KR20210080494A - 유체 조작을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
동체, 날개, 또는 선박의 선체와 같은 물체의 분근에서 유체 유동을 조작함으로써, 이 물체와 연관된 조파 항력(wave drag)이 실질적으로 감소될 수 있다. 이는 유체 유동 속도와 유체 유동의 압력을 둘 다 국부적으로 변경시킴으로써 달성될 수 있다.
Description
이 출원은 2018년 10월 22일에 출원된 미국 임시출원번호 62/749,109호와 2018년 10월 28일에 출원된 미국 임시출원번호 62/751,623호의 이익을 청구한다. 이 출원은, 2017년 8월 10일에 출원된 미국 임시출원번호 62/543,371호, 2018년 6월 15일에 출원된 62/685,295호, 2018년 7월 27일에 출원된 72,703,898호 및 2018년 8월 6일에 출원된 62,714,778호의 이익을 청구하는 2018년 8월 10일에 출원된 미국 출원번호 16/101,391호에 연관된 것이다. 위에서 열거된 출원들 각각은 여기에 참조로서 통합된다.
본 발명은 유체 조작을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 유체 상호작용 장치들은 낮은 자유 스트림 유동 속도(free stream flow velocity)에서 큰 동력 소비를 겪는다. 예를 들어, 헬리콥터에서, 호버(hover) 중에 요구되는 동력은 공칭 레벨 순항(nominal level cruise) 중에 소비되는 동력의 대략 2배일 수 있다. 종래의 고정익 항공기의 프로펠러, 또는 상업적인 제트 여객기의 터보팬(turbofan)은, 공칭 레벨 순항 중에 보이는 것과 같은 더 높은 자유 스트림 유동 속도와 비교하여, 이륙 중에 보이는 것과 같은 낮은 자유 스트림 유동 속도에서 주어진 추력 크기(thrust magnitude)를 위해 더 많은 양의 동력을 소비한다. 유사하게, 종래의 오픈 로터 풍력 터빈(open rotor wind turbine)이 유체로부터 추출할 수 있는 동력의 양은 불필요하게 작다.
비교적 낮은 자유 스트림 유동 속도 크기들과 연관된 추력 생산 또는 동력 추출에서의 이러한 비효율성을 완화시키기 위한 시도들은 유효성에서 제한이 있다. 예를 들어, 프로펠러, 헬리콥터 로터, 또는 풍력 터빈의 로컬(local) 자유 스트림 유동 속도를 증가시키기 위해 덕트(duct)가 채용될 수 있다. 이러한 증가의 크기는 덕트의 기하구조에 의해 결정되며, 이는 결국 제약들, 예컨대 유동 박리(flow separation)에 연관된 제약들에 의해 심하게 제한된다. 이러한 제약들은 낮은 자유 스트림 유동 속도에서, 즉, 덕트가 가장 요구될 수 있는 바로 그 체제에서 가장 심각하다. 이러한 제약들로 인해, 로컬(local) 자유 스트림 유동에 미치는 큰 영향은 오직 큰 디퓨저를 가진 덕트에 의해 달성될 수 있으며, 이는 예를 들어 엄청나게 큰 습윤 영역(wetted area) 및 추가된 무게와 연관될 수 있다.
유체에 대하여 움직이는 물체, 예컨대 동체(fuselage)는 일반적으로 마찰력, 또는 항력(drag force)과 직면한다. 종래 기술에서, 이러한 항력을 최소화하기 위한 시도들은 일반적으로 물체의 접촉 표면(wetted surface)이 가능한 한 평활하게 되는 것을 보장하는데 제한된다. 몇몇 경우들에서, 이러한 평활도(smoothness)는 접촉 표면의 적어도 부분에 걸쳐서 층류(laminar flow)를 촉진할 수 있으며, 이는 점성 항력을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 그러나, 이러한 항력은 층류의 존재에도 불구하고 상당할 수 있다.
초음속 또는 천음속으로 공기를 통해 이동하는 항공기, 또는 그 구성요소들은 일반적으로 충격파를 초래하며, 이는 운송체(vehicle)에 상당한 양의 항력을 기여할 수 있다. 물을 통해 이동하는 선박, 또는 그 구성요소들은 일반적으로 표면파, 또는 중력파를 초래하며, 이 역시 운송체에 상당한 양의 항력을 기여할 수 있다. 운송체 또는 운송체의 구성요소의 전체 항력에 대한 조파 항력(wave drag) 기여가 감소되는 것이 바람직하다.
여기에서 개시되는 몇몇 실시예들은 항력(drag), 및 특히 조파 항력을 겪는 유체 상호작용 장치, 예컨대 항공기, 선박, 또는 육상 운송체들에 관한 것이다.
몇몇 실시예들은 조파 항력을 감소시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
몇몇 실시예들은 조파 항력을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.
몇몇 실시예들에서, 외측 표면은 유체의 외부 유체 유동을 수용하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 채널은 상기 외측 표면에 결합될 수 있으며 유체의 내부 유체 유동을 수용하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널은 유체 입구와 유체 출구를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널은 조파 항력을 감소시키기 위해 내부 유체 유동을 조작하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널은 상기 유체 입구의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되며 상기 채널 내부의 유체 유동의 속도와 압력을 변경시키도록 더 구성된 제1 유체 조작 장치("FMA")를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널은 상기 제1 FMA의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성된 압력 억제 장치(pressure containment apparatus)("PCA")를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널은 상기 PCA의 하류와 상기 유체 출구의 상류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성된 제2 FMA를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동의 속도와 압력을 더 변경시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자유 스트림(free stream)은 자유 스트림 내부의 조파의 조파 속도보다 더 큰 자유 스트림 속도를 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 수렴 덕트(converging duct); 수렴 발산 덕트(converging diverging duct); 발산 덕트(diverging duct); 프로펠러; 추력 발생 장치; 물체력(body force) 발생 장치; 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 압축 가능하다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 공기, 질소, 또는 이산화탄소일 수 있는 기체일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 아음속 유체 속도로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 천음속으로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 낮은 초음속으로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 압력을 감소시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도와 실질적으로 동일한 속도로 가속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 큰 속도로 가속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 작게 가속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 실질적으로 압축할 수 없다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 물일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 내부 유체 유동의 압력을 감소시키도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 동등한 자유 스트림 단면적과 비교하여 상기 제1 FMA을 떠나서 상기 PCA로 들어가는 내부 유체 유동의 단면적을 감소시킨다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 FMA는 상기 시스템을 포함하는 운송체(vehicle)상의, 조파 항력을 포함하는, 전체 항력이 감소되도록 내부 유체 유동을 가속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 내부 유체 유동의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 상기 제2 FMA를 떠나는 내부 유체 유동의 단면적을 증가시킨다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도의 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 큰 속도로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 작은 속도로 감속시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 상기 PCA 내부의 내부 유체 유동과 상기 외측 표면 외부의 자유 스트림 사이의 압력 차이를 유지하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 원형, 직사각형, 타원형, 또는 다각형 단면 및/또는 직선부, 굽힘부(bend), 엘보우 조인트, 또는 턴(turn)을 가진 채널을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 양력을 발생시키며 상기 PCA 내부의 유체로 순 운동량(net momentum)을 전달하도록 구성된 날개를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 동체(fuselage)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 의도적인 운동량 운반 장치, 의도적인 운동량 발산(shedding) 장치, 터보샤프트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보제트 엔진, 램제트(ramjet), 추력 장치, 항력 장치, 펌프 제트, 프로펠러, 또는 애프터버너(afterburner)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 제1 추력 장치를 포함할 수 있으며, 상기 제1 추력 장치는 공칭 작동 요건(nominal operating requirement) 중에 국부적인 자유 스트림에 제1 유도 속도를 부여하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 추력 장치는 유관(streamtube)을 생성할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 PCA는 제2 추력 장치를 포함할 수 있다. 상기 제2 추력 장치는 상기 유관의 하류 부분에 배치될 수 있다. 상기 제2 추력 장치는 국부적인 자유 스트림에 제2 유도 속도를 부여하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제2 유도 속도는 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제1 유도 속도의 방향과는 반대 방향의 성분을 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 및/또는 제2 추력 장치는 프로펠러를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 하나의 추력 장치에 의해 추출된 동력의 적어도 부분은 다른 추력 장치에 동력을 공급하도록 유도될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 표면과 내측 표면 사이의 부피는 운송체의 적어도 부분일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 및 내측 표면들은 자유 스트림 유동에서 조파 항력의 영향을 감소시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 표면은 자유 스트림 유동 라인들에 실질적으로 평행할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 표면은 환형 실린더일 수 있으며, 상기 제1 FMA는 상기 실린더의 상류 단부에 배치될 수 있고, 상기 제2 FMA는 상기 실린더의 하류 단부에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 운송체의 외측 표면은 테이퍼형 실린더의 형상일 수 있으며, 상기 실린더의 반경은 하류 방향으로 감소할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 표면의 단면적은 자유 스트림 방향에서 보았을 때 원형, 타원형, 직사각형, 또는 다각형일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력 없이 수직으로 이륙하고 공칭 작동하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력을 유도함이 없이 레벨 순항(level cruise)에서 아음속 및/또는 초음속으로 비행하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 외측 표면과 내측 표면은 의도적인 운동량 운반 장치를 형성할 수 있고, 상기 시스템은 경계 장치(boundary apparatus)도 포함할 수 있다. 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 의도적인 운동량 운반 장치(IMCA)에 의해 자유 스트림 속도에 대해 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 유동 속도의 감소는 국부적인 자유 스트림 유체 내부에서 조파 속도보다 높은 유동 속도들로의 감소일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 국부적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 국부적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도보다 작은 속도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 초음속인 속도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 천음속(transonic)인 속도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 아음속인 속도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치는 동체 또는 선박의 선체를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치는 날개를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치는 순 유도 속도를 제3 FIA의 원방 후류(far wake)로 전달하도록 구성될 수 있는 제3 FMA를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제3 FMA의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 제3 FIA의 상류, 하류, 및 부근에서 상기 채널에 의한 국부적인 자유 스트림의 속도 감소에 기인하여 자유 스트림 속도보다 작은 국부적인 자유 스트림 속도로 상기 채널 내부에 위치할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 상기 제3 FMA의 하류의 상기 PCA 내부에서 국부적인 자유 스트림 유동에 대해 직각인 비-제로의 순 성분을 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제3 FIA는 공칭 레벨 순항(nominal level cruise) 작동 중에 양력을 발생시키도록 구성될 수 있는 날개일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 날개의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 채널 내부에서 감소된 국부적인 자유 스트림 유동의 영역 내부에 위치할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 날개의 원방 후류는 상기 채널의 출구의 외부 및 하류의 자유 스트림까지 연장될 수 있으며; 날개 길이(wingspan)는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 절반보다 작을 수 있고; 및/또는 날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/4보다 작을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/10보다 작을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 국부적인 자유 스트림 유동에 평행한 비-제로의 순 성분을 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제3 FIA는 동체 또는 프로펠러일 수 있으며, 공칭 레벨 순항 작동 중에 추력 또는 항력을 발생시키도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 경계 장치는 상기 IMCA의 선행 및 후행 에지들에 의해 형성된 유관 내부에 위치할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제1 FMA가 제공될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제2 FMA가 제공될 수 있으며 상기 제1 FMA의 하류 유관 내부에 적어도 부분적으로 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 압력 억제 장치("PCA")가 제공될 수 있으며 상기 제1 및 제2 FMA 둘 다를 통과하는 유관을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 압축 가능할 수 있으며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시킬 수 있고, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시킬 수 있으며, 자유 스트림 유동과 비교하여 더 낮은 속도와 더 높은 압력 유동 체제에서 양력이 발생하도록 상기 PCA 내부에 날개가 제공될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 유체는 압축할 수 없으며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시킬 수 있고, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시킬 수 있으며, 낮은 압력 및 작은 단면적 유동은, 운송체에 의해 더 작은 조파 항력이 발생되도록, 상기 제1 FMA로부터 상기 제2 FMA로 운송체를 통해 상기 PCA를 통해 수송될 수 있다.
도 1과 2는 종래 기술의 추력 장치의 단면도들이다.
도 3은 몇몇 실시예들에 따른, 의도적인 유체 조작 장치("IFMA") 구성의 단면도이다.
도 4는 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 5는 종래 기술의 유체 조작 장치의 단면도이다.
도 6은 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 7은 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 8과 9는 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도와 정면도이다.
도 10, 11, 12, 및 13은 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 사시도, 측면도, 상면도, 및 배면도이다.
도 14는 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면, 경사, 사시도이다.
도 15-18은 몇몇 실시예들에 따른, 다양한 IFMA 구성의 사시도들이다.
도 19-21은 몇몇 실시예들에 따른, 다양한 IFMA 구성의 측면도들이다.
도 22는 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 23은 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 24-28은 도 24의 덕트 장치의 단면도들이다.
도 29는 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 30과 31은 몇몇 실시예들에 따른, 도 29의 덕트 장치의 다양한 작동 모드에서의 단면도들이다.
도 3은 몇몇 실시예들에 따른, 의도적인 유체 조작 장치("IFMA") 구성의 단면도이다.
도 4는 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 5는 종래 기술의 유체 조작 장치의 단면도이다.
도 6은 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 7은 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도이다.
도 8과 9는 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면도와 정면도이다.
도 10, 11, 12, 및 13은 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 사시도, 측면도, 상면도, 및 배면도이다.
도 14는 각각, 몇몇 실시예들에 따른, IFMA 구성의 단면, 경사, 사시도이다.
도 15-18은 몇몇 실시예들에 따른, 다양한 IFMA 구성의 사시도들이다.
도 19-21은 몇몇 실시예들에 따른, 다양한 IFMA 구성의 측면도들이다.
도 22는 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 23은 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 24-28은 도 24의 덕트 장치의 단면도들이다.
도 29는 몇몇 실시예들에 따른, 덕트 장치의 단면도이다.
도 30과 31은 몇몇 실시예들에 따른, 도 29의 덕트 장치의 다양한 작동 모드에서의 단면도들이다.
채널의 "유효 직경(effective diameter)"이라는 용어는 채널의 단면적을 파이(number pi)로 나눈 값의 제곱근의 두 배로 정의되며, 여기서 단면적은 채널 내의 특정 위치에서 측정된다.
여기서 사용되는 "유체(fluid)"라는 용어는 유체의 특성을 도시된 모든 유형의 물질들을 포괄한다. 하나의 이러한 특성은 구성 입자들이 서로에 대하여 움직일 수 있는 능력이다. 이는 예를 들어 물과 같은 액체, 또는 공기, 질소, 또는 이산화탄소와 같은 기체를 지칭한다. 유체는, 예컨대, 몇몇 유형의 기체로 구성된 공기와 같이, 유체의 몇몇의 상이한 유형들과 종들을 동시에 포함할 수 있다는 것을 주목한다. 명시되지 않은 한, 상이한 유체들의 집합체도 단순성을 위해 여전히 "유체"로서 지칭될 것이다.
"자유 스트림 유동(free stream flow)"이라는 용어는 장치의 조립체와 같은 본체가 유체와 상호 작용하지 않는 경우에 발생할 수 있는 특정 지점에 대한 이론적 유동으로서 정의된다. 따라서, 이는 글로벌(global) 자유 스트림 유동으로서 지칭될 수 있다. 장치의 조립체는 항공기 또는 선박과 같은 운송체(vehicle), 또는 예를 들어 풍력 터빈과 같은 상이한 유형의 유체 조작 장치, 또는 이러한 조립체의 임의의 부분일 수 있다. 자유 스트림 유동은 관성 공간 내의 특정 지점의 모션, 예컨대 관성 공간 내의 운송체의 모션으로부터의 기여를 포함할 수 있다. 이는 또한 관성 공간 내의 유체, 예컨대 바람 또는 해류의 모션으로부터의 기여를 포함할 수 있다. 상이한 특정 지점들은 상이한 자유 스트림 유동들을 경험할 수 있다. 예를 들어, 장치는 회전할 수 있는 바, 장치상의 상이한 지점들은 관성 공간 내에서 상이한 속도들로 움직이고 관성 공간 내에서 이론적으로 정지 상태인 유체 내에서 상이한 자유 스트림 유동 속도를 경험한다.
"로컬(local) 자유 스트림 유동"이라는 용어는 오직 특정 장치가 유체와 상호 작용하지 않는 경우에 발생할 수 있는 특정 장치에 대한 이론적 유동으로서 정의된다. 로컬 자유 스트림 유동은 자유 스트림 유동의 기여뿐만 아니라 다른 장치들에 기인한 기여, 예컨대 유체와 상호 작용하는 조립체의 나머지 부분의 기여도 포함한다. 예를 들어, 수평 고정익에 의해 생성되는 다운워시(downwash)는 날개의 하류에 장착된 수평 안정 장치에 대한 로컬 자유 스트림 유동 속도 크기 및 방향에 영향을 미칠 수 있다.
"유체 조작 장치(fluid manipulation apparatus)", 또는 FMA는 유체의 특성들을 조작하는 장치로서 정의된다. 예를 들어, FMA는 특정 시나리오 또는 경계 조건에서 자유 스트림 유동 속도의 크기에 대한 유체 요소의 유동 속도의 크기를 변화시킬 수 있다. 다른 예에서, FMA는 특정 시나리오에서 자유 스트림 유동 속도의 크기에 대한 유체 요소의 유체 유동 속도의 방향을 변화시킬 수 있다. 유체 유동에 미치는 이 영향은 의도적인 것이거나 의도적인 것이 아닐 수 있다. 유체에 대한 영향의 적어도 일부가 의도적인 것일 때, FMA는 추가적으로 "의도적 유체 조작 장치" 또는 IFMA로서 분류될 수 있다. 유체 유동에 대한 의도적인 영향은, 아래에서 정의되는 "의도적 운동량 운반 장치(intentional momentum carrying apparatus)" 또는 IMCA의 경우에서처럼, 오직 몇몇의 IFMA들에 대해서만 국한될 수 있다. 다른 IFMA들에서, 유체 유동에 대한 의도적 영향은 "의도적 운동량 발산 장치(intentional momentum shedding apparatus)" 또는 IMSA의 경우에서처럼, 원방 후류(far wake)에서도 일어날 수 있다. 이러한 정의들은 다음 단락들에서 명확하게 될 것이다.
운동량 발산의 의도적인 성질로 인해, IMSA는 "추력 장치" 또는 TA로 지칭될 수 있으며, 이는 공칭 작동 중에 유체에 운동량의 의도적인 변화율을 부여하도록 구성된 임의의 장치로서 정의된다. TA의 예는 종래의 프로펠러 또는 헬리콥터 메인 로터이다. 공칭 일정 속도 순항 중에 양력을 제공하는 고정익 항공기의 날개도 추력 장치로 간주될 수 있다. 이용 가능한 TA들에는 다른 많은 가능한 유형들이 있다. 예를 들어, 운동량의 변화율은 전자기력을 통해 TA에 의해 유체에 적용될 수 있다. 예를 들어, TA는 홀-효과 추력기(Hall-effect thruster), 또는 자기유체역학(MHD) 장치일 수 있다. 보이드 슈나이더 추력기, 사이클로자이로, 또는 유사한 장치도 TA의 예들이다.
추력 장치의 전술한 정의에서, 운동량의 의도적인 변화율을 유체에 부여하는 요건은 몇몇 방법들로 설명될 수 있다. 예를 들어, 장치들의 조립체에서 다른 유체 조작 장치들로부터 고립된 추력 장치를 고려한다. 예를 들어, 고정익 항공기의 나머지 부분으로부터 고립된 날개를 고려한다. 또는, 종래의 헬리콥터의 나머지 부분으로부터 고립된 헬리콥터 메인 로터를 고려한다. "고립된 시나리오"를 의미하는 이론적인 시나리오에서, 추력 장치는 고립된 것으로 간주되고 공칭 작동 조건 중에 추력 장치에 대해 원방 후류내에 의도적인, 비-제로의 유도된 유동이 있다는 사실에 의해 정의되거나 특징화된다.
공칭 작동 조건은, 몇몇 예들에서, 공간 및 시간에서 균일한 자유 스트림 유동 속도 크기 및 방향을 수반할 수 있다. 몇몇 예들에서, 정속 순항 중의 작동 조건들은 공칭 작동 조건으로서 설명될 수 있다. 원방 후류는 이 공칭 작동 조건에서 추력 장치로부터 무한한 거리에 위치한다. 다시 말해서, 추력 장치는 자유 스트림 유동장과 비교하여 추력 장치로부터 무한한 거리의 유동장(flow field)에 의도적이고, 무시할 수 없는 영향을 미친다.
여기에서 정의되고 사용되는 "의도적"이라는 용어는 운동량의 변화율이 유용하거나 고의적이라는 요건을 나타낸다. 예를 들어, 운동량의 유용한 변화율은 전술한 고립된 시나리오에서 원방 후류 내의 유체 요소의 평균 유도 속도에 기여할 수 있으며, 여기서 속도는 의도된 추력 또는 양력의 방향과는 반대 방향으로 비-제로 성분을 가진다. 몇몇의 추력 장치들에서, 원방 후류에서 유체 요소의 평균 유도 속도는 의도된 추력 또는 양력의 방향과는 반대 방향으로 실질적인 성분을 가진다. 양력 또는 추력의 생성과 연관된 고정익 또는 헬리콥터 메인 로터의 원방 후류의 유도 유동은 의도적인 것으로 여겨진다. 추력 장치 부근의 유체의 운동량의 연관된 변화율도 의도적인 것으로 여겨진다. 원방 후류에 대한 추력 장치의 의도된 효과는 원방 후류 내의 유체 유동장에 대한 비의도적인, 유용하지 않은, 또는 비생산적인 효과들과는 구별되며, 이는 프로파일 항력(profile drag), 예를 들어, 추력 장치의 몇몇 요소들에 대해 작용하는 압력 항력과 연관될 수 있다. 이러한 비의도적인 효과들은, 다른 사정이 변함 없다면, 이러한 효과들이 수학적으로 제거되는 이론적 상황과 비교하여, 동력 소비를 불필요하게 증가시킨다.
운동량의 의도적 변화율을 유체에 부여하는 요건은 다른 방식으로 설명될 수도 있다. 예를 들어, 추력 장치는 프란틀 양력선 이론(Prandtl lifting-line theory)의 단순화된 체계에서 와류들을 의도적으로 발산하기 위해 고려될 수 있는 임의의 장치로서 정의될 수도 있다. 따라서, 추력 장치, 또는 TA, 또는 IMSA는 "의도적 와류 발산 장치(intensional vortex shedding apparatus)", 또는 IVSA로 설명될 수도 있다. 양력선 이론의 체계는 비점성 및 비압축성 유동과 같은 단순화된 가정에 의존하기 때문에, 오직 기준 또는 가이드로서 고려되어야 함을 주의한다. 추력 장치에 의해 의도적으로 또는 고의적으로 발산되는 와류들은 유체에 운동량의 변화율을 부여함으로써 추력 장치에 작용하는 양력 또는 추력에 기여한다. 공칭 작동 조건 중에 전술한 고립 시나리오에서 추력 장치가 고려될 때, 의도적으로 발산된 와류들도 추력 장치로부터 무한한 거리에 존재하며, 여기서 의도적인 유도 유동을 생성한다. 다시 말하면, 추력 장치 때문에, 또는 추력 장치에 의해 생성되는 비-제로의, 의도적인, 원방 후류의 유도된 유동 속도가 있다. 추력 장치는, 이론적 발산 와류들의 형태로 점성 항력 또는 경계층 효과들을 고려하는 수학적 모델들과 같은 몇몇 모델에서 비의도적으로 와류들을 발산하는 것으로 고려될 수 있다는 것을 주의한다. 비의도적 와류 발산은 고의적으로 발산하지 않는 임의의 와류들, 즉, 양력 또는 추력의 생성과 같은 유용한 기능을 수행하지 않거나 유용한 기능에 기여하지 않는 임의의 와류들을 나타낸다.
의도적 운동량 운반 장치, 또는 IMCA는, 고립 시나리오에서 고려될 때, 운동량을 원방 후류로 의도적으로 발산하지 않는 유체 조작 장치이다. IMCA의 일 예는 덕트 또는 종래의 튜브형, 또는 시가 형상의 축대칭 동체(fuselage)이다. 동체는 동체 주위의 유동을 의도적으로 편향시킴으로써 자유 스트림 유동을 변경하며, 이는 또한, 일정 속도 순항과 같은 공칭 작동 조건에서, 동체가 날개들과 같은 임의의 다른 유체 조작 장치들과 격리된 것으로 간주되는 고립 시나리오에서 동체 부근의 유동 속도의 크기를 증가시킨다. 전술한 유동의 의도적 편향은 동체 부근에 국한된다. 따라서, 동체 부근의 유체 요소는 의도적이고 국부적인 운동량의 변화율을 경험한다. 이상적인 경우에, 동체로부터 무한한 거리에서 유체 유동에 대한 영향은 없다. 다시 말해서, 동체로 인한 유체 유동에 대해 미치는 의도적인 원방 후류의 영향은 없다. 동체 부근에서 유체의 비의도적인 운동량의 변화율은 있을 수 있으며, 이는 자유 스트림 유동과 비교하여 고립 시나리오에서 동체로부터 무한한 거리에 있는 유체 요소의 운동량의 비의도적인 변화와 연관될 수 있다. 원방 후류에서 유체 유동의 이러한 비의도적인 변화는 예를 들어 프로파일 항력 효과들로부터 발생할 수 있다.
마찬가지로, 덕트는 덕트 부근의 유동 속도의 크기를 의도적으로 변경함으로써 자유 스트림 유동을 변경한다. 예를 들어, 덕트는 공칭 작동 조건 중에 고립 시나리오에서의 자유 스트림 유동에 대해 원형 덕트의 중심에서의 유체 요소의 유동 속도의 크기를 감소시키도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 공칭 작동 조건들은 덕트의 중심 대칭축에 평행한 일정하고 균일한 자유 스트림 유동 속도를 가리킬 수 있다. 이러한 의도적인 변경은 오직 덕트의 부근에만 국한되며, 덕트의 중심으로부터 무한한 거리에서 무시할 수 있는 값에 수렴된다. 따라서, 덕트로 인해 유체 유동에 대해 미치는 의도적인 원방 후류의 영향은 없으며, 즉, 덕트와 유체의 상호 작용으로 인한 유체 요소의 원방 후류의 의도적인 유도 유동 속도는 없다. 전과 같이, 원방 후류에서 유체 유동의 비의도적인 변경은 있을 수 있으며, 항력 또는 일시적인 영향들에 기인하여, 덕트 부근에서 유체의 운동량의 비의도적인 변화율과 연관될 수 있다.
IMCA는 양력선 이론의 단순화된 체계에서도 설명될 수 있다. IMCA는 밀폐된 와류 또는 구속된 와류를 운반하는 것으로 고려될 수 있다. 이와 같이, IMCA는 "의도적 와류 운반 장치", 또는 IVCA인 것으로 여겨질 수 있다. 예를 들어, 유체에 대한 원형의 축 대칭 덕트의 의도적인 효과는 원형의 와류 링들로서, 또는 와도(vorticity)의 이차원 또는 삼차원의 연속적인 분포, 또는 점진적으로 작은 별개의 와류 링들로서 모델링될 수 있다. 와도의 크기가 시간적으로 일정하고 와류 링의 원주를 따라 균일한 공칭 동작 조건 중에는, 의도적인 와도가 유체로 발산되지 않는 것에 주의한다. 마찬가지로, 유체 유동에 대한 동체의 의도적인 영향은, 동체 내에 포함되거나 또는 동체의 표면, 즉 동체와 유체 사이의 인터페이스에 위치하는 와도의 삼차원 연속 분포로서 모델링될 수 있다.
IMSA의 "유도 동력(induced power)"은 유체의 운동량의 의도적인 변화율과 연관된 유체의 에너지 변화율이다. 임의의 다른 동력 소비는 "제로-양력 동력", 또는 "프로파일 동력"으로 설명된다. "양력(lift)"이라는 용어는 이 문맥 내에서 추력을 포괄한다는 것을 주의한다. IMCA는 어떠한 유도 동력도 소비하지 않는다는 것을 주의한다. 순수한 IMCA와 연관된 임의의 동력 손실은 프로파일 동력 손실로 여겨진다. IMSA는 유도 동력을 소비할 수 있고, 이 경우, 유체 조작 장치에 의해 유체에 의도적인 작업이 수행된다.
예를 들어, 항공기 또는 선박의 프로펠러, 또는 종래의 고정익 항공기의 고정익은 유도 전동력의 소비를 초래하거나, 또는 이와 연관된다. 또한, IMSA는 유도 동력을 회수할 수 있으며, 이 경우, 작업은 유체 조작 장치상의 유체에 의해 의도적으로 수행된다. 예를 들어, 풍력 터빈에 의해 생성되는 동력은 유도 동력인 것으로 여겨질 수 있다.
운동량의 변화율을 유체에 적용하는 과정에 있어서, 유체 조작 장치는 로컬 자유 스트림 속도에 대한 유동 속도를 변화시킬 수 있다. 이러한 속도에서의 변화는 "다운워시", 또는 "유도 속도"이다. 유도 속도는 예를 들어 하류 또는 상류로, 또는 스트림에 대해 직각으로 지향될 수 있다는 것을 유의한다. 유도 속도는 IMSA 또는 IMCA에 의해 생성될 수 있다. 후자의 경우, 유도 속도는 국한되며, 즉, IMCA의 부근에 근처에 한정된다. 이러한 면에서, IMSA는 고립 시나리오에서 원방 후류에 의도적인 유도 속도를 기여하는 장치로서 특징지어질 수도 있다. 두 개의 IMSA들이 함께 고려될 때, 하나의 IMSA에 의한 유도 속도의 기여는 다른 IMSA에 의해 상쇄할 수 있다는 점에 유의한다.
다음의 단락들에서, 그리고 도 1-2의 맥락에서, 종래 기술에서 사용되는 몇몇 장치들과 방법들이 논의될 것이다.
도 1은 종래 기술의 TA의 단면도이다. 이 도면은 프로펠러(1)를 보여주며, 여기서 프로펠러(1)의 추력은 추력 벡터(thrust vector)(39)로 나타낸 바와 같이 도면의 상부쪽으로 지향된다. 도시된 작동 조건에서, 화살표(40)로 나타낸 바와 같이, 도면의 상부로부터 하부로 흐르는 비-제로(non-zero)의 자유 스트림 유동이 있다.
점선은 자유 스트림 유동과 로터 디스크를 통해 흐르는 유동 사이의 근사 경계(2)를 개략적으로 나타낸다. 경계에 놓여 있는 선은 유선(streamline)으로 서술될 수 있고, 경계에 의해 둘러싸인 부피는 유관(streamtube)으로 서술될 수 있다. 도면들에 도시된 경계들은 오직 일정 작동 조건을 위한 예들이라는 것을 주의한다. 경계들의 형상은 호버(hover) 또는 바람 또는 수류와 같은 자유 스트림 유동으로부터 에너지 추출과 같은, 도시된 TA들의 다른 작동 조건들 또는 작동 모드들에서 매우 상이할 수 있다. 프로펠러의 먼 전방의 자유 스트림에서의 유동은 자유 스트림 유동과 대략적으로 동등하다.
이러한 유체의 상태는 도 1에서 스테이션(3)으로 나타나 있다. 프로펠러에서 유체의 특성은 스테이션(4)로 요약된다. 원방 후류(far wake)에서의 유동, 또는 프로펠러의 먼 하류에서의 자유 스트림은 스테이션(5)으로 지칭된다. 프로펠러가 유동을 가속시키기 때문에, 유관의 영역은 스테이션(3)으로부터 스테이션(4)으로 그리고 스테이션(4)로부터 스테이션(5)으로 감소한다.
스테이션(5)에서 유동은 스테이션(3)에서 보이는 유동과 같은 자유 스트림 유동보다 더 큰 속도 크기를 가지지만, 유관 내의 유동의 압력은 종래의 단순한 운동량 이론의 체계에서 자유 스트림 압력으로 복귀한 것으로 가정할 수 있다. 스테이션(5)에서 더 큰 속도는, 프로펠러가 유동을 가속시키며 동일하고 반대되는 힘 또는 추력을 받는 결과로서, 유체의 운동량의 증가를 나타낸다. 더 높은 속도는 유체 내에 더 큰 운동 에너지를 초래하며, 이는, 전술한 체계에서, 추력을 제공하기 위해 요구되는 동력을 나타낸다.
