(57)【要約】      （修正有）【課題】極超音速輸送体のためのエアブリージングエンジン（ａｉｒ‐ｂｒｅａｔｈｉｎｇ  ｅｎｇｉｎｅ）及び吸気流量制限器（ｉｎｌｅｔ  ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）を提供する。【解決手段】極超音速輸送体１０は、本体、操縦翼面、及び極超音速エアブリージングエンジンを有する。エンジンは、第１の断面積を有する固定されたカウリング１１０、及び第２の断面積を有するスロート１２０を有する、収縮ノズル１００を含む。流量制限器２００は、収容位置と完全に展開された位置との間で可動である。流量制限器２００は、第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、それによって、流量制限器２００が完全に展開された位置にあるときに、流量制限器２００の周縁部とカウリング１１０の内側表面との間に一定の隙間が形成され、第１の断面積と第３の断面積との間の差異が、第２の断面積とほぼ等しい。【選択図】図６
2017061294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体（２０）、
前記本体（２０）に関連付けられた少なくとも１つの操縦翼面（３０）、及び
前記本体（２０）に関連付けられた極超音速エアブリージングエンジン（４０）を備え、前記エンジンが、
第１の断面積を有する固定されたカウリング（１１０）、及び前記カウリング（１１０）と流体連通し且つ前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロート（１２０）を有する、収縮インレット（１００）、並びに
前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、収容位置と完全に展開された位置との間で可動な、流量制限器（２００）を備え、
前記流量制限器（２００）が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記流量制限器（２００）の周縁部（２２０）と前記カウリング（１１０）の内側表面（１１４）との間に一定の隙間（２１０）が形成され、
前記カウリング（１１０）の前記第１の断面積と前記流量制限器（２００）の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロート（１２０）の前記第２の断面積とほぼ等しい、極超音速輸送体（１０）。
【請求項２】
前記流量制限器（２００）が、前記収容位置にあるときに、前記インレットの中へ入る気流を妨げず、前記流量制限器（２００）が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記気流の一部分を前記インレットの外側へ逸らす、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項３】
前記固定されたカウリング（１１０）が曲線状である、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項４】
前記インレット（１００）が、前記インレット（１００）の壁部（１１２）内に形成された等角制限器凹部（１３０）を更に備え、
前記流量制限器（２００）が、前記収容位置にあるときに、前記等角制限器凹部（１３０）内に収容され、
前記流量制限器（２００）が、前記流量制限器（２００）の前記周縁部（２２０）と前記インレットの前記壁部（１１２）との間で延在する、少なくとも１つのアーム（２３０）を更に備え、
前記少なくとも１つのアーム（２３０）が回転の軸（Ｂ）を含み、前記流量制限器（２００）が、前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記回転の軸（Ｂ）の周りを回転する、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの操縦翼面（３０）が、前記本体（２０）に連結されている、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの操縦翼面（３０）が、前記本体（２０）と一体的に統合されている、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項７】
前記エンジン（４０）が、前記本体（２０）内に配置されている、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項８】
前記エンジン（４０）が、前記本体（２０）に連結されている、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項９】
前記流量制限器（２００）が前記完全に展開された位置にあり、且つ、気流が前記エンジンの作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器（２００）が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、請求項１に記載の極超音速輸送体（１０）。
【請求項１０】
極超音速輸送体（１０）のためのエアブリージングエンジン（４０）であって、
固定されたカウリング（１１０）、及び前記カウリングと流体連通するスロート（１２０）を有する、収縮インレット（１００）、及び
収容位置と完全に展開された位置との間で可動な流量制限器（２００）を備え、
前記流量制限器（２００）が前記完全に展開された位置にあるときに、前記インレット（１００）がほぼ１対１の内部収縮比を有するように、前記流量制限器（２００）の周縁部（２２０）と前記カウリング（１１０）の内側表面（１１４）との間に一定の隙間（２１０）が形成される、エンジン（４０）。
【請求項１１】
