JP6719933B2 - ジェットエンジン、飛しょう体、および、ジェットエンジンの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジン、飛しょう体、および、ジェットエンジンの動作方法に関する。

音速より速く飛しょうする機体のジェットエンジンとして、ターボジェットエンジン（ターボファンエンジン等を含む）、ラムジェットエンジン、スクラムジェットエンジンが知られている。これらは空気を取り入れて作動するジェットエンジンであり、特にラムジェットエンジン、スクラムジェットエンジンでは取り入れた空気の速度は飛しょう速度に強く依存する。

図１Ａ及び図１Ｂは、ジェットエンジンの構成を模式的に示す概略断面図である。ただし、図１Ａは飛しょう速度が遅い場合、図１Ｂは飛しょう速度が速い場合をそれぞれ示している。ジェットエンジン１０２は、機体１１０と、機体１１０の下方に気体の流通可能な空間１５０を形成するように設けられたカウル１４０とを備えている。機体１１０の前方の下方部分とカウル１４０の前方部分とは、空間１５０へ空気を導入するインレット１１１を構成している。機体１１０の中間の下方部分とカウル１４０の中間部分とは、燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼器１１２を構成している。機体１１０の後方の下方部分とカウル１４０の後方部分とは、燃焼気体を膨張させて放出するノズル１１３を構成している。燃焼器１１２は、燃料噴射器１２０と、保炎器１２１とを備えている。燃料噴射器１２０は、機体１１０の下方部分の燃焼器１１２に対応する部分に設けられている。燃料噴射器１２０は、空間１５０へ向けて燃料Ｇを噴出する。保炎器１２１は、機体１１０の下方部分の燃焼器１１２に対応する部分における、燃料噴射器１２０よりも後方に設けられている。保炎器１２１は、燃料噴射器１２０からの燃料Ｇを利用して、燃焼用の炎Ｆを維持する。ジェットエンジン１０２は、インレット１１１から取り入れた空気と、燃料噴射器１２０から噴射した燃料Ｇとを燃焼器１１２で混合して燃焼させ、その燃焼ガスをノズル１１３で膨張させて、機体１１０の後方へ送出する。保炎器１２１の炎Ｆは、その燃焼の維持に用いられる。

燃焼器１１２における保炎器１２１の前方では、高圧領域ＨＰが形成される。高圧領域ＨＰの広さは主として燃焼器１１２での燃焼の燃焼圧とインレット１１１で取り入れた空気の動圧とのバランスによって決定される。飛しょう速度が速く（主に、飛しょう体の巡航段階にあたる）空気の動圧が高い場合では（図１Ｂ）、高圧領域ＨＰは狭くなる。一方、飛しょう速度が遅く（概ね飛しょう体の加速段階にあたる）空気の動圧が低い場合では、高圧領域ＨＰは広くなる（図１Ａ）。

なお、高圧領域ＨＰにおいては、インレット１１１から取り入れられた空気の流れは、燃焼器の壁面から剥離するか、あるいは、燃焼器の壁面から剥離し易い。

関連する技術として、特許文献１（特開２００２−７９９９６号公報）には、空気力学的表面における流れの剥離とそれに関連する現象の抑制方法が開示されている。特許文献１に記載の抑制方法は、物体に沿う流体の流れが物体表面から剥離することを抑制することを目的とする。特許文献１には、バリアー部材を、物体表面に設置することが記載されている。バリアー部材は、物体表面の近傍の剥離流れ層内に配置される。

また、特許文献２（特開２０１２−４１８２１号公報）には、翼体が記載されている。特許文献２では、翼の負圧面における流れの剥離を、最小限の流動抵抗で効果的に抑制することを目的としている。特許文献２には、翼の負圧面の前縁部に複数の切欠段差部を設け、当該切欠段差部の後方に、複数の突起部を設けることが記載されている。

特開２００２−７９９９６号公報 特開２０１２−４１８２１号公報

飛しょう速度が遅く、高圧領域ＨＰが前方に伸びてインレット１１１に及んだ場合（図１Ａ）、空間１５０内に向けて十分な空気が供給されず、ジェットエンジン１０２の推力の低下が発生しうる。

そこで、その事態に対処するために、以下のような解決方法が考えられる。図２Ａ及び図２Ｂは、その解決方法を適用したジェットエンジンの構成を模式的に示す概略断面図である。ただし、図２Ａは飛しょう速度が遅い場合、図２Ｂは飛しょう速度が速い場合をそれぞれ示している。これらの図のジェットエンジン１０２ａでは、図１Ａ及び図１Ｂのジェットエンジン１０２と比較して、保炎器１２１ａをより下流に設置している。言い換えると、ジェットエンジン１０２ａでは、燃焼器１１２ａにおいて、保炎器１２１ａよりも前方の長さを長くしている。これは、飛しょう速度が遅い場合でも、高圧領域ＨＰがインレット１１１に到達しないような長さを基準としているからである。このとき、飛しょう速度が速い場合での燃焼時間を確保するために、保炎器１２１ａよりも後方の長さは変更せず維持している。すなわち、この解決方法は、保炎器１２１ａの前方の長さを長くし、その分だけ、燃焼器１１２ａ全体の長さを延長する方法である。