단순한 운동량 이론은 오직 TA를 사용하여 양력의 기본적인 원리를 설명하기 위한 체계로서 사용되며, 이 이론에 종래 포함되어 있던 가정은 실시예들에 적용되거나 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니라는 것에 주목한다. 예를 들어, 다운워시(downwash)의 분포는 일반적으로 유관의 단면 전체에 걸쳐 일정할 필요는 없다. 각각의 스테이션에서 유관의 점선으로 표시된 반경들은 대략적인 것이고, 오직 유관의 일반적인 형상을 나타내도록 의도된 것이라는 점을 주의한다.
프로펠러의 단면도는 제1 프로펠러 블레이드(6) 및 제2 프로펠러 블레이드(7)를 보여준다. 제1 프로펠러 블레이드(6)의 후행 에지(9)와 제2 프로펠러 블레이드(7)의 선행 에지(10)도 보인다. 프로펠러를 포함하는 모든 도면들에서 유사한 구성이 도시된다.
도 2는 다른 종래 기술의 TA의 단면도이다. 이 도면은 덕트 프로펠러(ducted propeller)를 보여주며, 여기서 추력 벡터(41)로 나타낸 바와 같이, 프로펠러(11)의 추력은 도면의 상부를 향해 지향된다. 도시된 작동 조건에서, 화살표(42)로 표시된 바와 같이, 도면의 상부로부터 하부로 흐르는 비-제로의 자유 스트림 유동이 있다. 선행 에지(17), 후행 에지(18) 및 단면(19)을 가진 덕트(16)에 의해 생산되는 추가적인 추력이 있다. 도 1과 유사하게, 원방 상류의 스테이션(13), 로터에서의 스테이션(14), 및 원방 후류 스테이션(15)을 가진 유관 경계(12)가 있다. 덕트(16)는 프로펠러(11)를 원주방향으로 둘러싼다.
몇몇 실시예들에 따르면, 종래 기술에서 채용된 방법들보다 효과적으로 유동을 변경할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다. 변경은 명시된 위치(들)에서의 유동 속도를 언급할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 추력의 생성에 적용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 방법은 공칭 작동 중에 자유 스트림 유동에 대해 제1 방향으로 의도된 힘 또는 추력을 생성하도록 구성된 상류 추력 장치를 가진 추력 장치 조립체를 제공하는 것을 포함하고, 추가적으로 적어도 하류 추력 장치를 가진 추력 장치 조립체를 제공하는 것을 포함하며, 여기서 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 하류 유관의 적어도 부분 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 하류 추력 장치는 적어도 상류 추력 장치의 유관 내의 하류 추력 장치의 위치에서 상류 추력 장치의 유도된 속도 벡터의 방향에 평행한 벡터 성분을 가진 추력을 생성하도록 구성되며, 하류 추력 장치의 추력은 상류 추력 장치의 유관과 하류 추력 장치의 유관 사이의 중첩 영역의 적어도 부분에 걸쳐 이 방향 기준을 충족한다. 추력 장치 조립체는 적어도 두 개의 추력 장치를 포함할 수 있다.
유관은 외부 양력 장치들 또는 추력 장치들에 의해 만곡될 수 있다는 것을 유의한다. 몇몇 예들에서, 하류 추력 장치의 위치에서 상류 추력 장치의 유도 속도 벡터는 상류 추력 장치가 겪는 추력과 더 이상 정렬될 필요는 없으며, 몇몇 예들에서는, 상류 추력 장치의 위치에서 상류 추력 장치의 유도 속도 벡터와 더 이상 정렬되지 않아도 된다. 하류 추력 장치의 위치에서 하류 추력 장치의 유도 속도 벡터는 적어도 그 위치에서의 상류 추력 장치의 유도 속도 벡터와 반대 방향의 성분을 가지도록 구성된다. 따라서, 하류 추력 장치가 겪는 추력은 상류 추력 장치의 추력과 반대 방향의 성분을 가질 필요는 없다.
대안으로서, 본 방법은 추력 장치 조립체에 자유 스트림 유동 속도 벡터에 대하여 적어도 의도된 방향으로 운동량의 제1 변화율을 부여하도록 구성된 상류 추력 장치를 제공하는 단계와, 상기 추력 장치 조립체에 적어도 하류 추력 장치를 더 제공하는 단계를 포함하며, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 하류 유관 중 적어도 부분 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 유관 내의 유체에 운동량의 제2 변화율을 부여하도록 구성되며, 이 운동량의 제2 변화율의 방향은 적어도 상류 추력 장치의 유관과 하류 추력 장치의 유관 사이의 중첩 영역 중 적어도 부분에서 상류 추력 장치의 유관 내의 유체에 대한 운동량의 제1 변화율의 영향의 반대 방향의 성분을 가진다.
대안으로서, 본 방법은 추력 장치 조립체에 유체에 의도된 양의 유도 동력을 전달하도록 구성된 상류 추력 장치를 제공하는 단계와, 상기 추력 장치 조립체에 적어도 하류 추력 장치를 더 제공하는 단계를 포함하며, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 하류 유관 중 적어도 부분 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 유관과 하류 추력 장치의 유관 사이의 중첩 영역 중 적어도 부분에 걸쳐 유체로부터 의도된 양의 유도 동력을 추출하도록 구성된다.
대안으로서, 본 방법은 추력 장치 조립치에 유체로부터 의도된 양의 유도 동력을 추출하도록 구성된 상류 추력 장치를 제공하는 단계와, 상기 추력 장치 조립체에 적어도 하류 추력 장치를 더 제공하는 단계를 포함하며, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 하류 유관의 적어도 부분 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 유관과 하류 추력 장치의 유관 사이의 중첩 영역 중 적어도 부분에 걸쳐 유체에 의도된 양의 유도 동력을 전달하도록 구성된다.
이러한 추력 장치 조립체의 이점들 중 하나는 유관 내의 특정 지점에서 유동 속도의 변경이다. 예를 들어, 상류 및 하류의 추력 장치 사이의 스테이션에서, 유동 속도는 인위적으로 증가될 수 있다. 이상적인 경우, 상류 추력 장치에 의해 수행된 임의의 작업은 하류 추력 장치에 의해 회수할 수 있으며, 그 결과, 프로세스에서의 에너지 손실이 최소화된다. 또한, 상류 추력 장치에 의해 유체에 부여된 운동량의 임의의 바람직하지 않은 변화는 하류 추력 장치에 의해 제거될 수 있다. 달리 말하면, 상류 추력 장치가 겪는 임의의 바람직하지 않은 추력은 하류 추력 장치에 의해 상쇄할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들은 유동 변경을 위한 방법을 제공하며, 본 방법은 종래 기술에서 채택된 방법보다 더욱 효과적일 수 있다.
위에서 개략 설명된 방법을 채택하는 장치들의 다수의 가능한 실시예들이 있다. 일 실시예가 도 3에 도시된다. 이 도면은 프로펠러로서 분류될 수 있는 상류 추력 장치(20)와, 이 경우에 역시 프로펠러로서 설명될 수 있는 하류 추력 장치(21)을 포함하는 추력 장치 조립체를 도시한다. 다른 실시예들에서는, 상기 추력 장치들(20 또는(21))은 오픈 로터(open rotor) 타입 이외의 타입일 수 있다. 예를 들어, 추력 장치들은 몇몇의 오픈 로터들을 포함하거나, 또는 적어도 하나의 덕트 팬(ducted fan) 또는 한 쌍의 동축 역회전 프로펠러들을 포함할 수 있다. 도 1과 유사하게, 원방 상류 스테이션(23), 상류 추력 장치(20)에서의 스테이션(24), 상류 추력 장치(20)와 하류 추력 장치(21) 사이의 스테이션(25), 하류 추력 장치(21)에서의 스테이션(26), 원방 후류 스테이션(27)을 가진 유관 경계(22)가 있다. 상기 하류 추력 장치(21)는 이 경우에 상류 추력 장치(20)의 유관(22) 내에 배치된다.
이 예에서, 추력 장치 조립체는, 추력 벡터(43)로 표시된 바와 같이, 도면의 상부를 향해, 도의 상부를 향하여 수직 상방으로 지향된 순 추력(net thrust)을 제공하도록 요구된다. 화살표(45)로 표시된 바와 같이, 도면의 상부로부터 하부로 향하는 자유 스트림 유동이 있다. 이 예에서 실시예의 목적은 베이스라인 구성과 비교하여 주어진 양의 추력을 위한 추력 장치 조립체의 유도 동력을 감소시키는 것이다. 이 경우의 베이스라인 구성은 도 1에 도시된 오픈 로터 예와 같은 단일의 오픈 로터이며, 스테이션(4)와 스테이션(24)에서, 순 추력과 액추에이터 디스크 영역은 동일하다.
몇몇 실시예들에 따르면, 이는 아래와 같이, 도 3에 도시된 IFMA 구성에 의해 달성된다. 상기 상류 추력 장치(12)는 추력 장치 조립체의 요구되는 순 추력과 평행하고 이 보다 큰 추력을 제공하도록 구성되며, 여기서 상기 순 추력은 하류 추력 장치(21)의 추력에 추가된 상류 추력 장치(20)의 추력이다. 상기 추력 장치 조립체의 순 추력은 요구되는 추력과 동일할 필요가 있다. 따라서, 하류 추력 장치(21)의 추력은 순 추력과 상류 추력 장치(20)의 추력의 차이와 동일하다. 이 경우, 이는 하류 추력 장치(21)에, 상류 추력 장치(20)의 추력과는 반대 방향을 가리키는 추력 벡터(44)로 표시된 바와 같이, 도면의 하부를 향해 수직 상방으로 지향된 추력을 초래한다. 달리 말하면, 하류 추력 장치(21)는, 추력 장치 조립체에 대해 요구되는 순 추력 제약에 위반할 수 있는, 이 경우에 초과할 수 있는, 상류 추력 장치에 의해 유체에 부여된 임의의 운동량을 추출하도록 구성된다. 상기 하류 추력 장치(21)는 추가로 유체로부터 동력을 추출하도록 구성된다. 베이스라인과 비교하여 유도 동력 소비를 개선하기 위해, 추출된 유도 에너지의 충분한 부분 또는 모두는 가역적으로 회수되거나 또는 직접적으로 상류 추력 장치(20)로 전달될 필요가 있다.
에너지는 추력 장치 조립체 내에 가역적으로 저장하거나, 추력 장치 조립체와 연결하는 다른 장치에 가역적으로 전달함으로써, 가역적으로 회수될 수 있다. 예를 들어, 하류 추력 장치는, 기계적 에너지의 일부를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 전기 모터를 포함할 수 있는, 발전기(G)를 구동시킬 수 있다. 전기 에너지의 일부는 배터리, 커패시터, 또는 다른 에너지 저장 장치에 가역적으로 저장될 수 있다. 배터리는 추력 장치 조립체 내부에, 또는 추력 장치 조립체에 장착된 외부 장치에, 예컨대 운송체의 나머지 부분에 배치될 수 있다. 에너지는 플라이 휠의 형태로 기계적으로 추출 및 저장될 수도 있다.
에너지는 몇몇의 방법들로 상류 추력 장치(20)에 직접 전달될 수 있다. 예를 들어, 에너지가 발전기(G)에 의해 하류 추력 장치(21)에서 추출될 경우, 전기 에너지는 전기 도체 또는 외이어를 통해 상류 추력 장치(20)을 구동시키는 전동기(M)로 전달될 수 있다. 대안으로서, 하류 추력 장치에 의해 추출된 동력은 상류 추력 장치(20)와 하류 추력 장치(21)를 경고하게 연결하는 구동 샤프트의 형태로 기계적으로 전달될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기계적 에너지 전달 장치는 견고한 연결을 형성할 필요는 없지만, 조절 가능한 링키지, 기어 및 다른 메커니즘, 예컨대 클러치를 포함한다.
하류 추력 장치(21)로부터 기계적 에너지를 회수하고 저장하거나 또는 상류 추력 장치(20)로 전달하기 위한 본 기술 분야에 알려져 있는 다수의 다른 방법들이 있다.
상기 실시예는 베이스라인 유도 동력보다 적은 유도 동력을 초래한다. 스테이션(4 및 24)에서의 주어진 최대 액추에이터 디스크 영역, 및 주어진 순 추력에 대하여, 유도 동력은 상류 추력 장치(20)의 추력이 증가할수록 감소한다. 상류 추력 장치(20)의 추력은, 이 예의 베이스라인과 비교하여 유도 동력의 감소를 달성하기 위해, 요구되는 추력보다 클 필요가 있다는 것에 유의한다.
몇몇 실시예들은 도 2에 예시된 바와 같은 덕트 추력 장치(ducted thrust apparatus)의 개선을 제공한다. 덕트는 프로펠러의 팁(tip) 손실의 감소와 같은 몇몇의 이점들을 가지며, 이는 오픈 로터와 비교하여 동일한 추력의 양에 대해 더 낮은 유도 동력에서 동작하도록 허용한다. 덕트도 몇몇의 단점들을 가진다. 이는 TA의 무게뿐만 아니라 습윤 영역(wetted area) 및 연관된 항력을 증가시킬 수 있다. 덕트의 유효성은 디퓨저 내의 유동 박리(flow separation)의 위험성에 의해 더욱 제한된다. 추가적으로, 상이한 유동 속도로 효율성 개선을 성취하기 위해 덕트의 형상을 변경하는 것은 종종 복잡성과 무게로 인해 실제적이지 않다.
몇몇 실시예들은 이러한 단접들 중 몇몇에 의한 영향이 적다. 몇몇의 덕트가 없는 실시예들에서, 추력 장치는 동등한 무게와 습윤 영역에서 동등한 불이익 없이 덕트의 이점들을 받을 수 있다. 유동 박리를 피하기 위해, 덕트는 큰 디퓨저를 요구할 수도 있으나, 이는 무게와 크기 제약들에 기인하여 현실성이 없을 수 있다. 덕트가 없는 실시예들은 실속의 제약에 대한 감도가 낮고, 이는 몇몇 실시예들이 덕트 로터들(ducted rotors)보다 높은 성능을 달성하는 것을 허용한다. 추력 장치는 덕트보다 덜 복잡하도록 재구성될 수도 있다. 예를 들어, 오픈 로터 타입의 추력 장치는 프로펠러 블레이드들의 콜렉티브 피치(collective pitch)를 변경시킴으로써 재구성될 수 있으며, 회전 속도는 쉽게 제어될 수 있다. 이는 추력 장치가 호버(hover) 또는 레벨 순항(level cruise)과 같은 상이한 작동 조건들에서 덜 복잡하고 더욱 효율적으로 작동하도록 허용한다.
도 3에서, 상류 추력 장치(20)는 특정 추력 장치 조립체의 요구되는 추력뿐만 아니라 하류 추력 장치(21)에 의해 상쇄되는 추가적인 추력도 제공하는 것에 유의한다. 몇몇 실시예들에서, 추력 장치 조립체의 순 추력에 대한 기여에 있어서 서로 상쇄되는 추력 장치들을 추력 장치 조립체의 나머지 부분으로부터 물리적으로 분리하는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 이러한 시나리오를 도시한다. 이 도면은 프로펠러로서 분류될 수 있는 상류 추력 장치(28)와, 이 경우 역시 프로펠러로서 설명될 수 있는 하류 추력 장치(30)를 포함하는 보조 추력 장치 조립체를 보여준다. 이 도면은 또한 오픈 로터 타입의 중간 추력 장치(29)도 보여준다. 화살표(49)로 표시된 바와 같이, 도면의 상부로부터 하부를 향해 수직 하방으로 지향된 자유 스트림 유동이 있다. 도 1과 유사하게, 원방 상류 스테이션(32), 상류 추력 장치(28)에서의 스테이션(33), 상류 추력 장치(28)와 중간 추력 장치(29) 사이의 스테이션(34), 중간 추력 장치(29)에서의 스테이션(35), 중간 추력 장치(29)와 하류 추력 장치(30) 사이의 스테이션(36), 하류 추력 장치(30)에서의 스테이션(37) 및 원방 후류 스테이션(38)을 구비한, 유관 경계(31)가 있다. 이 경우, 중간 추력 장치(29)와 하류 추력 장치(30)는 상류 추력 장치(28)의 유관(31) 내에 배치된다.
이 예에서, 중간 추력 장치(29)는, 추력 벡터(47)로 표시된 바와 같이, 전체 추력 장치 조립체의 요구되는 순 추력과 동일한 추력을 제공하며, 상기 추력 장치 조립체는 상류 추력 장치(28), 중간 추력 장치(29) 및 하류 추력 장치(30)를 포함한다. 따라서, 보조 추력 장치 조립체는 순 추력을 제공하지 않는 것이 요구된다. 도 3에서와 같이, 이 예의 실시예의 목적은 베이스라인 구성과 비교하여 주어진 양의 추력에 대해 전체 추력 장치 조립체의 유도 동력을 감소시키는 것이다. 이 경우의 베이스라인 구성도 도 1에 도시된 오픈 로터의 예와 같은 단일 오픈 로터이며, 스테이션(4)과 스테이션(33)에서의 순 추력과 액추에이터 디스크 영역은 동일하다.
몇몇 실시예들에 따르면, 이는 아래와 같이 도 4에 도시된 실시예에 의해 달성된다. 상류 추력 장치(28)는 전체 추력 장치 조립체의 요구되는 순 추력과 평행하고 이보다 큰 추력을 제공하도록 구성되며, 상기 순 추력은 하류 추력 장치(30)에 추가된, 중간 추력 장치(29)의 추력에 추가된, 상류 추력 장치(28)의 추력이다. 따라서, 상류 추력 장치(28)의 추력은, 추력 벡터(46)로 나타낸 바와 같이, 페이지의 상부를 향해 지향된다. 하류 추력 장치(30)에서의 추력은 이 경우에, 추력 벡터(48)로 나타낸 바와 같이, 상류 장치(28)의 추력과 동일하며 반대 방향이다. 달리 말하면, 하류 추력 장치(30)는, 전체 추력 장치 조립체에 대해 요구되는 순 추력 제약에 위반할 수 있는, 이 경우에 초과할 수 있는, 상류 추력 장치에 의해 유체에 부여된 임의의 운동량을 추출하도록 구성된다. 하류 추력 장치(30)는, 도 3의 하류 추력 장치(21)에 관해 전술한 방식으로, 추가로 유체로부터 동력을 추출하도록 구성된다.
그것이 목적일 경우 전체 유도 동력이 최소화되는 한, 상류 및 하류의 추력 장치는 개별적으로 최소 유도 동력에서 작동할 필요는 없다는 점에 유의한다. 예를 들어, 목적이 스테이션(38)에서 원방 스트림 유관의 단면에 걸쳐 일정한 다운워시를 유지하는 것일 경우에, 상류 추력 장치(28) 또는 중간 추력 장치(29)의 다운워시는, 임의의 불균일성이 하류 추력 장치에 의해 제거되는 한, 균일할 필요는 없다.
동축 프로펠러에 적용되는 원리는 몇몇 실시예들에도 적용되는 것에 유의한다. 예를 들어, 중간 추력 장치(29)의 스테이션(35)에서의 액추에이터 디스크 영역은 스테이션(33)에서의 상류 추력 장치(28)의 액추에이터 디스크 영역과 동일한 크기일 수 있다. 따라서, 중간 추력 장치의 부분은 자유 스트림의 유동과 연결한다. 중간 추력 장치는 이 영역을 사용하여, 전체 추력 장치 조립체의 요구되는 추력의 방향으로 운동량의 변화율을 유체에 추가로 부여할 수 있다. 이는 추력 장치 조립체가 베이스라인과 비교하여 유도 동력을 더 감소시킬 수 있도록 한다. 마찬가지로, 도 4의 (30) 또는 도 3의 (21)과 같은, 하류 추력 장치의 액추에이터 디스크 영역을 증가시킬 수도 있다. 바이패스 유체 유동과 상호작용하는 개념은 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 또한, 종래 기술로 알려져 있는 바와 같이, 유관 내의 프로펠러 회전 방향은 원방 후류 내의 와류가 최소화되도록 선택될 수 있다.
아래의 단락들에서는 다른 실시예들이 설명될 것이다.
일반적으로 실시예를 별개로 고려하는 것은 유익하다. 일 실시예에서, 장치의 목적은 유동 내의 특정 지점에서 자유 스트림 유동에 대하여 국부적인 유동 속도를 증가시키는 것이다. 이는 하류의 운동량의 변화율을 부여하여 하류 유도 유동 속도 벡터를 초래하도록 구성된 상류 추력 장치를 가진 추력 장치 조립체에 의해 달성될 수 있다. 상류 추력 장치는 유동 내의 특정 지점의 상류에 배치되고, 상류 방향의 추력을 받아 유체에 일을 하고 유도 동력 소비를 초래한다. 추력 장치 조립체는 상류의 운동량의 변화율을 부여하여 상류 유도 유동 속도 벡터를 초래하도록 구성된 하류 추력 장치를 더 포함할 수 있다. 하류 장치는 상류 추력 장치의 유관 내에 배치된다. 하류 추력 장치는 유동 내의 특정 지점의 하류에 배치되며, 하류 방향으로 추력을 받고 유체로부터 동력을 회수한다. 이상적인 경우에, 순 유도 동력이 유체로 손실되지 않도록, 상류 장치에 의해 유체에 부여된 유도 동력은 하류 장치에 의해 회수된다. 추력 장치 조립체의 제로 순 추력의 요건을 가진 이러한 이상적인 경우에, 상류 및 하류 추력 장치들의 추력은 더욱 상쇄된다.
상류 및 하류 추력 장치 조립체들이 유동의 가속을 허용하도록 충분히 멀리 배치되어 있는 한, 상류 및 하류의 추력 장치들 사이에 위치하는 특정 지점은 국부적인 유동 속도의 바람직한 증가를 받을 수 있다. 이는 유도된 유동, 또는 상류 추력 장치의 다운워시뿐만 아니라 하류 추력 장치의 다운워시에 기인한다. 이 다운워시는 그 뒤에, 이상적인 경우, 유관의 원방 후류 내에 다운워시가 존재하지 않도록, 하류 추력 장치에 의해 특정 지점의 하류에서 더 회수될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치의 목적은 유동 내의 특정 지점에서의 국부적인 유동 속도를 감소시키는 것이다. 몇몇 실시예들에 따르면, 이는 상기한 예와 비교하여 상류 및 하류의 추력 장치들의 역할들을 반전시킴으로써 달성될 수 있다. 따라서, 상류 추력 장치는 상류 유도 유동 속도 벡터를 초래하는, 상류의 운동량의 변화율을 부여하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 하류 추력 장치는 하류 유도 유동 속도 벡터를 초래하는, 하류의 운동량의 변화율을 부여하도록 구성될 수 있다. 이상적인 경우, 상류 장치에 의해 회수된 모든 유도 동력은, 추력 장치에 의해 유체로부터 순 유도 동력이 추출되지 않도록, 하류 장치에 의해 소비된다.
상류 추력 장치는 오직 특정 지점에서만 국부적인 유동 속도 요건을 충족할 필요가 있다는 점에 유의한다. 상류 추력 장치의 액추에이터 디스크 영역을 포함하는 유관 내의 상이한 지점들은 자유 스트림 유동과 비교하여 국부 유동 속도의 상이한 증가 또는 감소를 요구할 수 있다. 국부 유동 속도 요건은, 유관 내의 특정 지점들 또는 지점들의 집합들에서 또는 유관의 부근에서 추력 장치 조립체의 다운워시에 관한 요건으로서 취급될 수 있다. 이러한 요건들은 상류 및 하류 추력 장치들의 액추에이터 디스크 영역 전체에 걸친 추력 분포를 변경시킴으로써 충족될 수 있다. 특정 지점들에서 이러한 유동 제약들을 고려해 볼 때, 유도 동력의 최소화와 같은 추가적인 목적이 있을 수 있으며, 이는 원방 후류 내의 제로 또는 균일한 다운워시의 추가 요건으로 변환할 수 있다. 상기 목적은 이 동작 조건에서 소비되는 전체 동력의 최소화일 수도 있다.
추력 장치 조립체를 위한 작동 조건을 고려하여, 이를 위한 목적은, 구조적 제약들은 항상 만족된다는 것을 가정하고, 주어진 최대 액추에이터 디스크 영역과 자유 스트림 유동 속도에서 유체로부터 추출되는 동력을 최대화하는 것이다. 풍력 터빈과 같은 오프 로터로 이루어진 베이스라인 구성을 고려할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 추력 장치 조립체는 상류 및 하류의 추력 장치를 포함할 수 있다. 이 예에서, 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 후류(slipstream) 내에 배치된다. 비-제로의 자유 스트림 유동이 있다. 상류 추력 장치는 하류 방향의 유동에 운동량의 변화율을 부여함으로써, 자유 스트림 유동에 대해 일을 하도록 구성된다. 따라서, 유체와의 상호작용을 통해 상류 추력 장치는 상류로 향하는 힘을 받는다. 하류 추력 장치는 상류 추력 장치의 유관 내의 유동으로부터 동력을 추출하도록 구성된다. 달리 말하면, 유체는, 하류 추력 장치가 하류 방향의 힘을 받도록, 하류 추력 장치에 대해 일을 하며, 상류로 향하는 운동량의 변화율을 받는다. 따라서, 베이스라인 오픈 로터 구성과 비교하여 성능의 개선이 달성될 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈은 2개의 오픈 로터들을 포함할 수 있으며, 하나는 마스트(mast)의 상류에 배치되고 다른 하나는 하류에 배치된다. 로터들은 위에서 설명한 바와 같이 작동될 수 있다. 상류 로터에 의해 소비되는 동력은 외부 동력원에 의해, 또는 하류 로터에 의해 제공될 수 있다. 도 3의 설명에서 언급된 바와 같이, 동력은, 예를 들어, 샤프트와의 직접적인 연결을 통해, 또는 기어 트레인과 클러치를 포함하는 조절 가능한 변속기를 통해 상류 및 하류 추력 장치 사이에서 기계적으로 전달될 수 있다. 동력은 전기적으로 전달될 수도 있으며, 여기서 하류 로터는 발전기를 구동시키고, 그 전기 에너지는 상류 로터를 구동시키는 전기 모터로 전달된다. 다른 구성들도 가능하며 그 원리들은 수력 터빈 또는 다른 추력 장치 또는 작동 조건에도 적용되는 것에 유의한다.
몇몇 실시예들 또는 작동 조건들에서, 하류 로터의 액추에이터 디스크에서의 국부 유동 속도를 증가시키는 것보다 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈의 경우, 몇몇의 작동 조건들에서, 자유 스트림 유동 속도는 하류 로터의 허용된 피크 자유 스트림 유동 속도를 초과할 수도 있다. 예를 들어, 구조상의 제한에 의해 결정되는 상류 로터를 위한 피크 자유 스트림 유동 속도는 상이한 크기와 공칭 작동 부하로 인해 하류 로터의 피크 자유 스트림 유동 속도보다 더 커질 수 있다는 점에 유의한다. 또한, 이들은 디자인에 의해서도 상이할 수 있다. 이 경우에, 상류 로터의 추력은 반전될 수 있으며, 이는 유동으로부터 동력을 추출하고 하류 로터에서의 유동 속도를 공칭 레벨로 감소시킨다. 이 방식으로 하류 로터의 추력이 설계 한계를 초과하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 추력 장치 조립체 전체의 성능이 최적화되도록, 유동장을 수정하는데 상류 추력 장치가 사용될 수 있다. 이러한 시나리오에 적용될 수 있는 본 기술 분야에 알려진 다른 방법들이 있다는 점에 유의한다. 단일 오픈 로터의 경우, 회전 속도 및 프로펠러 피치와 같은 작동 조건들이 조절될 수 있다. 그러나, 이 방법들의 유효성은 자유 스트림 속도의 범위로 제한되며, 몇몇 실시예들은 이러한 제한들을 확대할 수 있다. 이 맥락에서 설명된 원리들은 다른 작동 조건들 및 시나리오들에도 적용될 수 있다.
다음의 단락들과 도 5의 맥락에서, 종래 기술에서 사용되는 몇몇의 장치들과 방법들이 논의될 것이다.
"경계 장치(boundary apparatus)"는 유체 요소들에 힘 또는 운동량을 직접 적용하거나 또는 그 반대인 유체 조작 장치의 임의의 증분(incremental) 표면들 또는 부피들을 포함한다. 경계 장치의 예들은 항공기의 동체의 습윤 표면, 또는 선박의 선체의 습윤 표면, 날개의 표면, 평평한 플레이트의 표면, 또는 차량의 외측 표면이다.
도 5는 주위의 유체에 대해 움직이는 경계 장치(61)의 단면도를 보여준다. 경계 장치(61)는 선행 포인트(leading point)(64)와 후행 포인트(trailing point)(65)를 가진다. 선행 포인트와 후행 포인트는 날개의 선행 에지 또는 후행 에지와 같은 에지일 수도 있다. 이 특정 실시예에서, 간결함을 위해, 경계 장치는 폐쇄된 외측 표면(62) 및 내측 표면(63)을 가지는 얇은 쉘로서 형성될 수 있는 강체(rigid body)이다. 이 실시예에서, 경계 장치(61)의 형상은 회전 형상(revolute shape)이며, 즉, 선행 포인트(64)와 후행 포인트(64)를 통과하는 축에 대해 축 대칭이다.
"경계 장치 프레임", 또는 "BAF"는 다음과 같이 정의할 수 있다. 원점은 경계 장치(61)의 외측 표면(62)에 의해 둘러싸인 부피의 기하학적 중심에 위치한다. x-축은 선행 포인트(64)와 후행 포인트(65)를 연결하는 직선과 일치하며, 선행 포인트(64)를 향해 지향된다. 명시되어 있지 않다면, z-축은 도면의 페이지 속으로 직각으로 지향된다.
3개의 속도 프로파일들(67-69)이 도시된다. 속도 프로파일 내의 각각의 화살표는 경계 장치에 대한 증분 유체 요소의 속도 벡터를 나타내며, 여기서 증분 유체 요소는 화살표의 베이스에 위치한다. 속도 프로파일(67) 내의 화살표들의 팁들을 연결하는 선은 연속적인 속도 분포를 나타낸다.
경계 장치(61)는 주위 유체에 대해 움직이고 있다. 자유 스트림 유동 속도는 공간 내에서 균일하고 시간적으로 일정하다. 도 5에서, 경계 장치(61)에 대한 자유 스트림 유체 유동은 BAF의 x-축에 평행하게 반대 방향으로, 도면의 상부로부터 하부를 향해 지향된다. 경계 장치(61)의 원방 상류에서 증분 유체 요소들의 속도는 자유 스트림 유동 속도와 대략적으로 동일하다. 따라서, 속도 프로파일(67)은 균일하고, 크기와 방향은 자유 스트림의 유동 속도와 동일하다.
속도 프로파일(68)은 경계 장치(61) 부근의 속도 분포를 말한다. 이 실시예에서, 경계 장치(61)의 표면에는 비-슬립 조건(no-slip condition)이 있다. 다른 실시예들에서, 외측 표면(62)를 따라 비-제로의 슬립 속도가 있을 수 있다. 점성 효과에 기인하여, BAF의 y-축의 방향으로 결과적인 속도 구배는 경계 장치(61)에 작용하는 전단 응력을 발생시키고, 이는 결국 점성 항력을 발생시킨다. 점성 항력은 BAF의 x-축에 평행하며, 음의 x-방향으로 지향된다.
유선(streamline)(66)은 경계 장치(61)에 연관된 경계층의 대략적인 두께를 설명한다. 경계 장치(61)는 실린더형 대칭이기 때문에, 유선(66)은 유관(streamtube)(66)이라고도 지칭될 수 있다.