前記流量制限器（２００）が、前記収容位置にあるときに、前記インレット（１００）の中へ入る気流を妨げず、前記流量制限器（２００）が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記気流の第１の部分を前記インレット（１００）の外側へ逸らし、前記気流の第２の部分が前記インレット（１００）の中へ流れることを可能にする、請求項１０に記載のエンジン（４０）。
【請求項１２】
前記固定されたカウリング（１１０）が曲線状である、請求項１０に記載のエンジン（４０）。
【請求項１３】
前記カウリング（１１０）が、第１の断面積を有し、
前記スロート（１２０）が、前記カウリング（１１０）の前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有し、
前記流量制限器（２００）が、前記カウリング（１１０）の前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、
前記カウリング（１１０）の前記第１の断面積と前記流量制限器（２００）の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロート（１２０）の前記第２の断面積とほぼ等しい、請求項１０に記載のエンジン（４０）。
【請求項１４】
前記スロート（１２０）が第２の断面積を有し、前記隙間（２１０）が、前記スロート（１２０）の前記第２の断面積とほぼ等しい第４の断面積を画定する、請求項１０に記載のエンジン（４０）。
【請求項１５】
前記インレット（１００）が、前記インレット（１００）の壁部（１１２）内に形成された等角制限器凹部（１３０）を更に備え、
前記流量制限器（２００）が、前記収容位置にあるときに、前記等角制限器凹部（１３０）内に収容され、
前記流量制限器（２００）が、前記流量制限器（２００）の前記周縁部（２２０）と前記インレット（１００）の前記壁部（１１２）との間で延在する、少なくとも１つのアーム（２３０）を更に備え、
前記少なくとも１つのアーム（２３０）が回転の軸（Ｂ）を含み、前記流量制限器（２００）が、前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記回転の軸（Ｂ）の周りを回転し、
前記流量制限器（２００）が前記完全に展開された位置にあり、且つ、前記エンジン（４０）の中へ入る気流が前記エンジン（４０）の作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器（２００）が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、請求項１０に記載のエンジン（４０）。
【請求項１６】
極超音速エアブリージングエンジン（４０）内でインレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる方法であって、
第１の断面積を有する固定されたカウリング（１１０）、及び前記カウリング（１１０）と流体連通し且つ前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロート（１２０）を有する、収縮インレット（１００）を提供するステップ、並びに
前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有する流量制限器（２００）を、収容位置から完全に展開された位置へ移動させるステップであって、前記流量制限器（２００）が、前記完全に展開された位置にあるときに、気流の一部分を前記インレット（１００）の外側へ逸らす、移動させるステップを含み、
前記流量制限器（２００）の周縁部（２２０）と前記カウリング（１１０）の内側表面（１１４）との間に一定の隙間（２１０）が形成され、
前記カウリング（１１０）の前記第１の断面積と前記流量制限器（２００）の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロート（１２０）の前記第２の断面積とほぼ等しい、方法。
【請求項１７】
前記固定されたカウリング（１１０）が曲線状である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記インレット（１００）の壁部（１１２）内に形成された等角制限器凹部（１３０）を提供するステップ、
前記収容位置にあるときに、前記流量制限器（２００）を、前記等角制限器凹部（１３０）内に収容するステップ、
前記流量制限器（２００）の前記周縁部（２２０）と前記インレット（１００）の前記壁部（１１２）との間で延在する、少なくとも１つのアーム（２３０）を提供するステップであって、前記少なくとも１つのアーム（２３０）が回転の軸（Ｂ）を含む、提供するステップ、及び
前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記流量制限器（２００）を前記回転の軸（Ｂ）周りに回転させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記流量制限器（２００）が前記完全に展開された位置にあり、且つ、前記気流が前記エンジン（４０）の作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器（２００）が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極超音速輸送体に関し、特に、極超音速輸送体のためのエアブリージングエンジン（ａｉｒ‐ｂｒｅａｔｈｉｎｇ  ｅｎｇｉｎｅ）及び吸気流量制限器（ｉｎｌｅｔ  ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
極超音速輸送体は、極超音速のスピードで移動することができる、航空機、ミサイル、宇宙往還機、飛行機、ドローンなどの輸送体である。本明細書で使用されるように、極超音速はマッハ５より上のスピードと考えられ、超音速はマッハ１より上のスピードと考えられ、亜音速はマッハ１より下のスピードと考えられる。
【０００３】
