(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部圧縮超音速吸気口であって、
超音速自由流を拡散するための超音速圧縮部分を含み、前記超音速圧縮部分は前縁および前記前縁の下流の喉部分を有する主壁を含み、前記超音速圧縮部分は主壁の対向する側端縁に接合されることによってスコップ形の構造を形成する側部を有し、前記主壁は回転面の円周方向に延在する部分として形成される内表面を有し、主壁の前記内表面は側部の内表面と共同して３次元外部圧縮面を定め、さらに
超音速圧縮部分からの流れを受取りかつ前記流れを亜音速状態に拡散するために配置される亜音速ディフューザ部分を含み、前記亜音速ディフューザ部分は閉ダクトとして成形されるカウルによって形成され、前記カウルは主壁の喉部分から流れを横切る方向に間隔をおかれる前縁カウルリップを有することにより、超音速吸気口の喉はカウルと前記喉部分との間のカウルリップに近接して定められ、前記カウルは前記喉から下流に間隔をおかれる排出端部を有する、超音速吸気口。
【請求項２】
前記吸気口は環形部分として構成される捕捉領域を定める、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項３】
前記主壁の内表面は、自由流方向に対して垂直に円弧形の断面を有し、前縁から喉への一定の円弧角を定める、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項４】
前記超音速圧縮部分の側部は、主壁の対向する側端縁にそれぞれ接合されかつその円弧内表面に関して放射状に延在する２つの平面の側壁を含み、前記側壁は主壁の前縁から亜音速ディフューザ部分のカウルリップまで延在してカウルリップに接合される、請求項３に記載の超音速吸気口。
【請求項５】
前記超音速圧縮部分はその排出端部において、環形部分として構成される流領域を定め、前記亜音速ディフューザ部分はその吸気口端部において超音速圧縮部分の排出端部の流領域に適合するように構成される流領域を定め、亜音速ディフューザ部分の排出端部は円形の流領域を定める、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項６】
前記主壁の内表面は流れ方向に輪郭を定められることによって初期の弱い斜めの衝撃波を生成し、その後一連のマッハ線によって特徴付けられる、等エントロピー圧縮を生成することによって、予め定められた流れ状態において前記衝撃波およびマッハ線が主壁の喉部分から流れを横切る方向に間隔をおかれた共通の焦点へと主壁の内表面から放射する、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項７】
前記カウルリップは衝撃波の前記共通焦点に置かれる、請求項６に記載の超音速吸気口。
【請求項８】
前記吸気口は円形の捕捉領域を定める、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項９】
前記主壁は、喉の前方に間隔をおかれるその前縁のまわりを旋回可能な可動外部ランプを含み、前記外部ランプはカウルリップに対向して間隔をおかれる後部を有し、外部ランプの旋回する動きが外部ランプとカウルリップとの間の流領域を変動させる働きをする、請求項１に記載の超音速吸気口。
【請求項１０】
前記カウルは、喉の後方に間隔をおかれるその後端縁のまわりを旋回可能な可動内部ランプを含み、前記内部ランプは外部ランプの後部に近接する前部を有し、内部ランプは外部ランプと共同して旋回可能であることによって喉の流領域を変動させる、請求項９に記載の超音速吸気口。
【請求項１１】
前記内部ランプの前部は外部ランプの後部から下流に間隔をおかれることによって、喉に近接するその間にスロットを定める、請求項１０に記載の超音速吸気口。
【請求項１２】
前記主壁は外部ランプの前方に固定ランプを含み、前記固定ランプの前端縁は主壁の前縁を定め、固定ランプの後端縁は外部ランプの前端縁に隣接する、請求項９に記載の超音速吸気口。
【請求項１３】
超音速ディフューザであって、