속도 프로파일(69)은 경계 장치(61)의 원방 후류 내의 속도 분포를 말한다. 속도 프로파일(69)에서 유관(66) 내부의 감소된 속도는 경계 장치(61)에 작용하는 점성 항력에 의해 초래된 원방 후류 내의 운동량 부족(momentum deficit)을 보여준다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경계 장치를 둘러싸는 유동장은 적어도 하나의 작동 조건에 대해 복합 장치(combined apparatus)의 점성 항력이 베이스라인 경계 장치보다 낮아지는 방식으로 유체 유동 조작 장치에 의해 변경된다.
베이스라인 경계 장치는 복합 장치 내의 경계 장치와 동일한 형상을 가질 필요는 없다. 베이스라인 경계 장치는 도 5에 도시된 경계 장치(61)와 같은 종래 기술에서 사용되는 종래의 장치이다. 예를 들어, 베이스라인 경계 장치는 종래의 튜브형 항공기 동체의 형상을 가질 수 있다.
슬립 속도는 경계 장치의 표면에서의, 그리고 경계 장치의 표면에 대한 유체의 속도이다. 점성 유체에서, 슬립 속도는 유체가 비점성인 이론적인 시나리오로 계산된 슬립 속도와 비교하여 일반적으로 작다. 이들 두 개의 속도들 사이의 차이는 "속도 부족(velocity deficit)"이라고 지칭된다. 점성 효과에 기인한 경계 장치의 표면에서의 속도 부족은 국부적인 자유 스트림 유동 속도에 대해 직각 방향으로 유체를 통해 전파된다. 그 결과, 무시할 수 없는 부피의 유체가 속도 부족에 의해 영향을 받는다. 이 속도 부족에 의해 영향을 받는 유체 유동의 영역은 경계층으로 지칭된다. 이 영역의 두께는 경계층 두께로 불린다. 경계층 두께는, 다른 사정이 변함 없다면, 속도 부족이 유체가 비점성인 이론적 시나리오에서 계산된 속도의 크기의 1%보다 큰 영역으로서 정의될 수 있다. 속도 부족은 운동량 부족으로 변환되고, 이는 경계 장치에 작용하는 점성 전단 응력과 점성 항력을 발생시킨다.
몇몇 실시예들에 따르면, 유체 유동에 대한 유체 유동 조작 장치의 효과가 수학적으로 제거된 경우와 비교하여 복합 장치의 습윤 면적의 적어도 부분에 대해 국부적인 자유 스트림 유동 속도가 감소한다. 유체 유동 조작 장치는, 베이스라인 경계 장치와 비교하여 유체 유동 조작 장치의 추가적인 습윤 면적에 기인한 복합 장치의 동력 소비의 증가가 베이스라인 경계 장치와 비교하여 경계 장치에 작용하는 항력에 기인하여 경계 장치에 의해 소비되는 동력의 감소보다 작은 크기가 되는 방식으로 구성된다. 경계 장치에 의해 소비되는 동력의 감소 중 일부는 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 유동 속도의 감소로부터 발생될 수 있다. 대안으로서 또는 동시에, 유체 조작 장치는 경계 장치의 경계층 중 적어도 부분에서 난류와는 대조적으로 층류에 유리하도록 구성될 수 있다. 소비되는 동력의 감소 중 다른 부분은 베이스라인 경계 장치와 비교하여 경계 장치의 형상 변화로부터 발생할 수 있다. 유체 유동 조작 장치는, 유동의 부분 박리에 기인한 압력 항력의 증가로 이어지지 않고 경계 장치의 습윤 면적이 감소될 수 있는 방식으로 유동을 조작할 수 있다. 경계 장치에 의해 둘러싸인 주어진 부피를 위해, 최소의 습윤 면적을 가지는 경계 장치의 형상은 구체(sphere)이다. 그러나, 구체는 구체 하류의 실속된(stalled) 유동으로 인한 큰 압력 항력을 초래한다. 실속이 없더라도, 구체는 습윤 면적에 걸쳐 큰 평균 제곱의 국부 자유 스트림 유동 속도뿐만 아니라 경계층 효과로 인해 큰 점성 항력을 초래할 수도 있다. 제조의 용이함과 같은 다른 이유들 중에서도, 이러한 이유로 인해, 대부분의 동체들은 튜브 또는 눈물의 형상과 유사한 가늘고 긴 형상을 가지고 있다. 유체 조작 장치는, 경계 장치의 습윤 면적이 감소될 수 있으면서 베이스라인 경계 장치와 비교하여 평균 제곱의 국부적인 자유 스트림 유동 속도도 감소시킬 수 있도록, 유동을 변경할 수 있다.
유동장의 변경은 몇몇의 형태들을 취할 수 있으며, 변경의 각각의 형태는 유체 조작 장치의 몇몇의 상이한 실시예들에 의해 수행될 수 있다.
도 7은 주위 유체에 대해 움직이는 경계 장치(95)를 포함하는 IFMA 구성을 도시한다. 경계 장치(95)는 선행 포인트(98)와 후행 포인트(99)를 가진다. 선행 포인트와 후행 포인트는 날개 또는 에어포일의 선행 에지 또는 후행 에지와 같은 에지일 수 있다. 날개의 경우에, 선행 에지 및 후행 에지는 특정 유동 조건에서 선행 및 후행 정체선(stagnation line)인 것으로 고려될 수 있다. 이 실시예에서, 경계 장치는 폐쇄된 외측 표면(96)과 내측 표면(97)을 가진 얇은 쉘로서 형성될 수 있는 강체이다. 이 실시예에서, 경계 장치(95)의 형상은 회전 형상이며, 즉, 선행 포인트(98)와 후행 포인트(99)를 통과하는 축에 대해 축 대칭이다.
경계 장치(95)는 선박의 선체, 또는 항공기의 동체일 수 있다. 다른 실시예들에서, 경계 장치(95)는 상이한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 경계 장치의 형상은 도 5에 도시된 경계 장치(61)의 형상과 유사할 수 있다. 임의의 주어진 애플리케이션을 위해 적합한 기하구조를 찾아낼 수 있다. 경계 장치는 다양한 기존 방법들 및 재료들을 사용하여 제조될 수 있다.
다음과 같이, "경계 장치 프레임" 또는 "BAF"가 정의될 수 있다. 원점은 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에 의해 둘러싸인 부피의 기하학적 중심에 위치한다. x-축은 선행 포인트(98)와 후행 포인트(99)를 연결하는 직선과 일치하고, 선행 포인트(98)를 향해 지향된다. 명시되어 있지 않다면, z-축은 도면의 페이지 속으로 직각으로 지향된다.
3개의 속도 프로파일들(101-103)이 도시된다. 속도 프로파일 내의 각각의 화살표는 경계 장치에 대한 증분 유체 요소의 속도 벡터를 나타내며, 여기서 증분 유체 요소는 경계 장치에 대해 속도가 측정된 시점에서 화살표의 베이스에 위치한다. 속도 프로파일 내의 화살표들의 팁들을 연결하는 선은 연속적인 속도 분포를 나타낸다.
경계 장치(95)는 주위 유체에 대해 움직이고 있다. 도시된 단순화된 시나리오에서 자유 스트림 유동 속도는 공간 내에서 균일하고 시간적으로 일정하다. 도 7에서, 경계 장치(95)에 대한 자유 스트림 유체 유동은 BAF의 x-축에 평행하게 반대 방향으로, 즉, 도면의 상부로부터 하부를 향해 지향된다. 경계 장치(95)의 원방 상류에서 증분 유체 요소들의 속도는 자유 스트림 유동 속도와 대략적으로 동일하다. 따라서, 속도 프로파일(101)은 공간 내에서 균일하고 시간적으로 일정하며, 크기와 방향은 경계 장치에 대한 자유 스트림의 유동 속도와 동일하다.
속도 프로파일(102)은 경계 장치(95) 부근에서의 속도 분포를 말한다. 이 실시예에서, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에는 비-슬립 조건(no-slip condition)이 있다. 다른 실시예들에서, 외측 표면(96)를 따라 비-제로의 슬립 속도가 있을 수 있다.
유선(streamline)(100)은 유관의 경계를 형성하며, 이는 x-방향을 따라 보았을 때 원형의 단면을 가진다. 도 7의 점선은 자유 스트림 유동과 상류 IMSA(104)의 로터 디스크를 통해 흐르는 유동 사이의 대략적인 경계(100)을 개략적으로 나타낸다. 경계상에 놓인 선은 유선으로 설명될 수 있으며, 경계에 둘러싸인 부피는 유관으로서 설명될 수 있다. 도 7에 도시된 경계들은 오직 특정 작동 조건에 대한 예들이라는 점을 유의한다. 경계들의 형상은 도시된 IMSA들의 다른 동작 조건들 또는 동작 모드들에서 매우 상이할 수 있다.
속도 프로파일(103)은 경계 장치(95)의 원방 후류 내의 속도 분포를 설명한다. 단순화된 이상적인 시나리오에서, 속도 프로파일(103)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 속도 프로파일(101)과 실질적으로 동일하다. 다른 실시예들에서는, 이러할 필요는 없다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경계 장치, 예컨대 경계 장치(95)는 의도적인 유체 조작 장치를 구비한다. 도 7에 도시된 IFMA 구성에서, 이 의도적인 유체 조작 장치는 프로펠러로서 분류할 수 있는 상류 IMSA(104)와, 이 경우 프로펠러로서 설명될 수도 있는 하류 IMSA(110)를 포함하는 IMSA 조립체로서 설명될 수 있다. 이 경우, 하류 IMSA(110)는 상류 IMSA(104)의 유관(100) 내에 배치된다. 다른 실시예들에서는 이러할 필요는 없다. 예를 들어, 하류 IMSA(110)는 다른 실시예들에서 상류 IMSA(104)의 유관(100)의 외부로 연장될 수 있다. 이러한 구성은 하류 IMSA(110)도 IMSA 조립체의 순 추력에 긍정적으로 기여하기 위해 사용되는 시나리오에서 유용할 수 있다.
프로펠러(104)와 같은 프로펠러, 또는 상류 IMSA(104)의 단면도는 제1 프로펠러 블레이드(105)와 제2 프로펠러 블레이드(106)를 보여준다. 제1 프로펠러 블레이드(105)의 선행 에지(109)와 제2 프로펠러 블레이드(106)의 후행 에지(108)도 볼 수 있다. 프로펠러를 포함하는 모든 도면들에서 유사한 구성이 도시된다. 프로펠러 블레이드들은 로터 허브(107)에 의해 구조적으로 지지된다.
하류 IMSA(110)는 상류 IMSA(104)와 유사한 방식으로 구성되며, 이에 따라 동일한 상세 사항은 설명되지 않는다. 상류 IMSA(104)와 하류 IMSA(110)는 연결 장치를 통해 경계 장치(95)에 견고하게 연결된다. 명확성을 위해, 이 연결 장치는 도 7에 도시되지 않는다.
다른 실시예들에서, IMSA(104 또는 110)은 도시된 오픈 로터 타입 이외의 타입일 수 있다. 예를 들어, IMSA는 몇몇의 오픈 로터들을 포함할 수 있으며, 또는 적어도 하나의 덕트 팬, 또는 한 쌍의 동축 역회전 프로펠러들을 포함할 수 있다. IMSA는 사이클로자이로 또는 상이한 타입의 IMSA일 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경계 장치의 표면에 수직인 방향으로 유동 속도의 평균 공간 구배가 인위적 및 의도적으로 감소되는 방식으로 유체 조작 장치에 의해, 경계 장치 부근의 유동장이 의도적으로 변경된다. 전단 응력은 뉴턴 유체의 유동 속도의 구배에 비례한다. 따라서, 경계 장치에 작용하는 점성 전단 응력은 종래 기술의 실시예와 비교하여 낮다. 몇몇 실시예들에서, 종래 기술의 대표적인 경계 장치와 비교하여 상기 경계 장치에 의해 소비되는 점성 동력(vicious power)의 감소는 의도적인 유체 조작 장치의 추가적인 점성 동력 소비보다 크다. 따라서, 점성 동력 소비의 순 감소는 작동 조건들의 범위에 대한 몇몇 실시예들에 의해 달성될 수 있다. 의도적인 유체 조작 장치와 경계 장치의 최적의 구성은 애플리케이션들과 제약들에 의존하며, 많은 다양한 방법들을 사용하여 찾아낼 수 있다. 예를 들어, 이러한 많은 방법들은 컴퓨터 유체 역학에서 알려져 있다.
도 7에 도시된 실시예에서, 전술한 유체 조작 장치는 상류 IMSA(104) 및 하류 IMSA(110)로 이루어진다. 이 유체 조작 장치는 "IMSA 조립체"라고 불린다. IMSA 조립체는 경계 장치(95)의 표면 부근의 유동의 속도의 공간적 분포를 인위적 및 의도적으로 변경함으로써, 경계 장치(95)의 표면에서 그리고 그 표면에 수직 방향으로 유동 속도의 평균 공간 구배를 감소시킨다.
몇몇 실시예들에서, 이러한 변경은 풀-슬립(full-slip) 시나리오에서 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에서의 유동의 속도의 크기 감소를 포함한다. "풀-슬립 시나리오"는 특정 표면에 대해 경계층 효과 또는 비-슬립 조건이 없는 이론적 시나리오이다. 이 이론적 시나리오에서는, 유체의 유동에 대한 외측 표면(96)의 경계층 효과 또는 점성 항력 효과는 특정 표면에 대해 수학적으로 제거되어 있다. 전술한 속도의 감소는 국부적인 자유 스트림 유체 유동, 즉 IMSA 조립체가 없는 경우의 경계 장치(95) 둘레의 유동에 대해 발생하며, 이 경우, 이는 풀-슬립 시나리오에 대해서도 계산된다. IMSA 조립체가 유체 유동에 영향을 주지 않는 것으로 가정되는 시나리오는 "기준 시나리오(reference scenario)"라고 불린다. 기준 시나리오의 특성들은 비교되는 시나리오에 의해 판단되는 점에 유의한다. 예를 들어, 특정 기준 시나리오가 풀-슬립 또는 비-슬립 조건의 어디에서 고려되는지는 문맥에서 명확해야 한다. 속도의 감소는 BAF의 양의 x-방향으로 지향된 경계 장치(95)의 표면에서의 상류 IMSA(104)와 하류 IMSA(110)의 조합된 유도 속도의 결과이다. 풀-슬립 시나리오에서 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에서의 유동의 속도의 크기 감소는 기준 시나리오와 비교하여 외측 표면(96)에서의 레이놀즈 수를 감소시킬 수 있다. 레이놀즈 수의 감소는 비-슬립 시나리오에서 경계층의 두께를 증가시키고, 외측 표면(96)에서 외측 표면(96)에 대해 직각 방향으로 유동 속도의 평균 공간 구배를 감소시킨다. 따라서, 외측 표면(96)의 평균 점성 전단 응력 및 점성 항력 손실이 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 외측 표면(96)에서의 속도는 크기는 감소하지만, 외측 표면(96)에서의 풀-슬립 시나리오로 음의 x-방향으로 비-제로 성분을 여전히 가질 수 있다. 달리 말하면, 풀-슬립 시나리오에서 외측 표면(96)에서의 유체 요소들의 속도의 일반적인 방향은 풀-슬립 조건을 가진 전술한 기준 시나리오와 비교하여 크게 변화하지 않을 수 있다.
도시된 예에서, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에서의 유체 유동의 크기는 풀-슬립 시나리오에서 실질적으로 제로가 될 정도로 인위적으로 감소된다. 주어진 표면에서 유체 유동 속도의 크기가 풀-슬립 시나리오에서 제로의 경우, 다른 사정이 변함 없다면, 비-슬립 시나리오는 풀-슬립 시나리오와 동일하게 될 것이다. 이 시나리오에서, 외측 표면(96)의 점성 항력은 제로가 될 것이다. 유관(100)은 이러한 이상적이고 단순화된 시나리오에서 경계 장치(95)의 인위적인 경계층인 것으로 고려될 수 있다. IMSA 조립체에 대한 점성 항력의 영향도 고려될 경우, 이러한 구성은 최적이 아닐 수도, 즉 전체 점성 항력을 최소화하지 않을 수도 있다는 것을 유의한다.
속도 프로파일(102)에서 도시된 바와 같이, 외측 표면(96)에 대해 직각 방향의 유체 유동 속도의 크기의 구배도 도시된 위치에서 실질적으로 제로이다. 몇몇 실시예들에서, 이 구배는 평균으로 제로보다 클 수 있으며, 여기서 평균은 외측 표면(96) 전체에 걸쳐 계산된다. 그럼에도 불구하고, 이 평균 구배는 비-슬립 상태를 가진 기준 시나리오와 비교하여 더 작을 수 있다.
다른 실시예들에서, 경계 장치(95) 부근의 유관(100) 내부의 유체 유동의 상이한 공간적 변화와 공간적 분포가 있을 수 있다. 예를 들어, 유동의 재순환이 있을 수 있다. 달리 말하면, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에 인접한 유체 유동 속도는 외측 표면(96)의 전부 또는 부분에 대해 풀-슬립 시나리오에서 양의 x-방향으로 비-제로 성분을 가질 수 있다. 이 경우, 갇힌 와류 링(vortex ring), 즉 순환 유동의 링은 경계 장치(95)의 전부 또는 부분을 둘러쌀 것이다. 대칭성으로 인해, 이 와류 링은 BAF의 x-방향과 정렬되고 일치하는 중심 축을 가질 수 있으며, BAF의 yz-평면에 평행한 평면 내에 놓일 것이다. 이러한 와류 링은 IMSA 조립체에 의해 제 자리에 홀딩될 것이며, 주위 유동에 의해 재활성화될 것이다.
몇몇 실시예들에서, 경계 장치(95) 부근의 유관(100) 내부의 유동 속도의 공간적 분포도 고의적으로 변경된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 유도 속도의 공간 분포는 유관(100) 내부의 유체 유동 속도의 크기의 실질적인 선형 변화를 발생시키도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 유관(100) 내부의 유체 유동 속도의 크기는 양의 y-방향으로 실질적으로 선형적으로 증가한다. 다른 실시예들에서, 유관(100) 내부의 유동 속도의 크기는 양의 y-방향으로 증가하는 속도로 증가한다. 이러한 구성은, 경계층의 두께가 유동 방향, 즉 BAF의 음의 x-방향으로 성장하는 동안에도, 외측 표면(96)의 경계층의 레이놀즈 수를 인위적으로 낮게 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 속도 크기의 점진적인 구배는 유관(100) 내부의 마찰 가열 및 난류 효과를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 항력 손실을 감소시키거나, 경계 장치(95)에 연관된 순 동력 소비를 감소시킬 수 있다. 유관(100)이 경계 장치(95)의 인위적인 경계층으로 고려되는 유추에서는, 인위적인 경계층이 실질적인 층류가 되고 유지되도록 보장하기 위해, 속도 크기의 점진적인 구배가 바람직할 수 있다. 또한, 유관(100) 내부의 속도 크기의 점진적인 증가는 주위 유동으로부터 유관(100) 내부로의 운동량의 전달이 최소가 되도록 보장하며, 이는 원방 후류에서, 즉 속도 프로파일(103)에서 유관(100)을 둘러싸는 유동에서 운동량 부족을 초래할 것이고 경계 장치(95)와 연관된 점성 동력 소비에 기여할 것이다.
유관(100) 내부의 유체 유동 속도의 크기의 최적의 공간적 변화는 기존 방법들을 사용하여 찾아낼 수 있으며, 선형일 필요는 없다. 예를 들어, 다른 기준들 중에서, 상류 IMSA(104)에 의해 유체 내부로 발산되는 전체 와도(vorticity)의 비율을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
풀-슬립 시나리오에서 외측 표면(96)에서의 유체의 유동의 최적의 크기와 방향뿐만 아니라 외측 표면(96)에서의 유동 속도의 구배의 크기와 부호도 주어진 유동 조건 또는 기존 방법들을 사용하는 주어진 애플리케이션을 위해 최적화될 수 있다. 유관(100) 내부의 유체 유동 속도의 최적의 분포도 동일한 방법들을 사용하여 최적화될 수 있다. 이러한 최적화의 목적은 경계 장치 및 IMSA 조립체의 전체 동력 소비의 최소화일 수 있다.
경계 장치(95)의 부근에서 전술한 속도 분포는 속도 프로파일(102)에 의해 제공되는 스냅샷(snapshot)에 의해 예시된다. 이 속도 분포는 풀-슬립 또는 비-슬립 조건을 위한 기준 시나리오에서의 속도 분포와는 매우 상이하다. 몇몇 실시예들에 따르면, 이 차이는 의도적인 유체 조작 장치에 의해 제공된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 이 유체 조작 장치는 IMSA 조립체에 의해 구현된다. IMSA 조립체는 특정 공간적으로 유도된 유동 분포를 유체에 부여함으로써, 유체를 조작한다. 이 유도된 유동은 풀-슬립 조건의 기준 시나리오에서의 유체 유동에 중첩되는 것으로 고려될 수 있다. 달리 말하면, 이 기준 시나리오로부터의 유동을 원하는 유동 속도 분포로 변경하기 위해 요구되는 유도 유동 분포를 계산하고, 이 원하는 유도 유동 분포가 달성되는 방식으로 IMSA 조립체를 구성함으로써, 원하는 유동 속도 분포가 발생될 수 있다. 점성 항력의 범위, 즉 외측 표면(96)에 연관된, 경계층 및 비-슬립 조건의 효과 범위는 중첩된 유동, 즉 유도된 유동과 기준 시나리오에서의 유동의 중첩에 의해 결정 또는 정의된다. 이러한 점성 효과는 결국 전술한 중첩된 유동에 중첩되는 것으로 고려될 수 있다. 다음 단락들에서 설명되는 바와 같이, IMSA 조립체의 전술한 유도 속도 분포의 산출 또는 발생이 설명될 수 있는 몇몇의 방법들이 있다.
경계 장치(95)의 부근에서 유도 속도 분포는 상류 IMSA(104)와의 상호작용에 기인하여 유체 요소가 받는 운동량의 변화율에 의해 발생되는 것으로 볼 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 몇몇의 유체 요소들은 상류 IMSA(104)와의 상호작용 전체에 걸쳐 운동량의 음의 평균 변화율을 겪는다. 이 운동량의 변화율은, 상기 유체 요소가 상류 IMSA(104)와 상호작용한 후, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)의 부근에서 유체 요소의 운동량의 순 감소를 초래할 수 있다. 이 감소는 풀-슬립 상태의 기준 시나리오에 대해, 즉 IMSA 조립체가 유체와 상호작용하지 않는 경우에 대해 발생한다. 달리 말하면, 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(104)는 전술한 고립 시나리오에서 상류 IMSA(104)의 원방 후류 내의 유체 유동 중 적어도 부분의 평균 운동량을 감소시키도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 원방 후류에서 유체 유동의 평균 운동량의 감소는 적어도 경계 장치(95)의 외측 표면(96)과 상호작용하는 유선들, 또는 외측 표면(96)의 부근을 통과하는 유선들에 대해 발생한다. 고립 시나리오에서 자유 스트림 유체 유동과 비교한 유체 유동의 운동량의 감소는 고립 시나리오에서 자유 스트림 유동에 의해 정의된 상류 방향의 비-제로 성분을 가지는 원방 후류 유도 속도를 초래한다. 경계 장치(95)의 외측 표면(96)이 상류 IMSA(104)의 하류에 위치하고 있기 때문에, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에서 또는 그 부근에서의 유동도 상류 유도 속도를 경험한다. 전술한 바와 같이, 경계 장치(95)의 외측 표면(96)에서 또는 그 부근에서 상류 유도 속도의 크기 및 공간적 분포는 풀-슬립 기준 시나리오와 비교하여 풀-슬립 시나리오에서의 자유 스트림 유동의 크기를 감소시키도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 경계 장치(95)의 평균 항력, 또는 경계 장치(95)와 유체와의 상호작용과 연관된 평균 동력 소비를 감소시킨다.
전술한 유도 속도 분포는 양력선 이론(lifting-line theory)의 단순화된 체계에서 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드들에 의해 후류로 발산되는 자유 오류들에 의해서도 생성될 수 있다. 이는 헬리콥터의 로터, 종래의 프로펠러 블레이드, 또는 풍력 터빈 블레이드의 와류 발산과 유사하다. 몇몇 실시예들에서, 하류 IMSA(110)에 의해 발산되는 와류도 경계 장치(95)의 부근에서, 예컨대 속도 프로파일(102)의 위치에서 유도 속도에 기여한다는 점에 유의한다.
또한, 전술한 유도 속도 분포는 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드를 따르는 적절한 양력 또는 추력 분포에 의해 생성될 수도 있다. 상류 IMSA(104)의 유도 속도는 상류 IMSA(104) 중 적어도 부분에 대해 상류 방향, 즉 BAF의 양의 x-방향으로 지향되기 때문에, 상류 IMSA(104)의 작동은 풍력 터빈의 작동과 유사하다. 달리 말하면, 상류 IMSA(104)의 후류 내의 유도 속도 분포에 대응하여, 제1 프로펠러 블레이드(105)와 같은 상류 IMSA(104)의 블레이드의 적어도 부분이 받는 추력은, 추력 벡터(127)로 나타낸 바와 같이, BAF의 음의 x-방향으로 비-제로 성분을 가진다.
상류 IMSA(104)의 적어도 부분은 유체로부터 유용한 동력을 추출하도록 구성된다. 이 동력은 많은 방식으로 추출될 수 있다. 예를 들어, 발전기는 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드들에 견고하게 연결된 구동 샤프트에 견고하게 연결될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서, 구동 샤프트는 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드의 회전축에 평행할 수 있으며, BAF의 x-축에 평행할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(104)가 종래의 프로펠러로 구성될 경우, 전술한 구동 샤프트는 로터 허브, 또는 종래의 프로펠러 프로펠러 샤프트인 것으로 고려된다. 전기모터가 프로펠러 블레이드에 직접 연결된 구동 샤프트에 직접 연결되어 있기 때문에, 이 구성은 직접 구동 구성으로서 설명될 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 발전기와 구동 샤프트 사이에 변속기 또는 기어 트레인이 존재할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로펠러와 변속기와 사이에 클러치가 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변속기는 재구성될 수 있다. 달리 말하면, 기어비가 변경되거나 기어가 변경될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 구동 샤프트에 장착된 기계식 디스크 브레이크도 있을 수 있으며, 여기서 브레이크는 구동 샤프트를 정지시키거나 또는 구동 샤프트의 회전을 방지할 수 있도록 구성된다. 구동 샤프트의 회전에 기인하여 발전기에 의해 생성된 전기는 전기 에너지 저장 장치에 저장될 수 있다. 이러한 전기 에너지 저장 장치는, 예를 들어, 배터리 또는 커패시터일 수 있다. 전기 에너지 저장 장치는 기계적 요소들도 구비할 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지 저장 장치는 전기 모터 또는 발전기를 포함할 수 있으며, 이는 결국 회전운동 에너지의 형태로 기계적으로 에너지를 저장하는 플라이 휠의 회전 속도를 가속 또는 감속시키도록 구성된다. 전기 모터 발전기는 탱크 내부의 공기와 같은 기체를 압축 및/또는 팽창시키도록 구성된 펌프에 동력을 공급할 수도 있다. 전기 에너지 저장 장치에 저장된 에너지 중 적어도 부분은 나중에 추출될 수 있다는 점에 유의한다. 매우 많은 에너지 저장 장치들 또는 메커니즘들이 이용 가능하다.
전력은 제2 액추에이터에 직접 전달될 수도 있으며, 여기서, 예를 들어, 전달은 전기 도체들을 통해 일어날 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제2 액추에이터는 즉시 전력을 소비할 수 있다. 제2 액추에이터는 경계 장치(95)에 연관된 장치 또는 장치들의 조립체의 임의의 액추에이터일 수 있다. 예를 들어, 제2 액추에이터는 하류 IMSA(110)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 상류 IMSA(104)에 의해 유체로부터 추출된 동력의 일부는 하류 IMSA(110)로 전달될 수 있으며, 여기서 동력은 유체 내부에 재삽입된다. 몇몇 실시예들에서, 제2 액추에이터는 도 7에 도시되지 않은 별도의 장치 또는 메커니즘에 동력을 공급하는데 사용될 수도 있다.
상류 IMSA(104)에 의해 제공되는 전력도 분할될 수 있으며, 예를 들어, 제2 액추에이터, 제3 액추에이터를 구동시키고 에너지 저장 장치 내부에 포함되는 에너지를 증가시키는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(104)에 의해 유체로부터 추출되고 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드에 견고하게 연결된 구동 샤프트에 적용되는 동력은 하류 IMSA(110)에 기계적으로 전달된다. 이 전달은 몇몇의 방식들로 용이하게 될 수 있다. 예를 들어, 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드에 견고하게 부착된 구동 샤프트는, 여기서 구동 샤프트는 "상류 구동 샤프트"를 나타내고, 하류 IMSA(110)의 프로펠러 블레이드에 견고하게 연결된 구동 샤프트에 견고하게 연결될 수 있으며, 여기서 구동 샤프트는 "하류 구동 샤프트"를 나타낸다. 달리 말하면, 상류 구동 샤프트는 하류 구동 샤프트와 동일할 수 있다. 이러한 구성에서, 상류 IMSA(104) 및 하류 IMSA(110) 각각의 상류 및 하류 로터들은 동일한 방향으로 회전한다. 다른 실시예에서, 상류 구동 샤프트는 변속기, 기어 트레인, 또는 일련의 기어들 및 이차 또는 보조 구동 샤프트들을 통해 하류 구동 샤프트에 동력을 전달할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 구동 샤프트와 하류 구동 샤프트 사이의 부하 경로를 따라 클러치가 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 구동 샤프트와 하류 구동 샤프트 사이의 기계적 연결의 기어비 또는 변속비는 재구성될 수 있다. 달리 말하면, 기어비를 변경하거나 기어를 변경할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(104) 및 하류 IMSA(110) 각각의 상류 및 하류 로터들은 반대 방향으로 회전한다. 이러한 구성은 IMSA 조립체와 연관된 임의의 동력 손실을 감소시킬 수 있다. 이는 하류 IMSA(110)가 상류 IMSA(104)에 의해 유도에 부여되는 임의의 와류를 상쇄하는 결과일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 유체에 대한 상류 IMSA(104) 또는 하류 IMSA(110)의 프로펠러 블레이드들의 받음각(angle of attack)은 로터 허브, 예컨대 로터 허브(107)의 피치 제어 메커니즘에 의해 제어될 수 있다. 이 피치 제어 메커니즘 및 연관된 피치 자유도, 또는 "DOF"는 전기 모터와 디스크 브레이크를 포함할 수 있다. 디스크 브레이크의 대안으로서 또는 동시에, 몇몇 실시예들은 기계적 잠금 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 기계적 잠금 장치는 로터 허브에 대해 주어진 피치각에서 프로펠러 블레이드의 피치 DOF를 잠그도록 구성될 수 있다. 피치 제어 메커니즘은 종래의 헬리콥터 또는 프로펠러의 집합 피치 메커니즘들에서 발견되는 바와 같은 유압 시스템 및 기계적 링키지도 수반할 수 있다. 상류 IMSA(104) 또는 하류 IMSA(110)의 프로펠러 블레이드들의 피치 제어 메커니즘 및 피치 DOF는 프로펠러 블레이드들이 페더링되는(feathered) 것을 허용하도록 구성될 수도 있다. 프로펠러 블레이드들의 피치각과 회전 속도는 제어될 수 있으며, 이에 의해 유체에 대한 IMSA 조립체의 영향이 조절될 수 있다. 이는 결국 IMSA 조립체의 성능이 상이한 유동 조건들, 예컨대 상이한 자유 스트림 유동 속도들에 대해 최적화되도록 허용할 수 있다.
도 7에 도시된 IFMA 구성에서, 하류 IMSA(110)는 유체에 대한 상류 IMSA(104) 및 경계 장치(95)의 영향을 균형 잡거나, 상쇄하거나 또는 제거하도록 구성된다. 이 방식에서, 속도 프로파일(103)로 묘사된 바와 같이, 원방 후류에서 유체 유동 속도 분포는, 속도 프로파일(101)로 도시된 바와 같이, 자유 스트림 유체 유동 속도 분포와 실질적으로 동일하다. 공칭 순항 중에, 이 과정에서 하류 IMSA(110)에 의해 소비되는 동력은 일반적으로 상류 IMSA(104)에 의해 추출되는 동력보다 크다.
