(57)【要約】【課題】複雑な可変機構や流体エネルギー供給システムを用いることなく簡易な方法によってスパイクの空力特性を制御するスパイク飛しょう体の空力特性制御方法を提供する。【解決手段】中空状シャフト２の先端部に内部流路２２と連通した噴射孔２３を複数配設し、中空状シャフト２の出口部２４に、出口部２４を開閉するバルブ３を配設し、バルブ３をバルブドライバ５によって開閉速度Ｖｆ、デューティ比ＤＲまたは双方を変えることにより、中空状シャフト２の空力特性を好適に制御する。【選択図】図１
2008002693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパイクの先端部の外周面に内部流路と連通した複数の噴射孔またはスリットを配設し、且つ前記内部流路を流れる空気流を開閉するバルブを配設し、該バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えることにより前記スパイクの空力特性を制御することを特徴とするスパイク飛しょう体の空力特性制御方法。
【請求項２】
先端部の外周面に内部流路と連通した複数の噴射孔またはスリットを有するスパイクと、前記内部流路を流れる空気流を開閉するバルブと、該バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えるバルブ制御手段とを具備し、該バルブ制御手段によって前記バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えることにより前記スパイクの空力特性を制御することを特徴とするスパイク飛しょう体。
【請求項３】
前記スパイクの内部流路の内、前記噴射孔またはスリットが配設された近傍部分は拡大流路となるように形成されている請求項２に記載のスパイク飛しょう体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパイク飛しょう体の空力特性制御方法およびスパイク飛しょう体、特に複雑な可変機構や流体エネルギー供給システムを用いることなく簡易な方法によってスパイクの空力特性を制御するスパイク飛しょう体の空力特性制御方法およびスパイク飛しょう体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空力可変技術とは、環境条件に合わせて空気力を受ける部分の形状(空力形状)を変化させるもので、フラップや可変後退翼、エアロブレーキ、圧縮機可変静翼など、航空機には既に様々な可変機構が搭載されており、空力性能や推進性能の改善に寄与している。しかしながら、空力形状を自在に変形させるための駆動力源の搭載、構造の複雑化による重量増加が問題となっている。比較的単純な構造の空力可変機構として、エアロスパイク(飛しょう体の先端に取り付けたスパイクシャフト)を伸縮することで飛しょう体の空力特性を制御しようとするアイデア（例えば、特許文献１のFig.8.を参照）が存在するが、エアロスパイクの伸縮はスパイクシャフト周囲の流れ場を不安定化させることが問題となっている。また、これとは別に、スパイクを伸縮させるかわりに、スパイクシャフト先端から不活性ガスや燃焼ガスを噴射して抵抗を低減するアイデア（例えば、特許文献１のFig.9.を参照）も存在するが、ガス源や着火源の搭載による重量増加が問題となっている。
【０００３】
【特許文献１】米国特許４,６５０,１３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の通り、従来のスパイク長を可変にする可変機構を備えたエアロスパイクでは、エアロスパイクの伸縮はスパイクシャフト周囲の流れ場を不安定化させる問題があり、他方、スパイクの先端部から不活性ガスや燃焼ガスを噴射する流体供給システムを備えたエアロスパイクでは、不活性ガス源および着火源の搭載による重量増加が問題となっている。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、複雑な可変機構や流体エネルギー供給システムを用いることなく簡易な方法によってスパイクの空力特性を制御するスパイク飛しょう体の空力特性制御方法およびスパイク飛しょう体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に記載のスパイク飛しょう体の空力特性制御方法は、スパイクの先端部の外周面に内部流路と連通した複数の噴射孔またはスリットを配設し、且つ前記内部流路を流れる空気流を開閉するバルブを配設し、該バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えることにより前記スパイクの空力特性を制御することを特徴とする。