超音速自由流を拡散するためのスコップ形の構造を含み、前記構造は捕捉領域を定め、かつ非線対称圧縮面を集合的に定める内表面を有する壁によって形成され、前記圧縮面は、構造の前縁から自由流の方向に沿って延在しかつ自由流の前記方向に対して横方向に延在する部分を有し、前記圧縮面の前記部分は回転面の円周方向に延在する部分を含み、前記圧縮面はディフューザの捕捉領域の周を通過する流線によって適合する３次元面として輪郭を定められ、前記流線は前記回転面に適合するよう輪郭を定められる線対称圧縮面に対して導かれる線対称圧縮場に基づいて追跡される、超音速ディフューザ。
【請求項１４】
前記捕捉領域は環形部分として成形される、請求項１３に記載の超音速ディフューザ。
【請求項１５】
前記捕捉領域は円形である、請求項１３に記載の超音速ディフューザ。
【請求項１６】
超音速ディフューザの空気力学的内表面を設計するための方法であって、
予め定められた流れ状態における超音速流を圧縮するための線対称圧縮面を設計することによって線対称の圧縮場を与えるステップと、
前記線対称の圧縮場に捕捉領域を重ねるステップとを含み、前記捕捉領域は周を有し、前記周の一部は線対称圧縮面に沿ってその円周方向に延在し、前記捕捉領域は線対称圧縮面に含まれる流れのすべてよりも少なく包囲し、さらに
捕捉領域の周の近くに間隔をおかれる複数の点において始る複数の流線を追跡するステップを含み、前記流線は線対称圧縮場に基づいて追跡され、さらに
前記流線によって表面を適合させて前記空気力学的内表面を定めるステップを含む、方法。
【請求項１７】
前記線対称圧縮面は、圧縮面の前縁に付随する初期の斜めの衝撃波およびそれに続く圧縮面から放射する一連のマッハ線によって特徴付けられる、等エントロピー圧縮プロセスを生成するように設計され、前記圧縮面は、前記初期衝撃波およびマッハ線がすべて共通の焦点において交差するように輪郭を定められる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記捕捉領域は、線対称圧縮面から最も遠く間隔をおかれた捕捉領域周の部分を通って追跡された流線が前記共通の焦点を通過するように構成される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
航空機に対する吸気口／翼システムであって、
請求項１において定められる外部圧縮超音速吸気口と、
空気力学表面を有する翼とを含み、前記吸気口は前記翼と一体化されることにより、翼の前記空気力学表面の一部が吸気口の少なくとも一部によって形成される、吸気口／翼システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は超音速ディフューザに関する。より特定的には、この発明は空気吸込推進システムにおいて吸気口として用いられるものなどの外部圧縮超音速ディフューザに関する。
【０００２】
【発明の背景】
さまざまなタイプの航空機において、航空機を超音速で推進するためにターボジェットまたはターボファンエンジンなどの空気吸込推進システムが用いられる。航空機の推進に用いられる現行の商業的に入手可能なガスタービンエンジンは、エンジンの上流面に典型的にはマッハ０．３から０．６のオーダの亜音速流が存在する領域において働くよう事実上常に設計される。したがって、エンジンに吸込ませるために、捕捉した超音速気流を亜音速に減速するための超音速ディフューザまたは吸気口が必要である。この減速のプロセスは、気流の過剰な力学エネルギが静圧増加に変換されるため、拡散または圧縮として技術的に公知である。エンジン／吸気口システムの全体の推進効率を最大化するために、吸気口はその拡散機能を効率的に行なう必要がある。拡散プロセスの効率は、吸気口の入口側と排出側との間の気流においてどれぐらいの全圧が失われたかに関連する。吸気口の全圧回復は、入口における全圧に対する排出における全圧の比によって定められる。吸気口設計の主要な目的は全圧回復を最大化することである。吸気口における外部抵抗もシステム全体の効率に影響するため、こうした抵抗を最小化することも望ましい。加えて、吸気口設計プロセスのさらなる目的は、流れの安定性を最大化することによって、ある種の超音速吸気口によって起こり得る激しい流れの振動、主に不始動を避けることである。
【０００３】