極超音速輸送体は、推進の手段として、スクラムジェットエンジンなどの、あるタイプのエアブリージング極超音速エンジンを使用し得る。スクラムジェットエンジンは、超音速の気流内で燃焼が行われるエアブリージングエンジンである。スクラムジェットエンジンは、輸送体のスピードを頼りに、燃焼の前に流入空気を力強く圧縮し、エンジン全体を通して空気を超音速のスピードに維持する。エンジン全体を通して空気を超音速のスピードに維持することは、スクラムジェットが極端に速いスピードで効率的に作動することを可能にする。
【０００４】
典型的なスクラムジェットエンジンは、３つの基本的な構成要素から成る。すなわち、流入空気を圧縮する収縮インレット、燃料が大気中の酸素を伴って燃焼され、熱を生み出し且つ結果として燃焼生成ガスの圧力を増加させる燃焼器、及び高温排気ガスが加速され、推力を生み出す拡大ノズルである。ターボジェット又はターボファンエンジンなどの、典型的なジェットエンジンとは異なり、スクラムジェットエンジンは、空気を圧縮するために回転するファンのような構成要素を使用しない。代わりに、輸送体のスピードが、空気をインレット内で圧縮する原因となる。したがって、従来の燃焼エンジンを超える１つの利点は、圧縮機のブレード又は可動部品が存在しないということである。しかしながら、スクラムジェットエンジンには機械的な圧縮機がないので、これらの極超音速エンジンは、流入空気を作動状態まで圧縮するために、極超音速流の高い運動エネルギーを必要とする。したがって、スクラムジェットエンジンによって推進される極超音速輸送体は、ターボジェット、ロケットエンジン、ライトガスガン（ｌｉｇｈｔ  ｇａｓ  ｇｕｎ）、レールガン（ｒａｉｌ  ｇｕｎ）などの、幾つかの他の手段によって、必要な速度（通常は約マッハ４）まで、すなわち、スクラムジェットエンジンが点火され得るスピードまで、加速されなければならない。
【０００５】
加速されている間の極超音速輸送体のスピードは低過ぎるため、極超音速エンジンのインレットは、入ってくる全ての気流を吸い込むことができない。所与の超音速のスピード、圧力、温度、及び迎え角でインレットに近付いてくる流れの全てが、インレットを通過することができないとすれば、強い衝撃波システムがインレットの前に生成し、流れのスピードが低減され、入ってくる気流の一部をインレットの外側へ取りこぼす。このことは、大きなインレット抵抗を生み出す。強い衝撃波は、壁における気流の境界層を剥離させ、「インレットバズ（ｉｎｌｅｔ  ｂｕｚｚ）」と呼ばれる極めて不安定で且つ騒音を伴う、インレット流れの挙動をも生み出す。デュアルストリーム（ｄｕａｌ‐ｓｔｒｅａｍ）、ローブーム（ｌｏｗ‐ｂｏｏｍ）の超音速インレット内の「インレットバズ」の数値流体力学及び実際の試験の結果を使用した「インレットバズ」に関する予測の解析が、米国航空宇宙局、ＮＡＳＡ／ＴＭ‐２０１２‐２１７６１２、Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｂｕｚｚ  ｉｎ  ａ  Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ  Ｉｎｌｅｔ（２０１２）の中で見られる。インレット作動のこの状態は、一般的に、「アンスタート（ｕｎｓｔａｒｔ）」と呼ばれる。「アンスタート」プロセスの詳細な説明及び解析は、Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂｒｉｅｆｓ２０１０、ｐｇｓ．９３〜１０３、Ａ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｓｔａｒｔ  Ｅｖｅｎｔ  ｉｎ  ａｎ  Ｉｎｌｅｔ／Ｉｓｏｌａｔｏｒ  Ｍｏｄｅｌ（２０１０）の中で見られる。更に、「アンスタート」プロセスでの境界層の影響の詳細な研究が、１７ｔｈ  ＡＩＡＡ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐａｃｅ  Ｐｌａｎｅｓ  ａｎｄ  Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＡＩＡＡ２０１１‐２３４９、Ｔｈｅ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｌａｙｅｒｓ  ｏｎ  Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ  Ｉｎｌｅｔ  Ｕｎｓｔａｒｔ（２０１１）の中で見られる。インレットバズによって生み出される非常に高い音の振動荷重は、輸送体の構造、搭載システム、及び／又は輸送体の安定性及び制御に対して有害であり、悪影響を緩和するために潜在的に厄介な設計の解決法を必要とする。極超音速輸送体が減速するときに、同じ問題が生じ、それは例えば、ミサイルのための影響を目的として下降する際である。
【０００６】
極超音速エンジンのインレットが２Ｄインレット又は３Ｄインレットであるかどうかに応じて、インレットバズ及びアンスタートの悪影響を避けるための、一般的に採用される様々な手段が存在する。図１２で示され且つ概して３００として指定されるものなどの、２Ｄインレットエンジンは、矩形状のインレット３１０を有し、全ての壁３２０はｘ‐ｙ平面内で直線状である。これらの２Ｄインレットエンジン３００は、可変形状インレットを採用し、輸送体がより低いスピードで移動しているときに、一般的に収縮比と呼ばれるインレットの面積比を低減させることによって、インレットのアンスタートを妨げることができる。対照的に、３Ｄインレットエンジンは、湾曲したインレットを有し、壁は曲線状であり且つ複雑な湾曲を有し得る。これらのインレットは、インレットの圧縮効率において利点を提供し、円形状の又は楕円形状の断面を有する燃焼器と相性が良く、それらは、矩形状の断面を有する燃焼器よりも構造的に効率的である。
【０００７】