これにより、飛しょう速度が遅い場合でも（図２Ａ）、高圧領域ＨＰがインレット１１１に及ぶことは無くなり、ジェットエンジン１０２ａの推力の低下が起こる事態を防止できる。ただし、ジェットエンジン１０２ａの全長を変更しないとすると、燃焼器１１２ａの長さが長くなった分だけ、ノズル１１３の長さを短くする必要がある。しかし、そうなると、ジェットエンジン１０２ａは作動するものの、機軸方向に推力を得ることが困難となり、正味推力が低下するという問題が発生する。あるいは、機軸方向に推力を得るためにノズル１１３を十分長くしたり、大きくしたりした場合には、機体１１０ａが大型化するという問題が更に発生する。

したがって、本発明の目的は、機体を大きく改造することなく、高圧領域がインレットへ到達することによるジェットエンジンの推力低下を防止可能なジェットエンジン、飛しょう体及びジェットエンジンの動作方法を提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

いくつかの実施形態におけるジェットエンジンは、空気を取り込むインレット（１１）と、燃料を噴射する燃料噴射口（３０ａ）を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口（３０ａ）から噴射される燃料を燃焼する燃焼器（１２）とを具備する。前記燃焼器（１２）は、前記インレットの後端（１５）と前記燃料噴射口（３０ａ）との間において、前記空気が流れる空気流路（ＦＡ）を規定する分離部（１４）を備える。前記分離部（１４）には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部（２０；２５）が配置される。前記複数の乱流生成部（２０；２５）の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材（２１；２２；２５Ｂ）を含む。

上記ジェットエンジンにおいて、前記部材（２１；２２；２５Ｂ）は、前記空気流路（ＦＡ）に向かって突出する突起を含んでいてもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記部材（２１）は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により前記分離部の壁面上から消失する材料を含んでいてもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記部材（２１）が配置される前記分離部（１４）の壁面上の位置は、前記空気流路（ＦＡ）を流れる前記空気の流れの方向にみて、前記燃料噴射口（３０ａ）が配置される位置とオーバーラップしなくてもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記燃焼器（１２）は、前記燃料噴射口（３０ａ）が配置された第１壁面（１６Ａ）と、前記複数の乱流生成部（２０）が配置された第２壁面（１６Ｂ）とを備えていてもよい。前記第２壁面（１６Ｂ）は、前記第１壁面（１６Ａ）とは異なる壁面であってもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記部材（２２；２５Ｂ）は、前記空気流路（ＦＡ）に対して移動可能な移動可能部材（２２；２５Ｂ）であってもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記移動可能部材（２５Ｂ）は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により自動的に移動するように構成されていてもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記移動可能部材（２２）を移動させる駆動装置（２３）と、前記駆動装置（２３）を制御する制御装置（８０）とを更に備えていてもよい。前記制御装置（８０）は、飛しょうマッハ数、飛しょう高度、および、飛しょう時間の少なくとも１つに基づいて、前記駆動装置（２３）を作動させてもよい。前記駆動装置（２３）は、作動することにより、前記移動可能部材（２２）の前記空気流路（ＦＡ）に対する進出状態あるいは退避状態を変化させてもよい。

上記ジェットエンジンにおいて、前記燃焼器（１２）は、保炎器（３２）を備えていてもよい。前記移動可能部材（２２）が配置される位置は、前記空気流路（ＦＡ）を流れる前記空気の流れの方向にみて、前記保炎器（３２）が配置される位置とオーバーラップしていてもよい。

いくつかの実施形態における飛しょう体は、上述のいずれかの段落に記載のジェットエンジンを備える。

いくつかの実施形態におけるジェットエンジンの動作方法は、空気を取り込むインレット（１１）と、燃料を噴射する燃料噴射口（３０ａ）を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口（３０ａ）から噴射される燃料を燃焼する燃焼器（１２）とを具備するジェットエンジンの動作方法である。前記燃焼器（１２）は、前記インレットの後端（１５）と前記燃料噴射口（３０ａ）との間において、前記空気が流れる空気流路（ＦＡ）を規定する分離部（１４）を備える。前記分離部（１４）には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部（２０）が配置される。前記ジェットエンジン（２）の動作方法は、前記複数の乱流生成部（２０）により、前記分離部（１４）の壁面上の前記空気の流れを乱流化しつつ、前記空気を用いて前記燃料噴射口（３０ａ）から噴射される燃料を燃焼する工程と、前記複数の乱流生成部（２０）の各々を構成する部材（２１；２２；２５Ａ）の少なくとも一部を消失または移動させる工程と、前記分離部（１４）の壁面上の前記空気の流れの乱流化を抑制しつつ、前記空気を用いて前記燃料噴射口（３０ａ）から噴射される燃料を燃焼する工程とを具備する。

本発明により、機体を大きく改造することなく、高圧領域がインレットへ到達することによるジェットエンジンの推力低下を防止可能なジェットエンジン、飛しょう体及びジェットエンジンの動作方法が提供できる。

