｈは、強制的周波数が２０Ｈｚの場合の揚力係数対迎角を図解し、これはエアフォイルの４Ｈｚ振動周期よりも５倍高い。ストローハル数Ｓｔは０．２５に等しかった。２０Ｈｚの強制的周波数は、振動周期の半周期当たりに２つの渦を発生させる。Ｓｔ＝０．２５である非定常モードの剥離ゾーン内の渦は、Ｓｔ＝１である定常モードのプラズマアクチュエータの操作と類似する。
【００５６】
図９ｍに示される８０Ｈｚの強制的周波数と比較すると、２０Ｈｚの強制的周波数は振動周期の前ピッチダウン部分のすべてに及んでより高い揚力係数を生む。これは２５°≧α≧１３°の範囲に渡って最も顕著である。エアフォイルもまた、振動周期のピッチダウン底部で高い揚力係数を維持し、この高い揚力係数は振動周期のピッチアップ部分の最初の半分にわたって持続する。これらの結果は、定常モードおよびプラズマアクチュエータが停止された場合、またはプラズマアクチュエータが提供されなかった場合と比較して、非定常モードで操作されたプラズマアクチュエータを提供されたエアフォイルの向上した性能を証明する。
【００５７】
図９ｏ〜９ｑは、２０Ｈｚ強制的周波数でのプラズマアクチュエータの非定常操作に対する流れの視覚化である。プラズマアクチュエータの非定常操作に対する各視覚化は、エアフォイル表面上の３つの一連の周期的な明確な渦形状の構造の結果を示す。図９ｑに示されるように、プラズマアクチュエータの非定常操作は気流のより高速な付着をもたらす。これは、図９ｎに関連して上述された振動周期のピッチダウン部分底部でのより高い揚力係数のためである。
【００５８】
プラズマアクチュエータは、操作が揚力周期を向上させると予想される場合における振動サイクルα＝１５°＋１０°ｓｉｎωｔおよびｋ＝０．０８の部分間にのみプラズマアクチュエータが操作される「スマート」モードで操作されてよい。回路は、選択的にプラズマアクチュエータをオンおよびオフにするための入力としてエンコーダ信号３０、３２を使用するために提供された。プラズマアクチュエータがオンの間、プラズマアクチュエータは定常または非定常モードの一方で操作されてよい。
【００５９】
本発明の一実施例によると、プラズマアクチュエータは、エアフォイルの振動周期において以下の３つの迎角の角度範囲の間にオンに設定された。１）ピッチアップ部分間の１５°≦α≦２０°、２）ピーク迎角を通した、ピッチアップ部分間の２３°≦α≦２４°、および、３）エアフォイルの振動周期のピッチダウン部分間の２０°≧α≧８°。
【００６０】
図９ｒを参照すると、プラズマアクチュエータのスマートモードに対する揚力係数対迎角は、エアフォイルの全振動周期に及ぶ揚力係数を増加させる。αｍａｘ以降、揚力係数周期に図９ｇおよび９ｍに示されるローブ形状を与える急激な失速は、あまりヒステリシスでないより円滑な揚力減少によって置き換えられた。同様に、振動周期のピッチアップ部分の間、より高い迎角において、定常および非定常モードにおけるプラズマアクチュエータの操作中、動的失速渦が抑制された際のように、最大揚力係数が失われることはなかった。
【００６１】
図９ｓ〜９ｕは、プラズマアクチュエータがオフの場合、定常モードで操作された場合、非定常モードで操作された場合、およびスマートモードで操作された場合の気流に対する流れの視覚化である。
【００６２】
本発明は、様々な航空機および表面に関して説明されているが、本発明はそれらに限定されるものではないことを理解されたい。例えば、本発明によるプラズマアクチュエータは、胴体などのその他の表面、または発電におけるタービンなどの航空機以外の用途に使用されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の一実施例による翼弦方向断面でのプラズマアクチュエータの概略図である。
【図２ａ】図２ａは、印加電圧波形の半周期中における図１のプラズマアクチュエータの単一誘電体バリア放電の概略図である。
【図２ｂ】図２ｂは、印加電圧波形の半周期中における図１のプラズマアクチュエータの単一誘電体バリア放電の概略図である。
【図２ｃ】図２ｃは、プラズマアクチュエータからの発光を測定するために使用される光電子増倍管配列の概略図である。
【図２ｄ】図２ｄは、印加した電圧の関数としてのプラズマアクチュエータからの発光の説明図である。
【図２ｅ】図２ｅは、印加した電流の関数としてのプラズマアクチュエータからの発光の説明図である。
【図２ｆ】図２ｆは、図２ｅの発光のより詳細な説明図である。
【図２ｇ】図２ｇは、プラズマアクチュエータによって発生されたプラズマの写真の図である。
【図２ｈ】図２ｈは、プラズマアクチュエータの横方向（翼弦方向）距離の関数としてのプラズマの最初の光までの時間の説明図である。
【図２ｉ】図２ｉは、プラズマアクチュエータの発光のサーフェスプロットの図である。
【図３】図３は、図１のプラズマアクチュエータの回路モデルの図である。
【図４ａ】図４ａは、プラズマアクチュエータの周波数および振幅最適化の描写図である。
【図４ｂ】図４ｂは、プラズマアクチュエータの周波数および振幅最適化の描写図である。
【図５ａ】図５ａは、プラズマアクチュエータに印加された正および負の鋸歯状電圧波形の説明図である。
【図５ｂ】図５ｂは、図５ａの正および負の鋸歯状電圧波形に対応する、プラズマアクチュエータに印加された正および負の鋸歯状電流波形の説明図である。
【図５ｃ】図５ｃは、正の鋸歯状電圧波形が印加された場合のプラズマアクチュエータからの発光の説明図である。
【図５ｄ】図５ｄは、負の鋸歯状電圧波形が印加された場合のプラズマアクチュエータからの発光の説明図である。
【図５ｅ】図５ｅは、正および負の鋸歯状印加波形に対するプラズマアクチュエータの推力対消散電力の説明図である。
【図５ｆ】図５ｆは、プラズマ内で消散される電力の説明図である。
【図５ｇ】図５ｇは、四角および三角波形に対する空気の誘発速度対印加電圧を示す図である。
【図５ｈ】図５ｈは、四角および三角波形に対する空気の誘発速度対印加電圧を示す図である。