２Ｄインレットエンジンに対して、インレットバズ及びアンスタートを避ける１つの現在の手段は、エンジンを始動する準備ができるまで、回転するカウルフラップ（ｃｏｗｌ  ｆｌａｐ）を用いてインレットを機械的に閉じることであり、エンジンを始動する準備ができたときに、インレットフラップは回転して開かれる。回転するカウルフラップは、インレットを完全に閉じることができ、又はそれを部分的に開くことができ、それによってアンスタートを妨げる。インレットバズ及びアンスタートを避ける別の１つの潜在的な手段は、気流を輸送体の低圧領域の中へ排気する別のチャネルの中へ、入ってくる気流の一部分を迂回させる、インレット内のバイパスドアを使用することである。これは、インレットのスロート面積を効率的に増加させ、インレットの内部収縮比を低減させる。高いインレットの内部収縮比がインレットアンスタートの根本原因である一方で、高いインレットの収縮比は、高い輸送体のスピードにおいて高いエンジン性能を達成するために必要とされる。したがって、低い内部収縮比の２Ｄインレットでカウルフラップ又は内部バイパスドアを使用するとすれば、この設計の解決法は、機械的に複雑であり且つインレット重量を増加させる。しかしながら、カウルフラップを回転させることは、表面の湾曲のために、３Ｄインレットにしっかりと組み込ませることができず、バイパスドアの機械的な問題は、３Ｄインレットエンジンにとって難題である。
【０００８】
全体の輸送体の性能を増加させ得る３Ｄインレットエンジンに対して、航空機の加速及び減速の両方の間に、インレットアンスタート及びバズの悪影響を妨げるための代替的な手段が必要である。３Ｄインレットエンジンのための１つの現在の手段は、極超音速エンジンを始動させる直前に輸送体から放出される（ｅｊｅｃｔｅｄ）フェアリング又はシュラウドを用いて、インレットを覆うことである。しかしながら、一旦、フェアリング又はシュラウドが放出されると、輸送体が減速するときに、極超音速エンジンを保護するものは何もない。
【０００９】
したがって、２Ｄ及び３Ｄのエンジンインレットにおいて、特に、３Ｄエンジンインレットの高い収縮比を維持し、且つ、極超音速輸送体の加速及び減速の両方の間に使用され得る、３Ｄエンジンインレットにおいて、インレットバズ及びアンスタートを避けるための効率的な手段が必要である。
【発明の概要】
【００１０】
本発明の一実施形態では、極超音速輸送体が、本体、本体に関連付けられた少なくとも１つの操縦翼面、及び本体に関連付けられた極超音速エアブリージングエンジンを備える。エンジンは、収縮インレット及び流量制限器を備える。収縮インレットは、第１の断面積を有する固定されたカウリング、及びカウリングと流体連通し、且つ、第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロートを有する。流量制限器は、収容位置と完全に展開された位置との間で可動である。流量制限器は、カウリングの第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、それによって、流量制限器が完全に展開された位置にあるときに、流量制限器の周縁部とカウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成され、カウリングの第１の断面積と流量制限器の第３の断面積との間の差異が、スロートの第２の断面積とほぼ等しい。
【００１１】
本発明の別の一実施形態では、極超音速輸送体のためのエアブリージングエンジンが、収縮インレット及び流量制限器を備える。収縮インレットは、固定されたカウリング及びカウリングと流体連通するスロートを有する。流量制限器は、収容位置と完全に展開された位置との間で可動である。流量制限器の周縁部とカウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成され、それによって、流量制限器が完全に展開された位置にあるときに、インレットがほぼ１対１の内部収縮比を有する。
【００１２】
本発明の更に別の一実施形態では、極超音速エアブリージングエンジン内のインレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる方法が、第１の断面積を有する固定されたカウリング及びカウリングと流体連通し且つ第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロートを有する、収縮インレットを提供するステップ、並びに収容位置から完全に展開された位置へ流量制限器を移動させるステップであって、完全に展開された位置では、流量制限器が気流の一部分をインレットの外側へ逸らす、移動させるステップを含み、流量制限器が、カウリングの第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、それによって、流量制限器の周縁部とカウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成され、カウリングの第１の断面積と流量制限器の第３の断面積との間の差異が、スロートの第２の断面積とほぼ等しい。
【００１３】
上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において独立に実現することが可能であり、また別の実施形態において組み合わせることも可能である。これらの実施形態について、以下の説明及び添付図面を参照して更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】インレット流量制限器を有する１つの例示的な極超音速輸送体の底面斜視図である。
【図２】完全に展開された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の前面図である。
【図３】完全に収容された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の前面図である。
【図４】完全に展開された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の後面図である。
【図５】完全に収容された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の側面断面図である。
【図６】部分的に展開された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の側面断面図である。