超音速吸気口は一般的に、収束する超音速ディフューザを含む前部と、発散する亜音速ディフューザを含む後部とを含む。ほとんどの超音速吸気口は矩形の流領域を有する２次元または「２Ｄ」であるか、または円形の流領域を有する線対称である。吸気口の喉は、流領域が最小になる超音速ディフューザと亜音速ディフューザとの間の接合部にある。超音速吸気口は一般的に３つのタイプに分類される。すなわち内部圧縮と、混合圧縮と、外部圧縮とである。内部圧縮吸気口は吸気口ダクトの内部で超音速および亜音速圧縮の両方を達成するよう設計され、吸気口が設計通りに働くためには超音速圧縮場の衝撃構造が吸気口ダクトに「飲み込まれる」必要がある。流れの外乱によって末端衝撃が吸気口ダクトの前端部から追い出されるとき、内部圧縮吸気口において「不始動」の問題が起こる。その結果、効率が著しく失われ、吸気口抵抗が大幅に増加する。このように不始動は著しい問題を表わす。
【０００４】
混合圧縮吸気口においては、近づいてくる気流をダクトに吸込まれる前に強制的に回転させることによって、吸気口ダクト開口の前方で超音速圧縮の一部が達成される。超音速圧縮はダクトの前部で内的に継続し、その後に亜音速圧縮が続く。これらのタイプの吸気口においても内部圧縮吸気口と同様に末端衝撃がダクトに飲み込まれる必要があるため、不始動などの流れの不安定性の問題がなおも起こり得る。
【０００５】
外部圧縮吸気口はすべての超音速圧縮を外部で成し遂げるため、吸気口ダクト中の流れはすべて亜音速である。末端衝撃は、吸気口の喉を表わす吸気口ダクトへの入口におけるその位置において安定なままである傾向があるため、外部圧縮吸気口は不始動型の不安定性を受けにくい。しかし、外部圧縮吸気口は吸気口ダクトの前方で成し遂げる必要のある多量の流れの回転のために高いカウル抵抗を有する傾向があるため、それらは典型的にマッハ約２．０より上の飛行に対しては好まれない。この多量の流れの回転は高いカウル角および流れを横切る方向における長いカウル長さをもたらし、すなわち高い抵抗をもたらす。
【０００６】
従来の外部圧縮吸気口において典型的であるような良好な流れの安定性を有すると同時に、高い全圧回復および低い外部抵抗を有する超音速吸気口を提供することが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】
外部圧縮吸気口の特徴である良好な流れの安定性を維持しながら、高い全圧回復および低いカウル抵抗を提供し得る一意の３次元外部圧縮面を有する外部圧縮吸気口を提供するこの発明によって、前述の要求が満たされ、他の利点が達成される。これらの目的に対し、この発明の好ましい実施例に従った超音速外部圧縮吸気口は、超音速自由流を拡散するための一般的にスコップ形の超音速圧縮部分を含む。超音速圧縮部分は、前縁および前縁の下流の喉部分を有する主壁と、主壁の対向する側端縁に接合される側部とを有することによって、一般的にスコップ形の構造を形成する。その側部は、主壁の前縁に付随する初期の斜めの衝撃波を包囲するために十分に遠くまで超音速フローストリームに延在することが有利である。主壁は一般的に回転面の扇形部分として形成される内表面を有し、この主壁の内表面が側部の内表面と共同して３次元外部圧縮面を定める。超音速外部圧縮吸気口はまた、超音速圧縮部分からの流れを受取ってその流れを亜音速状態に拡散するために配置される亜音速ディフューザ部分を含む。亜音速ディフューザ部分は閉ダクトとして成形されるカウルによって形成され、このカウルは主壁の喉部分から流れを横切る方向に間隔をおかれた前縁カウルリップを有することにより、超音速吸気口の喉はカウルおよび喉部分の間のカウルリップに近接して定められる。吸気口の３次元外部圧縮面は、外部の流れの回転を従来の２Ｄまたは線対称超音速吸気口に対して減少させることができ、したがって外部カウル角を減少できる。また、３次元圧縮面はフローストリームを完全に囲まないため、一意のスコップ形の超音速ディフューザ部分は流れを横切る方向におけるカウルの長さを従来のタイプのディフューザに対して減少させることができる。したがって、スコップ形のディフューザ部分における抵抗を従来の超音速ディフューザに対して減少できる。
【０００８】
この発明はまた、簡単な構造の可変ジオメトリ吸気口を含む。この発明の好ましい実施例に従うと、超音速圧縮部分の主壁は、その前端縁に関して旋回する可動外部ランプを含む。外部ランプの後部は主壁の喉部分を定める。すなわち、ランプを旋回して喉部分とカウルリップとの間の距離を変えることによって、喉の大きさを変えることができる。カウルはさらに喉の後に置かれる可動内部ランプを含むことが好ましい。内部ランプはその後端縁に関して旋回可能であり、かつ外部ランプの後端縁に近接する前端縁を有する。内部ランプは外部ランプと共同して旋回することにより、それらの間の平滑な流れ遷移を維持する。外部および内部ランプは簡単なヒンジプレートによって形成されることが有利である。所望であれば、外部および内部ランプは向かい合うところにおいて流れの方向にわずかに間隔をおかれることによって、境界層抽気のために用い得るスロットを生成してもよい。