図１Ａは、ジェットエンジンの構成例を模式的に示す概略断面図である。 図１Ｂは、ジェットエンジンの構成例を模式的に示す概略断面図である。 図２Ａは、解決方法を適用したジェットエンジンの構成例を模式的に示す概略断面図である。 図２Ｂは、解決方法を適用したジェットエンジンの構成例を模式的に示す概略断面図である。 図３は、実施形態に係る飛しょう体の構成の一例を示す斜視図である。 図４Ａは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略断面図である。 図４Ｂは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略斜視図である。 図４Ｃは、図４ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。 図４Ｄは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略断面図である。 図５は、ジェットエンジンの動作方法を示すフローチャートである。 図６Ａは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に遅い場合のジェットエンジンの作動状態を示す概略断面図である。 図６Ｂは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に速い場合のジェットエンジンの作動状態を示す概略断面図である。 図７Ａは、実施形態に係るジェットエンジンの部分構成の一例を模式的に示す概略斜視図である。 図７Ｂは、実施形態に係るジェットエンジンの部分構成の一例を模式的に示す概略斜視図である。 図７Ｃは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に遅い場合の分離部の状態を模式的に示す断面図であって、主流空気の流れに垂直な面における断面図を示す。 図７Ｄは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に速い場合の分離部の状態を模式的に示す断面図であって、主流空気の流れに垂直な面における断面図を示す。 図７Ｅは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に遅い場合の分離部の状態を模式的に示す断面図であって、主流空気の流れに垂直な面における断面図を示す。 図７Ｆは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に遅い場合の分離部の状態を模式的に示す断面図である。 図７Ｇは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に速い場合の分離部の状態を模式的に示す断面図である。

以下、実施形態に係るジェットエンジンに関して、添付図面を参照して説明する。ここでは、ジェットエンジンを飛しょう体に適用した例について説明する。

（方向の定義）
インレットからジェットエンジンに取り込まれる空気の流れに対して上流側、すなわち、ジェットエンジンのインレット側を「上流側」又は「前方側」と定義する。また、インレットからジェットエンジンに取り込まれる空気の流れに対して下流側、すなわち、ジェットエンジンのノズル側を「下流側」又は「後方側」と定義する。また、ジェットエンジンが水平状態にあると仮定した時、燃焼器の長手方向に直交するとともに、鉛直方向に直交する方向を、「スパン方向」と定義する。

（飛しょう体の構成概要）
実施形態に係る飛しょう体１の構成について説明する。図３は、実施形態に係る飛しょう体１の構成の一例を示す斜視図である。飛しょう体１は、ジェットエンジン２と、ロケットモータ３とを具備している。ロケットモータ３は、飛しょう体１を発射装置から飛しょうさせるとき、飛しょう体１を飛しょう開始時の速度から所望の速度まで加速する。ただし、飛しょう開始時の速度は、飛しょう体１が静止している発射装置から発射されるときは、速度ゼロであり、飛しょう体が移動中または飛行中の移動体または飛行体の発射装置から発射されるときは、その移動体または飛行体の移動速度または飛行速度である。ジェットエンジン２は、飛しょう体１がロケットモータ３を分離した後、飛しょう体１を更に加速して、目標へ向かって飛しょうさせる。ジェットエンジン２は、機体１０とカウル４０とを備えている。機体１０とカウル４０とは、後述されるように、ジェットエンジン２のインレット、燃焼器及びノズルを構成している。ジェットエンジン２は、インレットにて前方から空気を取り入れ、燃焼器にてその空気と燃料とを混合し、燃焼させ、ノズルにてその燃焼ガスを膨張させ、後方へ送出する。それにより、ジェットエンジン２は推進力を得る。飛しょう体１は、センサ６０、および／または、制御装置８０を備えていてもよい。

（ジェットエンジンの構成概要）
次に、図４Ａ乃至図４Ｄを参照して、実施形態に係るジェットエンジンについて説明する。図４Ａおよび図４Ｃは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略断面図（縦断面図）である。図４Ｂは、実施形態に係るジェットエンジンの構成の一例を模式的に示す概略斜視図である。また、図４Ｃは、図４ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。

ジェットエンジン２は、機体１０と、機体１０の下方に気体の流通可能な空間５０を形成するように設けられたカウル４０とを備えている。機体１０の前方の下方部分とカウル４０の前方部分とは、空間５０へ空気を導入するインレット１１を構成している。機体１０の中間の下方部分とカウル４０の中間部分とは、燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼器１２を構成している。機体１０の後方の下方部分とカウル４０の後方部分とは、燃焼気体を膨張させて放出するノズル１３を構成している。

代替的に、例えば、円筒状部材等の筒状部材によってジェットエンジン２を構成し、当該筒状部材（ジェットエンジン２）が機体１０の下部に取り付けられてもよい。この場合、筒状部材の前方部分がインレット１１を構成し、筒状部材の中間部分が燃焼器１２を構成し、筒状部材の後方部分がノズル１３を構成する。

（燃焼器の構成概要）
燃焼器１２は、燃料噴射器３０と、保炎器３２とを備えている。燃料噴射器３０は、保炎器３２よりも上流側に配置される。換言すれば、燃料噴射器３０は、インレットの後方端１５（例えば、ジェットエンジン中の空気の流れ方向に見て、空気流路の断面積の減少が終わる位置）と、保炎器３２との間に配置される。代替的に、燃料噴射器３０は、保炎器３２の壁部内に配置されてもよい。燃料噴射器３０は、例えば、複数の燃料噴射口３０ａを備える。複数の燃料噴射口３０ａは、例えば、燃焼器１２の長手方向に直交する方向（図４Ａ〜図４Ｂの例では、スパン方向。断面円形の燃焼器を採用する場合には円の周方向。）に沿って、１列または複数列で配置される。