하류 IMSA(110)는 유체에 운동량의 양의 변화율을 부여하며, 즉 유체를 음의 x-방향으로 가속시키도록 구성된다. 그 결과로서, 고립 시나리오에서 IMSA(110)의 원방 후류에서의 IMSA(110)의 유도 속도는 BAF의 음의 x-방향으로 지향된다. 원방 후류에서의 하류 IMSA(110)의 유도 속도는 원방 후류에서의 상류 IMSA(104)의 유도 속도를 상쇄하는 것으로 고려될 수 있다.
하류 IMSA(110)의 원방 후류에서의 바람직한 유도 속도 분포는 양력선 이론의 단순화된 체계에서 하류 IMSA(110)의 프로펠러 블레이드들에 의해 후류로 발산되는 자유 와류들에 의해 생성되는 것으로 고려될 수 있다. 이는 헬리콥터의 로터, 종래의 프로펠러 블레이드의 와류 발산과 유사하다.
고립 시나리오에서 하류 IMSA(110)의 전술한 유도 속도 분포는 하류 IMSA(110)의 프로펠러 블레이드를 따르는 적절한 양력 또는 추력 분포에 의해 생성되는 것으로 고려될 수 있다. 하류 IMSA(110)의 유도 속도는 고립 시나리오에서 하류 IMSA(110)의 적어도 부분에 대해 하류 방향, 즉 BAF의 음의 x-방향으로 지향되기 때문에, 하류 IMSA(110)의 작동은 종래의 고정익 항공기의 종래의 프로펠러 작동과 유사하다. 달리 말하면, 고립 시나리오에서 하류 IMSA(110)의 후류 내의 유도 속도 분포에 대응하여, 하류 IMSA(110)의 블레이드의 적어도 부분이 받는 추력은, 추력 벡터(128)로 나타낸 바와 같이, BAF의 양의 x-방향으로 비-제로 성분을 가진다.
몇몇 실시예들에서, 지정된 하류 IMSA, 예컨대 도 7의 하류 IMSA(110)가 없다는 점에 유의한다. 이러한 실시예에서는, 상류 IMSA에 의해 추출된 동력은 대체 가능한 유체 조작 장치 또는 방법을 통해 추력을 제공하기 위해 저장 또는 채택될 수 있다. 도 7의 상류 IMSA(104)는 BAF의 음의 x-방향으로 힘을 가하고 있다는 점에 유의한다. 순항 비행 중에, 이 힘은, BAF의 일정한 순항 속도를 유지하기 위해, 적절한 추력에 의해 적어도 상쇄될 필요가 있다. 이 추력은 많은 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 도 7에서, 이 추력은 하류 IMSA(110)에 의해 제공된다. 다른 실시예들에서, 이 추력은 다른 추력 장치에 의해 제공될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 이 추력은 상류 IMSA의 프로펠러 블레이드들의 반경 증가에 의해 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상류 IMSA의 프로펠러 블레이드의 길이는 도 7에 도시된 유관(100)의 반경보다 크다. 이 경우, 상류 IMSA(104)의 프로펠러 블레이드는 2개의 구별되는 부분들을 가질 수 있다. 제1 부분은 제1의 내측 유관 내부에 위치하는 프로펠러 블레이드의 부분일 수 있으며, 이는 유사한 크기와 구성일 수 있고, 도 7에 도시된 유관(100)과 유사한 목적을 수행한다. 상류 IMSA의 프로펠러 블레이드의 제1 부분은 도 7에 도시된 상류 IMSA(104) 전체와 유사한 목적을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 상류 IMSA의 프로펠러 블레이드의 나머지, 제2 부분은 전술한 요구되는 추력을 생성하도록 구성될 수 있다. 이 제2 부분의 후류는 외측 유관을 형성하고, 이는 내측 유관을 둘러싸거나 또는 포위한다. 상류 IMSA의 이 추력 생성 세그먼트의 유도 속도는, 유도 동력 소비를 최소화하기 위해, 원방 후류에서 외측 유관 전체에 걸쳐 균일할 수 있다. 따라서, 프로펠러 블레이드의 제1 부분에 의해 추출된 동력은 프로펠러 블레이드의 제1 부분과 제2 부분 사이의 강성 구조적 연결을 통해 프로펠러 블레이드의 제2 부분에 직접 및 기계적으로 전달된다. 내측 유관 내부의 유체의 에너지에서 연관된 손실의 일부는 추력을 생성하고 외측 유관 내부의 유체의 에너지를 증가시키기 위해 사용된다. 전술한 바와 같이, 실시예들의 이 클래스에는 지정된 하류 IMSA가 없기 때문에, 이러한 구성은 내측 유관 내부의 후류에 운동량 부족을 일으키는 것에 유의한다. 이러한 구성은 원방 후류에서 불균일한 속도 분포를 초래하며, 따라서, 원방 후류 전체, 즉 내측 유관과 외측 유관 양쪽 전체에 걸친 속도 분포가 실질적으로 균일한 구성보다 효율이 나쁠 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 그럼에도 불구하고 그렇지 않으면 점성 항력에 기여할 수도 있는 에너지 손실의 부분의 회수로 인해 종래 기술의 실시예들에 대해 개선을 제공할 수 있다.
다른 실시예들에서, 내측 유관 내의 전술한 운동량 부족은 하류 IMSA를 전술한 구성에 추가함으로써 제거된다.
다른 실시예들에서, 하류 IMSA는 유관(100)을 넘어서 연장될 수 있다. 예를 들어, 하류 IMSA의 프로펠러 블레이드의 길이는 유관(100)의 반경보다 클 수 있다. 이 방식으로 하류 IMSA를 생성하는 추력의 유도 동력 소비가 감소될 수 있다. 이 구성에서, 하류 IMSA의 내측 및 외측 유관 전체에 걸쳐 균일한 원방 후류 유도 속도 분포를 달성할 수 있으며, 이는 유도 동력을 최소화하기 위해 바람직하다.
또한, 다른 실시예들에서, 도 7에 도시된 실시예와 비교하여 상류 IMSA와 하류 IMSA의 양쪽 모두가 로터 팁 연장부(rotor tip extension)를 포함할 수 있다. 몇몇의 이러한 실시예들에서, 상류 IMSA 및 하류 IMSA의 로터 직경은 실질적으로 동일하다. 다른 이러한 실시예에서는 이러할 필요는 없다. 전과 같이, 로터 팁 연장부는 내측 유관을 둘러싸는 외측 유관을 발생시킨다. 상류 IMSA와 하류 IMSA의 로터들의 내측 부분들은 도 7과 유관(100)의 맥락에서 설명된 것과 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 로터들의 외측 부분들은 프로파일 항력과 유도 항력을 포함하는, 전체 동력 소비를 최소화하면서 원하는 양의 추력을 생산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상류 IMSA와 하류 IMSA의 외측 부분들, 즉 외측 유관과 연관된 부분들은 역회전 동축 로터와 유사한 방식으로 구성될 수 있으며, 상류 및 하류 IMSA의 양쪽 모두가 BAF의 양의 x-방향으로 추력을 생성한다. 다른 예에서, 상류 IMSA의 외측 부분은 BAF의 양의 x-방향으로 지향되고 상류 및 하류 IMSA의 외측 부분들의 요구되는 원하는 추력보다 큰 크기의 추력을 생산하도록 구성될 수 있다. 따라서, 하류 IMSA의 외측 부분은 BAF의 음의 x-방향으로 지향된 추력을 생산하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 상류 및 하류 IMSA들 둘 다의 추력 벡터가 BAF의 양의 x-방향으로 지향되는 구성들과 비교하여 상류 및 하류 IMSA들의 외측 부분들과 연관된 유도 동력 소비를 감소시킬 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 하나보다 많은 상류 프로펠러, 예컨대 상류 IMSA(104), 및 하나보다 많은 하류 프로펠러, 예컨대 하류 IMSA(110)가 있을 수 있다. 경계 장치(95)의 부근의 유관(100) 내부에 배치된 몇몇의 프로펠러들이 있을 수 있다. 유관(100) 내부에서 원하는 속도 분포를 유지하기 위해, 유관(100) 내부에 몇몇의 프로펠러들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 종래의 민간 수송기의 동체와 같은 테이퍼형 단부들을 가진 실린더 형상의 경계 장치를 검토한다. 이 경우, 동체의 길이를 따라 몇몇의 로터들 또는 프로펠러들을 배치하는 것이 편리하고 바람직할 수 있다. 예를 들어, 프로펠러는 BAF의 x-축을 따라서, 도 6에서 덕트, 예컨대 제3 IMCA(81)가 배치된 것으로 도시된 위치와 동일한 위치에 배치될 수 있다. 프로펠러는 동체의 직경이 변하지 않는 방식으로 동체에 장착될 수 있으며, 즉 동체는 프로펠러 허브 내에 배치되거나, 프로펠러 허브의 중심을 통과한다. 동체의 원형 형상은 동체의 둘레를 회전하는 로터에 도움이 된다. 로터 허브는 동체의 둘레를 회전할 수 있는 강성 링을 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 경우, 회전축은 실린더형 동체의 길이방향 축에 평행하다. 몇몇의 프로펠러 블레이드들은 로터 허브에 설치되고 원하는 유체 유동 조작을 수행할 수 있다. 전기 모터는, 로터가 "상류" 또는 "하류" 위치 또는 구성인지의 여부에 따라, 로터 허브에 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 동체에 대한 로터 허브의 회전으로부터 전력을 추출할 수도 있다. 이러한 구성에서, 동체가 무한하게 길어지고 유관(100) 내부의 유동장이 공칭 정속 순항 중에 평균적으로 일정함을 유지하는 것은 적어도 이론적으로 가능하며, 여기서 평균은 동체의 길이를 따라 균일하게 이격된 프로펠러들 사이의 하나의 분리 거리에 걸쳐 BAF의 x-축을 따라 계산된다.
각각의 로터-블레이드의 길이는 동체의 직경의 몇분의 1이 될 수 있다. 로터 블레이드의 길이는 비-슬립 기준 시나리오에서 유동 내의 특정 위치에서 대략적으로 경계층의 두께일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 비-슬립 기준 시나리오에서, 동체와 같은 경계 장치의 외측 표면을 따른 경계층의 최대 두께에 대한 로터 블레이드의 길이의 비율은 2보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 이 비율은 5보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 이 비율은 10보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 이 비율은 100보다 작다.
도 6은 다른 IFMA 구성의 단면도를 보여준다. 도 6에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 작동 원리들 중 몇몇은 도 7에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 6의 맥락에서 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
도 6은 주위 유체에 대해 움직이는 경계 장치(70)를 묘사한다. 경계 장치(70)는 선행 포인트(73)와 후행 포인트(74)를 가진다. 선행 및 후행 포인트들은 날개 또는 에어포일의 선행 에지 또는 후행 에지와 같은 에지일 수 있다. 날개의 경우, 선행 에지 및 후행 에지는 특정 유동 조건에서 선행 및 후행 정체선(stagnation line)인 것으로 고려될 수 있다. 이 실시예에서는 경계 장치는 폐쇄된 외측 표면(71) 및 내측 표면(72)을 가진 얇은 쉘로서 형성될 수 있는 강체이다. 이 실시예에서, 경계 장치(70)의 형상은 회전 형상이며, 즉, 선행 포인트(73)와 후행 포인트(74)를 통과하는 축에 대해 축 대칭이다.
경계 장치(70)는 선박의 선체, 또는 항공기의 동체일 수 있다. 다른 실시예들에서, 경계 장치(70)는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 경계 장치의 형상은 도 5에 도시된 경계 장치(61)의 형상과 유사할 수 있다. 임의의 주어진 애플리케이션을 위해 적합한 기하구조를 찾아낼 수 있다. 경계 장치는 다양한 기존 방법들 및 재료들을 사용하여 제조될 수 있다.
다음과 같이, "경계 장치 프레임" 또는 "BAF"가 정의될 수 있다. 원점은 경계 장치(70)의 외측 표면(71)에 의해 둘러싸인 부피의 기하학적 중심에 위치한다. x-축은 선행 포인트(73)와 후행 포인트(74)를 연결하는 직선과 일치하고, 선행 포인트(73)를 향해 지향된다. 명시되어 있지 않다면, z-축은 도면의 페이지 속으로 직각으로 지향된다.
3개의 속도 프로파일들(76-78)이 도시된다. 속도 프로파일 내의 각각의 화살표는 경계 장치에 대한 증분 유체 요소의 속도 벡터를 나타내며, 여기서 증분 유체 요소는 경계 장치에 대해 속도가 측정된 시점에서 화살표의 베이스에 위치한다. 속도 프로파일 내의 화살표들의 팁들을 연결하는 선은 연속적인 속도 분포를 나타낸다.
경계 장치(70)는 주위 유체에 대해 움직이고 있다. 도시된 단순화된 시나리오에서 자유 스트림 유동 속도는 공간 내에서 균일하고 시간적으로 일정하다. 도 6에서, 경계 장치(70)에 대한 자유 스트림 유체 유동은 BAF의 x-축에 평행하게 반대 방향으로, 즉, 도면의 상부로부터 하부를 향해 지향된다. 경계 장치(70)의 원방 상류에서 증분 유체 요소들의 속도는 자유 스트림 유동 속도와 대략적으로 동일하다. 따라서, 속도 프로파일(76)은 공간 내에서 균일하고 시간적으로 일정하며, 크기와 방향은 경계 장치에 대한 자유 스트림의 유동 속도와 동일하다.
속도 프로파일(77)은 경계 장치(70) 부근에서의 속도 분포를 말한다. 이 실시예에서, 경계 장치(70)의 외측 표면(71)에는 비-슬립 조건(no-slip condition)이 있다. 다른 실시예들에서, 외측 표면(71)를 따라 비-제로의 슬립 속도가 있을 수 있다. 속도 프로파일(77)은 도 7에 도시된 속도 프로파일(102)과 유사하다. 따라서, 이 속도 프로파일의 특징들과 그 대체 가능한 실시예들은 도 6의 맥락에서 동일한 상세 사항은 설명되지 않는다.
속도 프로파일(78)은 경계 장치(70)의 원방 후류 내의 속도 분포를 설명한다. 단순화된 이상적인 시나리오에서 속도 프로파일(78)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 속도 프로파일(76)과 실질적으로 동일하다. IMCA 조립체와 연관된 항력에 기인한 운동량 부족이 있으며, 이는, 예를 들어, 압력 항력 또는 점성 항력으로부터 발생할 수 있다는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서, 경계 장치(70)와 연관된 항력으로 인한 운동량 부족도 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경계 장치(70)와 같은 경계 장치에는 의도적인 유체 조작 장치가 제공된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 의도적인 유체 조작 장치는 제1 IMCA(79), 제2 IMCA(80), 제3 IMCA(81) 및 제4 IMCA(82)를 포함하는 IMCA 조립체로서 설명될 수 있다. 이 실시예에서는 4개의 IMCA들이 도시되어 있으나, 더 많은 또는 보다 적은 수의 IMCA들이 사용될 수 있다.
각각의 IMCA, 예컨대 제1 IMCA(79)는 원형 덕트로서 설명될 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서, 각각의 덕트는 반경 방향 바깥쪽 방향의 성분을 가진 양력을 생성하도록 구성된다. 각각의 원형 덕트의 중심축은 BAF의 x-축과 일치하며 x-축의 방향으로 지향된다. 대략적인 근사로, 유체 유동에 대한 덕트의 영향은 양력선 이론에서 와류 루프에 의해 발생하는 것으로 고려될 수 있다. 이 단순화된 모델에서는 각각의 IMCA의 각각의 와류 루프는 yz-평면에 평행한 평면 내에 놓인다. 각각의 와류 루프의 순환은, 양의 x-방향을 따라 보았을 때, 각각의 루프의 둘레를 시계 방향으로 지향된다. 각각의 IMCA는 선행 에지, 예컨대 제1 IMCA(79)의 선행 에지(83)와, 후행 에지, 예컨대 제3 IMCA(81)의 후행 에지(89)를 가진다.
유선(75)은 x-방향을 따라 보았을 때 원형 단면을 가지는 유관의 경계를 설명한다. 도 6에서 점선으로 표시된 유선(75)은 제1 IMCA(79)의 정체 유선(stagnation streamline), 즉 제1 IMCA(79)의 선행 에지 정체선(stagnation line)에 입사하는 유선의 대략적인 위치를 개략적으로 나타낸다. 이러한 모든 유선들에 의해 둘러싸인 부피는 유관으로서 설명될 수 있다.
도 6에 도시된 유관(75)은 오직 특정 작동 조건들 및 IMCA 조립체의 특정 구성을 위한 예라는 점을 유의한다. 다른 작동 조건들, 예컨대 상이한 자유 스트림 속도 크기에서는, 유관(75)의 형상이 상이할 수 있다. 예를 들어, 유관(75)은 제2 IMCA(80)의 선행 에지 정체선에 입사하는 것이 아니라, 제2 IMCA(80)의 내부 영역 내부를 통과할 수 있다. 유동 박리 및 연관된 압력 항력의 증가를 회피하기 위해, IMCA가 상류 IMCA 후류 내부에, 즉 상류 IMCA의 정체 유선을 따라서 또는 그 부근에 배치되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이는 IMCA 조립체와 연관된 점성 표면 마찰 항력 손실이 증가시킬 수 있다.
IMCA 조립체 내의 각각의 IMCA는 연결 장치를 통해 경계 장치(70)에 견고하게 연결된다. 명료성을 위해, 이 장치는 도 6에 도시되지 않았다.
다른 실시예들에서, IMCA, 예컨대 IMCA(79)는 몇몇의 덕트들을 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, IMCA는 도 6에 도시된 단일 요소의 에어포일과는 대조적으로 복수-요소의 에어포일로서 설명될 수 있다. 예를 들어, IMCA는 4-요소 에어포일을 포함할 수 있으며, 각각의 섹션은 개별 덕트를 효과적으로 형성한다. 이러한 구성은 IMCA의 최대 양력 계수를 증가시킬 수 있다.
유체 유동에 대한 IMCA 조립체의 영향은 IMCA 조립체의 부근의 국부적으로 유도된 속도 분포의 창조이다. 일반적으로, IMCA 조립체 내부의, 즉 IMCA 조립체의 중심축 부근의 유도 속도는 BAF의 양의 x-방향으로 비-제로 성분을 가진다. 유도 속도가 원하는 분포는 제1 IMCA(79) 및 제2 IMCA(80)와 같은 IMCA를 유체 유동 내의 적절한 위치들에 배치함으로써, 그리고 적절한 순환 강도, 또는 단위 원주당 적절한 양력을 선택함으로써 발성될 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, IMCA 조립체는, 풀-슬립 시나리오에서 경계 장치(70)의 외측 표면(71)에서의 유동 속도의 크기가 풀-슬립 기준 시나리오와 비교하여 감소되는 방식으로 구성된다. 이 감소는 비-슬립 시나리오에서 외측 표면(71)에서 낮은 표면 마찰 항력을 초래할 수 있다. 이 감소는, 예를 들어, 외측 표면(71)에서의 유효한 자유 스트림 유동의 감소, 외측 표면(71)에서의 층류의 확립 또는 유지, 또는 외측 표면(71)에서의 유동의 레이놀즈 수의 감소로부터 발생할 수 있다. 몇몇의 작동 조건들에서, 경계 장치(71)에 연관된 항력의 이 감소는 IMCA 조립체의 추가 항력보다 클 수 있다.
도 8은 IFMA 구성(150)의 단면도이다. IFMA 구성(150)의 질량 중심은 관성 프레임 내의 속도로 움직이며, 여기서 속도는 공간과 시간에서 크기와 방향이 일정하다. 속도는 X-축과 정렬되고, 즉 양의 X-방향으로 지향된다.
상류 IMSA(151)가 있으며, 이는 이 실시예에서 프로펠러로서 설명될 수 있다. 상류 IMSA(151)의 단면도는 제1 프로펠러 블레이드(152)와 제2 프로펠러 블레이드(154)를 보여준다. 제1 프로펠러 블레이드(152)의 후행 에지(153)와 제2 프로펠러 블레이드(154)의 선행 에지(155)도 보인다. 프로펠러 블레이드들은 로터 허브(156)에 의해 구조적으로 지지된다. IMSA(151)의 추력은 추력 벡터(183)로 표시된다. 스테이션(179)에서, 이 실시예의 상류 IMSA(151)에 의해 운동량의 양의 변화율이 유체에 적용된다.
하류 IMSA(166)가 있으며, 이는 이 실시예에서 프로펠러로서 설명될 수 있다. 하류 IMSA(166)의 단면도는 제1 프로펠러 블레이드(167)와 제2 프로펠러 블레이드(169)를 보여준다. 제1 프로펠러 블레이드(167)의 후행 에지(168)와 제2 프로펠러 블레이드(169)의 선행 에지(170)도 보인다. 프로펠러 블레이드들는 로터 허브(171)에 의해 구조적으로 지지된다. IMSA(166)의 추력은 추력 벡터(184)로 표시된다. 스테이션(181)에서, 하류 IMSA(166)에 의해 운동량의 음의 변화율이 유체에 적용된다. IFMA 구성(150)의 하류에서, IFMA 구성(150)에 대한 유관(176) 내부의 유동의 방향은 화살표(185)로 표시된다.
중간 IMSA(161)도 도시되어 있다. 이 실시예에서, 중간 IMSA(161)는 날개로서 설명될 수 있다. 단순성을 위해, 날개(161)는 직선 날개이다. 날개는, 예를 들어, 동체에 견고하게 장착될 수 있다. 명료성을 위해, 동체는 도시되지 않았다. 중간 IMSA(161)는 종래의 고정익 항공기의 고정익과 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 중간 IMSA(161)는 양의 Y-방향과 음의 X-방향으로 지향된 양력을 생성한다. 유관(176) 내의 유동의 방향의 연관된 편향은 도시의 목적을 위해 과장되어 있다는 점을 유의한다.
중간 IMSA(161)는 외측 표면 162, 후행 에지(165) 및 벌크 재료(164)를 포함한다. 벌크 재료(164)는 알루미늄 또는 강철과 같은 금속, 또는 유리 섬유 또는 탄소 섬유와 같은 복합 재료를 포함할 수 있다. 상류 IMSA(151)는 외측 표면(158)을 구비한 중공형 연결 로드(157)에 의해 중간 IMSA(161)에 견고하게 장착된다. 하류 IMSA(166)는 외측 표면(173)을 가진 연결 로드(172)에 의해 중간 IMSA(161)에 견고하게 장착된다.
다른 실시예들에서, 연결 로드(157) 또는 연결 로드(172)는 중간 IMSA(161) 또는 연관된 중간 지지 장치에 회전 가능하게 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 연결 로드(157) 또는 연결 로드(172)는 각각 허브(157) 또는 허브(171)에 회전 가능하게 연결된다. 회전 연결은 상기 구성이 상이한 작동 조건들에 적합화되도록 허용한다. 회전 연결은, 순항 또는 조종 중에, 중간 IMSA(161)와 임의의 연관된 장치, 예컨대 동체의 피치각 제어에 기여할 수 있다.
이 특정 실시예에서, 상류 추력 벡터(183)의 크기는 하류 추력 벡터(184)의 크기보다 크다. 따라서, 상류 IMSA(151) 및 하류 IMSA(166)는 양의 X-방향으로 비-제로 성분을 가지는 순 추력을 생성한다. 따라서, 이 순 추력은 IFMA 구성(150)에 작용하는 임의의 항력 상쇄에 기여할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이 추력 벡터들의 크기는 실질적으로 동일할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상류 추력 벡터(183)의 크기는 하류 추력 벡터(184)의 크기보다 작다.
상류 IMSA(151)는 중간 IMSA(161)의 국부적인 자유 스트림 유동 속도를 중간 IMSA(161)의 자유 스트림 유동 속도보다 큰 값으로 증가시키도록 구성된다. 하류 IMSA(166)는 이 과정 전체에서 상류 IMSA(151)에 의해 유체로 전달된 과잉의 추력 및 과잉의 에너지 중 적어도 부분을 회수하도록 구성된다. 중간 IMSA(161)의 유도 항력은, 동일한 중간 IMSA(161)가 상류 IMSA(151) 및 하류 IMSA(166) 없이 동일한 양의 양력을 생산하는 베이스라인 시나리오와 비교하여 감소될 수 있다.
그 결과, 스테이션(180)에서의 평균 유동 속도의 크기는 스테이션(178)과 스테이션(182)에서의 평균 유동 속도보다 크다. 스테이션(180)에서의 유관(176)은 스테이션(182 또는 178)에서보다 유동 방향 단면적을 가진다. 스테이션(180)과 비교한 스테이션(182)에서의 유관(176)의 유동 방향 단면적의 증가는 중간 IMSA(161)의 종횡비 또는 스팬을 증가시키는 것으로 여겨진다.
도 9는 도 8에 도시된 IFMA 구성(150)의 정면도이다. 상류 IMSA(151)와 하류 IMSA(166) 둘 다, 음의 X-방향으로 보았을 때, 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 대안으로서, 상류 및 하류 IMSA들이 반대 방향으로 회전할 수도 있다.
다른 실시예들에서, 상류 또는 하류 IMSA는 몇몇의 개별 프로펠러들을 포함할 수 있다. 이 프로펠러들은 유동 방향으로 서로로부터 오프셋될 수 있다. 상류 또는 하류 IMSA는, 예를 들어, 역회전 동축 프로펠러들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 또는 하류 IMSA는 유관의 폭을 따라 분포된 몇몇의 프로펠러들을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 프로펠러들은 유동 방향에 대해 횡단 방향으로 서로 오프셋될 수 있다.
상류 IMSA(151)의 프로펠러 블레이드들의 팁들에 의해 추종되는 경로는 점선(186)으로 표시된다. 하류 IMSA(166)의 프로펠러 블레이드들의 팁들에 의해 추종되는 경로는 도 9에 점선(187)으로 도시되어 있다.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 13은 중간 IMSA(201)를 포함하는, IFMA 구성(200)의 사시도, 측면도, 상면도 및 배면도를 각각 보여준다. 단순화를 위해, 중간 IMSA(201)는 타원형 날개 길이방향 익현(chord) 분포, 일정한 에어포일 형상, 및 제로 비틀림을 가진 직선 날개로서 구성될 수 있다. 날개는, 예를 들어, 동체에 견고하게 부착될 수 있다. 명료성을 위해, 동체는 도시되지 않았다. 중간 IMSA(201)는 중간 IMSA(161)와 유사한 방식으로 구성될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 중간 IMSA(201)는 항공기 또는 선박의 날개 또는 수중익과 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 중간 IMSA(201)는 외측 표면(202)과 후행 에지(205)를 포함한다.
IMCA(206)는 중간 IMSA(201)의 국부적인 자유 스트림 유동을 증가시키도록 구성된다. 달리 말하면, 스테이션(224)에서의 유동 속도의 크기는 상류 스테이션(223) 또는 하류 스테이션(224)에서의 유동 속도의 크기와 비교하여 IMCA(206)에 의해 인위적으로 증가한다. IMCA(206)는 덕트인 것으로 여겨질 수 있다.
IMCA(206)는 IMSA(201)에 견고하게 부착된다. IMCA(206)는 외측 표면(207)과 후행 에지(210)를 포함한다. 이 실시예에서, IMCA(206)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 유동 방향으로 보았을 때, 직사각형의 형상이다. 다른 실시예들에서, IMCA(206)는 타원형 또는 원형의 형상일 수 있다. 다른 실시예들에서, IMCA는 경면 벨 형상(mirrored Bell shape)을 설명될 수 있으며, 여기서 경면(mirroring plane)은 날개의 스팬과 일치한다.
IMCA(206)는 양력선 이론의 체계에서 임의의 와도(vorticity)를 발산하지 않도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, IMCA(206)와 연관된 순환은 IMCA(206)의 스팬 방향의 길이를 따라 일정하다. 다른 실시예들에서, IMCA(206)는 와류를 발산할 수도 있다. 예를 들어, IMCA(206)는 IFMA 구성(200)의 순 양력에 기여하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, IMCA(206)는 IMCA의 원방 후류로 발산되는 IMCA의 구속된 와도(bound vorticity)에 추가되는 스팬 방향의 순환을 가진, 종래의 폐쇄된 날개, 또는 환형 날개인 것으로 여겨질 수 있다. 달리 말하면, IMCA는 IMCA와 IMSA의 중첩이라고 볼 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중간 IMSA(201)는 폐쇄된 날개로서 설명될 수도 있다.
IMCA(206)의 스팬을 따라서 IMCA(206)의 비틀림각을 변화시키는 것은 유동장에 대한 IMSA(201)의 영향 및 IMCA(206)의 구속된 와도 또는 순환을 위한 요건의 결과이다.
몇몇 실시예들에서, IFMA 구성(200)은 IMCA(206)와 유사한 방식으로 구성된 몇몇의 개별의 폐쇄된 날개들을 포함할 수 있다. 이 개별의 IMCA들은 복수-요소의 에어포일과 유사한 방식으로 유동 방향으로 오프셋될 수 있다. 개별의 IMCA들은 국부적인 유동 방향에 대해 직각 방향으로 오프셋될 수도 있다. IMCA는 다른 IMCA 내부에 놓이도록 고려될 수 있다. 예를 들어, 제1 원형 IMCA는 제2 원형 IMCA와 동심으로 배치되도록 고려될 수 있다.
유선(222)은 IMCA(206)에 의한 유동의 가속에 기안하여 스테이션(224)에서 IMCA(206)에 의해 둘러싸인 유관의 단면적의 감소를 도시한다. 이 유관의 단면적은 스테이션(225)에서 더 크고, 이는 IMSA(201)의 더욱 큰 유효 스팬에 대응된다.
도 14는 도 10에 도시된 IFMA(200)와 유사한 방식으로 구성되는, IFMA 구성(240)의 단면도이다. 이 실시예에서, 덕트(241)는 와도를 후류 내부로 발산한다. 따라서, 덕트(241)는 IMSA(241)로 지칭되기도 한다. IMSA(241)는 IMCA와 IMSA의 중첩인 것으로 여겨질 수 있다. IMSA(241)는 중간 IMSA(247)의 국부적인 자유 스트림 속도를 증가시키도록 구성된다.
이 실시예에서, IMSA(241)는 실질적으로 축 대칭이다. IMSA(241)는 외측 표면(242), 내측 표면(243), 벌크 재료(246) 및 후행 에지(244)를 포함한다. 벌크 재료(246)는 벌크 재료(164)와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 중간 IMSA(247)는 중간 IMSA(201)와 유사한 방식으로 구성된다. 중간 IMSA(247)는 외측 표면(248) 및 후행 에지(250)를 포함한다.
유관(254)은 IMSA(241)를 둘러싸며, 즉, IMSA(241)의 내부를 통과하는 모든 유선을 둘러싼다. 상류 스테이션(255)에서의 유관의 단면적은 스테이션(256)에서의 단면적보다 크고, 이는 결국 하류 스테이션(257)에서의 단면적보다 작다.
도 15는 다른 IFMA 구성(270)의 사시도이다. 도 15에 도시된 장치의 몇몇 특징들 및 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들에, 특히 도 7에 도시된장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라, 도 15의 맥락에서 동일한 상세 사항은 설명되지 않고, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(270)은, 민간 수송기, 또는 Boeing 737 또는 Airbus A320과 같은 제트 여객기와 같은 고정익 항공기로서 묘사된다. 동체(293), 좌익(300) 및 우익(299), 러더(rudder)를 포함하는 수직 꼬리(301), 및 전속-비행(full-flying) 좌측 수평 안정판(304)과 전속-비행 우측 수평 안정판이 있다. IFMA(270)의 비행 방향은 공칭 레벨 순항 중에 실질적으로 추력 벡터(292)의 방향이다. 공칭 레벨 순항 중에 실시예(270)에 대한 실시예(270)을 둘러싸는 공기의 자유 스트림 유동 방향은 화살표(305)로 표시된다.