【０００９】
この発明に従って、さまざまな構成の３次元外部圧縮面を用いてもよい。しかし、このような構成はすべてこの発明の設計法に従って、外部圧縮面が吸気口に対する上流捕捉領域の周に由来する流線によって適合する表面を含むように成形されることが好ましい。第１に、線対称設計が行なわれることにより、良好な全圧回復が得られる圧縮場を与える圧縮場を有する線対称圧縮面が定められる。次に、良好な圧力回復が得られる線対称圧縮場の部分が捕捉領域によって捕捉されるように吸気口捕捉領域の形が規定される。捕捉領域の周の部分は、超音速圧縮部分の前縁における線対称圧縮面の扇形部分によって定められる。線対称流溶体からの流線が、捕捉領域の周の近くに位置する複数の点から追跡される。これらの流線によって適合する表面によって吸気口に対する３次元外部圧縮面が定められる。
【００１０】
この発明の１つの実施例において、主壁の内表面は自由流方向に対して垂直に円弧形の断面を有し、前縁から喉への一定の円弧角を定める。超音速圧縮部分の側部は２つの実質的に平面の側壁を含み、そのそれぞれが主壁の対向する側端縁に接合され、かつその円弧内表面に関して一般的に放射状に延在することが有利であり、その側壁は主壁の前縁から亜音速ディフューザ部分のカウルリップまで延在してカウルリップに接合される。超音速圧縮部分はその排出端部において環形の部分として構成される流領域を定め、亜音速ディフューザ部分はその吸気口端部において超音速圧縮部分の排出端部の流領域に実質的に適合するよう構成される流領域を定め、亜音速ディフューザ部分の排出端部は実質的に円形の流領域を定めることが好ましい。亜音速ディフューザ部分は、その入口における環形部分流領域からその出口における円形の流領域への平滑な遷移を提供することが望ましい。
【００１１】
この発明の特に好ましい実施例に従うと、主壁の内表面は流れ方向に輪郭を定められることによってディフューザの前縁における初期の弱い斜めの衝撃波を生成し、その後喉における約１．３のマッハ数への等エントロピー圧縮を生成する。一連のマッハ線（実質的に強度がないためにそれを横切る圧力の損失が実質的に起こらない衝撃波）が内表面から放射する。内表面は、予め定められた流れ状態において初期の弱い衝撃波とマッハ線とが主壁の喉部分から流れを横切る方向に間隔をおかれた共通の焦点においてすべて交差するように設計される。カウルリップは実質的にその共通の焦点に置かれる。この設計は、亜音速ディフューザが外部で圧縮された流れのすべてまたはほぼすべてを捕捉することを確実にすることによって、吸気口の流出抵抗を最小化できる。
【００１２】
この発明はまた、有利な態様で航空機の翼に一体化される超音速外部圧縮吸気口を含む。局部翼面の形は、この発明の設計手順によって生成される超音速ディフューザ輪郭の一部またはすべてに適合するよう変更される。すなわち超音速ディフューザの壁はディフューザ面および局部翼面の両方として働く。このことにより、翼面とディフューザ面とが分離した部材である代替的な設計に対して浸水面領域が減少する。浸水面が減少することにより、吸気口／翼システムに対する表面摩擦抵抗が減少する。
【００１３】
よってこの発明は一意の超音速ディフューザと、こうしたディフューザを設計する方法とを提供し、フローストリームを完全に囲まないスコップ形の超音速圧縮部分によって線対称圧縮面のそれを実質的に２倍にする圧縮場を生成可能にする。したがって、線対称カウルに対して減少されるカウル浸水領域を考慮してカウル抵抗を減少できる。また、超音速圧縮部分のカウル長さが短いことから、ディフューザの重量が減少される。ディフューザの全圧回復は、ＣＦＤモデリングによって、同じ飛行マッハ数に対して設計される混合圧縮吸気口の風洞試験において得られる最高レベルに等しいことが予測される。このディフューザはまた、外部圧縮吸気口に典型的である良好な流れの安定性を提供することが予測される。
【００１４】
