(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、ハードシステムとして簡素であり、垂直衝撃波の位置検出精度が高く、なお且つ流路形状等によらない衝撃波位置検出システムとして適用できるシステムを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の衝撃波位置検出方法は、流路内に発生する衝撃波の所望位置に圧力センサを配置し、該圧力センサの出力信号を直流成分と交流成分とに分解し、衝撃波のごく近傍では圧力変動が大きくなる特性を利用して前記交流成分に基づいて衝撃波の位置を特定するようにした。また前記圧力センサが衝撃波発生位置から離れている場合には直流成分から衝撃波の位置検出を推定するようにした。【選択図】  図１
2006153549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内に発生する衝撃波の所望位置近傍に圧力センサを配置し、該圧力センサの出力信号を直流成分と交流成分とに分解し、衝撃波のごく近傍では圧力変動が大きくなる特性を利用して前記交流成分に基づいて衝撃波の位置を特定することを特徴とする衝撃波位置検出方法。
【請求項２】
前記圧力センサ位置が衝撃波発生位置が離れている場合には前記直流成分から、衝撃波位置を推定するものである請求項１に記載の衝撃波位置検出方法。
【請求項３】
流路内に発生する衝撃波の所望位置に配置した１つの圧力センサと、該圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段と、前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定する手段と、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波の位置検出を特定する手段とを備えた衝撃波位置検出装置。
【請求項４】
流路内に発生する衝撃波の所望位置に配置した１つの圧力センサと、該圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段と、前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定する手段と、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波の位置検出を特定する手段と、前後ランプ角と抽気弁の開閉量を調整する手段とを備え、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にないときには前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定して粗制御し、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波位置を特定して精密制御するようにしたことを特徴とするインテーク衝撃波位置制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流路内に発生する衝撃波の位置検出技術、例えば、超音速輸送機の推進システム用インテークにおける垂直衝撃波位置制御を行うための、圧力センサを用いた垂直衝撃波の位置検出システムにおける衝撃波発生位置の検出技術、およびそれを用いたインテーク衝撃波制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マッハ数２．５を超える速度で飛行する超音速航空機用のエンジンとして、超音速時のラム圧により空気を圧縮してターボジェットエンジンに供給するコンバインドサイクルエンジンが研究されている。この種の超音速航空エンジンの空気取入口（インテーク）では、超音速飛行時に発生する垂直衝撃波を利用して、エンジンに取り入れる空気を効率よく圧縮し、亜音速域まで減速させることがおこなわれている。
【０００３】
図３に一例としてインテークなどの流路内に発生する衝撃波の位置検出システムの概要を示す。この公知の手法では、衝撃波の下流に壁面静圧検出用の圧力センサ４を設置し、衝撃波６の位置と壁面静圧との関係が一義的に対応することを前提として、予め衝撃波位置と壁面静圧との関係を調べ、その関係を基に、計測された静圧から衝撃波位置を推定する手法が採られれている。そのため、衝撃波位置の検出はあくまで先の前提に基づく推定に過ぎないものであるため、衝撃波位置検出精度は必然的に悪いものとなっている。
【０００４】
この測定方式を採用した図５に示すようなインテーク制御システムが非特許文献１，２に開示されている。図において１はカウル、２ａは前方ランプ、２ｂは後方ランプ、３はディフューザ、４は圧力センサ、５は抽気弁、６は垂直衝撃波を示す。図示されていないディフューザ部後方にターボジェットエンジンが配置されている。ディフューザ３内の所定位置に圧力センサ４が配置されると共に、インテーク制御則データと衝撃波位置と壁面静圧との関係を示す位置検出マップデータが備えられている。この関係は主流状態や流路形状に対応して変化するため、多様な主流状態や流路形状に対応させて多量に蓄積されている必要がある。検出した圧力信号をこの膨大な蓄積データと対応させて衝撃波位置を割り出す。この衝撃波検出位置情報に基づいて前記インテーク制御則データから、前方ランプ、後方ランプの操作角度そして抽気弁の開閉量を演算し、それぞれの調整を行うことによって、垂直衝撃波６の位置が所望位置に制御される。ここで注意すべきは、この際の前方ランプ、後方ランプの角度そして抽気弁の開閉量の調整は流路形状を変更することに他ならないということである。