保炎器３２は、例えば、燃料噴射器３０の下流側に配置される。保炎器３２には、主流空気ＭＡと燃料噴射器３０から噴射される燃料との混合気体が供給される。混合気体は、保炎器３２内においては、低速で移動する。保炎器３２は、燃料噴射器３０から噴射される燃料の燃焼に用いる炎を維持する。保炎器３２は、例えば、燃焼器１２の壁部に設けられた凹部（浅い凹部）である。凹部は、燃焼器１２のスパン方向全体にわたって形成されてもよい。代替的に、凹部は、燃焼器１２のスパン方向の一部のみにわたって形成されてもよい。図４Ａ、図４Ｂの例では、凹部の断面形状（スパン方向に垂直な面における断面形状）は、矩形形状である。代替的に、凹部の断面形状は、矩形形状以外の形状であってもよい。

燃焼器１２は、インレットの後方端１５と、燃料噴射器３０（例えば、燃料噴射口３０ａ）との間において、インレット１１から取り込まれた空気が流れる空気流路ＦＡを規定する分離部１４を備える。

図４Ｃには、図４ＡのＡ−Ａ矢視断面図が記載されている。図４Ｃを参照すると、分離部１４によって、空気流路ＦＡが規定されていることが把握される。また、図４Ａ、および、図４Ｃを参照すると、分離部１４には、空気流路ＦＡ中の空気の流れ（より具体的には、分離部１４の壁面上の境界層を流れる空気の流れ）を乱流化する複数の乱流生成部２０が配置されていることが把握される。なお、図４Ａおよび図４Ｃに記載の例では、複数の乱流生成部２０の各々は、分離部の壁面から突出する突起を含む。複数の乱流生成部２０によって、分離部１４の壁面上の境界層を流れる空気の流れが乱流化されると、境界層中における運動量の減少が抑制される。境界層中における運動量の減少が抑制されると、境界層中の流れ場の流速が減少しにくくなり、分離部１４の壁面からの境界層の剥離が抑制される。分離部１４の壁面からの境界層の剥離が抑制されると、境界層の剥離に起因する高圧領域の拡大が抑制される。その結果、飛しょう体の飛しょう速度が遅い場合（概ね飛しょう体の加速段階にあたる）であっても、図１Ａに記載の例のように、高圧領域ＨＰがインレット１１に達することが防止される。

なお、飛しょう体の飛しょう速度が速い場合（主に、飛しょう体の巡航段階にあたる）には、分離部１４の壁面上の境界層は、壁面から剥離しにくい。加えて、飛しょう体の飛しょう速度が速い場合、空気の流れの乱流化に起因する圧力損失（空気流路ＦＡを流れる空気の圧力損失）が大きい。このため、飛しょう体の飛しょう速度が速い場合（主に、飛しょう体の巡航段階にあたる）には、乱流生成部２０による空気の流れの乱流化は、抑制されることが好ましいと言える。そこで、実施形態では、複数の乱流生成部２０の各々は、移動するか消失することにより空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含む。当該部材は、例えば、飛しょう時の熱的影響（空力加熱等）または空力的影響（空力せん断力等）により、自動的に、分離部１４の壁面上から消失する材料を含む。

図４Ｄは、乱流生成部２０（より具体的には、移動するか消失することにより空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材）が消失または移動した後の状態を示す図である。図４Ｄに記載の例では、乱流生成部２０の消失または移動により、空気の流れの乱流化に起因する圧力損失が抑制される。

（ジェットエンジンの動作概要）
図５乃至図６Ｂを参照して、ジェットエンジンの動作について説明する。図５は、ジェットエンジンの動作方法を示すフローチャートである。図６Ａは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に遅い場合のジェットエンジンの作動状態を示す概略断面図である。図６Ｂは、飛しょう体の飛しょう速度が相対的に速い場合のジェットエンジンの作動状態を示す概略断面図である。

第１ステップＳ１において、飛しょう体１が相対的に遅い速度で飛しょうする。飛しょう体１の飛しょうは、ロケットモータ３の作動により実行されてもよいし、あるいは、飛しょう体１が、飛行中の他の飛行体に搭載されることにより実行されてもよい。

第２ステップＳ２において、燃料噴射器３０から噴射される燃料Ｇへの点火が実行される。燃料への点火は、例えば、点火器（図示せず）によって行われる。

第３ステップＳ３において、インレット１１から取り込まれた空気のうち分離部１４の壁面上の空気の流れは、複数の乱流生成部２０によって乱流化される。また、インレット１１から取り込まれた空気を用いて、燃料噴射器３０から噴射される燃料が燃焼される。燃焼により生じた炎Ｆは、保炎器３２により保炎される。燃料の燃焼により生じた燃焼ガスは、ノズル１３を介してジェットエンジンから放出され、ジェットエンジンは推進力を得る。図６Ａは、第３ステップＳ３が実行されている時のジェットエンジンの作動状態を示す。図６Ａに記載の例では、分離部１４の壁面上の空気の流れは、複数の乱流生成部２０によって乱流化される。このため、境界層剥離に起因して、高圧領域が前方側（インレット側）に拡大することが抑制される。

第４ステップＳ４において、飛しょう体１が加速する。第５ステップＳ５において、複数の乱流生成部２０の各々を構成する部材の少なくとも一部が消失または移動する。例えば、乱流生成部２０の全部が消失してもよい。