この発明の前述およびその他の目的、特徴および利点について、添付の図面に関連するその特定の好ましい実施例の以下の説明からより明らかになるであろう。
【００１５】
「図面の簡単な説明」
この発明について、この発明の好ましい実施例が示される添付の図面を参照しながら以下により詳細に説明する。しかしこの発明は多くの異なる形で実施されてもよく、ここに示される実施例に制限されると解釈されるべきではない。これらの実施例は、この開示を詳細かつ完全なものとし、当業者にこの発明の範囲を完全に示すために提供されるものである。全体にわたり類似の参照番号は類似の構成要素を示す。
【００１６】
この発明は、閉ダクト線対称ディフューザの線対称圧縮場を本質的に２倍にする超音速圧縮場を、フローストリームを部分的にのみ囲むダクトによって生成できるという概念に基づいている。このことは線対称流れ場によって定められる流線によって適合する３次元圧縮面を構成することによって達成される。この３次元圧縮面は一般的にスコップ形の面である。３次元圧縮面の輪郭を定めるための設計プロセスについて、図１−３の助けによって説明する。
【００１７】
図１は簡単な線対称超音速ディフューザ２０を示し、これは矢印２４によって示される自由流方向と角度∀を形成する円錐形の内表面２２を有する回転体として形成される。自由流はディフューザ２０の中心長手軸と平行である。したがって線対称の超音速圧縮場が生成され、それはディフューザの前縁２８において生じる初期の斜めの衝撃波２６を含む。圧縮場は末端衝撃３０を含み、それは典型的に垂直またはほぼ垂直であって、超音速流れ場を亜音速流れ場から分離する。ここではディフューザ２０が満足な圧力回復を与える所望の超音速圧縮場を生じるよう好適に設計されたと仮定する。この発明に従うと、非線対称ディフューザ構造と本質的に同じ圧縮場を生じる３次元圧縮面を設計することが望ましい。
【００１８】
図２は、こうしたディフューザ構造を定めるための設計プロセスの次のステップを例示する。ディフューザ２０の前縁２８における線対称流れ場の上に周３２を有する吸気口捕捉領域が重ねられる。捕捉領域は線対称圧縮面２２に含まれる流れのすべてよりも少なく包囲する。より特定的には、捕捉領域は、線対称圧縮場のうち良好な圧力回復を与える部分を捕捉するように構成される。以下にさらに説明するとおり、この発明のこの実施例における捕捉領域は、ディフューザの亜音速ディフューザ部分のカウルリップの突出を定める内部円弧部分を有する環形の部分として構成される。その周の外側の円弧部分はディフューザの超音速圧縮部分の前縁を定める。周３２は真直ぐな放射状の線部分によって対向側の円周方向において境界を示されている。捕捉領域の周３２の近くに複数の点が選択され、これらの点から始る流線が線対称ディフューザ２０に対する線対称流れ場溶体に基づいて下流に追跡される。この流線追跡手順の目的は、線対称流れ場の使用可能な部分、すなわち流れ場の良好な圧力回復を有する部分を包囲する非線対称ディフューザ構造の内部輪郭を定めることである。その内部輪郭の１つの表面は線対称ディフューザ２０の内表面２２の円弧部分によって定められ、それは周３２の外側円弧部分に沿って始る流線によって適合する表面として考えることができる。その目的は、周３２の放射状の直線部分に対応する側壁の内部輪郭を定めることである。この特定の場合における流線追跡手順は簡単である。なぜなら、線対称流れ場の流管の線対称形を考慮すると、放射状の線部分に沿った流線は下流に進行しても放射状の線の上にあり続けるためである。したがって流線によって適合する表面は放射状の面である。よって非線対称ディフューザの側壁は平面の放射状に配向される内表面を有する必要がある。側壁は、ディフューザの前縁２８に付随する初期の斜めの衝撃波２６を包囲するために十分に遠くまで超音速フローストリーム中に延在する必要がある。よって側壁の自由端縁は一般的に、線対称流れ溶体において定められる初期衝撃波２６の方向に実質的に対応する方向に沿って延在する必要がある。
【００１９】