【０００５】
必要とする圧力センサは原理上は１つで良いが、衝撃波から離れた下流に圧力センサを設置しているため、衝撃波位置に対する静圧の変化量は小さく、静圧から衝撃波位置を推定する精度を向上するためには圧力計測精度の高いセンサが要求される。また、流路形状が異なる場合や衝撃波上流の流れの状態（境界層やマッハ数）が変化した場合は、この手法の前提としている衝撃波位置と静圧との関係が変化するため、膨大な試験により、流路形状や衝撃波上流の流れの状態などをパラメタとする衝撃波位置−静圧マップを予め作成することが推定精度を向上させるために必須であり、その負担が設計・開発効率向上の観点から問題となる。
【０００６】
図４に別な例として、流路内に発生する衝撃波の位置検出システムの概要を示す。この手法では最低でも２個の圧力センサを設置し、２つの圧力センサ間に衝撃波がある場合に、衝撃波近傍の圧力勾配をよりどころとして衝撃波位置を検出する手法である。この手法においても、２つのセンサ間において衝撃波発生位置を推定しているに過ぎず、衝撃波位置検出精度は２つのセンサの間隔と前記よりどころとした圧力勾配に依存するため、やはり精度は悪いものとなる。
【０００７】
この測定方式を採用した図６に示すようなインテーク制御システムが非特許文献３に開示されている。図において１はカウル、２ａは前方ランプ、２ｂは後方ランプ、３はディフューザ、４ａ，４ｂは圧力センサ、５は抽気弁、６は垂直衝撃波を示す。図示されていないディフューザ部後方にターボジェットエンジンが配置されているのは先のものと同様である。ディフューザ３内の垂直衝撃波６の所望位置を挟むように２つの圧力センサ４ａ，４ｂが配置されると共に、衝撃波近傍の前方・後方圧力勾配データと、後方圧力センサ４ｂによる衝撃波位置マップと、インテーク制御則データと衝撃波位置と壁面静圧との関係を示す位置検出マップデータとが備えられている。まず第１段階では２つの圧力センサ４ａ，４ｂ間に衝撃波位置を粗く制御すればよいので、衝撃波位置マップは多様な主流状態や流路形状に対応させて多量に蓄積されている必要はない。その制御が行われたら、第２段階で検出した２つのセンサの圧力信号を前記衝撃波近傍の前方・後方圧力勾配データと対応させて衝撃波位置を推定する。この衝撃波近傍の前方・後方圧力勾配データについては流路形状に応じて異なってくるため、形状変化に対応した多数のデータ蓄積が必要となる。この衝撃波推定位置情報に基づいて前記インテーク制御則データから、前方ランプ、後方ランプの操作角度そして抽気弁の開閉量を演算し、それぞれの調整を行う。これによって、垂直衝撃波６の位置が所望位置に制御される。この手法によれば前述の衝撃波位置−静圧マップ作成などの膨大な予備検討を行う必要はなく、設計効率向上の観点からは優れた方法であるが、衝撃波位置検出には複数の圧力センサが必要であり、実機に適用するために冗長システムを構成する際には、圧力センサが多数必要となることから、ハードシステムとして複雑になり、システム全体の信頼性は決して高いものとならないことが問題となる。
【非特許文献１】「超／極超音速輸送機用推進システムの研究開発(HYPR)」通産省工業技術院  平成９年度報告書
【非特許文献２】「超／極超音速輸送機用推進システムの研究開発(HYPR)」通産省工業技術院  平成１０年度報告書
【非特許文献３】小島孝之他「超音速可変軸対称エアーインテークに関する研究」平成９年度宇宙輸送シンポジウム  (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、従来技術ではシステム全体の信頼性(システムの簡素化)、位置検出精度および設計開発効率のいずれかに問題を有する技術となっており、特に流路形状が直管(面積が一定の流路)の場合は、圧力勾配が生じないため従来の手法では、衝撃波の位置を精度良く検出することができない。そこで、本発明が解決しようとする課題は、ハードシステムとして簡素であり、衝撃波の位置検出精度が高く、なお且つ流路形状等によらない衝撃波位置検出システムとして適用できるシステム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】
【０００９】
本発明の衝撃波位置検出方法は、流路内に発生する衝撃波の所望位置に圧力センサを配置し、該圧力センサの出力信号を直流成分と交流成分とに分解し、衝撃波のごく近傍では圧力変動が大きくなる特性を利用して前記交流成分に基づいて衝撃波の位置を特定するようにした。また前記圧力センサが衝撃波発生位置から離れている場合には直流成分から衝撃波の位置検出を推定するようにした。
【００１０】
本発明の衝撃波位置検出装置は、流路内に発生する衝撃波の所望位置に配置した１つの圧力センサと、該圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段と、前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定する手段と、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波の位置検出を特定する手段とを備えるようにした。