상류 IMSA(271)가 있으며, 이는 이 실시예에서 덕트 팬(ducted fan)으로서 설명될 수 있다. 이 실시예에서 덕트는 팬 내부에 위치한 팬 디스크와 조우하기 전에 유동을 감속시키도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 팬 디스크와 연관된 조파 항력 손실은 이 방식으로 회피 또는 완화될 수 있다. 상류 IMSA(271)는 덕트(272)와 팬 디스크를 포함한다. 상류 IMSA(271)는, 추력 벡터(281)로 표시된 바와 같이, IFMA(270)에 대한 평균 자유 스트림 유동과 동일한 방향으로 지향되는 힘을 IFMA 구성(270)에 가하도록 구성된다. 상류 IMSA(271)는 주위 유체로부터 에너지를 추출하도록 구성된다. IFMA(270)는 이 에너지 중 적어도 일부를 하류 IMSA(282)로 전달하도록 구성된다. 언급한 바와 같이, 이러한 전달은 상류 IMSA(271)의 팬 디스크를 하류 IMSA(282)의 팬 디스크에 연결하는 기계적 구동 샤프트에 의해 용이하게 될 수 있다. 상류 IMSA(271)의 팬 디스크는, 예를 들어, 직접, 강성, 기계적 연결을 통해 하류 IMSA(282)의 팬 디스크에 동력을 전달할 수 있다. 상류 IMSA(271)의 팬 디스크는 구동 샤프트 및 기어 트레인을 통해 하류 IMSA(282)의 팬 디스크에 동력을 전달할 수 있다. 상기 구동 샤프트는 동체(293)를 통과할 수 있다. 상류 IMSA(271)의 팬 디스크는 발전기를 통해 하류 IMSA(282)의 팬 디스크에 동력을 전송할 수 있으며, 발전기는 전선 또는 도체를 통해 전력을 전기 모터로 전달하고, 여기서 전기 모터는 하류 IMSA(282)의 팬 디스크에 동력을 전달한다. 상류 IMSA(271) 및 하류 IMSA(282)는 동체(293)에 견고하게 부착된다.
하류 IMSA(282)는, 몇몇 실시예들에서, 터보 팬 엔진으로서 설명될 수 있다. 동력이 상류 IMSA(271)로부터 하류 IMSA(282)로 전기적으로 전달될 경우, 하류 IMSA(282)는 하이브리드 전기 터보 팬 엔진으로서 설명될 수 있다. 다른 실시예들에서, 하류 IMSA(282)는 터보 제트 엔진으로서 설명될 수 있다. 하류 IMSA(282)는 덕트(283)를 포함한다. 하류 IMSA(282)는, 추력 벡터(292)로 표시된 바와 같이, IFMA 구성(270)에 대해 평균 자유 스트림 유동과 반대 방향으로 지향된 힘을 실시예(270)에 가하도록 구성된다. 이 실시예에서, 하류 IMSA(282)의 추력의 크기는 상류 IMSA(271)의 추력의 크기보다 크다. 따라서, 하류 IMSA(282)는 IFMA 구성(270)의 임의의 현저한 추력 요건들을 충족시키도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 적어도 하나의 별도의 추진 유닛 또는 엔진이 적어도 하나의 날개에 장착될 수 있다. 이러한 별도의 엔진은, 예를 들어, 종래의 터보 팬 또는 하이브리드 전기 터보 팬일 수 있다.
상류 IMSA(271)는 적어도 동체(293)의 국부적인 자유 스트림 유동을 인위적으로 감소시키도록 구성될 수 있으며, 하류 IMSA(282)는 동체(293)의 후류 및 동체(293)의 부근에서 유동 속도의 감소 중 적어도 일부를 상쇄시키도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(271)는 동체(293)의 인위적인 경계층을 생성하는 것으로 여겨질 수 있으며, 여기서 경계층은 덕트(272)의 내부를 통과하는 유관에 의해 대략적으로 둘러싸인다. 동체(293) 및 인위적 경계층이 자연적 경계층에 의해 포위되는 것으로 여겨질 수도 있는 점에 유의한다. 상류 IMSA(271)는, 전체적으로 동체(293) 및 IFMA 구성(270)의 항력이 상류 IMSA(271)가 없는 베이스라인 시나리오와 비교하여, 즉, 동체가 자연 경계층에 의해서만 포위되어 있는 시나리오와 비교하여, 감소되는 방식으로 이 인위적 경계층 내부, 또는 동체(293)의 습윤 표면의 부근에서 속도 프로파일을 변경시키도록 구성된다. 항력의 감소는, 예를 들어, 점성 항력의 감소 및/또는 조파 항력 또는 압축성 항력의 감소를 포함할 수 있다. 항력 감소는 상류 IMSA(271)에 의한, 그리고 더 적은 정도로, 하류 IMSA(282)에 의한 동체(293)에 대한 유체 유동 속도의 공간 프로파일의 변경과 연관된다.
상류 IMSA(271)에 의한, 동체(293)의 국부적인 자유 스트림 유체 유동 속도의 크기의 감소, 동체(293)의 습윤 표면에서의 그리고 습윤 표면에 대한 유체 유동 속도의 감소, 및 동체(293)의 습윤 표면의 부근에서의 더욱 바람직한 속도 프로파일의 생성은 점성 항력의 상기 감소에 기여할 수 있다. 더욱 바람직한 속도 프로파일은, 예를 들어, 감소된 피크 공간 유체의 유동 속도 구배, 또는 IFMA 구성(270)의 부근에서 공간적 유체 유동 속도 구배의 감소된 공간적 평균 크기를 포함할 수 있다.
조파 항력의 감소는 유체가 IFMA 구성(270)의 주위를 흐를 때 유체의 유동 방향의 더욱 점진적인 변화, 또는 IFMA 구성(270)에 의한 유체의 더욱 점진적인 변위의 결과일 수 있다. 이는 상류 IMSA(271)에 의한 유체 유동의 감속과 IMSA(282)에 의한 유체 유동의 가속에 의해 용이하게 된다. 따라서, IFMA 구성(270)에 의한 유체 유동에 대한 장애의 강도가 감소될 수 있으며, 이는 IMFA 구성(270)에 연관된 조파 항력을 감소시킬 수 있다.
항력의 감소는 베이스라인 시나리오와 비교하여 IFMA 구성(270)의 동력 소비를 감소시키거나, 또는 IFMA 구성(270)이 주어진 동력 소비에서 유체에 대해 더욱 빠르게 움직이도록 허용할 수 있다. 이는 IFMA 구성(270)의 범위 또는 최고 속도를 증가시킬 수 있다.
도 16은 다른 IFMA 구성(315)의 경사 상면도이다. 도 16에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 3에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 16의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(315)은 쿼드로터(quadrotor) 헬리콥터 또는 쿼드콥터(quadcopter)로서 설명될 수 있다. 실시예(315)는 옥토로터 또는 멀티로터로서 설명될 수도 있다. IFMA 구성(315)은 4개의 IMSA 조립체들, 예컨대 IMSA 조립체들(316, 339, 362 및 385)을 포함한다. 각각의 IMSA 조립체는 상류 IMSA, 예컨대 IMSA 조립체(362) 상류 IMSA(365) 및 하류 IMSA, 예컨대 IMSA 조립체(362)의 하류 IMSA(375)를 포함한다.
각각의 상류 또는 하류 IMSA는 프로펠러로서 설명될 수 있다. 각각의 프로펠러는 하류 IMSA(375)의 제1 프로펠러 블레이드(377)와 같은 제1 프로펠러 블레이드 및 하류 IMSA(375)의 제2 프로펠러 블레이드(378)와 같은 제2 프로펠러 블레이드를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로펠러는 적어도 하나의 블레이드, 또는 오직 하나의 블레이드를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로펠러는 적어도 3개의 블레이드들을 포함할 수 있다. 프로펠러 허브, 예컨대 프로펠러 허브(379 또는 369)는 각각의 프로펠러를 구동 샤프트 또는 액추에이터에 연결시킨다.
IFMA 구성(315)는 호버(hover)로 도시된다. IMSA 조립체에 의해 유도되는 유동은 수직 하향 방향으로 지향되며, 즉, 추력 벡터(380)와 실질적으로 정렬된다.
상류 IMSA, 예컨대 상류 IMSA(365)는, 추력 벡터(370 또는 347)로 표시된 바와 같이, 상향 방향으로 지향된 IFMA 구성(315)에 작용하는 추력을 생성하도록 구성된다. 하류 IMSA, 예컨대 하류 IMSA(375)는, 추력 벡터(380 또는 357)로 표시된 바와 같이, 하향 방향으로 지향되는 실시예(315)에 작용하는 추력을 생성하도록 구성된다.
상류 IMSA는, IMSA 조립체가 단 하나의 IMSA, 즉, 오직 상류 IMSA만을 포함하는 시나리오와 비교하여, 그 자체에 대해 국부적인 자유 스트림 유동 속도를 증가시키도록 구성된다. 대응되는 하류 IMSA는 상류 IMSA의 후류 내의 유체 유동의 임의의 과잉 운동량을 상쇄하도록 구성된다. 공칭 호버 중에, 4개의 IMSA 조립체들 모두에 의해 생성되는 순 추력의 합은 IFMA 구성(315)의 무게와 실질적으로 동일한 것에 유의한다. 공칭 호버 중에, 어느 하나의 IMSA 조립체에 의해 생성되는 순 추력은 4개의 IMSA 조립체들 중 임의의 다른 하나에 의해 생성되는 순 추력과 실질적으로 동일하다. 하류 IMSA는, 추력 벡터(380 또는 357)로 표시된 바와 같이, 상류 IMSA를 통해 실시예(315)에 대한 유체 유동의 방향으로 실시예(315)에 작용하는 추력을 생성하도록 구성된다. 하류 IMSA의 추력 벡터의 크기는 공칭 호버 중의 대응되는 상류 IMSA의 추력 벡터의 크기보다 작다.
IFMA 구성(315)에서 각각의 IMSA 조립체는 나셀, 예컨대 나셀(340)을 포함하며, 이는 하류 IMSA로부터 상류 IMSA로의 에너지의 전달을 용이하게 하는 액추에이터, 발전기, 기어박스, 또는 구동 샤프트들을 수용한다. 제1 IMSA 조립체의 하류 IMSA도 제2 IMSA 조립체의 상류 IMSA에 동력을 전달할 수 있는 것에 유의한다.
도 16에 도시된 구성에서, IMSA 조립체의 유도 동력 소비는, 유체에 대한 하류 IMSA의 영향을 무시할 수 있는, 동등한 베이스라인 또는 기준 구성의 유도 동력 소비보다 낮으며, 즉, 상류 IMSA의 추력은 순 추력 요건과 실질적으로 동일하다. 베이스라인 구성에서, IMSA 조립체는 상류 IMSA만을 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 언급한 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, IMSA, 예컨대 상류 IMSA는 몇몇의 프로펠러들 또는 추력 장치들을 포함할 수 있다는 점에 유의한다. 이 경우, 베이스라인 구성은 종래의 쿼드로터 헬리콥터와 동일하다.
각각의 IMSA 조립체는 빔을 통해 동체(408)에 견고하게 연결된다. 각각의 빔은 공기 역학적 또는 유체 역학적 페어링(fairing), 예컨대 빔 페어링(341)으로 둘러싸여 있다. 몇몇 실시예들에서, 빔 페어링들은 빔에 회전 가능하게 연결되며, 즉, 동체(408) 및 대응되는 나셀에 대해 회전할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공칭 레벨 순항 중에 양력을 생성하기 위해 적어도 하나의 빔 페어링이 채택될 수 있으며, 양력은 종래의 고정익 항공기의 양력과 유사한 방식으로 생성되고, 동체의 장축은 실질적으로 수평 방향으로, 즉, 관성 프레임의 움직임의 방향으로 배향되며, 적어도 하나의 IMSA 조립체는 IFMA 구성(315)에 작용하는 항력에 대항하는 순 추력을 생성하도록 구성된다. 몇몇의 IMSA의 프로펠러들의 피치각은 몇몇 실시예들에서 변경될 수 있는 점에 유의한다. 순항 중에, 몇몇의 IMSA 조립체들의 프로펠러들은 페더링될(feathered) 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA는 전기 모터에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA는 영구자석을 포함하는 브러시리스 DC 모터에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, IMSA 조립체는 AC 유도 모터에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA의 구동 샤프트는 대응되는 하류 IMSA의 구동 샤프트에 견고하게 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 구동 샤프트에 동력을 공급하는 액추에이터는 직접 구동 구성으로 구동 샤프트에 견고하게 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 액추에이터는 클러치 또는 기어 트레인을 통해 구동 샤프트에 연결된다. 동력은 예를 들어, 배터리, 내연기관, 또는 터보 샤프트 엔진에 의해 제공될 수 있다. 하나 이상의 IMSA 조립체들에 동력을 공급하는 액추에이터는 동체(408) 내부에 배치될 수도 있다. 동력은, 예를 들어, 이러한 액추에이터로부터 IMSA 조립체로 기계적 또는 전기적으로 전달될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상류 또는 하류 IMSA는 몇몇의 프로펠러들을 포함한다. 예를 들어, 상류 또는 하류 IMSA는 적어도 2개의 역회전 또는 같은 방향 회전의 동축 프로펠러들을 포함할 수 있다.
상류 IMSA 및 대응되는 하류 IMSA의 프로펠러들은 같은 위상일 필요는 없으며, 공칭 작동 중에 동일한 각속도로 회전할 필요가 없는 점에 유의한다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA와 하류 IMSA 사이의 주어진 분리 거리에 대해 최적의 위상각이 있으며, 여기서 최적성은 운송체의 작동 비용의 최소화, 또는 운송체의 내구성 최대화를 가리킬 수 있다.
도 17은 다른 IFMA 구성(425)의 경사 상면도이다. 도 17에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 3에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 17의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(425)은 종래의 헬리콥터로서 설명될 수 있다. IFMA 구성(425)은 윈도우(449)를 가진 동체(448) 및 테일 로터 조립체(451)을 포함한다.
IFMA 구성(425)는 공칭 호버로 도시되며, 유도된 유동은, 유동 방향(456)으로 도시된 바와 같이, 수직 하향 방향으로 지향된다.
상류 IMSA(426)는, 제1 로터 블레이드(427)와 연관된 추력 벡터(434) 또는 제2 로터 블레이드(430)와 연관된 추력 벡터(435)로 표시된 바와 같이, 상향 방향으로 지향된 IFMA 구성(425)에 작용하는 추력을 생성하도록 구성된다. 제1 블레이드(427) 및 제2 블레이드(430)는 로터 허브(433)를 통해 구동 샤프트에 연결된다. 구동 샤프트는 공기역학적 페어링(436)에 의해 둘러싸일 수 있다.
하류 IMSA(437)는, 제1 로터 블레이드(438)와 연관된 추력 벡터(445) 또는 제2 로터 블레이드(441)와 연관된 추력 벡터(446)로 표시된 바와 같이, 하향 방향으로 지향된 실시예(425)에 작용하는 추력을 생성하도록 구성된다. 제1 블레이드(438) 및 제2 블레이드(441)은 로터 허브(444)를 통해 구동 샤프트에 연결된다. 구동 샤프트는 공기역학적 페어링(447)에 의해 둘러싸일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(426) 및 하류 IMSA(437)의 구동 샤프트는 동일하다. 다른 실시예들에서, 상류 IMSA(426)의 구동 샤프트는 동축 구성으로 하류 IMSA(437)의 구동 샤프트의 중심을 통과한다. 다른 실시예들에서, 동체(448)는 상류 IMSA(426)와 하류 IMSA(437) 사이에 위치한다.
IFMA 구성(425)의 메인 로터 시스템은 상류 IMSA(426) 및 하류 IMSA(437)를 포함하는 IMSA 조립체로서 설명될 수 있다. 도 17에 도시된 호버링 구성에서, IMSA 조립체의 유도 동력 소비는, 유체에 대한 하류 IMSA의 영향을 무시할 수 있는, 동등한 베이스라인 또는 기준 구성의 유도 동력 소비보다 낮으며, 즉 상류 IMSA의 추력은 순 추력 요건과 실질적으로 동일하다. 베이스라인 구성에서, IMSA 조립체는 오직 상류 IMSA만 포함하는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 베이스라인 구성은 종래의 헬리콥터와 동일하다.
공칭 레벨 순항에서 작동 조건들의 범위 중에, 하류 IMSA(437)의 적어도 부분은 더 이상 상류 IMSA(426)의 후류 내에 위치하지 않는다. 이 부분이 충분히 큰 경우, 하류 IMSA(437)는 페더링될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하류 IMSA(437)의 페더링(feathering)은 로터 블레이드의 각속도를 제로까지 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하류 IMSA(437)의 로터 블레이드는 접혀 있다. 예를 들어, 로터 블레이드들은 공칭 레벨 순항을 위해 공기역학적 페어링 내부로 접힐 수 있다. 다른 실시예들에서, 공칭 레벨 순항 중에, 하류 IMSA(437)는 상류 IMSA(426)의 양력 벡터의 추력을 따라서 양의 성분을 가지는 추력 또는 양력을 생성하도록 구성할 수 있다. 이러한 점에서, 하류 IMSA(437) 및 상류 IMSA(426)는 종래 기술의 동축 헬리콥터의 로터들과 유사한 방식으로 작동 또는 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들의 원리들은 틸트 로터들에도 적용될 수 있는 점에 유의한다. 예를 들어, 틸트 로터의 단일 로터는 2개의 로터들, 즉, 도 17에 도시된, 상류 IMSA(426) 및 하류 IMSA(437)와 유사하게 지지 샤프트에 의해 분리된 2개의 로터들에 의해 교체될 수 있다. 이 방식으로, 몇몇 실시예들의 이점들은 순항 비행과 호버링 비행의 양쪽 모두를 위해 이용 가능할 수 있다.
도 18은 다른 IFMA 구성(470)의 경사 측면도이다. 도 18에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 3에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 18의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(470)은 풍력 터빈으로서 설명될 수 있다. 풍향은 화살표(501)로 표시되어 있다. IFMA 구성(470)은 수평 나셀(495)에 회전 가능하게 연결된 수직 지지부(496)을 포함하며, 여기서 회전축은 수직축과 평행하다. 상류 IMSA(471) 및 하류 IMSA(483)는 나셀(495)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축들은 동축이며 수평축에 평행하다.
상류 IMSA(471)는 이 실시예에서 프로펠러로서 설명될 수 있으며, 제1 블레이드(472), 제2 블레이드(478) 및 제3 블레이드(475)를 포함한다. 각각의 블레이드는 로터 허브(481)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 실질적으로 평행하다. 풍력 터빈의 성능을 최적화하기 위해, 각각의 로터 블레이드의 피치각은 바람 상태에 따라 조절될 수 있으며, 여기서 성능은, 예를 들어, 바람으로부터 추출된 동력을 가리킬 수 있다. 상류 IMSA(471)는 유체 유동을 가속시키도록, 즉, 하류 IMSA(483)의 위치에서, 관성 프레임에 대한 유체의 속도의 크기를 증가시키도록 구성된다. 상류 IMSA(471)는, 추력 벡터(482)로 표시된 바와 같이, 상류 방향으로 지향된 추력을 실시예(470)에 가한다.
하류 IMSA(483)는 이 실시예에서 프로펠러로서 설명될 수 있으며, 제1 블레이드(484), 제2 블레이드(490) 및 제3 블레이드(475)를 포함한다. 각각의 블레이드는 로터 허브(493)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 실질적으로 평행하다. 각각의 로터 블레이드의 피치각은 조절될 수 있다. 하류 IMSA(483)는 유체의 유동을 감속시키도록, 즉, 하류 IMSA(483)의 하류에서 관성 프레임에 대한 유체의 속도의 크기를 감소시키도록 구성된다. 하류 IMSA(483)는, 추력 벡터(494)로 표시된 바와 같이, 하류 방향으로 지향된 추력을 IFMA 구성(470)에 가한다. 하류 IMSA(483)에 의해 유체로부터 추출된 동력의 일부는 상류 IMSA(471)로 전달되고, 이 전달된 동력의 일부는 상류 IMSA(471)에 의해 유체에 적용된다. 언급한 바와 같이, 이 동력은, 예를 들어, 기계적 또는 전기적으로 전달될 수 있다.
IFMA 구성(470)의 로터 시스템은 상류 IMSA(471) 및 하류 IMSA(483)를 포함하는 IMSA 조립체로서 설명될 수 있다. 도 18에 도시된 구성에서, IMSA 조립체에 의해 주위 유체, 예컨대, 바람이나 수류의 움직임으로부터 추출되는 동력은 동등한 베이스라인 또는 기준 구성에 의해 추출되는 동력보다 크고, 유체에 대한 상류 IMSA의 영향은 무시할 수 있으며, 즉, 베이스라인 구성에서 하류 IMSA의 추력은 도 18에 도시된 IFMA 구성(470)의 순 추력과 실질적으로 동일하다. 베이스라인 구성에서, IMSA 조립체는 오직 하류 IMSA만을 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 도시된 구성에서, 베이스라인 구성은 종래의 풍력 터빈과 동일하다. 성능의 개선은 특히 낮은 풍속 또는 유동 속도에서 현저하다.
도 19는 다른 IFMA 구성(515)의 측면도이다. 도 19에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 7에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 19의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(515)은 선체(536), 수면(548) 위의 상부 구조(539) 및 수면 아래의 러더(rudder)(542)를 가진 선박으로서 설명될 수 있다.
상류 IMSA(516)는 적어도 제1 프로펠러 블레이드(517)와 제2 프로펠러 블레이드(520)를 가진 프로펠러로서 설명될 수 있다. 각각의 프로펠러 블레이드는 허브(523)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 평행하다. 각각의 프로펠러 블레이드의 피치는 선박의 작동 조건들에 맞추어 조절될 수 있다. 상류 IMSA(516)는 페어링(525)에 의해 지지되며, 페어링은, 몇몇 실시예들에서, 허브(523)에 견고하게 연결된 구동 샤프트를 둘러싼다. 몇몇 실시예들에서, 허브(523)는 직접 구동 구성으로 발전기에 연결된다. 상류 IMSA(516)는 유동을 감속시키고 선체(536)의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된다. 따라서, 상류 IMSA(516)는, 추력 벡터(524)로 표시된 바와 같이, 선체(536)에 대해 유체 유동의 방향으로 지향된 추력을 IFMA 구성(515)에 가한다.
하류 IMSA(526)는 적어도 제1 프로펠러 블레이드(533)와 제2 프로펠러 블레이드(530)를 가진 프로펠러로서 설명될 수 있다. 각각의 프로펠러 블레이드는 허브에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 평행하다. 각각의 프로펠러 블레이드의 피치는 선박의 작동 조건들에 맞추어 조절될 수 있다. 하류 IMSA(526)는 페어링(535)에 의해 지지되며, 폐어링은, 몇몇 실시예들에서, 상기 허브에 견고하게 연결된 구동 샤프트를 둘러싼다. 몇몇 실시예들에서, 허브는 직접 구동 구성으로 전기 모터에 연결된다. 하류 IMSA(526)는 유동을 가속시키도록 구성된다. 따라서, 하류 IMSA(526)는, 추력 벡터(534)로 표시된 바와 같이, 선체(536)에 대해 유체 유동의 반대 방향으로 지향되는 추력을 IFMA 구성(515)에 가한다.
상류 IMSA(516)는 IFMA 구성(515)의 항력을 감소시킬 수 있다. 항력의 감소는 선체(536)의 점성 항력의 감소 및/또는 선체(536)의 중력파 항력의 감소를 포함할 수 있다. 항력의 감소는 상류 IMSA(516)에 의한 선체(536)에 대한 유체 유동 속도의 공간 프로파일의 변경과 연관된다. 상류 IMSA(516)에 의한, 선체(536)의 국부적인 자유 스트림 유체 유동 속도의 크기 감소, 선체(536)이 습윤 표면에서의 그리고 이에 대한 유체의 유동 속도의 감소뿐만 아니라, 선체(536)의 습윤 표면의 부근에서의 더욱 바람직한 속도 프로파일의 생성도 점성 항력의 상기 감소에 기여할 수 있다. 더욱 바람직한 속도 프로파일은, 예를 들어, 감소된 피크 공간 유체 유동 속도 구배, 또는 IFMA 구성(515)의 부근에서 공간 유체 유동 속도 구배의 감소된 공간 평균 크기를 포함할 수 있다. 조파 항력의 감소는 유체가 IFMA 구성(515)의 둘레로 흐를 때 유체 유동 방향의 더욱 점진적인 변화, 또는 상류 IMSA(516)에 의한 유체 유동의 감속 및 IMSA(526)에 의한 유체 유동의 가속의 결과로서 IFMA 구성(515)에 의한 유체의 더욱 점진적인 변위의 결과일 수 있다. 따라서, IFMA 구성(515)에 의한 유체 유동에 대한 외란의 강도가 감소될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(516)는, 예를 들어, 종래의 선체 설계에서 발견되는 구상 선수(bulbous bow)와 유사한 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 20은 다른 IFMA 구성(560)의 측면도이다. 도 20에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 7에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 20의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(560)은 열차 또는 트럭으로서 설명될 수 수도 있으며, 제1 웨건(wagon)(561), 제2 웨건(576), 제3 웨건(577), 제4 웨건(589) 및 제5 웨건(591)을 포함한다. 각각의 웨건은 도로 또는 레일(605)에 대한 웨건의 움직임을 용이하게 하는 바퀴, 예컨대 바퀴(563)에 의해 지지된다. 각각의 웨건은 연결부, 예컨대 연결부(566)에 의해 인접한 웨건에 연결된다. 웨건들은 지지 구조물, 예컨대 지지 구조물(578)에 의해 바퀴에 회전 가능하게 연결된다.
상류 IMSA(567)는 적어도 제1 프로펠러 블레이드(568)와 제2 프로펠러 블레이드(571)를 가진 프로펠러로서 설명될 수 있다. 각각의 프로펠러 블레이드는 허브(574)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 평행하다. 각각의 프로펠러 블레이드의 피치는 운송체의 작동 조건에 맞추어 조절될 수 있다. 상류 IMSA(567)는 유동을 감속시키고 나머지 운송체의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된다. 따라서, 상류 IMSA(567)는, 추력 벡터(575)로 표시된 바와 같이, IFMA 구성(560)에 대한 유체의 유동 방향으로 지향되는 추력을 IFMA 구성(560)에 가한다.
하류 IMSA(596)는 프로펠러로서 설명될 수 있다. IFMA 구성(560)에서, 실시예(560)의 제조 비용을 절감하기 위해, 제1 웨건(561)은 제5 웨건(591)과 동일할 수 있다. 제1 웨건(561)은 제5 웨건(591)과는 상이한 방식으로 작동하는 점에 유의한다. 하류 IMSA(596)는 유동을 가속시키도록 구성된다. 따라서, 하류 IMSA(596)는, 추력 벡터(604)로 표시된 바와 같이, 실시예(560)에 대한 유체 유동의 반대 방향으로 지향되는 추력을 IFMA 구성(560)에 가한다.
IFMA 구성(560)의 길이에 기인하여, 실시예(560)의 길이를 따라 상류 IMSA(574)로부터의 거리가 증가하기 때문에, 상류 IMSA(574)의 항력 감소 효과가 감소한다. 이는, 예를 들어, 점성 효과에 기인할 수있다. 중간 IMSA(580)는, IFMA 구성(560)의 외측 표면의 부근에서의 이상적인 속도 프로파일과 비교하여, 실제의 속도 프로파일에 대한 임의의 뒤틀림 효과를 보정하도록 구성된다. 중간 IMSA(580)는 적어도 제1 프로펠러 블레이드(5810와 제2 프로펠러 블레이드(584)를 포함한다. 각각의 프로펠러 블레이드는 허브(587)에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 평행하다. 각각의 프로펠러 블레이드의 피치는 운송체의 작동 조건들에 맞추어 조절될 수 있다. 중간 IMSA(580)는 유동을 감속시키며, 나머지 운송체의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된다. 따라서, 중간 IMSA(580)는, 추력 벡터(588)로 표시된 바와 같이, 실시예(560)에 대한 유체 유동의 방향으로 지향되는 추력을 IFMA 구성(560)에 가한다.
몇몇 실시예들에서, 중간 IMSA(580)와 하류 IMSA(596) 사이의 운송체의 부분들에 작용하는 항력 및 중간 IMSA(580)에 작용하는 추력 또는 항력의 합계는 제3 웨건과 중간 IMSA가 없는 시나리오, 즉, 제3 웨건이 제2 웨건(576)과 유사한 방식으로 구성되는 시나리오에서 실시예의 제3 웨건과 마지막 웨건 사이에 작용하는 항력보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 몇몇의 작동 조건들에 대해, 전용 중간 IMSA, 예컨대 중간 IMSA(580)가 없는 실시예에 작용하는 순 항력은 IFMA 구성(560)에 작용하는 순 항력보다 크다. 몇몇 실시예들은 중간 IMSA(580)와 유사한 방식으로 구성된 몇몇의 중간 IMSA들을 포함할 수 있다는 점에 유의한다. 몇몇의 웨건들, 예컨대 웨건(576)은 상류, 중간, 또는 하류 IMSA 사이에 배치될 수 있는 점에 유의한다. 몇몇 실시예들에서, 인접한 웨건들 사이의 연결은, 웨건들이 도로 또는 레일의 커브들 또는 벤드들 중에 서로에 대하여 회전할 수 있게 하도록 구성된 공기역학적 페어링을 포함한다.
상류 IMSA(567) 및 중간 IMSA(580)는 주위 유체로부터 에너지를 추출하도록 구성될 수 있으며, 하류 IMSA(596)는 추출한 에너지 중 적어도 일부를 IFMA 구성(560)을 둘러싸는 유체에 적용하도록 구성될 수 있다. IFMA 구성(560)과 유사한 실시예들은, 적어도 하나의 바퀴에 토크를 전달함으로써 실시예의 추진에 기여하도록 구성된 별도의 견인 모터를 포함할 수 있는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서, 하류 IMSA(596)에 의해 실시예의 현저한 추력 요건이 제공된다.
도 21은 다른 IFMA 구성(620)의 측면도이다. 도 21에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들, 특히 도 7에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 21의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
IFMA 구성(620)은 열차 또는 트럭으로서 설명될 수 있으며, 제1 웨건(621), 제2 웨건(632), 제3 웨건(633), 제4 웨건(634), 제5 웨건(646) 및 제6 웨건(647)을 포함한다. 각각의 웨건은 도로 또는 레일(657)에 대한 웨건의 움직임을 용이하게 하는 바퀴, 예컨대 바퀴(623)에 의해 지지된다. 각각의 웨건은 연결부, 예컨대 연결부(626)에 의해 인접한 웨건에 연결된다. 웨건은 지지 구조물에 의해 바퀴에 회전 가능하게 연결된다.
상류 IMSA627는 적어도 제1 프로펠러 블레이드 및 제2 프로펠러 블레이드를 가진 프로펠러를 둘러싸는 덕트(628)을 포함하는, 덕트 팬으로서 설명될 수 있다. 각각의 프로펠러 블레이드는 허브에 회전 가능하게 연결되며, 여기서 회전축은 블레이드의 장축에 평행하다. 각각의 프로펠러 블레이드의 피치는 운송체의 작동 조건들에 맞추어 조절될 수 있다. 상류 IMSA(627)는 유동을 감속시키며, 나머지 운송체의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된다. 따라서, 상류 IMSA(627)는, 추력 벡터(631)로 표시된 바와 같이, 실시예(620)에 대해 유체의 유동 방향으로 지향되는 추력을 실시예(620)에 가한다.
하류 IMSA(652)는 덕트 팬으로서 설명될 수 있다. IFMA 구성(620)에서, 실시예(620)의 제조 비용을 감소시키기 위해, 제1 웨건(621)은 제6 웨건(647)과 동일하다. 제1 웨건(621)은 제6 웨건(647)과는 상이한 방식으로 작동한다는 점에 유의한다. 하류 IMSA(652)는 유동을 가속시키도록 구성된다. 따라서, 하류 IMSA(652)는, 추력 벡터(656)로 표시된 바와 같이, 실시예(620)에 대해 유체 유동의 반대 방향으로 지향되는 추력을 실시예(620)에 가한다.