図３に、この設計手順から得られる超音速圧縮構造を示し、これは超音速圧縮部分４０の切断した側面を示す。超音速圧縮部分４０は、図１の線対称ディフューザ２０の内表面２２に対応する内表面４４を有する主壁４２を含む。超音速圧縮部分４０はまた、１対の側壁４６（図３においては１つのみを示す）を含み、その内表面は平面でありかつ放射状に配向される。側壁４６の自由端縁４８は主壁４２の前縁５０からカウルリップ５２まで延在し、カウルリップ５２は、カウルリップ５２とカウルリップ５２に対向する主壁４２の喉部分との間に所望の大きさの喉５４を定めるように設けられる。以下にさらに説明するとおり、カウルリップ５２はディフューザの亜音速ディフューザ部分の一部を形成する。主壁４２および側壁４６の内表面は超音速圧縮部分４０の外部圧縮面を集合的に含む。
【００２０】
亜音速ディフューザによってすべての超音速圧縮流が捕捉されることを確実にするために、前述の設計手順が改良されることが好ましい。この改良は、主壁の前縁から弱い初期の斜めの衝撃波が生じ、その初期衝撃に続いて等エントロピー圧縮プロセスが起こることによってディフューザの喉まで実質的に付加的な全圧損失が起こらないようにする態様で主壁の内表面の輪郭を定めるステップを含む。さらに、初期衝撃および内表面から放射される一連のマッハ線（実質上強度がなく圧力損失のない衝撃と考えることができる）のすべてが焦点合せされることによって共通の焦点において交差するように、内表面の輪郭が定められる。これを図４に例示しており、これは超音速圧縮部分４０′の代替的な実施例を示す。内表面４２′は初期の弱い衝撃４３および一連のマッハ線４５を生成するように輪郭を定められ、それらすべては共通の焦点Ｐにおいて交差する。喉における通常の衝撃４７のすぐ前の流れのマッハ数が約１．３よりも大きくならないように圧縮プロセスを設計することが好ましい。好ましくは亜音速ディフューザ部分のカウルリップ５２′を実質的に焦点Ｐに置くことによって、初期衝撃４３および等エントロピー圧縮プロセスを通じて圧縮される本質的にすべての超音速流を亜音流ディフューザが捕捉するようにする。このカウルリップの設置は、亜音速ディフューザ部分の外側の超音速圧縮流の流出によって起こる抵抗の最小化を促進する。
【００２１】
図５は、この発明の１つの実施例に従った完全な超音速吸気口６０の斜視図を示す。吸気口６０は超音速ディフューザ部分６２および亜音速ディフューザ部分６４を含む。超音速ディフューザ部分６２は一般的に、主壁６６および１対の対向する側壁６８を有するスコップ形の構造である。前述のとおり、吸気口６０は環形部分として構成される捕捉領域を有する。側壁６８の内表面は平面であり、主壁６６の円弧形の内表面に関して放射状に配向される。側壁６８の外表面も平面で放射状であることにより、側壁６８は平らなプレート形構造を含むことが好ましい。前縁の厚みを減少させるために、側壁６８は各側壁の前縁において外表面に斜面７０を含むことが好ましい。環形部分の形の超音速ディフューザ部分６２は約７０°の円弧角を定めることが有利だが、異なる吸気口設計に対して超音速ディフューザ部分の円周範囲は変動することが認識されるだろう。超音速ディフューザ部分６２の７０°円弧角は前縁７２からカウルリップ７４まで一定であることが好ましい。亜音速ディフューザ部分６４は、環形部分として構成される流領域を有する部分６４の入口と、エンジンの円形の前面との接続のために円形の流領域を有する部分６４の出口との間の平滑な遷移を与えるために構成される。
【００２２】
この発明はまた、比較的簡単な可動構成要素によって可変ジオメトリ吸気口を製造することを可能にする。超音速吸気口設計の当業者に公知であるとおり、超音速巡航動作に対して望ましい吸気口喉の大きさは、低速動作に対して望ましいものよりも小さい。したがって、喉の大きさを変動させるために超音速吸気口に可動部材を与えることが一般的である。従来の線対称吸気口においては、喉の大きさを変動させるために、平行移動する中心本体または可変直径の中心本体などのしばしば比較的複雑な可動部材が用いられる。２Ｄ吸気口においては、超音速吸気口に対して折り畳めるヒンジランプ設計が提案されてきた。平行移動する中心本体の吸気口は、制限された操作性余地を有する傾向がある（すなわち、それらは設計点の動作条件においては受容可能な圧力回復および歪みレベルを提供するが、エンジンが設計から外れて動くときには圧力回復および歪みレベルが上昇するためにエンジンをどれぐらい設計から外して動作し得るかが著しく制限される）。それらはまた制限された遷音速の気流能力を有する傾向がある。可変直径の中心本体の吸気口は機械的に複雑になる傾向があり、メンテナンスおよび製作の問題を引起す。二次元吸気口は重くなる傾向があり、線対称設計よりも高い設置抵抗を有し得る。