上記スパイク飛しょう体の空力特性制御方法では、スパイク出口のバルブが閉止時には、スパイク先端部の噴射孔からの溢流が剥離を誘起し、剥離領域を拡大する。これによってスパイク周りに形成される衝撃波が弱められ、Ｃｄ値が低減する。一方、スパイク出口部のバルブが開放時には、スパイク外周面への溢流がないためスパイク外周面の大部分で流れが付着し、剥離領域が縮小する。これによってスパイク周りに形成される衝撃波が強められ、Ｃｄ値が増大する。その結果、スパイクの空力特性（空気抵抗）がスパイク出口部のバルブ開閉速度に追従してパルス状に変化し、並びにそのバルブ開閉のパルスデューティ比を変化させることで空気抵抗を任意の値に調整できるようになる。
【０００６】
前記目的を達成するために、請求項２に記載のスパイク飛しょう体は、先端部の外周面に内部流路と連通した複数の噴射孔またはスリットを有するスパイクと、前記内部流路を流れる空気流を開閉するバルブと、該バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えるバルブ制御手段とを具備し、該バルブ制御手段によって前記バルブの開閉速度、開時間のデューティ比又は双方を変えることにより前記スパイクの空力特性を制御することを特徴とする。
上記スパイク飛しょう体では、上記請求項１に記載のスパイク飛しょう体の空力特性制御方法を好適に実施することが出来る。
【０００７】
請求項３に記載のスパイク飛しょう体では、前記スパイクの内部流路の内、前記噴射孔またはスリットが配設された近傍部分は拡大流路となるように形成されていることとした。
上記スパイク飛しょう体では、上記構成とすることにより、バルブが開放する時に、超音速で流入する気流が噴射孔の近傍で減速しなくなり、その結果噴射孔からの溢流が殆どなく、空力特性制御能力が喪失せずに好適に維持される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のスパイク飛しょう体の空力特性制御方法およびスパイク飛しょう体によれば、複雑な可変機構や流体エネルギー供給システムを用いることなく、スパイク先端部に内部流路と連通した複数の噴射孔またはスリットを配設し且つスパイクの内部流路を開閉するバルブを配設し、その上でバルブの開閉速度や開時間のデューティ比または双方を変えることにより、スパイクの空力特性を容易に制御することが出来るようになる。従って、簡便で信頼性の高い空力特性制御が可能となる。しかも、その制御に必要な電力はスパイクの内部流路を開閉する小型バルブの開閉に必要な電力であるから、極めて省エネルギー性に優れている。また、バルブをパルス状に開閉することで、飛しょう体のＣｄ値がパルス状に変化し、パルスのデューティ比を可変とすることで平均Ｃｄ値を任意の値に調整することができるようになる。これによって、推力装置や可動翼を持たない飛しょう体であっても高精度な軌道制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１０】
図１は、本発明のスパイク飛しょう体１００を示す要部断面説明図である。
この飛しょう体１００は、ペイロードおよび燃料タンク並びに推進装置等を搭載する円筒状の胴体部１と、胴体部１の先端部に取り付けられ軸方向に延びた、空力特性を制御するスパイクとしての中空状シャフト２と、中空状シャフト２の内部流路２２の出口部２４を開閉するバルブ３と、出口部２４から流出した空気が外部へ流出する排気スリット４と、バルブ３の開閉速度又は開時間のデューティ比を変えるバルブ制御手段としてのバルブドライバ５とを具備して構成される。
【００１１】
中空状シャフト２は、内部流路２２を有する中空構造となっている。入口部２１より流入した空気は内部流路２２を通り、バルブ３が開の場合は、出口部２４を介して排気スリット４から外部へ流出する。一方、バルブ３が閉の場合、入口部２１より流入した空気は、バルブ３が閉になっているため、出口部２４から流出することができず溢流として噴射孔２３から外部へ流出する。なお、管状の噴射孔２３に代えてスリット状の噴射口を採用しても良い。
【００１２】
中空状シャフト２の長さＬは胴体部直径Ｄの約２〜２.５倍が適切な値である。
【００１３】
バルブ３は、駆動源としてのソレノイド３１と、中空状シャフト２の出口部２４を封止する弁座３２と、ソレノイド３１と弁座３２を連結する弁軸３３とから成る。
【００１４】
排気スリット４は、胴体部１の周方向にわたり、例えば矩形状の開口部を均等に設けたものである。
【００１５】