IFMA 구성(620)은 실시예(560)와 유사하게, 하나의 중간 IMSA를 포함할 수 있다. IFMA 구성(620)에서, 중간 IMSA는 1개가 아니라 2개의 웨건, 즉 제3 웨건(633) 및 제4 웨건(634)에 의해 구현된다. 이 웨건들은 둘 다 실시예(620)의 제조 비용을 절감하기 위해, 제6 웨건(647) 또는 제1 웨건(621)과 동일하다. 제3 웨건(633)의 덕트 팬(634)은 이 실시예에서 페더링된다. 제4 웨건(634)의 덕트 팬(640)은 도 20의 중간 IMSA(580)와 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, IMSA(640)는, 추력 벡터(644)로 표시된 바와 같이, 실시예(620)에 대해 유체 유동의 방향으로 지향되는 추력을 실시예(620)에 가한다.
상류 IMSA는 IFMA 구성(560 또는 620)의 항력을 감소시킬 수 있다. 항력의 감소는 웨건의 점성 항력의 감소를 포함할 수 있다. 항력의 감소는 상류 IMSA들에 의한 IFMA 구성(560 또는 620)에 대한 그리고 그 부분에서의 유체의 유동 속도 공간 프로파일의 변경과 연관된다. 변경은 유체의 유동 공간 속도 구배의 평균적인 크기의 감소를 지칭할 수 있다. 상류 및 하류 IMSA의 구성은, 예를 들어, 구조적 또는 재정적 제한과 같은 제약들을 받는 IFMA 구성(560 또는 620)의 전체 동력 소비를 최소화하는 방식으로 수학적으로 최적화될 수 있다.
도 22는 몇몇 실시예들에 따른 덕트 장치(duct apparatus)(700)의 단면도이다. 도 22에 도시된 장치의 몇몇 특징들과 장치의 동작 원리들 중 몇몇은 다른 도면들에 도시된 장치와 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 22의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
상기 덕트 장치(700)는 동체 장치(719)를 둘러쌀 수 있다. 도시된 바와 같이, 덕트 장치(700)는 X-축을 따라서 보았을 때 원형 단면을 가지며, X-축에 평행한 축에 대해 축 대칭이다. 덕트 장치(700)는 IMCA의 일 실시예이다. 덕트 장치(700)는 외측 표면(717), 및 제1 개구(704)와 제2 개구(712) 사이에 위치한 내측 표면(718)을 가진 채널(703)을 포함할 수 있으며, 상기 채널은 제1 축소부(contraction)(705), 제1 확장부(expansion)(706), X-방향에서 보았을 때 채널(703)의 실질적으로 일정한 단면적의 영역(707), 제2 확장부(708), 제2 축소부(710), 및 제3 확장부(711)를 포함하도록 형성될 수 있다. "축소부"와 "확장부"라는 용어들은 축 대칭 채널의 반경의 상대적인 크기를 지칭한다는 점을 유의한다.
상기 덕트 장치(700)는 제1 격실(compartment)(730)과 제2 격실(732)을 포함할 수 있다. 이러한 격실들은 다수의 목적을 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격실들은 착륙 기어, 연료, 화물, 또는 다른 양력 또는 추력 메커니즘들을 홀딩하는데 사용될 수 있다.
상기 채널 반경 또는 기하구조는 X-축을 따른 위치에 따라 다양한 방식으로 변할 수 있거나, 또는 다른 실시예들에서 또는 작동 조건들에서 상이하게 구성될 수 있다는 점에 유의한다. 몇몇 실시예들에서, 제3 확장부(711)는 필요하지 않으며, 즉 제2 개구는 제2 축소부(710)의 단부에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 채널(703)의 단면 기하구조는, 예를 들어, 양의 X-방향으로, 정사각형으로부터 원형으로 변할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 원형 또는 환형 채널(703)의 단면적은 시간에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 스테이션(739)에서의 채널의 반경은 상이한 작동 조건들에서 변경될 수 있다. 상기 반경은 자유 스트림 유동 속도 크기에 따라 증가되거나 감소될 수 있다. 이 방식에서, 덕트(703)를 통한 유동의 특성들은, 본 발명의 원리들이 상이한 자유 스트림 유동 조건들에서 적용될 수 있도록 변경되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 확장부(706) 또는 제2 확장부(708) 내부에 충격파의 존재, 또는 위치는 스테이션(739)에서 채널(703)의 단면적을 제어함으로써 조절될 수 있다. 시간에 따라 채널의 단면적을 변경하기 위한 다양한 방법들이 이용 가능하다. 예를 들어, 덕트 장치(700)에 연결된 램프(ramp)는 유압식으로 채널 내부로 연장될 수 있으며, 이에 따라 채널의 단면적을 감소시킨다. 다른 예에서, 채널(703) 내부에 위치한 스파이크(spike)는 채널의 길이를 따라서, 즉 X-방향을 따라 축방향으로, 채널의 축소부를 향해 또는 축소부로부터 멀어지도록 이동될 수 있으며, 이에 따라 각각 채널의 환형 단면적을 감소시키거나 증가시킨다.
덕트 장치(700)는 벌크 재료(70)로 구성될 수 있으며, 이는 알루미늄, 강철, 또는 타타늄과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 벌크 재료(701)는 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 복합재를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 동체 장치(719)는 선행 포인트(720), 후행 포인트(721), 내측 표면(723) 및 외측 표면(722)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 제1 동체 격실(724)은 격벽(bulkhead)(728)에 의해 제2 동체 격실(725)로부터 분리된다. 상기 동체 장치(719)는 하나 이상의 지지 스트럿, 예컨대 지지 스트럿(727)에 의해 덕트 장치(700)에 견고하게 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 지지 스트럿은 지지 스트럿의 위치에서 채널(703)의 단면적을 오직 작은 양만큼 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동체는, 예를 들어, 화물, 승객 또는 연료를 운반하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 앞에서 정의된 바와 같이, 유체에 의해 적어도 부분적으로 감싸인다. 상이한 타입의 유체들이 본 발명의 실시예의 적어도 부분을 동시에 감쌀 수 있다는 점을 유의한다. 예를 들어, 선박과 같은 물을 가로지르는 실시예들은 물과 공기 둘 다에 의해, 즉 액체 유체와 기체 유체에 의해 감싸일 수 있다. 도 22에서, 유체는 압축 가능하다. 예를 들어, 유체는 공기와 같은 기체일 수 있다.
도 22에 도시된 작동 조건은 공칭, 레벨 순항 작동 조건을 포함할 수 있다. 도시된, 단순화된 시나리오에서, 덕트 장치(700)의 질량 중심에 대한 자유 스트림 유동(free stream flow)은 크기와 방향이 시간적으로 일정하고 공간적으로 균일하며, 방향은 X-축에 평행하다. 도시된 작동 조건에서, 덕트 장치(700)에 대한 자유 스트림 유동 속도 크기는 유체 내에서의 음속보다 크다. 이 시나리오에서 바람 속도는 무시될 수 있기 때문에, 이는 관성 기준 프레임에서 유체 내의 음속보다 더 빠른 속도로 유체에 대해 이동하는 덕트 장치(700)와 동등하다. 도 22에서, 덕트 장치(700)에 대한 자유 스트림 유동 속도는 X-축과, 즉 페이지의 좌측으로부터 페이지의 우측까지 정렬되고 평행하다.
점선들(715 및 716)은 정체 유선들(stagnation streamlines)을 가리키며, 이는 선행 에지에 입사하거나 또는 덕트 장치(700)의 후행 에지에서 시작한다. 따라서, 유선들(715, 716)은 유면(streamsurface) 또는 유관의 부분이며, 이는 덕트 장치(700) 둘레의 유체 유동을 덕트 장치(700)의 채널(703)을 통해 유동하는 유체로부터 분리시킨다. 이 실시예에서, 유관은 X-방향에서 보았을 때 원형이다.
도 22에 도시된 구성에서, 덕트 장치(700)의 상류에서, 예컨대 스테이션(734)에서 유체는 덕트 장치(700)에 대해 유체 내에서의 음속보다 더 빠르게 움직인다. 상기 채널(703)의 제1 축소부(705), 제1 확장부(706) 및 제2 확장부(708)는 양의 X-방향으로 채널(703)을 통해 유동하는 유체를 압축하도록 구성된다. 제1 스로트(throat)는 X-방향을 따라서 보았을 때 제1 축소부(705)와 제1 확장부(706) 사이의 채널(703)의 최소 단면적을 가진 채널(703)의 부분인 것으로 정의된다. 제1 스로트에서, 즉 스테이션(735)에서, 덕트 장치(700)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(734)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 크며, 더 하류에서, 예컨대 스테이션(737 또는 738)에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 작다. 도시된 실시예에서, 채널(703)을 통한 유동은 마찰을 무시할 때 실질적으로 단열이며 등엔트로피이다. 다른 실시예들에서, 제1 스로트와 스테이션(738) 사이에 위치한 충격파가 있을 수 있다. 달리 말하면, 제1 스로트의 하류에서 유체의 상대 유동 속도는 유체 내부에서의 음속보다 더 빠를 수 있으며, 여기서 상대 유동 속도는 충격파 전체에 걸쳐 음속보다 느린 속도로 감소되고, 제1 스로트에서 충격파가 무한히 약한 이상적인 시나리오에서와 같이, 스테이션(738)에서 음속보다 느린 상대 유동 속도를 초래한다.
채널(703)의 제2 축소부(710)와 제3 확장부(711) 둘 다 양의 X-방향으로 채널(703)을 통해 유동하는 유체를 팽창시키도록 구성된다. 제2 스로트는 X-방향을 따라서 보았을 때 제2 축소부(710)와 제3 확장부(711) 사이의 채널(703)의 최소 단면적을 가진 채널(703)의 부분인 것으로 정의된다. 제2 스로트에서, 즉 스테이션(739)에서, 덕트 장치(700)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(738)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 작으며, 하류에서, 예컨대 스테이션(740)에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 크다.
다른 실시예들에서, 동체, 예컨대 동체 장치(719)는 덕트 장치에 일체화될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예들은 중심에 배치된 동체, 예컨대 동체 장치(719)를 특징으로 할 필요가 없지만, 환형 형상의 부피들 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 격실(730) 또는 제2 격실(732)은 동체로서 고려되거나 동체로서 구성될 수 있다. 다른 예에서, 축 대칭 동체 장치(719)는 축 대칭 덕트 장치(700)와 동심으로 배치될 필요는 없다. 달리 말하면, 동체 장치(719)의 중심축은 덕트 장치(700)의 중심축과 일치가 필요가 없다. 예를 들어, 동체 장치는 도 22에 도시된 바와 같이 채널(703) 내부의 중심에 배치되는 대신에 제1 격실(730)과 유사하게 덕트 장치(700)의 내측 표면(718)과 같은 높이로 배치될 수 있다. 이 경우에, 동체 외측 표면(722)은 채널(703)의 내측 표면(718)과 동일하고, 채널(703)은 오직 동체의 중심을 통과한다. 이는 도 22에 도시된 실시예와 유사한 구성과 비교하여 습윤 영역과 점성 항력을 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 격실(730)은 제1 격실(730)과 유사한 방식으로 덕트 장치(700) 내부에 내장된 환형 통체 세그먼트에 의해 제2 격실(732)에 연결되도록 고려될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 격실(730)과 제2 격실(732)은 일치되는 것으로 고려될 수 있다. X-방향을 따라서 보았을 때 덕트 장치(700)의 중심축에 대한 동체의 단면에 의한 원호각은 환형의 제1 격실(730)에 의해 예시된 원주의 경우에서와 같이 360도일 필요는 없으며, 예를 들어, 200도 또는 100도 또는 60도일 수 있다. 다른 실시예들에서, 동체 장치(719)는 X-방향을 따라서 보았을 때 타원형 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다.
유체 내의 조파 속도(wave speed)보다 큰 속도로 유체를 통해 이동하는 외란은 일반적으로 조파 항력을 유도한다. 조파 항력은 외란에 의해 생성된 조파 에너지의 측정값이다. 조파 항력을 정량화하는 몇몇의 방식들이 있다. 예를 들어, 조파 항력은 특정 외란에 의해 생성된 조파 동력(wave power)을 평균 자유 스트림 유동 속도 크기로 나눔으로써 계산될 수 있다.
외란은 유체를 변위시키도록 구성된 볼륨에 의해 유발될 수 있다. 상기 볼륨은 중력파를 발생시키는 선박의 선체, 또는 충격파를 발생시키는 초음속 항공기의 동체 또는 날개일 수 있다. 외란은 또한 특정 위치에서 유체 유동 특성들을 변경시키도록 구성된 장치에 의해 유발될 수 있으며, 그 변경은, 예를 들어, 관성 공간 내에서 유동 방향의 변경, 또는 유동 속도 크기의 변경, 또는 유체의 온도의 변경을 포함할 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 전기 또는 자기장 발생 장치, 또는 레이저일 수 있다. 표면에서의 불연속성은 유동장에 인접하여 외란을 초래할 수 있다. 외란은 유체 유동을 변위시킬 수 있으며, 이는 결국 공기 내에 충격파을 발생시키거나, 또는 수중에 표면 중력파를 발생시킨다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 덕트 장치는 외란과 연관된 조파 항력이 감소되는 방식으로 외란 부근의 유체 유동을 조작하기 위해 채택될 수 있다.
예를 들어, 물과 같은 압축할 수 없는 유체를 통해 이동하는 실시예들에서, 표면파로 인한 항력은 다음과 같이 구성된 덕트 장치에 의해 감소될 수 있다. 입구를 통해 덕트 장치에 들어간 후에, 유체는 제1 축소부에 의해 가속되고, 여기서 제1 축소부는 몇몇 실시예들에서 제1 축소부(705)와 유사한 방식으로 구성될 수 있으며, 입구는 제1 개구(704)와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 이 경우에 제1 축소부에서의 유체의 가속은 도 22에 도시된 실시예에서 유체의 감속과는 대조적이다. 제1 축소부에서 가속된 후에, 몇몇 실시예들에서 유체는 실질적으로 일정한 단면적의 섹션을 통해 유동한다. 예를 들어, 유체는 원형의 단면적을 가진 파이프 또는 채널을 통해 유동할 수 있다. 다른 실시예들에서, 파이프는 환형의 단면적, 예컨대 도 22의 스테이션(737)에서 채널(703)의 환형 부분을 가진다. 주어진 단면적에서 감소된 습윤 영역을 가질 때, 원형 단면은 환형 단면에 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 파이프는 실질적으로 직선이다. 몇몇 실시예들에서, 이 파이프는 커브 또는 굽힘부(bend)를 포함한다. 예를 들어, 파이프는 컨테이너 선박의 카고-홀드 둘레의 유체 유동을 안내할 수 있다. 실질적으로 일정한 단면적을 가진 섹션에 뒤이어, 유체 유동은 후속하여 제1 확장부로 들어가며, 여기서 유체는 출구 또는 제2 개구를 통해 빠져 나가기 전에 감속된다. 몇몇 실시예들에서, 출구를 빠져 나가는 유체의 속도는 자유 스트림 유동 속도와 실질적으로 동일하다. 몇몇 실시예들에서, 출구 속도는 자유 스트림 유동 속도보다 크거나 작을 수 있다. 덕트 장치가 선박에 채택된 경우에, 덕트 장치의 선행 에지는 선박의 선수를 형성하며, 덕트 장치의 외측 표면, 예컨대 덕트 장치(700)의 외측 표면(717)은 선박의 외부 선체를 형성하고, 덕트 장치의 후행 에지는 선박의 선미를 형성한다. (제1 축소부, 실질적으로 일정한 유동 방향 단면적의 파이프, 및 제1 확장부를 포함하는) 채널을 통해 유동하는 유체에 의해 점유되지 않은 덕트 장치의 외측 표면 내부의 부피는 선박의 유용한 부피인 것으로 고려될 수 있으며, 이는 예를 들어 화물창 또는 객실을 포함할 수 있다. 덕트 장치는 유동 방향에서 보았을 때 원형 단면을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 덕트 장치는 종래의 선박의 선체와 유사한 반원형 단면을 가질 수 있다. 수중의 중력파와 연관된 조파 항력을 감소시키기 위해, 오직 물과 접촉하는 선박의 부분만 상기 덕트 장치에 의해 에워싸이거나, 덕트 장치 내부에 내장되거나, 또는 덕트 장치로서 구성될 수 있다.
공칭 작동 중에, 덕트 장치는 유체를 통해 유용한 부피 또는 다른 외란을 이동시키는 것과 연관된 조파 항력을 감소시키도록 구성될 수 있다. 덕트 장치가 상호작용하는 유체는, "내부 유동"으로 나타내는 덕트 장치의 내부 채널을 통해 유동하는 유체와, 내부 채널을 통해 유동하지 않고 대신에, "외부 유동"으로 나타내는, 덕트 장치의 외측 표면의 측부에서, 덕트 장치 둘레에서 유동하는 유체의 면에서 구별될 수 있다. 덕트 장치는 외부 유동에 부여된 외란을 감소시키도록 구성된다. 이 실시예에서, 이는 자유 스트림 유동에 평행한 외측 표면에 의해 달성된다. 덕트 장치(700)의 외측 표면은 예를 들어 실린더 형상이며 자유 스트림 유동에 평행하다. 따라서, 외측 표면에 의해 부여된 외란은 감소된다. 몇몇 실시예들에서, 외측 표면의 원형의 유동 방향 단면은 예를 들어 하류 방향으로 직경이 감소될 수 있다. 이는 외측 표면의 경계 장치 외부에 놓인 외부 유동의 부분에 대한 경계 장치의 외란을 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 마찰을 무시할 때, 덕트 장치의 외측 표면과 연관된 조파 항력은 무시될 수 있다.
덕트 장치는 또한 내부 유동과 연관된 조파 항력을 감소시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공칭 작동 중에, 입구의 상류의 내부 유동과 연관된 유관의 단면적과 형상은 입구의 단면적 및 형상과 실질적으로 동일하다. 다른 실시예들에서, 전자의 단면적은 후자의 단면적보다 크거나 작을 수 있다. 다른 실시예들에서, 예를 들어, 전자의 단면적의 형상은 후자의 단면적보다 클 수 있다. 목적이 조파 항력만이 아니라 전체 항력을 최소화하는 것일 수 있기 때문에, 몇몇 실시예들은 종래 기술의 실시예들과 비교하여 감소되지만 비-제로의 조파 항력을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공칭 작동 중에, 출구의 하류에서 내부 유동과 연관된 유관의 단면적과 형상은 출구의 단면적 및 형상과 실질적으로 동일하다. 다른 실시예들에서, 전자의 단면적은 예를 들어 후자의 단면적보다 클 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 내부 유동에 부여된 외란은 외부 유동에 무시할 수 있는 외란 또는 무시할 수 있는 조파 항력을 부여한다. 몇몇 실시예들에서, 내부 유동의 외란에 의해 외부 유동에 부여되는 조파 항력은 종래 기술의 실시예들과 비교하여 감소된다. 일반적으로 말해서, 유한 체적 둘레의 초기 편향에 기인하여 유체에 부여된 외란, 예컨대 제1 축소부 내부에 외란의 크기는, 외란이 제2 외란, 예컨대 덕트 장치의 제2 개구에 앞서 제1 확장부에 의해 가해진 외란에 의해 상쇄되거나 완화될 때까지 외란을 덕트 장치의 내부에 포함함으로써 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 추진 유닛은 덕트 장치의 채널 내부에 배치되며, 추진 유닛은 해양 펌프 제트 추진과 유사한 유체를 가속시키도록 구성된 적어도 하나의 프로펠러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로펠러는 제1 축소부 내에 배치될 수 있으며, 프로펠러의 추력은 상류 방향으로 지향된다. 몇몇 실시예들에서, 프로펠러는 제1 축소부의 내부 벽들 가까이에서 국부적인 압력 증가를 감소시키거나 피하기 위해 그리고 제1 축소부 내부의 균일한 유동을 보장하기 위해 채택될 수 있다. 제1 축소부는 덕트 장치의 조파 항력이 다른 구성들과 비교하여 감소되는 방식으로 제1 축소부 내부의 유체를 가속시키도록 구성된다. 이를 위해, 자유 스트림에 평행한 방향, 즉 유동 방향으로 보았을 때 제1 축소부의 주어진 단면적에 대한 유체 유동 속도 크기의 변화는 감소될 수 있다. 이는 예를 들어 추진 유닛, 또는 제1 축소부 내부에 위치한 환형 포일들(annular foils)에 의해 달성될 수 있다. 이러한 유체 유동 조작 장치들은, 제1 축소부의 단면적의 감소가 제1 축소부에서 유체 유동 속도 크기의 대응되는 증가와, 제1 축소부에서 유체의 압력의 대응되는 감소를 동반하는 것을 보장할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 프로펠러는 제1 확장부 내에 배치될 수 있으며, 프로펠러의 추력은 하류 방향으로 지향되고, 유체로부터 추출된 에너지의 적어도 부분은 기계적 또는 전기적으로 회수되고 나중의 사용을 위해 저장되거나 유용한 일을 하기 위해, 예컨대 제1 축소부 내의 상류 프로펠러에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 확장부 내의 프로펠러는 채널을 통한 유체의 유량을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로펠러는 제1 확장부 내의 유동 박리를 피하거나 감소시키기 위해 사용될 수 있으며, 이는 확장부의 유동 방향 길이를 감소시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 유동 박리로 인한 항력을 감소시키기 위해 환형 포일들 또는 덕트들 확장부 내부에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 추진 유닛은 제1 확장부와 제2 확장부 사이에 배치될 수 있다. 이러한 추진 유닛은, 예를 들어, 마찰로 인해 덕트 장치를 통한 유체 유동 속도의 감소를 적어도 상쇄시키기 위해 채택될 수 있다.
다른 예에서, 유체 내의 파동 속도(wave speed)보다 큰 속도로 압축성 유체를 통한 외란의 이동에서, 외란과 연관된 조파 항력은 도 22에 도시된 바와 같이 구성된 덕트 장치에 의해 감소될 수 있다. 당해 파동은 예를 들어 음파 또는 충격파일 수 있으나, 본 발명의 원리들은 다른 타입의 파동들에도 적용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 덕트 장치는 외란의 부근에서의 유체 유동 속도를 인위적으로 감소시키도록 구성될 수 있다. 도 22에서, 동체 자체도 유체 유동에 외란을 부여하지만, 당해 외란은 동체(719)인 것으로 간주될 수 있다. 덕트 장치의 경우에, 유체의 편향 또는 감속 또는 가속과 연관된 외란들과 같은 외란의 적어도 부분은 서로 상쇄되거나 또는 덕트 장치의 부근에서 제거되도록 구성될 수 있다. 이러한 특정 실시예들에서, 유체의 편향 또는 감속 또는 가속과 연관된 외란들과 같은 동체 장치(719)와 연관된 외란들의 부분도 서로 상쇄되거나 덕트 장치의 부근에서 제거되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 동체 장치에 의해 유체에 부여된 적어도 하나의 타입의 외란은 제거될 필요가 없지만, 도 24에 도시된 실시예의 맥락에서 논의되는 바와 같이, 덕트 장치와 동체 장치의 하류의 원방 후류에서 발현될 수 있다.
도 22에서, 유관(715) 외부에 위치한 유동은 점성 항력을 0으로 가정할 때 임의의 외란을 경험하지 않는다. 이는 자유 스트림 유동에 평행한 실린더형 외측 표면(717)에 기인한다. 따라서, 외측 표면(717) 부근의 유동은 오직 최소로 편향된다. 편향은, 예를 들어, 외측 표면(717)과 연관된 경계층에 기인할 수 있다. 다른 실시예들에서, 외부 유동은 국부적인 외란을 겪을 수 있다. 덕트 장치의 외측 표면은 자유 스트림 유동 속도에 평행할 필요가 없다. 예를 들어, 외측 표면의 유동 방향 단면적은 하류 방향으로 증가하거나 감소할 수 있다. 예를 들어, 외부 유동은 반경 외측 방향으로 적은 양만큼 편향될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 편향은 반경 내측 방향일 수 있다. 덕트 장치는 유체에 대한 실시예의 움직임과 연관된 전체 항력이 최소화되는 방식으로 구성될 수 있다. 상기 표면에 의해 외부 유동에 부여된 외란을 감소시키도록 구성되는 덕트 장치의 외측 표면에 추가하여, 덕트 장치의 상류 유관(715)과 하류 유관(716)의 크기와 형상은 이상적인 마찰이 없는 시나리오에서 변하지 않도록 구성된다. 달리 말하면, 덕트 장치에 의해 초래된 임의의 외란들은 유관의 형상과 크기의 변화의 형태로 외부 유동에 전달되지 않으며, 외부 유동에서 덕트 장치와 연관된 무시할 수 있는 조파 항력을 초래한다. 덕트 장치 상류의 유관(715)의 균일한 실린더 형상은 유체 내의 파동 속도보다 빠르게 이동하는 덕트 장치와 공칭 작동 중에 선수 충격파(bow shock)가 형성되는 것을 방지하도록 구성된 덕트 장치의 기하 구조의 결과이다.
전술한 예에서 논의된 바와 같이, 덕트 장치(700)의 입구에서 내부 유동에 부여된 외란들 중 적어도 부분은, 즉, 제1 축소부(705)와 제1 확장부(706)에서 유체의 압축은, 이들이 출구에서 상쇄될 때까지, 즉, 제2 축소부(710)와 제3 확장부(711)에서 유체의 팽창까지, 덕트 장치(700) 내부에, 예컨대 실질적으로 일정한 단면적의 영역(707) 또는 제2 확장부(708)에 포함되도록 구성된다. 제1 축소부(705) 내부에서의 압축은 단순성을 위해 비점성 유동으로 가정할 때 등엔트로피 및 단열이 되도록 구성된다. 이는 제1 축소부(705)를 통해 유동하는 유체의 점진적인 압축에 의해 달성될 수 있다. 제1 축소부(705) 내부의 내측 표면(718)의 요소들에 의해 생성된 개개의 압축 특성들은, 유동 방향으로 하류의 인접한 요소들에 의해 생성된 압축 특성들이 충격파를 형성하기 위해 상류의 특성들과 합쳐져서 연합되거나, 또는 상류의 특성들을 따라 잡기 전에, 원주 방향으로 인접한 요소들의 대응되는 특성들과 합쳐진다. 이러한 실시예들에서, 제1 축소부(705)는 극히 약한 압축성 충격파들의 팬을 포함하도록 고려될 수 있다. 다른 실시예들에서, 유한 크기의 충격파들이 제1 축소부(705) 내부에 형성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 제1 개구(704)에서 제1 내측 표면(718)의 더욱 실질적인 유한 선행 에지 각도의 결과일 수 있다. 벽의 마찰과 열전달 효과를 무시할 때, 제2 축소부(710)와 제3 확장부(711)를 통한 팽창도 등엔트로피이고 단열인 것으로 가정할 수 있다. 제2 개구(712)와 제1 개구(704)에서의 유체 속도는 크기와 방향이 공간적으로 균일하며, 도 22에 도시된 단순화된 이상적인 시나리오에서 자유 스트림 유동 속도 벡터와 동일하다.
유체가 동체 장치(719)와 접하기 전에 유체 유동 속도가 아음속으로 감소함으로 인해, 단순화된 도시된 실시예에서 덕트 장치(700) 내부의 동체 장치(179)에 의해 생성되는 충격파가 없다. 다른 실시예들에서, 충격파는 채널(703) 내부에 형성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 국부적인 천음속 유동에 기인할 수 있다. 예를 들어, IMSA, 도 24의 예컨대 IMSA(817) 둘레의 유체 유동은 국부적으로 초음에 도달할 수 있다. IMSA(817)는, 예를 들어, 천음속 에어포일일 수 있다. 다른 예에서, 충격파는 언급한 바와 같이 제1 확장부(706) 내부에 위치할 수 있다. 이는 선수 충격을 초래하는, 자유 스트림 유동의 변화에 기인하여 채널(703)을 통한 유동이 시작되지 않는 것을 피할 수 있다. 이러한 변화는, 예를 들어, 대기 중의 바람에 기안할 수 있다. 다른 예에서, 채널 내부의 유동 속도는 채널 전체에 걸쳐 아음속일 수 있다. 다른 예에서, 채널 내부의 유동 속도는 채널 전체에 걸쳐, 또는 외란 발생 장치의 부근에서 초음속일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 충격파는 채널 내부에 형성될 것이다. 이러한 충격파의 적어도 부분은, Busemann의 복엽기에서의 충격파와 유사하게, 상쇄되도록 구성될 수 있다. 이러한 충격파가 덕트 장치의 채널 내부의 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력, 또는 본 발명에 따라 구성된 유체 조작 장치 부근의 조파 항력을 상쇄하지 않는 구성들에서, 외란 발생 장치 및 유체 조작 장치와 연관된 조합된 조파 항력은 그럼에도 불구하고 유체 유동이 본 발명에 따라 구성된 유체 조작 장치에 의해 변경되지 않는 동등한 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력보다 작을 수 있다. 유체 조작 장치에 의해, 자유 스트림 유동에 대한 상기 외란 발생 장치의 국부적인 자유 스트림 유동의 감소는, 국부적인 자유 스트림 유동이 여전히 초음속일 때에도, 외란 발생 장치의 조파 항력을 감소시킬 수 있다.
공기와 같은 유체를 통해 초음속으로 이동하는 동체(719)와 같은 몸체는 충격파를 발생시킬 것이라는 점을 유의한다. 그러나, 덕트 장치(700)에 의한 유체 유동의 조작으로 인해, 동체(719)와 연관된 조파 항력이 감소될 수 있다. 덕트 장치(700)와 동체 장치(719)의 조합된 조파 항력은 동체(719) 단독의, 즉, 본 발명에 따라 구성된 유체 조작 장치, 예컨대 덕트 장치(700) 내부에 에워싸이거나 내장되지 않는 "기준 시나리오"에서의 이론적인 조파 항력보다 작을 수 있다. 다른 실시예들에서, 상이한 타입의 외란 발생 장치가, 도 24에 도시된 바와 같이, 동체 장치(719)의 위치에, 즉 제 위치에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 조합된 장치의 전체 항력은 유체 단독을 통해 이동하는, 즉, 기준 시나리오에서 외란 발생 장치, 또는 적절한 동등물의 이론적인 전체 항력보다 작을 수 있다. 조파 항력의 감소는, 예를 들어, 추가적인 덕트 장치와 연관된 점성 항력의 임의의 증가보다 크기가 더 클 수 있다. 다른 실시예들에서, 전체 항력은 기준 시나리오에서의 전체 항력보다 더 클 수 있다. 이는, 예를 들어, 동체 장치와 조합된 덕트 장치의 추가되거나 증가된 습윤 영역과 연관된 증가된 점성 항력에 기인할 수 있다. 몇몇의 이러한 예들에서, 외란 발생 장치에 의해 발생된 파동들과 연관된 소음의 감소로부터 유래된 이익은 그럼에도 불구하고 전체 항력의 증가와 연관된 임의의 비용 증가를 상쇄한다. 채널(703) 내부의 유체 유동 속도의 감소는 덕트 장치(700)의 점성 항력을 감소시키는데 도움을 줄 수도 있다는 점에 유의한다.
덕트 장치(700)의 목적은, 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력을 감소시키기 위해, 임의의 외란 발생 장치, 이 경우에 동체 장치(719)의 부근에서 압축성 유체의 압력의 부분적인 감속 및 증가인 것으로 생각될 수 있다. 외란 발생 장치는 또한, 예를 들어, 프로펠러, 터보팬 엔진의 팬, 날개, 또는 수평 또는 수직 제어 표면들, 또는 IMCA 타입, 또는 IMSA 타입을 포함할 수 있다.