【００１１】
また、本発明のインテーク衝撃波位置制御システムは、流路内に発生する衝撃波の所望位置に配置した１つの圧力センサと、該圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段と、前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定する手段と、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波の位置検出を特定する手段と、前後ランプ角と抽気弁の開閉量を調整する手段とを備え、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にないときには前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定して粗制御し、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波位置を特定して精密制御するようにした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の衝撃波位置検出方法は、流路内に発生する衝撃波の所望位置に圧力センサを配置し、該圧力センサの信号を直流成分と交流成分とに分解し、衝撃波が圧力センサ近傍にある場合は圧力変動が大きくなる特性を利用して交流成分から衝撃波の位置検出を推定するようにしたものであるから、衝撃波位置検出精度を向上させることができた。また、交流成分のピーク値は垂直衝撃波の位置と一義的に対応し、流路形状や流体状態に左右されないので、複雑な解析が必要なく正確な垂直衝撃波位置を検出することが出来る。また、圧力センサが衝撃波発生位置が離れている場合であっても、直流成分から従来法と同じ手法で垂直衝撃波位置を推定することが出来る。
【００１３】
本発明の衝撃波位置検出装置は、流路内に発生する衝撃波の所望位置に配置した１つの圧力センサだけを備え、該圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段と、前記圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定する手段と、衝撃波の位置が前記圧力センサ近傍にある場合に交流成分から衝撃波の位置検出を特定する手段とを備えるようにしたものであるから、衝撃波発生位置検出用圧力センサは１つで良く、ハードシステムが簡素化されるため、低コストで且つシステム全体の信頼性を向上させることができた。また、本検出方法は流路内に発生する衝撃波の特性をよりどころとしているため、流路形状の変更に伴う多量の衝撃波位置−静圧マップデータの蓄積を必要としないので、膨大な予備検討を行う必要はなくシステムの設計・開発効率の向上をもたらせた。
【００１４】
また、本発明のインテーク衝撃波位置制御システムは、圧力センサの検出信号を直流成分と交流成分とに分離する手段を備えた衝撃波位置検出装置を検出部に用いることにより、圧力センサ近傍に衝撃波位置がないときには圧力センサの直流成分から衝撃波位置を推定して前後ランプ角と抽気弁の開閉量を粗制御することができ、衝撃波の位置が圧力センサ近傍に近づいた場合には交流成分から衝撃波位置を特定して前後ランプ角と抽気弁の開閉量を精密制御するようにしたものであるから、単純な構成でありながら、安定して精度の良いインテーク衝撃波位置制御を実現することが出来た。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では上記の課題を踏まえて、１）衝撃波位置を検出する圧力センサを１つとすること、２）撃波位置検出精度を高くすること、３）システムを開発するための予備検討が少なくてすむことおよび、４）流路形状によらない検出法を提示することを条件設定して研究をスタートした。
【００１６】
図１に本発明における衝撃波位置検出・制御システムの概要を示す。圧力センサが検出する圧力信号には直流成分の他に交流成分が重畳されており、この交流成分は垂直衝撃波の近傍において大きなものとなる特性を示している。流れ方向位置に対する直流成分と交流成分の大きさの特性は図中にグラフで示しているとおりである。この特性から理解されるように、直流成分は垂直衝撃波位置の前後でステップ状に圧力が増加する。しかしその中心位置は上昇過程の中途にあるため、その特性から垂直衝撃波位置を精度良く特定することは困難である。これに対し、交流成分は垂直衝撃波の位置で先鋭なピーク値を示しているため、その位置特定は容易である。本発明では、衝撃波発生位置近傍に圧力センサを１つ設置し、衝撃波のごく近傍に限り、壁面静圧に大きな変動が生じるというこの物理現象に着目し、圧力センサにより計測された信号を直流成分と交流成分に分離し、その交流成分のピーク位置を検出して高精度に衝撃波位置を特定することを特徴とする。また、直流成分については従来技術と同様の手法で垂直衝撃波の大まかな位置を推定するために利用することができる。要するに直流成分だけを用いれば、衝撃波の位置検出精度が従来技術と同程度のシステムとなる一方、交流成分の変動量は衝撃波発生位置においてピークを持ち、これが大きい領域は衝撃波のごく近傍に限られ、極めて狭いことから、この交流成分の変動量を利用することで、極めて高い精度を有する衝撃波位置検出システムを実現できるということである。衝撃波位置に交流成分のピーク位置がくるという現象は、流路形状や流体の状態に影響されることがない。従って、この手法による位置検出は従来の手法では不可能であった直管の場合にも適用することを可能とする。また、システムを設計・開発するための予備的な検討に従来のような多大な負担がかからないことが大きな利点となる。