【図７】完全に展開された位置にあるインレット流量制限器を有する、図１の極超音速輸送体の側面断面図である。
【図８】極超音速輸送体を通る気流を示す流線を伴った、図５の側面断面図である。
【図９】極超音速輸送体を通る気流及びインレット流量制限器の周りの気流を示す流線を伴った、図７の側面断面図である。
【図１０】完全に展開された位置にあるインレット流量制限器を伴った、極超音速輸送体のための１つの例示的な３Ｄインレットの側面図である。
【図１１】図１０の３Ｄインレットの前面図である。
【図１２】極超音速輸送体のための２Ｄインレットの底面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書で説明される一実施例は、例えば、極超音速エンジンの始動前の加速又は輸送体の減速の間に、亜音速及び超音速のスピードで、調整可能な流量の制御を可能にする極超音速輸送体の極超音速エアブリージングエンジンにおいて使用される調整可能なインレットを提供する。これは、インレットバズ及びアンスタートを妨げ又は緩和させることができ、最適化された高い内部収縮比の高度に湾曲した３Ｄインレットの使用を可能にする。
【００１６】
この実施例では、展開可能な流量制限器が、インレットによって吸い込まれる気流の量を制限する収縮インレットの固定されたカウリング、例えば、曲線状の固定されたカウリングの前に配置され、気流のスピードがエンジンの作動限界よりも低いときに、インレットバズ及びアンスタートを妨げることができる。展開されたときに、流量制限器は、インレット気流の大部分をインレットの周りに逸らし、インレット気流のわずかな部分が、インレットによって吸い込まれ且つ超音速のスピードでインレットのスロートを通過することを可能にする。作動速度で完全に展開されたときに、流量制限器は、超音速境界層の運動量厚さのうちの一部分をすくい取り（ｓｋｉｍ）又は剥ぎ取って（ｐｅｅｌ  ｏｆｆ）境界層剥離を妨げ、したがってアンスタートを妨げることができる。一部分の量は、インレットの設計及び意図された作動極超音速環境に応じて決定され、それが今度は、インレットがアンスタートをもたらす効果を緩和させることを可能にする、最適な隙間又は隙間間隔を規定する。亜音速及び超音速のスピードでインレットによって吸い込まれるインレット気流の量を低減させることは、流入空気が、インレットのスロートで音速（マッハ１のスピード）になることがないように、インレット内で収縮されることを避け又は最小限に収縮されることを可能にする。流量制限器は、インレットの構造が連続的であり且つ中断されないことを可能にし、したがって、高いインレット圧力を抑える強度及び能力を保持する。更に、流量制限器は、その中心から作動され、さもなければフラップがそれに対して反作用を提供しなければならない、カンチレバー荷重（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ｌｏａｄ）を除去することができる。
【００１７】
図１〜図４を参照すると、極超音速輸送体１０の一実施例は、本体２０、及び本体２０に関連付けられた少なくとも１つの操縦翼面３０を有する。操縦翼面３０は、翼のエレボン、テール、エレベータ、フラップ、又は飛行中に極超音速輸送体１０を制御することができる任意の他のタイプの操縦翼面であり、本体２０と連結され又は一体的に統合され得る。極超音速エアブリージングエンジン４０も、本体２０に関連付けられ、本体２０と連結され又は一体的に統合され且つ本体２０内に配置され得る。
【００１８】
図５〜図１１を参照すると、極超音速輸送体１０の極超音速エアブリージングエンジン４０の部分として使用され得る、収縮インレット１００及び流量制限器２００の一実施例が示されている。示されている実施例では、収縮インレット１００が、曲線状の固定されたカウリング１１０及びスロート１２０を有する３Ｄインレットである。例示的な収縮インレット１００は３Ｄインレットであるが、同様に、本発明は２Ｄインレットとも併せて使用され得ることが理解される。カウリング１１０は、曲線形状を有し且つ非常に複雑な湾曲を有し得る１以上の壁部１１２を有する。図５で見ることができるように、壁部１１２の曲線形状は、極超音速流れを吸い込むためにカウリング１１０を最適化し、カウリング１１０の内側表面１１４内において、インレット１００の長手方向の軸Ａに垂直にとられた、第１の断面積を画定する。例えば、１０〜１５フィートの長さを有する極超音速輸送体は、０．６〜１．３平方フィートの断面積を有するカウリングを有し、３０〜５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、５．１〜１４．０平方フィートの断面積を有するカウリングを有し、１００〜１５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、５６．０〜１２６．０平方フィートの断面積を有するカウリングを有し得る。スロート１２０は、カウリング１１０と流体連通し、気流がエンジン４０の燃焼部分に入るのに先立って、カウリング１１０を通って入る気流を圧縮する。カウリング１１０を通ってインレット１００に入る気流を圧縮するために、スロート１２０は、カウリング１１０の第１の断面積よりも小さい、長手方向の軸Ａに垂直にとられた第２の断面積を画定する。例えば、１０〜１５フィートの長さを有する極超音速輸送体は、０．１〜０．２平方フィートの断面積を有するスロートを有し、３００〜５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、０．７〜２．１平方フィートの断面積を有するスロートを有し、１００〜１５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、８．２〜１８．５平方フィートの断面積を有するスロートを有し得る。
【００１９】