【００２３】
この発明に従うと、ディフューザの喉の大きさを変えるために２つの簡単なヒンジランプを用いることができる。図６および図７にこの概念を組入れたこの発明の実施例を示しており、これは可変ジオメトリ吸気口８０の断面の側面図および正面図を示す。可変ジオメトリ吸気口８０は、主壁８４および側壁８５（明確にするため図６には示さない）によって形成される超音速圧縮部分８２を有する。主壁８４は、固定されて主壁の前縁を定める初期ランプ８６を含む。固定ランプ８６の後端縁は可動ランプ８８の前端縁に隣接する。可動ランプ８８は、ランプ８８の前端縁に位置しかつ自由流方向に対して横方向に延在するヒンジ軸９０のまわりを旋回可能である。図６において、ランプ８８は実線の超音速巡航位置および破線の低速位置の両方において示される。吸気口８０はまた、閉ダクトまたはカウル９４によって形成される亜音速ディフューザ部分９２を含む。亜音速ディフューザ部分９２はその吸気口端部において、超音速圧縮部分８２の排出端部の流領域と実質的に適合するよう構成される流領域を定める。カウル９４は可動ランプ９６を含み、その前端縁は外部ランプ８８の後端縁に近接する。ランプ９６はランプ９６の後端縁に位置するヒンジ軸９８のまわりを旋回可能であり、実線の超音速巡航位置および破線の低速位置の両方において示される。吸気口８０の喉の大きさは、ランプと対向するカウル９４の部分によって形成されるカウルリップ１００に関するランプ８８、９６の場所によって定められる。よって超音速巡航動作に対し、ランプ８８、９６は実線で示されるようにカウルリップ１００に対して最も近い位置に置かれる。低速動作のために喉の大きさを増加させることが望まれるとき、ランプ８８、９６は本質的に一斉にカウルリップ１００から離れる方向に動かされる。ランプ８８、９６は、液圧アクチュエータ、空気アクチュエータ、電気モータ、またはその類似物（図示せず）などによるあらゆる好適な態様で作動できる。外部ランプ８８の後端縁と内部ランプ９６の前端縁とは流れの方向に間隔をおかれることによってその間にスロット１０２を定めることが有利である。スロット１０２は喉における境界層流を抽気するために用い得る。
【００２４】
この発明はまた、超音速吸気口を有利な態様で翼と一体化できるようにする吸気口／翼システムを提供する。図８は、図６および図７の吸気口８０に対するこうした吸気口／翼システムを概略的に示す。翼１１０は吸気口８０を組入れることによって、ディフューザ８０の外部圧縮面の少なくとも一部が翼１１０の空気力学表面の一部を形成するように構成される。翼面の局部の形は、この発明の設計法によって生成されるディフューザ輪郭の一部またはすべてに適合するように変更される。この吸気口８０は２つの機能を行ない、局部翼面および吸気口に対する外部圧縮面の両方として働くため、この翼１１０への吸気口８０の組入れは特に低抵抗の組入れ手法であり得る。これによって吸気口／翼システムの浸水面領域を最小化でき、それによってシステムの表面摩擦抵抗を減少できる。
【００２５】
前述の超音速ディフューザおよび吸気口は、側壁が平面である環形部分として厳密に形成される捕捉領域を有する。しかしこの発明はいかなる特定の捕捉領域構成にも制限されない。実際には、この発明の設計法はあらゆる任意に選択される捕捉領域構成に適用できる。この発明の方法は、捕捉領域断面形を最小限の設置抵抗またはその他の設計目的に対して最適化できる。たとえば、吸気口はこの発明に従って円形、長円形、またはその他のあらゆる所望の形の捕捉領域形を有するよう設計できる。図９は吸気口８０′に適用される設計法の例を示し、この吸気口は、一般的に環形部分として形成されるがその側壁８５′が丸くされかつカウルリップ１００′と円滑に融合している捕捉領域を有する。
【００２６】