【図５ｉ】図５ｉは、プラズマアクチュエータの線形相加効果を示す図である。
【図５ｊ】図５ｊは、本発明によるプラズマアクチュエータと使用可能な航空機を示す図である。
【図５ｋ】図５ｋは、図５ｊの航空機のエアフォイルを示す図である。
【図５ｌ】図５ｌは、図５ｊの航空機のエアフォイルを示す図である。
【図５ｍ】図５ｍは、図５ｊの航空機のエアフォイルを示す図である。
【図６ａ】図６ａは、エアフォイルの前縁および後縁上のプラズマアクチュエータの写真の図である。
【図６ｂ】図６ｂは、エアフォイルの前縁および後縁上のプラズマアクチュエータの写真の図である。
【図６ｃ】図６ｃは、前縁および後縁プラズマアクチュエータオフおよびオンでの流れの視覚化の図である。
【図６ｄ】図６ｄは、前縁および後縁プラズマアクチュエータオフおよびオンでの流れの視覚化の図である。
【図６ｅ】図６ｅは、前縁および後縁プラズマアクチュエータが別々におよび同時に操作されている場合の平均速度プロファイルの図である。
【図６ｆ】図６ｆは、前縁および後縁プラズマアクチュエータが別々におよび同時に操作されている場合の平均速度プロファイルの図である。
【図７ａ】図７ａは、ある速度範囲での抗力係数を示す図である。
【図７ｂ】図７ｂは、ある速度範囲での抗力係数の全体的な低下を示す図である。
【図８】図８は、本発明によるプラズマアクチュエータの非定常操作に対する負荷サイクルを図式的に示す図である。
【図９ａ】図９ａは、本発明によるエアフォイル試験装置構成の側面図を描写した図である。
【図９ｂ】図９ｂは、プラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態で本発明によるプラズマアクチュエータを提供されたエアフォイルに対する揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｃ】図９ｃは非定常操作に対する、印加交流電圧の周波数の関数としての気流を再付着するために必要な最低電圧を示す図である。
【図９ｄ】図９ｄは、定常および非定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態で本発明によるプラズマアクチュエータを提供されたエアフォイルに対する揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｅ】図９ｅは、本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルに対する圧力係数対翼弦方向距離を示す図である。
【図９ｆ】図９ｆは、本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルに対する圧力係数対翼弦方向距離を示す図である。
【図９ｇ】図９ｇは、プラズマアクチュエータの定常操作による本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｈ】図９ｈは、定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態の、振動周期および流れの視覚化のピーク近くおよびピーク時の迎角度に対する本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの圧力係数を示す図である。
【図９ｉ】図９ｉは、定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態の、振動周期および流れの視覚化のピーク近くおよびピーク時の迎角度に対する本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの圧力係数を示す図である。
【図９ｊ】図９ｊは、定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態の、振動周期および流れの視覚化のピーク近くおよびピーク時の迎角度に対する本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの圧力係数を示す図である。
【図９ｋ】図９ｋは、定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態の、振動周期および流れの視覚化のピーク近くおよびピーク時の迎角度に対する本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの圧力係数を示す図である。
【図９ｌ】図９ｌは、定常モードにおけるプラズマアクチュエータオンおよびプラズマアクチュエータオフの状態の、振動周期および流れの視覚化のピーク近くおよびピーク時の迎角度に対する本発明によるプラズマアクチュエータを提供された振動エアフォイルの圧力係数を示す図である。
【図９ｍ】図９ｍは、非定常モードにおいて第1の強制的周波数で操作される本発明によるプラズマアクチュエータを含む振動エアフォイルへの揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｎ】図９ｎは、非定常モードにおいて第２の強制的周波数で操作される本発明によるプラズマアクチュエータを含む振動エアフォイルへの揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｏ】図９ｏは、プラズマアクチュエータがオフの場合およびプラズマアクチュエータが非定常モードにおいて第２の強制的周波数で操作される場合のエアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図９ｐ】図９ｐは、プラズマアクチュエータがオフの場合およびプラズマアクチュエータが非定常モードにおいて第２の強制的周波数で操作される場合のエアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図９ｑ】図９ｑは、プラズマアクチュエータがオフの場合およびプラズマアクチュエータが非定常モードにおいて第２の強制的周波数で操作される場合のエアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図９ｒ】図９ｒは、スマートモードで操作されるプラズマアクチュエータの揚力係数対迎角を示す図である。