図８の流線によって見られ得るように、作動において、気流は、カウリング１１０を通ってインレット１００に入り、曲線状の壁部１１２は、気流をスロート１２０へ向かわせる。壁部１１２は、気流を、超音速のスピード未満まで遅くすることなしに圧縮し、燃焼器又は燃焼チャンバへと気流を向かわせ、そこで、燃料が圧縮された気流と混合され、熱を生み出し、空気圧力を更に増加させる。加熱された高圧空気は、その後、エンジン４０の拡大ノズルによって加速され、推力を生み出す。
【００２０】
上述されたように、極超音速輸送体１０が特定の閾値未満の超音速で移動するときに、極超音速エンジンのインレット１００は、入ってくる気流の全てを吸い込むことができず、インレット１００の前で強い衝撃波システムが形成され、気流を輸送体の壁部から剥離させ、インレットバズ及びアンスタートの状態を生成し得る。起きる可能性があるインレットバズ及びアンスタートの状態を妨げ又は最小化するために、例示的なエンジン４０は、収容位置すなわち後退位置（図３、図５、及び図８参照）と、部分的に展開した位置（図６参照）と、完全に展開した位置（図１、図２、図４、図７、及び図９〜図１１参照）との間で可動な、流量制限器２００を含み得る。
【００２１】
特に図５及び図１０を参照すると、収容位置すなわち後退位置では、流量制限器２００は、インレット１００の壁部１１２のうちの１つ内に形成された、等角制限器凹部（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ  ｒｅｃｅｓｓ）１３０内に収容され得る。等角制限器凹部１３０は、凹部１３０内の流量制限器２００及び流量制限器２００のネスト（ｎｅｓｔ）と同じ形状を有し、それによって、図８の流線ＳＬによって示されるように、収容位置にある制限器２００はインレットの中へ入る気流を妨げない。インレット１００の壁部１１２内に凹部１３０を生成することによって、インレット１００の構造は、連続的且つ優れた圧力バリアを保持する。
【００２２】
図６を参照すると、流量制限器は、望ましければ、部分的に展開された位置にも配置され、それは、インレット１００の中へ向けられた気流の量を低減させるために使用され得る。
【００２３】
図７及び図９〜図１１を参照すると、示されている実施例において、長手方向の軸Ａからおよそ３０度である完全に展開された位置で、インレット１００に接近する気流の第１の部分が、流量制限器２００に衝突し、そのことは、図９の流線によって示されるように、気流の第１の部分をインレットの外側へ滑らかに逸らす。流量制限器２００によって、気流をインレット１００の外側へこのように滑らかに逸らすことは、インレット１００の前で強い衝撃波が蓄積されることを妨げ、それは、流量制限器が完全に展開された状態で、且つ、気流がインレットが始動できるよりも下のスピードであるときに、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる。
【００２４】
更に、図１１で最も良く見られ得るように、完全に展開された位置で、流量制限器２００は、長手方向の軸Ａに垂直にとられた第３の断面積を有し、それは、カウリング１１０の第１の断面積よりも小さく、それによって、流量制限器２００の周縁部２２０とカウリング１１０の内側表面１１４との間の流量制限器の周りに一定の隙間２１０が形成され、それは、図９の流線ＳＬ（部分）によって示されるように、気流の第２の部分が、流量制限器２００によって逸らされることなく、インレット１００の中へ流れることを可能にする。例えば、１０〜１５フィートの長さを有する極超音速輸送体は、約０．３〜０．５インチの隙間を有し、３０〜５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、約１．０〜１．６インチの隙間を有し、１００〜１５０フィートの長さを有する極超音速輸送体は、約３．２〜４．８インチの隙間を有し得る。示される実施例では、カウリング１１０の第１の断面積と流量制限器２００の第３の断面積との間の差異が、スロート１２０の第２の断面積とほぼ等しい。これは、流量制限器が完全に展開された位置にあるときに、ほぼ１対１の内部収縮比を提供し、それは、インレット１００の中を通って流れることが可能な気流が、圧縮されず、又は最小限に圧縮され、内部気流の圧縮を原因として、超音速飛行の場合に超音速のスピード未満まで遅くなることがなく、亜音速飛行の場合に音速のスピードまで加速されることがない。流量制限器２００とカウリング１１０の内側表面１１４との間の隙間２１０は、境界層が、流量制限器２００によって生成された境界層抵抗による流れの剥離を妨げるように、流量制限器２００の下を通ることを可能にし、それは、結果としての内部収縮比が、バズ及びアンスタートの状態をも妨げるために十分に低くなることをもたらすように、望ましいように調整されることができる。
【００２５】
流量制限器２００の形状を設計するための一方法は、流量制限器２００を完全に展開された位置へ配置する角度、例えば、３０度だけ、カウリング１１０の内側表面１１４の一部分を回転させることである。長手方向の軸Ａに垂直にとられたカウリングの第１の断面積の境界は、その後、前頭面（ｆｒｏｎｔａｌ  ｐｌａｎｅ）の中へ投影され、隙間２１０だけ内向きにオフセットされ、流量制限器２００の輪郭を生成する。
【００２６】
当業者によって理解されるように、以下の式は、境界層、したがって、流量制限器及び隙間の最適なサイズを決定するために使用され得る。これらの式は、層流及び乱流に対する境界層の一般的な解析を可能にすることによって、流量制限器２００及び隙間２１０の大まかなサイズ決定を可能にし、これらの「平板（ｆｌａｔ  ｐｌａｔｅ）」関係は、平板であることが企図されなかった、計画された流量制限器の望ましい構造的構成に採用されなければならない。関連する空気力学的な技術におけるそれらの知識は、計算流体力学の解析の組み合わせが、より用途に注目した境界層の解析、並びに結果としての流量制限器２００及び隙間２１０の構成を生み出すために適用され得ることを認識している。
【００２７】
層流
2017061294.tif 000003
ここで、
2017061294.tif 000004
【００２８】
乱流
2017061294.tif 000005