第６ステップＳ６において、複数の乱流生成部２０の各々を構成する部材の少なくとも一部が消失または移動することにより、分離部１４の壁面上の空気の流れの乱流化が抑制される。また、インレット１１から取り込まれた空気を用いて、燃料噴射器３０から噴射される燃料が燃焼される。燃焼により生じた炎Ｆは、保炎器３２により保炎される。燃料の燃焼により生じた燃焼ガスは、ノズル１３を介してジェットエンジンから放出され、ジェットエンジンは推進力を得る。図６Ｂは、第６ステップＳ６が実行されている時のジェットエンジンの作動状態を示す。図６Ｂに記載の例では、分離部１４の壁面上の空気の流れの乱流化が抑制される。このため、圧力損失が低減され、飛しょう体の燃費が向上する。なお、第６ステップＳ６における飛しょう体１の飛しょう速度（飛しょうマッハ数）は、第３ステップＳ３における飛しょう体１の飛しょう速度（飛しょうマッハ数）よりも大きい。例えば、第６ステップＳ６における飛しょう体１の飛しょう速度（飛しょうマッハ数）は、第１閾値ＴＨ１（例えば、マッハ２、マッハ２．５、マッハ３等）以上であり、第３ステップＳ３における飛しょう体１の飛しょう速度（飛しょうマッハ数）は、第１閾値ＴＨ１（例えば、マッハ２、マッハ２．５、マッハ３等）より小さい。

上述の実施形態では、低速飛しょう時において、分離部１４の壁面上の境界層が、壁面から剥離することが抑制される。その結果、燃焼圧が上流側に伝播することが抑制される。燃焼圧が上流側に伝播することが抑制されることにより、ジェットエンジンが低速度でも作動可能となる。すなわち、ジェットエンジンの作動可能な速度範囲が拡大する。また、実施形態のジェットエンジンを、ジェットエンジンの作動前にロケットモータを用いて加速する飛しょう体に適用した場合、必要なロケットモータの量が低減される。その結果、飛しょう体全体を小型化あるいは軽量化することができる。さらに、複数の乱流生成部２０の各々を構成する部材の少なくとも一部が、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により自動的に消失する場合には、アクチュエータあるいは制御装置等を用いることなく、乱流生成部２０の状態を自動的に変化させることが可能となる。また、上述の実施形態では、高速飛しょう時（例えば、巡航時）では、圧力損失を伴う空気流れの乱流化が抑制される。また、上述の実施形態では、複数の乱流生成部２０を設けることにより、図２Ａに記載の例のように分離部の長さを長くする必要がなくなる。その結果、ジェットエンジンの大型化（あるいは、飛しょう体の大型化）が抑制される。

（乱流生成部の配置、構造、材料等）
図７Ａ乃至図７Ｇを参照して、乱流生成部の配置、構造または材料等の具体例について説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、実施形態に係るジェットエンジンの部分構成の一例を模式的に示す概略斜視図である。図７Ｃ乃至図７Ｅは、分離部の状態を模式的に示す断面図であって、主流空気の流れに垂直な面における断面図を示す。図７Ｆおよび図７Ｇは、分離部の状態を模式的に示す断面図であって、縦断面図を示す。

（第１例）
図７Ａは、乱流生成部２０の配置、構造の例を示す。第１例では、複数の乱流生成部２０の各々は、消失することにより空気流路ＦＡ中の空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材２１を含む。より具体的には、部材２１は、飛しょう中の熱的影響（空力加熱等）または空力的影響（空力せん断力等）によって、分離部１４の壁面上から消失する材料を含む。当該消失する材料は、溶けたり、昇華したり、燃えたり、剥がれたり、削れたり、又は、それらのいくつかの組み合わせによって形状が変化する材料である。当該消失する材料は、例えば、アブレーション材料である。アブレーション材料は、例えば、スカイハロー（登録商標）、シリカ／フェノール等である。スカイハロー（登録商標）は、日本特殊塗料株式会社製のエポキシ−ポリアミド系断熱塗料材である。また、シリカ／フェノールは、シリカ繊維を含むフェノール樹脂である。当該材料（例えば、アブレーション材料）は、上述の第３ステップＳ３においては、分離部１４の壁面から空気流路ＦＡに向けて突出するように構成されている。他方、当該材料（例えば、アブレーション材料）の少なくとも一部は、上述の第６ステップＳ６においては、分離部１４の壁面上から消失している。その結果、分離部１４の壁面上の空気の流れの乱流化が抑制される。

図７Ａを参照して、部材２１は、分離部１４の壁面から空気流路ＦＡに向かって突出する突起を含む。分離部１４の壁面から、突起の頂部までの高さは、例えば、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。なお、部材２１が、分離部１４の壁面上から消失する材料を含む場合、当該部材２１が配置される分離部１４の壁面上の位置は、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて（換言すれば、空気流路ＦＡの長手方向にみて）、燃料噴射口３０ａが配置される位置（壁面上の位置）とオーバーラップしないことが好ましい。すなわち、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて、燃料噴射口３０ａが配置される位置（壁面上の位置）とオーバーラップする領域（図７Ａの斜線によって示される領域）には、部材２１（乱流生成部２０）が配置されないことが好ましい。図７Ａの斜線によって示される位置に部材２１が配置されないことにより、壁面上から消失した部材２１の材料が、空気の流れに乗って、燃料噴射口３０ａに達し、燃料噴射口３０ａを塞ぐ等の事態の発生を防止することが可能となる。