図２は、本発明に係る空力特性制御方法の概要を示す要部断面説明図である。なお、図２の（ａ）はバルブ３が閉の状態を示し、同（ｂ）はバルブ３が開の状態を示している。
図２の（ａ）に示すように、バルブ３が閉の場合は、中空状シャフト２の噴射孔２３からの溢流が剥離を誘起し、下流に行くに従い剥離領域が拡大するようになる。これによって、中空状シャフト２の周りに形成される衝撃波が弱められ、空気抵抗係数Ｃｄ値が低減するようになる。
【００１６】
一方、図２の（ｂ）に示すように、バルブ３が開の場合は、中空状シャフト２の外部への溢流がないため中空状シャフト２の大部分で流れが付着し、剥離領域が縮小する。これによって、中空状シャフト２の周りに形成される衝撃波が強められ、空気抵抗係数Ｃｄ値が増大する。また、吸い込まれた空気は内部流路２２を通り出口部２４を流出して排気スリット４から外部へ流出する。
【００１７】
図３は、本発明のスパイク飛しょう体１００による空力特性制御の試験結果を示すグラフである。なお、スパイク飛しょう体のスパイク長Ｌ／胴体直径Ｄは２.０であり、対気流速度はマッハ１.５である。
実験は、宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）総合技術研究本部の１ｍ×１ｍ超音速風洞において、胴体直径Ｄ＝１００ｍｍのスパイク飛しょう体を使用して機能実証試験を実施した。
このグラフの、例えばバルブ開閉速度Ｖｆ＝０.２５[Hz]かつデューティ比ＤＲ＝５０％の結果に注目すると、time＝９.４[sec]近傍でバルブ３が閉まり始め、それと共に、空気抵抗係数Ｃｄも減少し、time＝９.６[sec]近傍でバルブ３が完全に閉まると、空気抵抗係数Ｃｄはほぼ一定となる。
【００１８】
同様に、バルブ開閉速度をＶｆ＝２.００[Hz]に固定して、デューティ比ＤＲ＝５０％、７０％、９０％と変えた場合の空気抵抗係数Ｃｄの時間変化を見てみると、空気抵抗係数Ｃｄがバルブ３の開閉動作に追従してパルス状に大きく変化することが判る。このことは、バルブ開閉速度Ｖｆおよびデューティ比ＤＲを調整することにより、空気抵抗係数Ｃｄを任意のパルス状に制御可能であることを示している。
【００１９】
図４は、デューティ比ＤＲと平均空気抵抗係数Ｃｄavgとの関係を示すグラフである。なお、平均空気抵抗係数Ｃｄavgとは、図３の空気抵抗係数Ｃｄの積分値を時間平均した値である。
このグラフから、デューティ比ＤＲと平均空気抵抗係数Ｃｄavgは、リニアな関係にあることが判る。従って、デューティ比ＤＲによって平均空気抵抗係数Ｃｄavgを制御できること、すなわち、デューティ比ＤＲによって飛しょう体の空力特性が制御可能であることを示している。
【００２０】
図５は、バルブをパルス動作させた状態における空気抵抗の迎角特性を示すグラフである。
このグラフから、迎角がついた状態であっても、空気抵抗の制御能力が喪失することはなく、迎角範囲０°〜１２°で本発明による空力特性制御が有効であることが確認された
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明のスパイク飛しょう体の空力特性制御方法およびスパイク飛しょう体は、航空機、ロケット、無重力実験装置など、空気中を高速で飛行する飛しょう体全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のスパイク飛しょう体を示す要部断面説明図である。
【図２】本発明に係る空力特性制御方法の概要を示す要部断面説明図である。
【図３】本発明のスパイク飛しょう体による空力特性制御の試験結果を示すグラフである。
【図４】デューティ比ＤＲと平均空気抵抗係数Ｃｄavgとの関係を示すグラフである。
【図５】バルブをパルス動作させた状態における空気抵抗の迎角特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１          胴体部
２          中空状シャフト
２１        入口部
２２        内部流路
２３        噴射孔
２４        出口部
３          バルブ
３１        ソレノイド
３２        弁座
３３        弁軸
４          排気スリット
５          バルブドライバ
１００      スパイク飛しょう体
【図１】
2008002693.tif 000003
【図２】
2008002693.tif 000004
【図３】
2008002693.tif 000005
【図４】
2008002693.tif 000006
【図５】
2008002693.tif 000007