ここで、
2017061294.tif 000006
【００２９】
シンボル
δ＝境界層厚さ
δ＊＝境界層排除厚さ
θ＝境界層運動量厚さ
ν＝流れ速度
ρ＝流れ密度
χ＝前縁からの距離
μ＝ガス密度
Ｒｅ＝レイノルズ数
上方添え字＊＝基準量
下方添え字
ｅ＝端部値
ｉ＝非圧縮性
ｃ＝圧縮性
【００３０】
収容位置と、部分的に展開された位置と、完全に展開された位置との間で流量制限器２００を移動させるために、流量制限器２００は、流量制限器２００の周縁部２２０から、周縁部２２０と壁部１１２との間で、延在する一組のアーム２３０を有する。示された実施例は２つのアーム２３０を含むが、特定の設計要件に従って任意の数のアームが使用され得る。アーム２３０は、ヒンジピン、複数の個別のヒンジピン、又は任意の他の良く知られたやり方によって規定される回転の軸Ｂを有し、それは、流量制限器２００をカウリング１１０に連結し、収容すなわち後退位置と、部分的に展開された位置と、完全に展開された位置との間で移動するときに、流量制限器２００が、回転の軸Ｂの周りで回転することを可能にする。アーム２３０は、カウリング１１０の壁部１１２内の個別の窪んだポケット内に収容され、それは、密封要件を単純化し得る。
【００３１】
作動において、図１、図２、図７、及び図９〜図１１で示されるように、極超音速輸送体１０が、極超音速のスピードへ加速し又は極超音速のスピードから減速するときなどの、極超音速輸送体１０が超音速又は亜音速のスピードで移動するときに、流量制限器２００は、完全に展開された位置へ移動され得る。上述されたように、流量制限器２００が完全に展開された位置にあるときに、図９の流線によって示されるように、亜極超音速（ｓｕｂ‐ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ）気流の第１の部分が、インレット１００の外側へ逸らされ、第２の部分が、インレット１００の中を通過することを許容され、それは、インレット１００の前で衝撃波が形成されることを妨げ、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる。極超音速輸送体１０が、エアブリージングエンジンの作動スピードに近付き又は接近すると、流量制限器２００は、収容位置すなわち後退位置へ後退し、流量制限器２００は、カウリング１１０内の凹部１３０内に配置される。この位置では、入ってくる極超音速の気流の全てが、インレット１００の中を通ることを許容され、極超音速エアブリージングエンジン４０が点火され得る。
【００３２】
更に、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。
条項１
本体、
前記本体に関連付けられた少なくとも１つの操縦翼面、及び
前記本体に関連付けられた極超音速エアブリージングエンジンを備え、前記エンジンが、
第１の断面積を有する固定されたカウリング、及び前記カウリングと流体連通し且つ前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロートを有する、収縮インレット、並びに
前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、収容位置と完全に展開された位置との間で可動な、流量制限器を備え、
前記流量制限器が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記流量制限器の周縁部と前記カウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成され、
前記カウリングの前記第１の断面積と前記流量制限器の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロートの前記第２の断面積とほぼ等しい、極超音速輸送体。
条項２
前記流量制限器が、前記収容位置にあるときに、前記インレットの中へ入る気流を妨げず、前記流量制限器が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記気流の一部分を前記インレットの外側へ逸らす、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項３
前記固定されたカウリングが曲線状である、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項４
前記インレットが、前記インレットの壁部内に形成された等角制限器凹部を更に備え、
前記流量制限器が、前記収容位置にあるときに、前記等角制限器凹部内に収容される、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項５
前記流量制限器が、前記流量制限器の前記周縁部と前記インレットの前記壁部との間で延在する、少なくとも１つのアームを更に備える、条項４に記載の極超音速輸送体。
条項６
前記少なくとも１つのアームが回転の軸を含み、前記流量制限器が、前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記回転の軸の周りを回転する、条項５に記載の極超音速輸送体。
条項７
前記少なくとも１つの操縦翼面が、前記本体に連結されている、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項８
前記少なくとも１つの操縦翼面が、前記本体と一体的に統合されている、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項９
前記エンジンが、前記本体内に配置されている、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項１０
前記エンジンが、前記本体に連結されている、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項１１