【図９ｓ】図９ｓは、プラズマアクチュエータがオフの場合、プラズマアクチュエータが定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが非定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが振動周期の下降部中に様々な迎角向けのスマートモードで操作される場合の、エアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図９ｔ】図９ｔは、プラズマアクチュエータがオフの場合、プラズマアクチュエータが定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが非定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが振動周期の下降部中に様々な迎角向けのスマートモードで操作される場合の、エアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図９ｕ】図９ｕは、プラズマアクチュエータがオフの場合、プラズマアクチュエータが定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが非定常モードで操作される場合、プラズマアクチュエータが振動周期の下降部中に様々な迎角向けのスマートモードで操作される場合の、エアフォイル上の流れの視覚化の図である。
【図１】
2009511360.tif 000003
【図２ａ】
2009511360.tif 000004
【図２ｂ】
2009511360.tif 000005
【図２ｃ】
2009511360.tif 000006
【図２ｄ】
2009511360.tif 000007
【図２ｅ】
2009511360.tif 000008
【図２ｆ】
2009511360.tif 000009
【図２ｇ】
2009511360.tif 000010
【図２ｈ】
2009511360.tif 000011
【図２ｉ】
2009511360.tif 000012
【図３】
2009511360.tif 000013
【図４ａ】
2009511360.tif 000014
【図４ｂ】
2009511360.tif 000015
【図５ａ】
2009511360.tif 000016
【図５ｂ】
2009511360.tif 000017
【図５ｃ】
2009511360.tif 000018
【図５ｄ】
2009511360.tif 000019
【図５ｅ】
2009511360.tif 000020
【図５ｆ】
2009511360.tif 000021
【図５ｇ】
2009511360.tif 000022
【図５ｈ】
2009511360.tif 000023
【図５ｉ】
2009511360.tif 000024
【図５ｊ】
2009511360.tif 000025
【図５ｋ】
2009511360.tif 000026
【図５ｌ】
2009511360.tif 000027
【図５ｍ】
2009511360.tif 000028
【図６ａ】
2009511360.tif 000029
【図６ｂ】
2009511360.tif 000030
【図６ｃ】
2009511360.tif 000031
【図６ｄ】
2009511360.tif 000032
【図６ｅ】
2009511360.tif 000033
【図６ｆ】
2009511360.tif 000034
【図７ａ】
2009511360.tif 000035
【図７ｂ】
2009511360.tif 000036
【図８】
2009511360.tif 000037
【図９ａ】
2009511360.tif 000038
【図９ｂ】
2009511360.tif 000039
【図９ｃ】
2009511360.tif 000040
【図９ｄ】
2009511360.tif 000041
【図９ｅ】
2009511360.tif 000042
【図９ｆ】
2009511360.tif 000043
【図９ｇ】
2009511360.tif 000044
【図９ｈ】
2009511360.tif 000045
【図９ｉ】
2009511360.tif 000046
【図９ｊ】
2009511360.tif 000047
【図９ｋ】
2009511360.tif 000048
【図９ｌ】
2009511360.tif 000049
【図９ｍ】
2009511360.tif 000050
【図９ｎ】
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【図９ｏ】
2009511360.tif 000052
【図９ｐ】
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【図９ｑ】
2009511360.tif 000054
【図９ｒ】
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【図９ｓ】
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【図９ｔ】
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【図９ｕ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月24日(2008.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気流が通過する表面、および、前記表面上の空気を局所的にイオン化し、電場ベクトルを同時に発生させて、それらが共に前記表面周囲の中性空気に作用する体積力を生成し、前記表面からの気流の剥離を低減させるように構成された単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータを含む航空機。