代替的、あるいは、付加的に、部材２１が、分離部１４の壁面上から消失する材料を含む場合、当該部材２１が配置される分離部１４の壁面上の位置は、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて、保炎器３２が配置される位置とオーバーラップしないことが好ましい。すなわち、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて、保炎器３２が配置される位置とオーバーラップする領域には、部材２１（乱流生成部２０）が配置されないことが好ましい。上述の位置関係を採用することにより、壁面上から消失した部材２１の材料が、空気の流れに乗って、保炎器３２に達し、保炎器３２の保炎機能が低下する等の事態の発生を防止することが可能となる。

図７Ａに記載の例では、燃料噴射口３０ａが配置された壁面１６Ａ（例えば、燃焼器の上壁面または下壁面）は、部材２１（乱流生成部２０）が配置された壁面１６Ｂとは、異なる壁面である。すなわち、燃料噴射口３０ａが配置された壁面１６Ａは、部材２１（乱流生成部２０）が配置された壁面１６Ｂと同一平面上にない。このため、壁面１６Ｂ上から消失した部材２１の材料が、空気の流れに乗って、燃料噴射口３０ａに達する可能性が低減される。なお、図７Ａに記載の例では、部材２１（乱流生成部２０）が配置された壁面１６Ｂは、燃料噴射口３０ａが配置された壁面１６Ａと、対向する壁面である。代替的に、あるいは、付加的に、部材２１（乱流生成部２０）が配置された壁面１６Ｂは、燃焼器の側壁面であってもよい（図７Ａにおいて破線で示される部材２１を参照）。

なお、部材２１の分離部１４の壁面上への施工は、例えば、部材２１を構成する材料を、分離部１４の壁面上に塗布あるいは噴霧することによって行われてもよい。代替的に、部材２１の分離部１４の壁面上への施工は、部材２１を分離部１４の壁面に接着することにより行われてもよい。

（第２例）
図７Ｂ乃至図７Ｄは、乱流生成部２０の配置、構造の他の例を示す。図７Ｂおよび図７Ｃは、上述の第３ステップＳ３における分離部１４の状態を示し、図７Ｄは、上述の第６ステップＳ６における分離部の状態を示している。第２例では、複数の乱流生成部２０の各々は、移動することにより空気流路ＦＡ中の空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材２２を含む。図７Ｃに示されるように、部材２２は、駆動装置２３に、機械的に接続されており、部材２２は、駆動装置２３（例えば、アクチュエータ）の作動により、移動する。なお、部材２２が磁性体である場合には、駆動装置２３は、部材２２を磁力によって移動させる電磁石を含んでいてもよい。図７Ｂに記載の例では、部材２２は、柱状部材であるが、当該部材２２は、空気流路ＦＡに向かって突出する突起を含んでいれば、どのような形状であってもよい。駆動装置２３は、制御装置８０からの制御信号を受信すると作動する。図７Ｃおよび図７Ｄに記載の例では、駆動装置２３は、制御装置８０から制御信号を受信すると作動して、部材２２を空気流路ＦＡから退避させる。すなわち、駆動装置２３の作動により、部材２２は、空気流路ＦＡに向かって分離部１４の壁面から突出した位置から、分離部１４の壁面から突出しない退避位置に移動する。なお、図７Ｃおよび図７Ｄに記載の例では、１つの駆動装置２３が対応する１つの部材２２を駆動するように構成されているが、代替的に、１つの駆動装置２３が複数の部材２２を駆動するように構成されてもよい。

図７Ｃは、駆動装置２３の作動前の状態を示し、図７Ｄは、駆動装置２３の作動後の状態を示す。図７Ｃに記載の状態では、部材２２は、分離部１４の壁面から空気流路ＦＡに向かって突出している。このため、分離部１４の壁面上の空気の流れは、部材２２（乱流生成部２０）によって乱流化される。なお、図７Ｃに記載の状態において、分離部１４の壁面から、部材２２の頂部までの高さは、例えば、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。他方、図７Ｄに記載の状態では、部材２２は、分離部１４の壁内に退避している。部材２２の頂面が、分離部１４の壁面と面一となるように、部材２２は、分離部１４の壁内に退避してもよい。

制御装置８０は、飛しょうマッハ数、飛しょう高度、および、飛しょう時間の少なくとも１つに基づいて、駆動装置２３を作動させてもよい。飛しょうマッハ数、および／または、飛しょう高度は、センサ６０によって取得されるデータに基づいて、制御装置８０によって算出されてもよい。飛しょう時間は、制御装置８０が備えるタイマによって計測されてもよい。制御装置８０は、例えば、飛しょうマッハ数が上述の第１閾値ＴＨ１以上になると、駆動装置２３を作動させてもよい。駆動装置２３の作動により、部材２２は、図７Ｃに示される突出位置から、図７Ｄに示される退避位置に移動する。