도 22에서, 동체 장치(719)는 덕트 장치(700)에 연결되지만 쉽게 구별될 수 있는 구조물로서 도시된다. 다른 실시예들에서, 동체는, 동체가 덕트 장치(700)의 내측 표면(718)과 외측 표면(717) 내부에 포함되는 방식으로, 덕트 장치(700) 내부에 내장될 수 있다. 이러한 몇몇의 실시예들에서, 동체는 제1 격실(730) 또는 제2 격실(732)과 유사한, 환형의 실린더 형태로 구성된다. 달리 말하면, 동체의 외측 표면이 덕트 장치(700)의 외측 표면(717)과 동일하게 됨으로써, 채널(703)은 동체의 중심을 통과하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 22에 도시된 바와 같이, 동체는 채널(703)을 완전히 둘러쌀 필요는 없으며, 채널(703)은 동체를 완전히 둘러쌀 필요가 없다. 예를 들어, 채널은 원형의 유동 방향 단면을 가질 수 있으며, 그 일부는 덕트 장치의 동체 부분에 의해 한정되고, 다른 부분은 덕트 장치의 외측 벽에 의해 한정된다. 환형의 단면 대신에, 동체는 유동 방향의 단면이 반-원형 또는 반-환형일 수 있다. 동체의 원주 방향 범위, 또는 실린더형 덕트 장치의 중심축 둘레로 동체에 의한 원호각은 환형 또는 원형의 경우에서처럼 360도일 필요는 없으며, 예를 들어, 300도, 200도, 100도, 또는 60도일 수 있다. 달리 말하면, 동체는 연속적인 부피, 즉, 채널(703)을 완전히 둘러싸지 않는 부피이도록 구성될 수 있으며, 채널은 원형 또는 반-원형의 형상일 수 있다. 폐쇄된 원형 단면 형상과 같은 폐쇄된 형상을 가진 채널은 환형 채널, 예컨대 도 22에 도시된 환형 채널과 비교하여 덕트 장치의 습윤 영역을 감소시키는 역할을 할 수 있다는 점에 유의한다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다. 도 24에 도시된 실시예의 몇몇 특징들과 그 장치의 작동 원리들 중 몇몇은 다른 도면들에서 설명된 특징들 및 작동 원리들과 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 24의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
내측 표면(816)과 외측 표면(815) 내부에 포함된 장치는 중실형 재료일 필요는 없으며, 덕트 장치(800)의 질량 또는 비용을 불필요하게 증가시키지 않기 위해 개방된 공간을 포함할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 덕트 장치(800)는 도 22에 도시된 제1 격실(730) 및 제2 격실(732)과 유사한 격실들을 포함할 수 있다.
덕트 장치(800)는 IMSA(817)를 둘러싼다. 도시된 실시예에서, 덕트 장치(800)는 X-축을 따라서 보았을 때 원형 단면을 가지며, X-축에 평행한 축에 대해 축 대칭이다. 덕트 장치(800)는 IMCA인 것으로 볼 수 있다. 덕트 장치(800)는 외측 표면(815)과, 제1 개구(804)와 제2 개구(810) 사이에 위치한 내측 표면(816)을 가진 채널(803)을 포함하며, 채널은 제1 축소부(805), 제1 확장부(806), X-방향에서 보았을 때 채널(803)의 실질적으로 일정한 단면적의 영역(807), 제2 축소부(808), 및 제2 확장부(809)를 포함할 수 있다. "축소부"와 "확장부"라는 용어들은 축 대칭 채널의 반경의 크기를 지칭한다는 점을 유의한다.
몇몇 실시예들에서, 채널(803)의 단면적은 타원형 또는 직사각형 형상이다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 그 형상의 장축은 공칭 작동 중에 Z-축에 평행하다. 이러한 덕트 장치는 Z-축에 평행한 장축을 가진 날개에 대한 국부적인 자유 스트림 유동을 품거나 둘러싸고 조작하도록 구성될 수 있다.
덕트 장치(800)는 벌크 재료(801)로 구성될 NT 있으며, 이는 알루미늄, 강철, 또는 알루미늄과 같은 금속 함금을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 벌크 재료(801)는 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 복합재를 포함한다.
INSA(817)는 날개의 형상으로 형성될 수 있다. 도 24의 단면도는 후행 에지(819)와 외측 표면(820)을 가진 IMSA(817)의 에어포일 프로파일을 보여준다. IMSA(817)는 지지 스트럿(support strut)(824)에 의해 덕트 장치에 견고하게 연결될 수 있다. IMSA(817)의 정체 유선(stagnation streamline), 즉 IMSA(817)의 우측 날개팁의 후행 에지 정체 포인트에 입사하는 유선과 IMSA(817)의 우측 날개팁의 후행 에지 정체 포인트로부터 유래하는 유선이 점선(841)으로 표시된다. IMSA(817)의 양력 벡터는 Y-축에 실질적으로 평행한 성분을 가진다. 날개(817)의 형상과 크기는 명료성을 위해 과장되어 도시되고, 축적을 표시하거나 실질적인 날개가 아니라는 점을 유의한다.
본 발명의 실시예들은 이전에 정의된 바와 같이 유체에 의해 적어도 부분적으로 에워싸인다. 도 23에서, 유체는 압축 가능하다. 예를 들어, 유체는 공기와 같은 기체일 수 있다.
도 23에 도시된 작동 조건은 공칭 레벨 순항 작동 조건을 포함할 수 있다. 도시된 단순화된 시나리오에서, 덕트 장치(800)의 질량 중심에 대한 자유 스트림 유동은 크기와 방향이 시간적으로 일정하고 공간적으로 균일하며, 방향은 X-축에 평행하다. 도시된 작동 조건에서, 덕트 장치(800)에 대한 자유 스트림 유동 속도 크기는 유체 내에서의 음속보다 크다. 이 시나리오에서 바람 속도는 무시될 수 있기 때문에, 이는 관성 기준 프레임에서 유체 내의 음속보다 더 빠른 속도로 유체에 대해 이동하는 덕트 장치(800)와 동등하다. 도 23에서, 덕트 장치(800)에 대한 자유 스트림 유동 속도는 X-축과, 즉 페이지의 좌측으로부터 페이지의 우측까지 정렬되고 평행하다.
점선들(813, 814)은 정체 유선들(stagnation streamlines)을 가리키며, 이들은 선행 에지에 입사하거나 또는 덕트 장치(800)의 후행 에지에서 시작한다. 따라서, 유선들(813, 184)은 유면(streamsurface) 또는 유관의 부분이며, 이는 덕트 장치(800) 둘레의 유체 유동을 덕트 장치(800)의 채널(803)을 통해 유동하는 유체로부터 분리시킨다. 이 실시예에서, 유관은 X-방향에서 보았을 때 원형이다.
도 23에 도시된 구성에서, 덕트 장치(800)의 상류에서, 예컨대 스테이션(834)에서 유체는 덕트 장치(800)에 대해 유체 내에서의 음속보다 더 빠르게 움직인다. 채널(803)의 제1 축소부(805), 및 제1 확장부(806)는 양의 X-방향으로 채널(803)을 통해 유동하는 유체를 압축하도록 구성된다. 제1 스로트(throat)는 X-방향을 따라서 보았을 때 제1 축소부(805)와 제1 확장부(806) 사이의 채널(803)의 최소 단면적을 가진 채널(803)의 부분인 것으로 정의된다. 제1 스로트에서, 즉 스테이션(835)에서, 덕트 장치(800)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(834)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 크며, 더 하류에서, 예컨대 스테이션(837에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 작다. 도시된 실시예에서, 채널(803)을 통한 유동은 마찰을 무시할 때 실질적으로 단열이며 등엔트로피이다. 다른 실시예들에서, 제1 스로트와 스테이션(837) 사이에 위치한 충격파가 있을 수 있다. 달리 말하면, 제1 스로트의 하류에서 유체의 상대 유동 속도는 유체 내부에서의 음속보다 더 빠를 수 있으며, 여기서 상대 유동 속도는 충격파 전체에 걸쳐 음속보다 느린 속도로 감소되고, 제1 스로트에서 충격파가 무한히 약한 이상적인 시나리오에서와 같이, 스테이션(837)에서 음속보다 느린 상대 유동 속도를 초래한다.
채널(803)의 제2 축소부(808)와 제2 확장부(809) 둘 다 양의 X-방향으로 채널(803)을 통해 유동하는 유체를 팽창시키도록 구성된다. 제2 스로트는 X-방향을 따라서 보았을 때 제2 축소부(808)와 제2 확장부(809) 사이의 채널(803)의 최소 단면적을 가진 채널(803)의 부분인 것으로 정의된다. 제2 스로트에서, 즉 스테이션(839)에서, 덕트 장치(800)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(837)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 작으며, 하류에서, 예컨대 스테이션(840)에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 크다.
덕트 장치(800)는 IMSA(817)의 국부적인 자유 스트림 유동이 자유 스트림 유동 속도 크기보다 작도록 외란 발생 장치의 부근에서 유체 유동을 감속시키도록 구성되며, 외란 발생 장치는 이 경우에 IMSA(817)인 것으로 간주될 수 있다. 덕트 장치의 결과로서, IMSA(817)와 연관된 조파 항력은 IMSA(817), 또는 동등한 IMSA 또는 양력 장치의 국부적인 자유 스트림 유동이 자유 스트림 유동과 실질적으로 동일한 기준 시나리오와 비교하여 감소된다. 국부적인 자유 스트림 유동은 상기 유체 내의 파동 속도보다 여전히 빠르다는 점을 유의한다. 이러한 실시예들에서, 결과적인 조파 항력은 0보다 크지만, 작은 양으로 감소된다. 도시된 실시예에서, 자유 스트림 유동과 비교하여 국부적인 자유 스트림 유동의 감소는 충분히 크며, 적절하게 구성된 덕트 장치의 유체 조작에 의한 IMSA(817)의 국부적인 자유 스트림 유동의 크기는 IMSA(817)에서 유체의 음속보다 작다. 이러한 실시예들에서, 결과적인 조파 항력은 상당히 감소될 수 있다. 기준 시나리오에서, 국부적인 자유 스트림 유동이 IMSA(817)의 위치에서 음속보다 크기 때문에, IMSA(817) 또는 동등한 IMSA는 공칭 작동 중에 주위 유체에 대해 음속보다 빠르게 이동한다. 따라서, IMSA(817) 또는 동등한 IMSA는 기준 시나리오에서 조파 항력과 연관될 것이다. 기준 시나리오에서 동등한 IMSA는, 예를 들어, 동일한 평면 영역 및/또는 기하구조를 가진 IMSA(817)와 동일한 양의 양력을 생성하도록 구성될 수 있다. 이는 본 발명에 따라 구성된 유체 조작 장치에 의해 감소될 수 있는 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력이다.
본 발명의 원리들은 천음속 유동과 연관된 조파 항력을 감소시키기 위해 적용될 수 있다. 달리 말하면, 자유 스트림 유동 속도 크기는 자유 스트림 내에서의 음속보다 작을 수 있으며, 유체 조작 장치는, 외란 발생 장치 및 유체 조작 장치와 연관된 조합된 조파 항력이 종래 기술의 동등한 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력보다 작아질 수 있도록, IMSA, IMCA, 또는 다른 외란 발생 장치의 국부적인 자유 스트림 유동 속도를 자유 스트림 유동 속도보다 작은 크기로 감소시키기 위해 본 발명에 따라 구성될 수 있다. 종래 기술에서의 조파 항력은, 예를 들어, 국부적인 자유 스트림 유동 속도 크기가 자유 스트림 유동 속도 크기와 실질적으로 동일한 기준 시나리오에서 동등한 외란 발생 장치와 연관된 조파 항력일 수 있다.
언급된 바와 같이, 도 22에 도시된 실시예에서, 기준 시나리오는 덕트 장치(700)와 동일한 자유 스트림 속도로 단독 이동하는 동체 장치(719)의 기준 시나리오일 수 있다. 도 23에 도시된 실시예에서, 기준 시나리오는 덕트 장치(800)와 동일한 자유 스트림 속도로 단독 이동하는 IMSA(817)의 기준 시나리오일 수 있다. 덕트 장치(800)를 위한 다른 기준 시나리오는 덕트 장치(800)와 동일한 자유 스트림 속도로 이동하는 이론적 초음속 항공기의 기준 시나리오일 수 있으며, 항공기의 무게는 IMSA(817)의 양력과 동일하고, 항공기의 기하구조, 예컨대 항공기의 길이 또는 동체의 부피는 덕트 장치(800)의 기하구조, 예컨대 내부 격실들의 길이 또는 부피와 공통적인 특징들을 공유한다.
덕트 장치(800)는 외란 발생 장치, 예컨대 IMSA(817)의 부근에서의 국부적인 자유 스트림 유동을, 덕트 장치(800)와 연관된 조파 항력이 종래 기술의 유체 조작 장치와 비교하여 감소되는 방식으로, 감소시키도록 구성된다. 이는 유체 조작 장치를, 무시할 수 있거나 작은 외란만, 언급된 바와 같이, 덕트 장치(80) 외측의 외부 유동에 부여되고, 덕트 장치(800)에 들어가는 내부 유동의 점진적인 압축과 감속, 덕트 장치의 외측 벽들에 의한 압력 증가의 억제, 및 덕트 장치(800)를 빠져 나오는 내부 유동의 점진적인 팽창과 가속되는 방식으로 구성함으로써 달성될 수 있다. 내부 유동의 감속과 연관된 압력 증가의 억제(containment)는 덕트 장치에 의해 내부 유동에 부여된 외란이 외부 유동과 연통되거나 외부 유동으로 전달되는 것을 방지 또는 완화시키는 역할을 한다는 점을 유의한다. 압축 중에 내부 유동에 부여되는 외란들은 팽창 중에 또는 채널을 빠져나가기 전에 적어도 부분적으로 상쇄되도록 구성된다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 덕트 장치를 포함할 필요가 없다는 점을 유의한다. 다른 실시예들은 덕트 장치(800)의 전술한 기능의 적어도 부분을 수행하도록 구성된 유체 조작 장치를 포함할 수있다. 본 발명의 실시예들은 특정 외란 발생 장치의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된 유체 조작 장치를 포함하며, 결과적인 자유 스트림 유동은 음속보다 크거나 작을 수 있고, 외란 발생 장치는 IMSA 또는 IMCA, 예컨대 날개, 프로펠러, 제어 표면, 또는 동체일 수 있다. 유체 조작 장치는 외란 발생 장치의 부근에서의 압력 증가를 인위적으로 억제하도록 더 구성된다. 이는 외란 발생 장치의 조파 항력을 감소시킬 수 있으며, 유체 조작 장치와 연관된 조파 항력을 완화시킬 수 있다.
예를 들어, 유체 조작 장치는 단위 질량당 물체력(body force)을 특정 외란 발생 장치의 부근의 유체에 부여한다. 이 단위 질량당 물체력의 크기와 방향은, 외란 발생 장치 부근에서의 결과적인 압력 증가를 억제하거나 국한시키기 위해 외란 발생 장치의 상류의 유체를 감속시키고, 외란 발생 장치의 하류의 유체를 가속시키도록 구성될 수 있다. 유체가 물과 같은 액체인 경우에, 유동은 오히려 상기 유체 조작 장치에 의해 외란 발생 장치의 상류에서 가속되고 하류에서 감속될 수 있다. 외란 발생 장치의 부근에서, 유동은 고압 "외부" 유동으로부터 보호되도록 고려될 수 있으며, 즉, 외부 유동은 한정되거나 억제되도록 고려될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 유체 조작 장치를 통과하는 채널이 필요하지 않다는 점을 유의한다. 대신에, 유체 조작 장치의 외부에 단위 질량당 물체력 발생 필드가 발생될 수 있으며, 외란 발생 장치의 부근을 통과하는 유선들은 "내부 유동"으로 지칭되고 나머지 유동은 "외부 유동"으로 지칭되지만, 두 개의 유동들은 유체 조작 장치의 외부에 있을 수 있다.
많은 단위 질량당 물리력 발생 장치와 방법들이 본 기술 분야에 알려져 있다. 예를 들어, 외란 발생 장치 상류의 유체는 유체 조작 장치의 상류 부분에서 이온화될 수 있으며, 유체 조작 장치의 하류 부분에서 다시 한 번 탈이온화 또는 중화되기 전에, 후속하여 외란 발생 장치의 부근에서 이온화된 유체를 감속, 억제, 및 가속하도록 구성된 전기장을 겪을 수 있다. 대안으로서 또는 동시에, 자기장이 사용될 수 있다. 유체는 몇몇 실시예들에서 전기적 또는 자기적으로 극성화(polarized)될 수 있다.
물체력은 전위장 구배의 존재로부터 발생될 수 있다. 이러한 하나의 예는 전기적 전위의 구배로부터 발생하는 힘이다. 예를 들어, 유체의 요소들은 전기적으로 대전되도록 구성될 수 있다. 유체의 맥락에서, "요소들"이라는 용어는 유체의 구성 부분들, 예컨대 분자들을 지칭한다. 기체의 경우에, 분자들은 예를 들어 양으로 또는 음으로 이온화될 수 있다. 전기장을 적용함으로써, 단위 질량당 물체력은 유체 조작 장치에 의해 유체의 전기적으로 대전된 요소들에 적용될 수 있다.
다른 실시예들에서, 모바일 전하를 가진 유체를 사용하거나, 구하거나, 또는 생성하는 것이 불가능하거나 불편할 수 있다. 이 경우에, 유체의 요소들은 전기장을 적용함으로써 극성화될 수 있거나, 또는 이 요소들은, 물과 같은 극성 분자들에서와 같이, 이미 본질적인 극성을 가질 수 있다. 전기장 구배 내에 배치된 때, 이 극성화된 요소들은 물체력을 경험할 수 있다. 상기 힘의 크기는 다른 파라미터들 중에서도 전기장에 대한 극성화 축의 방향에 의존한다는 점에 유의한다. 따라서, 전기장은 유체 내의 극성 요소들에 단위 질량당 물체력을 발생시키고, 필요할 경우 유체 내의 요소들을 극성화하도록 구성될 수 있다. 전기장은 본 기술 분야에 알려진 무수히 많은 방식으로 적용될 수 있다.
물체력을 발생시키기 위해 자력이 채용될 수 있다. 유체는 반자성, 상자성, 또는 강자성 요소들을 포함할 수 있다. 자화될 때, 유체 내의 개별 요소들은 자기 쌍극자를 형성하거나, 또는 이 요소들은 이미 본질적으로 자기 쌍극자, 예컨대 전자를 가질 수 있다. 이러한 자기 쌍극자들이 비-제로 컬(curl) 또는 구배를 가진 자기장 내에 배치된 때, 이들은 물체력을 경험할 수 있다. 물체력의 크기는 다른 파라미터들 중에서도 국부적인 자기장에 대한 자기 쌍극자의 방향의 함수이다. 따라서, 외부 자기장은 유체 내의 자화된 요소들에 단위 질량당 물체력을 발생시키고 필요할 경우 유체 내의 요소들을 자화시키도록 구성될 수 있다. 자기장은, 본 기술 분야에 알려진 다른 방법들 중에서도, 강자성체 외에 적어도 일시적으로 자화된 요소들에 의해 발생되거나, 또는 전자석의 와이어들을 통해 흐르는 전류에 의해 발생될 수 있다.
도 23에서, 덕트 장치는, IMSA(817)에 의해 발산되는 와도(vorticity)와 비교하여 오직 적은 양의 와도(vorticity)가 덕트 장치(800)에 의해 발산되는 방식으로 구성된다. 이는 내측 표면(816)에서 IMSA(817)의 유도 속도 벡터 및 연관된 후류가 충분히 적도록, IMSA(817)가 내측 표면(816)으로부터 충분히 멀리 배치되는 것을 보장함으로써 부분적으로 달성된다. 덕트 장치(800)에 의해 발산된 와도, 또는 초음속 외부 유동 내부의 임의의 유도 속도 벡터는 외부 유동에 조파 항력을 초래할 수 있다. 따라서, IMSA(817)의 경계 와류(bound vortex)와 IMSA(817)에 의해 발산된 임의의 와도가 내측 표면(816)에서의 이론적인 유도 속도 벡터, 즉, 유도된 국부적인 자유 스트림 유동 속도를 부여하지 않도록 덕트 장치(800)가 충분히 큰 것이 유리할 수 있다. 이러한 이론적 유도 속도는 덕트 장치(800)와 연관된 이론적인 경계 와류, 또는 유체가 내측 표면(816)을 통과하는 것을 방지하는 이론적 제약에 기인한, 덕트 장치(800)에 의한 와류 발산을 발생시킬 수 있다. 덕트 장치(800)의 후행 에지에서, 즉 제2 개구(810)에서 이 발산된 와류는 충격파와 조파 항력을 일으킨다. 이 조파 항력의 크기는 덕트 장치(800)에 IMSA(817)의 간섭과 IMSA(817)의 후류의 간섭을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이는 파라미터들, 예컨대 덕트 장치(800)의 크기(덕트 장치의 크기는, 예를 들어, 스테이션(837)에서의 직경 또는 단면적 또는 IMSA(817)의 하류에서 덕트 장치(800)의 길이의 면에서 측정될 수 있다), 덕트 장치(800) 내부의 IMSA(817)의 위치와 크기(여기서 크기는 익현 길이 또는 기준 영역의 면에서 측정될 수 있다), IMSA(817)에 의해 생성되는 양력의 크기, 및 스테이션(837)에서의 유체의 특성들(여기서 특성들은 국부적인 자유 스트림 유동 속도 또는 밀도를 지칭할 수 있다)을 적절하게 구성함으로써 달성될 수 있다. 덕트 장치(800)는 IMSA(817)와 그 후류의 국부적인 자유 스트림 유동을 변경함으로써 IMSA(817)와 IMSA(817)의 후류에 상당한 양의 간섭을 부여할 수 있다는 점을 유의한다.
제2 축소부(808)와 제2 확장부(809)에서, IMSA(817)의 와류 시트(vortex sheet)는, 유선(841)으로 표시된 바와 같이, 내부 유동, 즉, 채널(803) 내부의 벌크 유동과 함께 양의 X-방향으로 가속된다. 도시된 실시예에서, 제2 개구(810)에서, IMSA(817)의 와류 시트에서 와류들의 속도는, 그 위치에서 내부 유동의 경우처럼, 음속보다 큰 속도로 양의 X-방향으로 이동한다. 제2 개구(810)의 하류에서, IMSA(817)의 와류 시트는 벌크 유동에 대해 음속보다 더 빠른 속도로 이동하지 않는다. 따라서, 와류 시트는 인터페이스에 충격파를 초래함이 없이 내부 유동으로부터 외부 유동으로 횡단할 수 있다. 이는 내부 유동과 외부 유동 사이에 슬립 속도 또는 속도 차이 또는 속도 구배가 있을 때에도 사실이라는 점을 유의한다.
몇몇 실시예들에서, 덕트 장치(800) 내부의 실질적으로 일정 단면적의 영역 내부의 덕트 장치에 대해 음속보다 작은 속도로부터 스테이션(840)에서 덕트 장치(800)에 대해 음속보다 큰 속도까지 IMSA(817)의 와류 시트의 가속과 연관된 조파 항력은 종래 기술의 동등한 IMSA와 연관된 조파 항력과 비교할 때 몇몇 실시예들에서 작거나 무시할 수 있다. 이는 내부 유동의 벌크의 가속과 함께 와류 시트의 자유 와류의 가속에 기인함으로써, 와류들이 주위 유체보다 빠르게 움직이지 않는다. 덕트 장치(800)와 같은 유체 조작 장치에 의해, 얽매인 또는 자유의, IMSA(817)의 주어진 와류는 상기 와류 소스에 대해 초음속으로 이동하는 유동에 상당한 유도 속도를 초래하거나, 또는 외란을 부여하는 것이 방지되거나 방해된다. 한다. 제2 축소부(808)와 제2 확장부(809) 내의 유체의 점진적인 가속은 IMSA(817)의 와류 시트와 연관된 충격파의 강도를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
도 24는 도 23에 표시된 위치에서 양의 X-방향으로 본 도 23에 도시된 실시예의 단면도이다.
유선(841)이 도시된다. IMSA(817)의 정체 유선, 즉, IMSA(817)의 좌측 날개팁의 선행 에지 정체 포인트에 입사하는 유선과 IMSA(817)의 좌측 날개팁의 후행 에지 정체 포인트로부터 유래하는 유선이 점선(842)으로 표시된다. IMSA(817)의 내측 표면(823)이 도시된다.
도 25는 양의 X-방향으로 본 도 24에 표시된 위치에서의 도 23에 도시된 실시예의 단면도이다.
이 위치에서 IMSA(817)의 이론적인 발산된 와류 시트의 단면도는 점선(843)으로 표시된다. 와류 시트의 말림(rolled-up)이 개략적으로 나타나 있다.
도 26은 양의 X-방향으로 본 도 24에 표시된 위치에서의 도 23에 도시된 실시예의 단면도이다.
스테이션(839)에서의 IMSA(817)의 이론적인 발산된 와류 시트의 단면도는 점선(844)으로 표시된다. 와류 시트의 말림이 더 진행되었다.
도 27은 양의 X-방향으로 본 도 24에 표시된 위치에서의 도 23에 도시된 실시예의 단면도이다.
이 위치에서의 IMSA(817)의 이론적인 발산된 와류 시트의 단면도는 점선(845)으로 표시된다. 와류 시트의 말림이 더 진행되었다.
점선(846)은 상기 단면도의 하류의 YZ-평면에 평행한 평면상에 외측 표면(815)의 투영을 도시한다.
도 28은 양의 X-방향으로 본 도 24에 표시된 위치에서의 도 23에 도시된 실시예의 단면도이다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다. 도 30에 도시된 실시예의 몇몇 특징들과 그 실시예의 작동 원리들 중 몇몇은 다른 도면들에 의해 설명된 특징들 및 작동 원리들과 유사성을 공유하며, 이에 따라 도 30의 맥락에서는 동일한 상세 사항은 설명되지 않을 것이며, 그 반대도 마찬가지이다.
덕트 장치(850)는, 몇몇 실시예들에서 날개일 수 있는 IMSA(892), 상류 IMSA(908), 동체 장치(869), 하류 IMSA(919), 및 엔진(925)을 둘러싼다.
도시된 실시예에서, 엔진(925)은 터보팬 엔진으로서 설명될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 엔진(925)의 구동 샤프트는 기어박스에 결합될 수 있다. 몇몇의 이러한 실시예들에서, 엔진(925)은 터보샤프트 엔진으로서 설명될 수 있다.
도시된 실시예에서, 덕트 장치(850)는 X-축을 따라서 보았을 때 원형의 단면을 가지며 X-축에 평행한 축에 대해 축 대칭이다. 덕트 장치(850)는 IMCA인 것으로 고려될 수 있다. 덕트 장치(850)는 외측 표면(867)과, 제1 개구(854)와 제2 개구(862) 사이에 위치한 내측 표면(868)을 가진 채널(853)을 포함하며, 상기 채널은 제1 축소부(855), 제1 확장부(expansion)(706), X-방향에서 보았을 때 채널(853)의 실질적으로 일정한 단면적의 영역(857), 제2 확장부(858), 제2 축소부(860), 및 제3 확장부(861)를 포함할 수 있다. "축소부"와 "확장부"라는 용어들은 축 대칭 채널의 반경의 크기를 지칭한다는 점을 유의한다.
동체 장치(869)는 선행 포인트(870), 후행 포인트(871), 내측 표면(873), 외측 표면(873), 및 점선(875)에 의해 나머지 동체로부터 개략적으로 분리된 동체 격실(874)을 포함한다. 상기 동체 장치(869)는 몇몇의 지지 스트럿들에 의해 덕트 장치에 견고하게 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 개별 스테이트 블레이드들, 예컨대 스테이터 블레이드(913)도 지지 스트럿인 것으로 여겨질 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 몇몇 실시예들에서, 동체는, 예를 들어, 화물, 승객 또는 연료를 운반하도록 구성될 수 있다.
덕트 장치는 상류 수축부(constriction) 내부의 제1 격실(880) 또는 덕트 요소(951), 및 하류 수축부 내부의 제2 격실(882) 또는 덕트 요소(952)를 포함한다. 이러한 격실들은 다수의 목적들을 수행할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격실들은 착륙 기어, 연료, 또는 화물을 저장하는데 사용될 수 있다.
상기 채널 반경 또는 기하구조는 X-축을 따른 위치에 따라 다양한 방식으로 변할 수 있거나, 또는 다른 실시예들에서 또는 다른 작동 조건들에서 상이하게 구성될 수 있다는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서, 채널(853) 또는 외측 표면(867)의 단면 기하구조는 X-방향을 따라서 보았을 때 정사각형, 직사각형, 또는 타원형일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 채널(853)의 단면 기하구조는 예를 들어 양의 X-방향으로 정사각형으로부터 원형으로 변할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 원형 채널(853)의 단면적은 시간에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 스테이션(890)에서의 채널의 반경은 상이한 작동 조건들에서 변경될 수 있다. 상기 반경은 자유 스트림 유동 속도에 따라 증가되거나 감소될 수 있다. 이 방식에서, 덕트(853)를 통한 유동의 특성들은, 본 발명의 원리들이 상이한 자유 스트림 유동 조건들에서 적용될 수 있도록 변경되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 확장부(856) 내부에 충격파의 존재, 또는 위치는 스테이션(890)에서 채널(853)의 단면적을 제어함으로써 조절될 수 있다. 시간에 따라 채널의 단면적을 변경하기 위한 다양한 방법들이 이용 가능하다. 예를 들어, 덕트 장치(850)에 연결된 램프(ramp)는 유압식으로 채널 내부로 연장될 수 있으며, 이에 따라 채널의 단면적을 감소시킨다. 다른 예에서, 채널(853) 내부에 위치한 스파이크(spike)는 채널의 길이를 따라서, 즉 X-방향을 따라 축방향으로, 채널의 축소부를 향해 또는 축소부로부터 멀어지도록 이동될 수 있으며, 이에 따라 각각 채널의 환형 단면적을 감소시키거나 증가시킨다.
유사하게, 스테이션(885)에서 채널(853)의 단면적은 채널(853) 내부에 그리고 채널(853)의 상류와 하류에 원하는 유동 프로파일을 보장하기 위해 변경될 수 있다.
덕트 장치(850)는 벌크 재료(851)로 구성될 수 있으며, 이는 알루미늄, 강철, 또는 타타늄과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 벌크 재료(851)는 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 복합재를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, IMSA(892)는 날개일 수 있다. 도 29의 단면도는 후행 에지 에지(895), 내측 표면(899), 및 외측 표면(896)을 가진 IMSA(892)의 에어포일 프로파일을 보여준다. IMSA(892)는 지지 스트럿(900)에 의해 덕트 장치에 견고하게 연결된다. IMSA(892)의 정체 유선(stagnation streamline), 즉 IMSA(892)의 우측 날개팁의 선행 에지 정체 포인트에 입사하는 유선과 IMSA(892)의 우측 날개팁의 후행 에지 정체 포인트로부터 유래하는 유선이 점선(901)으로 표시된다. 도 29에 도시된 초음속, 공칭, 일정 속도, 레벨 순항 구성 중에, IMSA(892)는 양력 벡터(941)로 표시된 양력을 발생시키도록 구성되며, 이는 Y-축에 실질적으로 평행한 성분을 가진다.
선행 포인트(870)를 가진 중심 허브(909)에 장착된, 팬 블레이드들 또는 프로펠러 블레이드들, 예컨대 블레이드(911)를 가진 프로펠러 또는 팬 디스크를 포함하는 상류 IMSA(908)가 있다. 스테이터 블레이드들, 예컨대 스테이터 블레이드(913)는 프로펠러의 하류에 위치한다. 다른 실시예들에서, 전용 스테이터 블레이드들이 없으며, 상류 IMSA(908)는 오직 단일의 팬 디스크 또는 프로펠러로 구성된다. 다른 예에서, 상류 IMSA는 두 개의 동축 및 역회전 프로펠러들로 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 프로펠러 블레이드들과 스테이터 블레이드들은 그들의 장축 둘레로 회전될 수 있도록 구성된다. 달리 말하면, 블레이드 피치각은 상류 IMSA(908)의 스테이터 블레이드들과 로터 블레이드들을 위해 조절될 수 있다. 도 29에 도시된 초음속, 공칭, 레벨 순항 구성 중에, 상류 IMSA(908)의 팬 블레이드들과 스테이터 블레이드들은 페더링되며, 즉, 저항력(low drag) 구성이다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(908)의 로터는 정지된 상태이며, 즉, 이 구성에서, 덕트 장치(850)에 대해 회전하지 않는다. 다른 실시예들에서, 상류 IMSA(908)의 로터는 이 구성에서 회전할 수 있다.