【請求項２】
前記プラズマアクチュエータは誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む、請求項１に記載の航空機。
【請求項３】
前記誘電体はポリイミドテープである、請求項２に記載の航空機。
【請求項４】
前記誘電体はセラミックである、請求項２に記載の航空機。
【請求項５】
前記第１および第２の電極のそれぞれは銅箔である、請求項２に記載の航空機。
【請求項６】
前記第１および第２の電極の端部は重なる、請求項２に記載の航空機。
【請求項７】
前記表面はエアフォイル上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項８】
前記航空機はティルトローター機であり、前記エアフォイルは翼である、請求項７に記載の航空機。
【請求項９】
前記翼は第１部分および第２部分を含み、前記第部分は前記第１部分に対して回転可能であり、前記プラズマアクチュエータは前記第２部分上に提供される、請求項８に記載の航空機。
【請求項１０】
前記航空機はヘリコプターであり、前記エアフォイルはローターである、請求項７に記載の航空機。
【請求項１１】
前記表面は前記航空機の胴体上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１２】
前記表面は前記航空機のナセル上に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１３】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に定常周波数で電圧を印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１４】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に非定常周波数で電圧を印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１５】
前記交流電圧源は、前記第１および第２の電流間に定常周波数または非定常周波数で電圧を選択的に印加するように構成される、請求項２に記載の航空機。
【請求項１６】
前記プラズマアクチュエータは、基本的に前記エアフォイルのスパン方向寸法の全体にプラズマを発生するように構成される、請求項７に記載の航空機。
【請求項１７】
前記プラズマアクチュエータは前記エアフォイルの前縁上に提供される、請求項７に記載の航空機。
【請求項１８】
複数のプラズマアクチュエータは前記表面に提供される、請求項１に記載の航空機。
【請求項１９】
前記非定常周波数は、ストローハル数がおよそ単一となるように選択される、請求項１５に記載の航空機。
【請求項２０】
航空機の表面からの気流の剥離を低減する方法であって、前記気流が体積力が存在しない場合に前記表面から剥離するであろう位置で前記表面周囲の中性空気に作用する前記体積力を発生するステップを含み、前記体積力は前記表面上の空気を局所的にイオン化し、同時に電場ベクトルを発生することによって生成される、方法。
【請求項２１】
前記体積力は、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータによって発生され、
前記第１および第２の電極間に定常周波数または非定常周波数で交流電圧を印加するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記体積力は、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータによって発生され、
前記表面を振動させるステップと、
前記第１および第２の電極間に定常周波数または非定常周波数で交流電圧を印加するステップとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記交流電圧は前記表面の振動中に選択的に印加される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記非定常周波数は、ストローハル数がおよそ単一となるように選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
表面と、
前記表面上の空気を局所的にイオン化し、同時に、電場ベクトルを生成するように構成された単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータであって、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、空気のイオン化および電場ベクトルが共に前記表面周囲の中性空気に作用する体積力を生成して、前記表面からの気流の剥離を低減するように選択された前記誘電体の厚さとを含むプラズマアクチュエータと、
を備える、空気力学的構造。
【請求項２６】
気流が通過する表面、および、前記表面上の空気を局所的にイオン化し、電場ベクトルを同時に発生させて、それらが共に前記表面周囲の中性空気に作用する体積力を生成し、前記表面からの気流の剥離を低減させるように構成された単一誘電体バリア放電プラズマアクチュエータを含む空気力学的構造。
【請求項２７】
前記プラズマアクチュエータは、誘電体と、前記誘電体の第１の面上にあり、周囲空気にさらされる第１の電極と、前記誘電体の第２の面によって覆われる第２の電極と、前記第１および第２の電極間に接続される交流電圧源とを含む、請求項２６に記載の空気力学的構造。
【国際調査報告】
2009511360.tif 000059
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