図１０は、その上に円形の捕捉領域１２０が重ねられる線対称の流れ場に適用される際の、この発明の流線追跡手順を示す。流線１２２を追跡するために線対称の流れ場が分析される。捕捉領域１２０の周を通過する流線を用いて表面を適合させる。この表面はこの発明に従った超音速ディフューザに対する外部圧縮面になる。その結果得られる吸気口１３０を図１１および図１２に示す。吸気口１３０は、主壁１３４および対向する側壁１３５によって形成される超音速圧縮部分１３２を含む。主壁１３４および側壁１３５の内表面は、図１０と同様にして追跡された流線によって表面を適合させることによって定められる外部圧縮面を集合的に形成する。側壁１３５は、主壁の前縁１３８からカウルリップ１４０へと延在する自由端縁または前縁１３６を有する。側壁の前縁１３６は、側壁１３５のカウルリップ１４０との平滑な融合を促進するためにわずかに前方に曲げられる。吸気口１３０は巡航（実線）および低速（破線）位置の両方において示される可動外部ランプ１４２を含み、これは超音速圧縮部分１３２の内表面の一部を形成する。ディフューザ１３０はまた、閉ダクトまたはカウル１４６によって形成される亜音速ディフューザ部分１４４を含む。この亜音速ディフューザ部分は、巡航（実線）および低速（破線）位置の両方において示される可動内部ランプ１４８を含む。
【００２７】
前述より、この発明は一意の超音速ディフューザまたは吸気口およびそれを設計する方法を提供することが認識されるであろう。この発明に従って設計されたディフューザの計算流体力学（ＣＦＤ）分析は、このディフューザが同じ飛行マッハ数に対して設計された従来の混合圧縮吸気口の風洞試験において得られる最高レベルに等しい圧力回復に対するポテンシャルを有することを示す。この発明のディフューザはまた、外部抵抗および重量を従来の吸気口に対して減少させることを可能にする。従来の外部圧縮吸気口の良好な流れ安定性の特性を保持しながらこれらの利点が可能である。この発明に従って設計される吸気口は、超音速または極超音速航空機またはミサイルを含むさまざまな適用に用い得る。また、この発明の流線追跡設計法は、短くかつ低重量のノズルを提供するための排気ノズル空気力学表面の設計にも適用し得ることが当業者に認識されるであろう。
【００２８】
前述の説明および添付の図面において提供される教示の利益を有するこの発明の属する技術分野の当業者には、この発明の多くの変更形およびその他の実施例が考えられるであろう。したがって、この発明は開示される特定の実施例に制限されるものではなく、変更形およびその他の実施例は添付の請求項の範囲に含まれることが意図されることが理解されるべきである。ここでは特定の用語を用いたが、それらは一般的かつ説明的意味においてのみ用いられるものであって、制限する目的のためではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に従った設計手順の第１のステップを例示するための、簡単な円錐形構成の線対称超音速ディフューザの断面を示す側面図である。
【図２】  環形部分の形の吸気口捕捉領域を重ねられた、図１の線対称ディフューザの前面図である。
【図３】  図２に示される吸気口捕捉領域の周の近くの点において始る流線を追跡するステップと、それらの流線によって表面を適合させるステップとによって製造される、この発明の１つの実施例に従ったディフューザの超音速圧縮部分の断面を示す側面図である。
【図４】  図３と類似の図だが、超音速圧縮部分の代替的な実施例を示す図であり、ここでは圧縮面を改善することによって初期の斜めの衝撃および一連のマッハ線がすべて共通の焦点で焦点合せされる等エントロピー圧縮を生成し、亜音速ディフューザのカウルリップは実質的にこの共通の焦点に置かれる。
【図５】  この発明の実施例に従ったディフューザの斜視図である。
【図６】  この発明の好ましい実施例に従った可変ジオメトリ超音速外部圧縮ディフューザの断面を示す側面図である。
【図７】  図６のディフューザの前面図であり、図６よりも拡大して示す。
【図８】  この発明の別の実施例に従った、翼面に一体化されるディフューザを示す前面図である。
【図９】  一般的に環形部分として構成されるが丸くされた側壁およびカウルリップを有する捕捉領域を有する、この発明のさらに別の実施例に従ったディフューザを示す前面図である。
【図１０】  円形の捕捉領域に対する流線追跡手順を示す、線対称超音速ディフューザの断面を示す側面図である。
【図１１】  円形の捕捉領域に適用される際のこの発明を例示する、図１０の流線追跡手順によって製造されるディフューザの断面を示す側面図である。
【図１２】  図１１のディフューザの前面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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