部材２２が、空気流路ＦＡに対して相対移動可能な移動可能部材を含む場合（換言すれば、分離部１４の壁面に対して相対的に移動可能な移動可能部材を含む場合）、当該移動可能部材が配置される位置は、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて、保炎器３２が配置される位置とオーバーラップする位置であることが好ましい。すなわち、空気流路ＦＡを流れる空気の流れ方向にみて、保炎器３２が配置される位置とオーバーラップする領域（図７Ｂにおいて斜線で示される領域）に、少なくとも１つの移動可能部材（乱流生成部２０）が配置されることが好ましい。当該位置関係を採用した場合、移動可能部材（乱流生成部２０）によって、移動可能部材の近傍における高圧領域の形成が抑制される。その結果、保炎器３２には、移動可能部材の近傍を介して、空気が円滑に供給される。

なお、第２例において、乱流生成部２０（部材２２）が、消失することにより空気流路ＦＡ中の空気の流れの乱流化を抑制することが可能な材料を含まない場合、当該材料が、燃焼器（例えば、燃料噴射口３０ａあるいは保炎器３２等）に再付着することによる悪影響を防止することができる。

（第２例の変形例）
図７Ｅを参照して、第２例の変形例を示す。図７Ｅは、駆動装置２３の作動前の状態を示す（すなわち、図７Ｅは、上述の第３ステップＳ３における分離部１４の状態を示す）。図７Ｅに記載の例では、部材２２が、空気流路ＦＡに向かって分離部１４の壁面から突出した位置ではなく、分離部１４の壁内に退避した位置にある点で、上述の第２例とは異なる。第２例の変形例は、その他の点では、第２例と同様である。図７Ｅに記載の例では、部材２２が分離部１４の壁内に退避した位置にあることにより、分離部１４と複数の部材２２とによって複数の凹部２４が形成されている。分離部１４の壁面上の空気の流れは、当該複数の凹部２４によって、乱流化される。

図７Ｄは、第２例の変形例において、駆動装置２３の作動後の状態を示す。図７Ｅおよび図７Ｄに記載の例では、駆動装置２３は、制御装置８０から制御信号を受信すると作動して、部材２２を空気流路ＦＡにむけて移動させる。すなわち、駆動装置２３の作動により、分離部１４と複数の部材２２とによって形成される複数の凹部２４の深さが浅くなるか、あるいは、分離部１４と複数の部材２２とによって形成される複数の凹部２４が消滅する。その結果、分離部１４の壁面上の空気の流れの乱流化が抑制される。

（第３例）
図７Ｆおよび図７Ｇは、乱流生成部２５の配置、構造の他の例を示す。図７Ｆは、上述の第３ステップＳ３における分離部１４の状態を示し、図７Ｇは、上述の第６ステップＳ６における分離部の状態を示している。第３例では、複数の乱流生成部２５の各々は、飛しょう中の熱的影響（空力加熱等）または空力的影響（空力せん断力等）によって自動的に分離部１４の壁面上から消失する部材２５Ｂと、部材２５Ｂの消失に伴い自動的に移動することにより空気流路ＦＡ中の空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材２５Ａ（移動可能部材）とを含む。部材２５Ａは、例えば、板状の部材である。図７Ｆに示される状態では、部材２５Ａの少なくとも一部が、分離部１４の壁面から空気流路ＦＡに向かって突出している。その結果、分離部１４の壁面上の空気の流れは、複数の部材２５Ａ（複数の乱流生成部２５）によって乱流化される。

上述の第５ステップＳ５に対応して、部材２５Ｂは、飛しょう中の熱的影響（空力加熱等）または空力的影響（空力せん断力等）によって自動的に分離部１４の壁面上から消失する。部材２５Ａを突出状態に支持していた部材２５Ｂが消失する結果、部材２５Ａは、分離部１４の壁面に沿う位置に移動する。そして、部材２５Ａが、分離部１４の壁面に沿う位置に移動すると、分離部１４の壁面上の空気の流れの乱流化が抑制される。

上述の第１例乃至第３例の少なくとも１つに示される構成を採用した場合、低速飛しょう時において、分離部１４の壁面上の境界層が、壁面から剥離することが抑制される。その結果、燃焼圧が上流側に伝播することが抑制される。燃焼圧が上流側に伝播することが抑制されることにより、ジェットエンジンが低速度でも作動可能となる。すなわち、ジェットエンジンの作動可能な速度範囲が拡大する。また、上述の第１例乃至第３例の少なくとも１つに示される構成を備えたジェットエンジンを、ジェットエンジンの作動前にロケットモータを用いて加速する飛しょう体に適用した場合、必要なロケットモータの量が低減される。その結果、飛しょう体全体を小型化あるいは軽量化することができる。さらに、上述の第１例または第３例に示される構成を採用した場合、アクチュエータあるいは制御装置等を用いることなく、乱流生成部の状態を自動的に変化させることが可能となる。また、上述の第１例乃至第３例の少なくとも１つに示される構成を採用した場合、高速飛しょう時（例えば、巡航時）では、圧力損失を伴う空気流れの乱流化が抑制される。また、上述の第１例乃至第３例の少なくとも１つに示される構成を採用した場合、図２Ａに記載の例のように分離部の長さを長くする必要がなくなる。その結果、ジェットエンジンの大型化（あるいは、飛しょう体の大型化）が抑制される。

なお、複数の乱流生成部の具体的な構成として、上述の第１例乃至第３例のうちの少なくとも２つを組み合わせた構成を採用してもよい。代替的に、複数の乱流生成部の具体的な構成として、上述の第１例乃至第３例に示される構成以外の構成を採用してもよい。