【実施例１】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態と考えられる超音速輸送機推進システム用インテークに適用した例を示す。超音速インテークでは効率よく流入気体を圧縮してエンジンに供給するという観点から、飛行マッハ数、機体の姿勢角およびエンジン作動回転数などが変化した場合でも、所定の位置に垂直衝撃波が発生するように、例えば抽気流量やランプなどの流路形状を操作して、衝撃波発生位置の制御がなされる。この実施例に対して当該技術を適用し、衝撃波位置を検出する場合に要求される事項は、１）流路形状や衝撃波上流の流れの状態が変化した場合でも精度良く衝撃波位置を検出できること、２）衝撃波位置検出システムの故障は推進システム全体が制御不能となることに直結するため、信頼性・安全性向上の観点からシステムを簡素化することである。これに対し、本発明が提案した手法では、垂直衝撃波発生の所定位置に圧力センサを設置することで、高い位置検出精度を有し、使用センサは１つであるため、システムは簡素であり、信頼性は高い。
【００１８】
特に、衝繋波位置検出の精度が向上することで、超音速インテークの不始動状態や、ディストーション増大などのエンジン運用制限までの余裕を精度良く見積もることが可能となり、エンジン運用上の安全性が向上することにつながる。
【００１９】
図２にこの実施例の基本的構成を示す。後方ランプ２ｂの先端部より下流側に位置するディフューザ３内の垂直衝撃波６の所望位置に１つの圧力センサ４を配置すると共に、ディフューザ３の下流側には図示していないターボジェットエンジンが配置されている。また、カウル１と前方ランプ２ａ間から吸入された圧縮空気は前方ランプ２ａ端部と後方ランプ２ｂの先端部より一部が抽気流となって分流され、その分流路出口には抽気弁５が配置されている。前記圧力センサ４の検出信号は直流・交流成分分離手段７に送られ、分離されインテーク制御信号として用いられる構成となっている。
【００２０】
起動時には通常、垂直衝撃波６の位置が圧力センサ４の位置にあることはない。まず、その垂直衝撃波６が圧力センサ４の上流側にあるか下流側にあるわけであるが、それは、検出された圧力の直流成分から流れ方向位置特性に基づいて判定することができる。その位置を圧力センサ４の位置に近づけるようにインテーク制御則に従ってランプ角、抽気弁の開閉度等を調整する制御が実行される。この制御によって垂直衝撃波６の位置は圧力センサ４の位置に近づく。垂直衝撃波６の位置が圧力センサ４の位置近傍に制御されたなら、次ぎに検出された圧力の交流成分を利用し、その値が最大となるように垂直衝撃波６の位置を制御する。この制御も前記インテーク制御則に従ってランプ角、抽気弁の開閉度等を調整することによって行われる。圧力センサ４は衝撃波の所望位置に配置されているため、圧力の交流成分が最大であるときはその位置に衝撃波６の位置していることを意味している。このインテーク制御システムは衝撃波近傍において圧力変動が生じるという衝撃波の特性そのものを利用した位置検出手法を採用したものであり、その衝繋波の特性は衝撃波上流の流れの状態や流路形状の影響を受けないため、設計に際しては圧力センサの設置位置のみの検討を行えば良く、膨大なマップ作成などの予備検討は必要ない。よって、本システムを実機に適用するまでの設計・開発に要する負担が少ないため、準備期間は短くて済む。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の垂直衝撃波位置検出の原理と衝撃波位置制御を説明する図である。
【図２】本発明を超音速インテークにおける衝撃波発生位置の制御に適用した実施例を示す図である。
【図３】従来の１つの圧力センサ情報から垂直衝撃波を位置検出する手法を説明する図である。
【図４】従来の２つの圧力センサ情報から垂直衝撃波を位置検出する手法を説明する図である。
【図５】１つの圧力センサ情報から垂直衝撃波を位置検出する手法を超音速インテークにおける衝撃波発生位置の制御に適用した従来技術を示す図である。
【図６】２つの圧力センサ情報から垂直衝撃波を位置検出する手法を超音速インテークにおける衝撃波発生位置の制御に適用した従来技術を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  カウル                          ２ａ  前方ランプ
２ｂ  後方ランプ                    ３  ディフュージョン
４,４ａ,４ｂ  圧力センサ            ５  抽気弁
６  垂直衝撃波                      ７  直流・交流成分分離手段
【図１】
2006153549.tif 000003
【図２】
2006153549.tif 000004
【図３】
2006153549.tif 000005
【図４】
2006153549.tif 000006
【図５】
2006153549.tif 000007
【図６】
2006153549.tif 000008