前記流量制限器が前記完全に展開された位置にあり、且つ、気流が前記エンジンの作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項１２
極超音速輸送体のためのエアブリージングエンジンであって、
固定されたカウリング、及び前記カウリングと流体連通するスロートを有する、収縮インレット、及び
収容位置と完全に展開された位置との間で可動な流量制限器を備え、
前記流量制限器が前記完全に展開された位置にあるときに、前記インレットがほぼ１対１の内部収縮比を有するように、前記流量制限器の周縁部と前記カウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成される、エンジン。
条項１３
前記流量制限器が、前記収容位置にあるときに、前記インレットの中へ入る気流を妨げず、前記流量制限器が、前記完全に展開された位置にあるときに、前記気流の第１の部分を前記インレットの外側へ逸らし、前記気流の第２の部分が前記インレットの中へ流れることを可能にする、条項１２に記載のエンジン。
条項１４
前記固定されたカウリングが曲線状である、条項１２に記載のエンジン。
条項１５
前記カウリングが、第１の断面積を有し、
前記スロートが、前記カウリングの前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有し、
前記流量制限器が、前記カウリングの前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有し、
前記カウリングの前記第１の断面積と前記流量制限器の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロートの前記第２の断面積とほぼ等しい、条項１２に記載のエンジン。
条項１６
前記スロートが第２の断面積を有し、前記隙間が、前記スロートの前記第２の断面積とほぼ等しい第４の断面積を画定する、条項１２に記載のエンジン。
条項１７
前記インレットが、前記インレットの壁部内に形成された等角制限器凹部を更に備え、
前記流量制限器が、前記収容位置にあるときに、前記等角制限器凹部内に収容される、条項１に記載の極超音速輸送体。
条項１８
前記流量制限器が、前記流量制限器の前記周縁部と前記インレットの前記壁部との間で延在する、少なくとも１つのアームを更に備える、条項１７に記載のエンジン。
条項１９
前記少なくとも１つのアームが回転の軸を含み、前記流量制限器が、前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記回転の軸の周りを回転する、条項１８に記載のエンジン。
条項２０
前記流量制限器が前記完全に展開された位置にあり、且つ、前記エンジンの中へ入る気流が前記エンジンの作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、条項１２に記載のエンジン。
条項２１
極超音速エアブリージングエンジン内でインレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる方法であって、
第１の断面積を有する固定されたカウリング、及び前記カウリングと流体連通し且つ前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有するスロートを有する、収縮インレットを提供するステップ、並びに
前記第１の断面積よりも小さい第３の断面積を有する流量制限器を、収容位置から完全に展開された位置へ移動させるステップであって、前記流量制限器が、前記完全に展開された位置にあるときに、気流の一部分を前記インレットの外側へ逸らす、移動させるステップを含み、
前記流量制限器の周縁部と前記カウリングの内側表面との間に一定の隙間が形成され、
前記カウリングの前記第１の断面積と前記流量制限器の前記第３の断面積との間の差異が、前記スロートの前記第２の断面積とほぼ等しい、方法。
条項２２
前記固定されたカウリングが曲線状である、条項２１に記載のエンジン。
条項２３
前記インレットの壁部内に形成された等角制限器凹部を提供するステップ、及び
前記収容位置にあるときに、前記流量制限器を、前記等角制限器凹部内に収容するステップを更に含む、条項２１に記載の方法。
条項２４
前記流量制限器の前記周縁部と前記インレットの前記壁部との間で延在する、少なくとも１つのアームを提供するステップであって、前記少なくとも１つのアームが回転の軸を含む、提供するステップ、及び
前記収容位置と前記完全に展開された位置との間で、前記流量制限器を前記回転の軸周りに回転させるステップを更に含む、条項２３に記載の方法。
条項２５
前記流量制限器が前記完全に展開された位置にあり、且つ、前記気流が前記エンジンの作動限界未満のスピードにあるときに、前記流量制限器が、インレットバズ及びアンスタートの状態を妨げる、条項２１に記載の方法。
【００３３】
様々な実施形態が上述されてきた一方で、本開示がそれらに限定されることは企図されない。更に、添付の特許請求の範囲内に含まれる、本開示の実施形態に対する変形例が作られ得る。
【図１】
2017061294.tif 000007
【図２】
2017061294.tif 000008
【図３】
2017061294.tif 000009
【図４】
2017061294.tif 000010
【図５】
2017061294.tif 000011
【図６】
2017061294.tif 000012
【図７】
2017061294.tif 000013
【図８】
2017061294.tif 000014
【図９】
2017061294.tif 000015
【図１０】
2017061294.tif 000016
【図１１】
2017061294.tif 000017
【図１２】
2017061294.tif 000018
【外国語明細書】
2017061294000001.pdf
2017061294000002.pdf
2017061294000003.pdf
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