本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施形態又は変形例で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施形態にも適用可能である。

１ ：飛しょう体
２ ：ジェットエンジン
３ ：ロケットモータ
１０ ：機体
１１ ：インレット
１２ ：燃焼器
１３ ：ノズル
１４ ：分離部
１５ ：インレットの後方端
１６Ａ ：壁面
１６Ｂ ：壁面
２０ ：乱流生成部
２１ ：部材
２２ ：部材
２３ ：駆動装置
２４ ：凹部
２５ ：乱流生成部
２５Ａ ：部材
２５Ｂ ：部材
３０ ：燃料噴射器
３０ａ ：燃料噴射口
３２ ：保炎器
４０ ：カウル
５０ ：空間
６０ ：センサ
８０ ：制御装置
１０２ ：ジェットエンジン
１０２ａ ：ジェットエンジン
１１０ ：機体
１１０ａ ：機体
１１１ ：インレット
１１２ ：燃焼器
１１２ａ ：燃焼器
１１３ ：ノズル
１２０ ：燃料噴射器
１２１ ：保炎器
１２１ａ ：保炎器
１４０ ：カウル
１５０ ：空間
ＦＡ ：空気流路
Ｇ ：燃料
ＨＰ ：高圧領域
ＭＡ ：主流空気

Claims (11)

1. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記インレットが取り込んだ前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの前記空気が流れる方向における下流側の端部と前記燃料噴射口との間において、前記インレットが取り込んだ前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気流路における前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、
   前記分離部の壁面から前記空気流路に向かって突出し、前記壁面上の前記空気の流れの境界層を乱流化することが可能であり、かつ、
   ａ）前記分離部の前記壁面から突出する位置から、前記壁面から突出しない位置へ移動するか、
   ｂ）前記分離部の前記壁面から突出する位置から、前記分離部の前記壁面に沿う位置に移動するか、または、
   ｃ）消失する
   ことにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材
   を含む
   ジェットエンジン。
2. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、前記空気流路に向かって突出する突起を含む
   ジェットエンジン。
3. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により前記分離部の壁面上から消失する材料を含む
   ジェットエンジン。
4. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により前記分離部の壁面上から消失する材料を含み、
   前記部材が配置される前記分離部の壁面上の位置は、前記空気流路を流れる前記空気の流れの方向にみて、前記燃料噴射口が配置される位置とオーバーラップしない
   ジェットエンジン。
5. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により前記分離部の壁面上から消失する材料を含み、
   前記部材が配置される前記分離部の壁面上の位置は、前記空気流路を流れる前記空気の流れの方向にみて、前記燃料噴射口が配置される位置とオーバーラップせず、
   前記燃焼器は、前記燃料噴射口が配置された第１壁面と、前記複数の乱流生成部が配置された第２壁面と
   を備え、
   前記第２壁面は、前記第１壁面とは異なる壁面である
   ジェットエンジン。
6. 前記部材は、前記空気流路に対して移動可能な移動可能部材である
   請求項１または２に記載のジェットエンジン。
7. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、前記空気流路に対して移動可能な移動可能部材であり、
   前記移動可能部材は、飛しょう中の熱的影響又は空力的影響により自動的に移動するように構成されている
   ジェットエンジン。
8. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、前記空気流路に対して移動可能な移動可能部材であり、
   前記移動可能部材を移動させる駆動装置と、
   前記駆動装置を制御する制御装置と
   を更に備え、
   前記制御装置は、飛しょうマッハ数、飛しょう高度、および、飛しょう時間の少なくとも１つに基づいて、前記駆動装置を作動させ、
   前記駆動装置は、作動することにより、前記移動可能部材の前記空気流路に対する進出状態あるいは退避状態を変化させる
   ジェットエンジン。
9. 空気を取り込むインレットと、
   燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
   前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
   前記複数の乱流生成部の各々は、移動するか消失することにより前記空気の流れの乱流化を抑制することが可能な部材を含み、
   前記部材は、前記空気流路に対して移動可能な移動可能部材であり、
   前記燃焼器は、保炎器を備え、
   前記移動可能部材が配置される位置は、前記空気流路を流れる前記空気の流れの方向にみて、前記保炎器が配置される位置とオーバーラップする
   ジェットエンジン。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のジェットエンジンを備える飛しょう体。
11. ジェットエンジンの動作方法であって、
    ここで、前記ジェットエンジンは、
    空気を取り込むインレットと、
    燃料を噴射する燃料噴射口を備え、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する燃焼器と
    を具備し、
    前記燃焼器は、前記インレットの後端と前記燃料噴射口との間において、前記空気が流れる空気流路を規定する分離部を備え、
    前記分離部には、前記空気の流れを乱流化する複数の乱流生成部が配置され、
    前記ジェットエンジンの動作方法は、
    前記複数の乱流生成部により、前記分離部の壁面上の前記空気の流れを乱流化しつつ、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する工程と、
    前記複数の乱流生成部の各々を構成する部材の少なくとも一部を消失または移動させる工程と、
    前記分離部の壁面上の前記空気の流れの乱流化を抑制しつつ、前記空気を用いて前記燃料噴射口から噴射される燃料を燃焼する工程と
    を具備する
    ジェットエンジンの動作方法。
    

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