중심 샤프트에 장착된, 팬 블레이드들 또는 프로펠러 블레이드들, 예컨대 블레이드(922)를 가진 프로펠러 또는 팬 디스크를 포함하는 하류 IMSA(919)가 있다. 스테이터 블레이드들, 예컨대 스테이터 블레이드(924)는 프로펠러의 하류에 위치한다. 다른 실시예들에서, 전용 스테이터 블레이드들이 없으며, 하류 IMSA(919)는 오직 단일의 팬 디스크 또는 프로펠러로 구성된다. 다른 예에서, 하류 IMSA는 두 개의 동축 및 역회전 프로펠러들로 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 하류 IMSA(919)의 로터는 상류 IMSA(908)의 로터와 동일한 방향으로 회전한다. 다른 실시예들에서, 하류 IMSA(919)의 회전 방향은 상류 IMSA(908)의 회전 방향과 반대일 수 있다. 이는 상류 및 하류 IMSA들에 작용하는 항력에 기인하여 이들의 회전축에 평행한 축 둘레로 덕트 장치(850)에 작용하는 토크를 감소시키는 역할을 할 수 있다. 상류 IMSA(908)의 맥락에서 설명된 바와 같이, 하류 IMSA(919)의 프로펠러 블레이드들과 스테이터 블레이드들은 그들 장축 둘레로 회전할 수 있도독 구성된다. 달리 말하면, 블레이드 피치각은 하류 IMSA(919)의 프로펠러 블레이드들과 스테이터 블레이드들을 위해 조절될 수 있다. 도 29에 도시된 초음속, 공칭, 레벨 순항 구성 중에, 하류 IMSA(919)의 팬 블레이드들과 스테이터 블레이드들은 페더링되며, 즉, 저항력(low drag) 구성이다. 몇몇 실시예들에서, 하류 IMSA(919)의 로터는 정지된 상태이며, 즉, 이 구성에서, 덕트 장치(850)에 대해 회전하지 않는다. 다른 실시예들에서, 하류 IMSA(919)의 로터는 이 구성에서 회전할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 엔진(925)은 압축기(928), 연소실(940), 및 나셀(931) 내부의 터빈(932)을 가지는 제트엔진일 수 있다. 터빈(932)의 제1 단계는 로터 블레이드들, 예컨대 로터 블레이드(934)를 가진 로터 디스크와, 스테이터 블레이드들, 예컨대 스테이터 블레이드(936)를 가진 스테이터로 구성된다. 터빈(932)의 제2 단계는 로터 블레이드들, 예컨대 로터 블레이드(936)를 가진 로터 디스크와, 스테이터 블레이드들, 예컨대 스테이터 블레이드(937)를 가진 스테이터로 구성된다. 엔진(925)은 트윈 스풀(twin spool) 아키텍쳐이며, 압축기(928)의 로터 디스크들을 구동시키는 제1 스풀(926)을 구동시키는 터빈(932)의 제1 단계의 로터 디스크를 가진다. 압축기(928)는 세 개의 단계들을 가질 수 있으며, 각각 로터 블레이드들, 예컨대 제3 단계의 로터 블레이드(929)를 가진 로터 디스크와, 스테이터 블레이드들, 예컨대 제3 단계의 스테이터 블레이드(930)를 가진 스테이터로 구성된다. 터빈(932)의 제2 단계의 로터 디스크는 제2 스풀을 구동시키고, 이는, 예를 들어, 구동 샤프트(927), 구동샤프트(915), 및 구동 샤프트(916)를 통해 상류 IMSA(908)와 하류 IMSA(919) 둘 다의 로터들을 구동시킨다. 페어링(fairing)(933)은 터빈(932)의 출구에서의 유동 박리를 감소 또는 방지함으로써 엔진(925)의 항력을 감소시키도록 구성된다. 페어링(933)의 후행 포인트(871)가 표시되어 있다.
도시된 실시예에서, 입구 램프 또는 도어(938)는 내부 유동의 많은 부분이 엔진(925)에 들어가는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 입구 도어(938)는 엔진(925)의 입구를 폐쇄하도록 구성된다. 출구 도어(939)는 나셀(931)에 공기역학적 또는 유체역학적 페어링을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 29에 도시된 초음속, 공칭, 레벨 순항 중에, 입구 도어(938)와 출구 도어(939)는 완전히 폐쇄된 구성으로 도시된다. 이 작동 조건 둥에, 추력은 채널(853) 내부의 플레임 홀더들, 예컨대 플레임 홀더(724)에 의한 연료의 주입 및 연소에 의해 제공된다. 이 작동 모드 중에, 엔진(925)은 꺼지는, 즉 완전히 파워 오프되거나 또는 실질적인 동력을 제공하지 않는 상태로 생각될 수 있다. 다른 실시예들에서, 엔진(925)은 초음속, 공칭, 레벨 순항 중에 켜진 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 엔진(925)은 운송체(850)의 보조 시스템을 위한 전력을 제공하기 위해 발전기를 구동시킬 수 있다. 전력은 배터리를 충전시키는데 사용되거나, 또는 비행 컴퓨터 또는 공기조화 유닛과 같은 전기 장비에 소비될 수 있다. 입구 도어(938)와 출구 도어(939)는 도 30과 도 31에서 완전히 개방된 구성으로 도시된다. 이 구성에서, 채널(853)을 통해 유동하는 유체의 부분은 엔진(925)에 의해 흡수되거나, 또는 인젠(925)을 통해 유동할 수 있으며, 이는, 예를 들어, 연료의 연소를 통해 동력을 생산할 수 있다.
엔진(925)에 의해 발생된 동력은 언급된 바와 같이 구동 트레인을 통해 상류 IMSA(908)와 하류 IMS(919)에 전달된다. 몇몇 실시예들에서, 구동 트레인은, 예를 들어, 클러치, 구동 샤프트, 기어, 또는 기어박스를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 엔진(925)에 의해 발생된 동력은 상류 IMSA(908)와 하류 IMS(919)에 전기적으로 전달될 수 있다. 엔진(925)은 발전기에 동력을 공급할 수 있으며, 이에 의해 생산된 저기의 적어도 부분은 전기 도체를 통해 전기 모터로 전달될 수 있고, 전기 모터는 상류 IMSA(908) 및/또는 하류 IMS(919)에 동력을 공급하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전기의 부분은 덕트 장치(850)의 보조 전기 시스템에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하류 IMSA(919)의 로터 디스크는, 도 29에 도시된 바와 같이, 구동 샤프트(927)에 연결될 수 있으며, 이는 결국 발전기를 구동시키도록 구성될 수 있으며, 발전기의 전력은 동체 격실(874) 주위의 전기 도체들을 통해 상류 IMSA(908)의 로터 디스크를 구동시키는 전기 모터로 전달될 수 있다.
도시된 실시예에서, 구동 샤프트(927)로부터 상류 IMSA(908)로 동력을 기계적으로 전달하는 구동 트레인은 유니버셜 조인트에 의해 동체 격실(874) 주위로 지향된다. 덕트 장치(850)에서, 유니버셜 조인트는 일정한 속도 도인트, 또는 CV 조인트, 예컨대 구동 샤프트(915)를 구동 샤프트(916)에 연결하는 CV 조인트(907)이다.
도시된 실시예에서, 하류 IMSA(919)의 스테이터 블레이드들은 연료를 인접한 유체 유동 내부로 주입할 수 있고, 상기 연료의 연소 중에 플레임(flame)을 홀딩하도록 구성된다. 따라서, IMSA(919)의 스테이터는 플레임 홀더인 것으로 고려될 수 있다. 도 29에 도시된 초음속, 공칭, 레벨 순항 구성 중에, 플레임 홀더는 채널(853) 내부로 연료를 주입하고 상기 연료의 연소 중에 플레임을 안정화시키도록 구성된다. 이러한 실시예들에서 그리고 이 작동 모드 중에, 채널(853)은 램제트와 동일한 방식으로 작동될 수 있다. 유체에 의해 덕트 장치(850)에 부여된 추력은 추력 벡터, 예컨대 추력 벡터(943)로 개략적으로 표시된다. 달리 말해서, 추력은 덕트 장치(850)의 습윤 표면에 작용하는 압력의 통합으로부터 발생한다. 결과로서, 스테이션(891)에서 내부 유동의 유동 속도 크기는 자유 스트림 유동 속도 크기, 즉, 스테이션(884)에서 내부 유동의 유동 속도 크기보다 크다.
상류 및 하류 IMSA들의 조합에 의해 덕트 장치(850)의 나머지 부분에 부여된 임의의 과잉 토크는 유체에 대한 하류 및/또는 상류 IMSA들의 스테이터 블레이드들의 피치각 또는 방향을 조절함으로써 상쇄될 수 있다. 스테이터 블레이드들은 몇몇 실시예들에서 덕트 장치(850)의 롤(roll), 피치, 및 요(yaw) 제어를 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, IMSA(892)와 유사한 전용 IMSA들은 유체가 덕트 장치에 대해 초음속으로 유동하는 채널(853)의 영역 내부에 위치할 수 있으며, 전용 IMSA들은 롤, 피치, 및/또는 요 제어를 유지하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 제어 표면들은 유체가 덕트 장치에 대해 초음속으로 이동하는 채널(853) 내부의 영역들 내에 위치할 수 있다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 제어 표면들은 덕트 장치의 후행 에지에, 즉, 제2 개구(862)에 배치될 수 있다. 피치 및 요 제어는 예를 들어 추력 벡터링(vectoring)에 의해 달성될 있으며, 추력은 내부 유동의 가속에 의해 생산된다. 몇몇 실시예들에서, 꼬리 표면들, 예컨대 수직 및 수직 꼬리는외측 표면(867)에 장착될 수 있으며, 외부 유동, 즉, 실린더형 유관(865 또는 866)의 외부의 유동과 상호작용하도록 구성된다.
본 발명의 실시예들은 이전에 정의된 바와 같이 유체에 의해 적어도 부분적으로 에워싸인다. 도 29에서, 유체는 압축 가능하다. 예를 들어, 유체는 공기와 같은 기체일 수 있다.
몇몇 실시예들에서 도 29에 도시된 작동 조건은 공칭, 레벨 순항 작동 조건일 수 있다. 도시된, 단순화된 시나리오에서, 덕트 장치(850)의 질량 중심에 대한 자유 스트림 유동(free stream flow)은 크기와 방향이 시간적으로 일정하고 공간적으로 균일하며, 방향은 X-축에 평행하다. 도시된 작동 조건에서, 덕트 장치(850)에 대한 자유 스트림 유동 속도 크기는 유체 내에서의 음속보다 크다. 이 시나리오에서 바람 속도는 무시될 수 있기 때문에, 이는 관성 기준 프레임에서 유체 내의 음속보다 더 빠른 속도로 유체에 대해 이동하는 덕트 장치(850)와 동등하다. 도 29에서, 덕트 장치(850)에 대한 자유 스트림 유동 속도는, 화살표(944)로 표시된 바와 같이, X-축과, 즉 페이지의 좌측으로부터 페이지의 우측까지 정렬되고 평행하다.
점선들(865 및 866)은 정체 유선들(stagnation streamlines)을 가리키며, 이는 덕트 장치(850)의 선행 에지에 입사하거나 또는 후행 에지에서 시작한다. 따라서, 유선들(865, 866)은 유면(streamsurface) 또는 유관의 부분이며, 이는 덕트 장치(850) 둘레의 유체 유동을 덕트 장치(850)의 채널(853)을 통해 유동하는 유체로부터 분리시킨다. 이 실시예에서, 유관은 X-방향에서 보았을 때 원형이다.
도 29에 도시된 구성에서, 덕트 장치(850)의 상류에서, 예컨대 스테이션(734)에서 유체는 덕트 장치(850)에 대해 유체 내에서의 음속보다 더 빠르게 움직인다. 상기 채널(853)의 제1 축소부(855), 및 제1 확장부(856)는 양의 X-방향으로 채널(853)을 통해 유동하는 유체를 압축하도록 구성된다. 제1 스로트(throat)는 X-방향을 따라서 보았을 때 제1 축소부(855)와 제1 확장부(856) 사이의 채널(853)의 최소 단면적을 가진 채널(853)의 부분인 것으로 정의된다. 제1 스로트에서, 즉 스테이션(885)에서, 덕트 장치(850)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(884)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 크며, 더 하류에서, 예컨대 스테이션(887, 888, 또는 889)에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 작다. 도시된 실시예에서, 채널(853)을 통한 유동은 마찰을 무시할 때 실질적으로 단열이며 등엔트로피이다. 다른 실시예들에서, 제1 스로트와 스테이션(887) 사이에 위치한 충격파가 있을 수 있다. 달리 말하면, 제1 스로트의 바로 하류에서 유체의 상대 유동 속도는 유체 내부에서의 음속보다 더 빠를 수 있으며, 여기서 상대 유동 속도는 충격파 전체에 걸쳐 음속보다 느린 속도로 감소되고, 제1 스로트에서 충격파가 무한히 약한 이상적인 시나리오에서와 같이, 스테이션(738)에서 음속보다 느린 상대 유동 속도를 초래한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 충격파는 상류 IMSA(908)의 상류에 위치하도록 구성된다.
채널(853)의 제2 축소부(860)와 제3 확장부(861) 둘 다 양의 X-방향으로 채널(853)을 통해 유동하는 유체를 팽창시키도록 구성된다. 제2 스로트는 X-방향을 따라서 보았을 때 제2 축소부(860)와 제3 확장부(861) 사이의 채널(853)의 최소 단면적을 가진 채널(853)의 부분인 것으로 정의된다. 제2 스로트에서, 즉 스테이션(890)에서, 덕트 장치(850)에 대한 유체의 평균 속도는 그 위치에서 유체 내부에서의 음속과 대략적으로 동일하다. 상류에서, 예컨대 스테이션(887)에서, 평균 상대 속도는 음속보다 작으며, 하류에서, 예컨대 스테이션(891)에서, 평균 상대 속도는 이 실시예에서 유체 내부의 음속보다 크다.
도 29에 도시된 초음속, 공칭, 레벨 순항 구성 중에, 덕트 장치(850)는 상류 IMSA(908), 동체 장치(869), IMSA(892), 하류 IMSA(919), 연료분사기 및 플레임 홀더(924), 또는 엔진(925)과 같은 외란 발생 장치의 국부적인 자유 스트림 유동을 감소시키도록 구성된다. 덕트 장치(850)는 그 자체의 불필요하게 큰 조파 항력을 초래함이 없이 국부적인 자유 스트림 유동의 상기 감소를 달성하도록 더 구성된다. 이는 덕트 장치를 전술한 바와 같이 구성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 하류 방향으로 덕트 장치(850)의 원형 외측 표면(867)의 직경의 변경은 작고 점진적이 되도록 구성될 수 있다. 내부 유동의 감속 중에 덕트 장치에 의해 내부 유동에 부여되는 외란은 덕트 장치의 외측 벽에 의해 외부 유동으로부터 차폐될 수 있으며, 내부 유동의 상기 외란의 적어도 부분은 내부 유동이 제2 개구(862)를 통해 빠져나가기 전에 상쇄될 수 있다. 임의의 와류 발산, 예컨대 IMSA(892) 또는 상류 IMSA(908)에 의해 발산된 와류들은, 발산 과정과 연관된 조파 항력이 기준 시나리오와 비교하여 감소되거나 무시될 수 있도록, 자유 스트림 유동 속도와 비교하여 감소된 국부적인 자유 스트림 유동 속도로 덕트 장치(850)의 내부에 발생하도록 구성될 수 있다. 동일한 원리가 다른 외란들, 예컨대 언급된 바와 같이 얽매인 와류들 또는 IMCA들, 또는 엔진, 또는 연료의 연소에도 적용될 수 있다.
예컨대 스테이션들(885 및 890) 사이의 덕트 장치 내부의 얽매인 또는 자유 와류들에 의해 덕트 장치(850), 예컨대 덕트 장치(850)의 내측 표면(868)에 부여된 간섭 또는 국부적인 자유 스트림 유동 속도 변경은 작아서 덕트 장치(850)는 불필요하게 큰 조파 항력을 초래하지 않으며, 여기서 연관된 파동들은 내부 유동 또는 외부 유동 내에 있을 수 있다. 이는 채널(853)의 직경이 와류들의 강도와 위치에 관하여 충분히 크도록 보장함으로써 달성될 수 있다. 얽매인 또는 자유 와류 필라멘트의 강도와 덕트 장치의 내측 또는 외측 표면까지의 거리는 상기 간섭의 강도를 결정하는 파라미터들 중 일부이다. 연료의 연소에 의해 생성되는 외란들과 같이 모든 외란들이 와류를 운반 또는 발산하지는 않지만, 본 발명의 원리는 이러한 외란들에도 역시 적용된다는 점에 유의한다.
초음속, 공칭, 레벨 순항 중에, 도시된 덕트 장치(850)의 대부분의 무게는 IMSA(892)에 의해 생성된 양력(941)에 의해 운반되며, 추력의 대부분은 채널(853)에 의해 생성되고, 이는 램제트로서 제구성될 수 있다. 덕트 장치(850)는 예를 들어 초음속 항공기로서 설명될 수 있다. 도 29에서, 덕트 장치(850)는 정상 자유 스트림 유동에 대해 음의 X-방향으로, X-축에 평행하게, 초음속으로 이동한다.
도 30은 상이한 작동 모드를 위한 도 29에 도시된 실시예의 단면도이다. 도 30에서, 덕트 장치(850)는 정상 자유 스트림 유체에 대해 음의 X-방향으로, X-축에 평행하게, 초음속으로 이동한다. 덕트 장치(850)에 대한 자유 스트림 유동의 방향은 화살표(950)로 표시된다. 이 구성에서, 덕트 장치(850)의 무게의 일부는 덕트 장치(850)에 작용하는 양력(945)에 의해 운반된다. 덕트 장치(850)의 길이방향 대층 축은 Z-축에 대해 음의 방향으로 회전한다. 덕트 장치(850)의 결과적인 영각(attack angle)은 음의 Y-방향으로 내부 유동과 외부 유동의 편향을 초래하며, 이는 덕트 장치(850)에 작용하는 양력 및 항력을 발생시킨다. 덕트 장치(850)는 이 작동 모드 중에 폐쇄된 날개, 또는 환형 날개인 것으로 고려될 수 있다.
IMSA(892)와 하류 IMSA(919) 사이의 간섭을 감소시키기 위해, IMSA(892)는 이 작동 모드 중에 페더링된다. 간섭은 하류 IMSA(919)에서 유동장의 왜곡으로 이어질 수 있으며, 이는 불필요한 항력, 소음, 및 진동으로 이어질 수있다. 이를 위해, IMSA(892)의 형상은 단순화된, 마찰이 없는 시나리오에서 와류들이 IMSA(892)에 의해 발산되지 않는 방식으로 변경된다. 몇몇 실시예들에서, IMSA(892)는, IMSA(892)의 각각의 에어포일 섹션의 캠버(camber) 및 영각이 0이 되도록 모핑될 수 있다. 다른 실시예들에서, IMSA(892)는 페어링 내부로 후퇴되거나 내측 표면, 예컨대 내측 표면(868) 또는 동체 외측 표면(872)에 대해 접하도록 장착될 수 있다. 이는 덕트 장치(850)의 습윤 영역을 감소시킬 수 있으며, 또한 IMSA(892)와 하류 IMSA(919) 사이의 임의의 간섭을 최소화 또는 감소시킬 수 있다.
상류 IMSA(908)는 추력 벡터(946)로 표시된 바와 같이 상류 방향으로 지향된 추력을 생성하도록 구성되며, 하류 IMSA(919)는 추력 벡터(949)로 표시된 바와 같이 하류 방향으로 지향된 추력을 생성하도록 구성된다. 이는 채널(853)을 통한 질량 유량을 증가시킬 수 있으며 양력 및 추력의 생산과 연관된 유도 항력을 감소시킬 수 있다. 상류 IMSA(908)와 하류 IMSA(919)는 상류 방향으로 지향된 순 추력을 생성하며, 이는 덕트 장치(850)에 작용하는 항력을 상쇄시키고 덕트 장치(850)의 순 양력에 기여한다.
상류 IMSA(908)에 의해 소비되는 동력은 엔진(925) 및 하류 IMSA(919)에 의해 내부 유동으로부터 추출된 동력에 의해 제공된다.
도 30에서, 플레임 홀더를 통해 내부 유동으로의 연료 유동이 없으며, 초음속, 공칭, 레벨 순항 중에 엔진(925)의 연소실(940) 내부로부터 이격된 내부 유동에서 연료의 연소도 없다. 다른 작동 모드에서, 플레임 홀더는 애프트버너의 작동과 유사하게 연료를 채널(853) 내에 주입하여 연소시킬 수 있다. 유사하게, 연료는 엔진(925) 내의 터빈(932)의 바로 하류에 주입되어 연소될 수 있다.
점선들(959 및 960)은 정체 유선들을 가리키며, 이들은 덕트 장치(850)의 선행 에지에 입사하거나 또는 후행 에지에서 시작한다. 따라서, 유선들(959, 960)은 유면(streamsurface) 또는 유관의 부분이며, 이는 외부 유동, 즉, 덕트 장치(850) 둘레의 유체 유동을 내부 유동, 즉, 채널(853)을 통해 유동하는 유체로부터 분리시킨다. 이 실시예에서, 유관은 X-방향에서 보았을 때 원형이다.
도 30에 도시된 작동 모드에서 자유 스트림 속도가 증가하기 때문에, 하류 IMSA(919)의 추력의 크기는 감소될 수 있다. 도 30과 도 31에 도시된 작동 모드들 중에 하류 IMSA(919)의 목적은 채널(853)을 통한 질량 유량의 증가이다. 자유 스트림 속도 크기가 증가하기 때문에, 하류 IMSA(919)의 서비스는 오직 작은 정도로 요구된다. 따라서, 하류 IMSA(919)의 추력의 크기는 감소될 수 있다. 순 추력 요건에 따라, 자유 스트림 속도가 증가할 때 상류 IMSA(908)의 추력은 감소되거나 증가될 수 있다. 낮은 자유 스트림 유동 속도에서, 상류 IMSA(908)에 의해 생산되는 추력은 엔진(925)의 구조적 제약 또는 동력 한계에 의해 제한될 수 있다. 자유 스트림 유동 속도가 증가할 때, 또는 전술한 자유 스트림 유동속도에서, 상류 IMSA(908)에 의해 생성된 추력은 조파 항력, 유도 항력(compressbility drag), 또는 상류 IMSA(908)의 로터 블레이드들의 소음에 의해 제한될 수 있다. 조파 항력은 그 위치에서 음속을 초과하는 유체에 대한 상류 IMSA(908)의 로터 또는 팬의 팁 속도로부터 발생할 수 있다. 상류 IMSA(908)의 로터 블레이드들의 부분은 주위 유체에 대해 큰 속도로 유도 항력과 마주친다. 상류 IMSA(908)의 추력이 감소할 때, 주어진 순 추력 요건을 충족하기 위해 하류 IMSA(919)의 추력의 크기는 감소한다. 충분히 큰 자유 스트림 속도에서, 하류 IMSA(919)의 추력의 크기는 너무 작으며, 이는 하류 IMSA(919)를 페더링하는데 더욱 유리하다. 이를 위해, 하류 IMSA(919)는 클러치를 통해 구동 트레인으로부터 분리될 수 있고 페더링될 수 있으며, 상류 IMSA(908)는 추력을 계속 제공한다. 이 구성에서, 상류 IMSA(908)와 엔진(908)은 종래의 터보팬 엔진처럼 작동되는 것으로 생각될 수 있으며, 팬은 상류 IMSA(908)가 대신하고 코어는 엔진(925)이 대신한다.
속도가 더 증가할 때, 상류 IMSA(919)의 로터의 회전 속도와 추력은, 상류 IMSA(919)의 로터 블레이드들과 연관된 조파 항력 및/또는 유도 항력을 방지 또는 감소시키기 위해, 감소될 수 있다. 전과 같이, 상류 IMSA(908)와 엔진(925)은, 비록 팬, 즉 상류 IMSA(919)에 의해 생성된 추력의 감소된 퍼센트일지라도, 종래의 터보팬 엔진으로서 작동되는 것으로 고려될 수 있다. 요구된 추력의 나머지 부분은 엔진(925)을 통한 유체의 가속에 의해 제공될 수 있으며, 이는 그 자체가 터보제트 엔진으로서 작동하는 것으로 고려될 수 있다.
자유 스트림 유동 속도가 마하 1에 접근하여 초과할 때, 엔진(925)의 애프터버너는 마하 1 부근에서 상류 IMSA(908)의 추력과 회전 속도의 감소를 보상하기 위해 그리고 엔진(925)이 순 추력 요건을 충족하도록 돕기 위해 선택적으로 관여될 수 있다. 대안으로서 또는 동시에, 연료는 스테이션(889)에서 플레임 홀더와 연료 분사기에 의해 채널(853) 내부에 주입되어 연소될 수 있다. 속도가 마하 1을 넘어서 증가할 때, 상류 IMSA(908)의 국부적인 자유 스트림 유동 속도는 감소하며, 회전 속도와 상류 IMSA(908)에 의해 생성된 추력이 한번 더 증가하도록 허용한다. 연료 효울을 개선하기 위해, 충분히 큰 속도에서, 엔진(925)의 애프터버너 내부로의 또는 스테이션(889)에서 내부 유동 내부로의 임의의 연료 유동이 감소되거나 완전히 정지될 수 있다. 이러한 속도에서, 상류 IMSA(908)와 엔진(925)은 초음속 순항에서의 터보팬 엔진인 것으로 고려될 수 있다. 몇몇의 작동 모드들 중에, 덕트 장치(850)의 가속을 돕기 위해 연료 유동의 감소는 일어날 필요가 없다. 속도가 더 증가할 때, 엔진(295)의 애프터버너 내부로의 또는 스테이션(889)에서 내부 유동으로의 임의의 연료 유동은 증가될 수 있다. 연료는 플레임 홀더와 분사기, 예컨대 플레임 홀더(924)에 의해 채널(853) 내부에 주입되어 연소될 수 있다. 따라서, 엔진(925) 외부에서, 내부 유동이 유지되는 채널(853)의 부분은 이 작동 모드에서 램제트로서 작동하는 것으로 고려될 수 있다. 속도가 더 증가할 때, 도 29에 도시된 구성에 대응하여, 상류 IMSA(908)에 의해 생성되는 추력은 감소될 수 있으며, 상류 IMSA(908) 역시 페더링될 수 있다.
전술한 설명에서, 낮은 아음속으로부터 초음속까지의 가속이 설명되었다. 이 가속 중에 덕트 장치(850)와 연관된 조파 항력은 비교적 낮다는 점을 유의한다. 이 가속이 수행되는 다른 방식들이 있다는 점을 유의한다. 예를 들어, 제1 개구(854)의 상류에 충격이 형성되도록 허용될 수 있다. 이 충격파는, 예를 들어, 별도의 동체와 같은 별도의 전용 충격 몸체에 의해 생성될 수 있다. 충격파는 또한, 예를 들어, 스테이션(890) 또는 스테이션(885)에서 채널(853)의 단면적을 적절하게 감소시킴으로써 생성될 수 있다. 이는 채널(853)을 통한 질량 유량을 감소시키고 마하 1 부근에서 그리고 상술한 시나리오와 비교하여 초음속에서 상류 IMSA(919)의 로터의 회전 속도와 추력을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이는 조파 항력을 초래할 수 있으며 소음 공해에 기여할 수 있다. 채널(853)을 통한 질량 유량의 감소는 덕트 장치(850)의 유도 항력 또는 유도 동력을 증가시킬 수 있다.
도 31은 상이한 작동 모드를 위한 도 29에 도시된 실시예의 단면도이다. 이 작동 모드는 일정 속도 상승으로서 설명될 수 있다. 호버링 비행 중 덕트 장치(850)의 구성은 도 31에 도시된 구성과 유사하다는 점을 유의한다. 덕트 장치(850)는 초음속 비행이 가능한 수직 이륙 및 착륙(VTOL) 운송체로서 설명될 수 있다.
도 31에서, 덕트 장치(850)는 정상 자유 스트림 유체에 대해 양의 Y-방향으로, Y-축에 평행하게, 아음속으로 이동한다. 덕트 장치(850)에 대한 자유 스트림 유동의 방향은 화살표(958)로 표시된다.
점선들(961 및 962)은 정체 유선들을 가리키며, 이들은 덕트 장치(850)의 선행 에지에 입사하거나 또는 후행 에지에서 시작한다. 따라서, 유선들(961, 962)은 유면(streamsurface) 또는 유관의 부분이며, 이는 외부 유동, 즉, 덕트 장치(850) 둘레의 유체 유동을 내부 유동, 즉, 채널(853)을 통해 유동하는 유체로부터 분리시킨다. 이 실시예에서, 유관은 X-방향에서 보았을 때 원형이다.
상류 IMSA(908)는 추력 벡터(955)로 표시된 바와 같이 상류 방향으로 지향된 추력을 생성하도록 구성되며, 하류 IMSA(919)는 추력 벡터(841)로 표시된 바와 같이 하류 방향으로 지향된 추력을 생성하도록 구성된다. 언급된 바와 같이, 이는 채널(853)을 통한 질량 유량을 증가시킬 수 있으며 추력의 생산과 연관된 유도 항력을 감소시킬 수 있다. 상류 IMSA(908)와 하류 IMSA(919)는 상류 방향으로 지향된 순 추력을 생성하며, 이는 일정 속도 상승 중에 덕트 장치(850)에 작용하는 항력과 중력을 상쇄시킨다.
상류 IMSA(908)에 의해 소비되는 동력은 엔진(925) 및 하류 IMSA(919)에 의해 내부 유동으로부터 추출된 동력에 의해 제공된다. 이 실시예에서, 상기 동력은 구동 샤프트들, 예컨대 구동 샤프트(915)를 포함하는 구동 트레인을 통해 상류 IMSA(908)로 기계적으로 전달된다.
도 31에서, 플레임 홀더를 통해 내부 유동으로의 연료 유동이 없으며, 아음속, 공칭, 일정 속도, 수직 상승 중에 엔진(925)의 연소실(940) 내부로부터 이격된 내부 유동에서 연료의 연소도 없다. 다른 작동 모드에서, 플레임 홀더는 애프트버너의 작동과 유사하게 연료를 채널(853) 내에 주입하여 연소시킬 수 있다. 유사하게, 연료는 엔진(925) 내의 터빈(932)의 바로 하류에 주입되어 연소될 수 있다.
도 31에 도시된 작동 모드에서, 도 30의 맥락에서 설명된 바와 같이, IMSA(892)는 페더링된다. IMSA(892)는 제어 표면으로서 사용될 수 있으며, 또는 IMSA(892)의 제어 표면은 IMSA(892)가 페더링되는 구성 중에 활성을 유지할 수 있다.
착륙 중에, 덕트 장치(850)는 랜딩 기어를 전개할 수 있으며, 도 31에 도시된 구성과 유사한 구성으로 지면에 수직으로 접근한다. 이륙 및 호버링 비행은 동일한 원리를 따를 수 있다. 이륙에 뒤따라, 덕트 장치(850)는 도 31에 도시된 작동 모드로부터 도 30에 도시된 작동 모드로, 후속하여 도 29에 도시된 작동 모드로 전이될 수 있다. 전이는, 예를 들어, 피치 제어를 위해 사용되는 동일한 메커니즘에 의해 달성될 수 있다. 언급된 바와 같이, 이는, 예를 들어, 제어 표면들 또는 추력 벡터링에 의해 수행될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 덕트 장치(850)는 유동이 외측 표면(867)과 내측 표면(868)을 통과하도록 허용하는 슬롯들을 포함할 수 있다. 이 슬롯들은 수축부(constriction)(951)의 하류에, 즉 제1 축소부(855)의 하류에, 제1 확장부(856)의 하류에, 그리고 상류 IMSA(908)의 상류에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 슬롯들은 수축부(951), 즉, 제1 격실(880)의 부분을 통과할 수 있다. 슬롯들은 수축부(952)의 상류에, 즉, 제2 축소부(8600의 상류에 그리고 하류 IMSA(919)의 하류에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 슬롯들은 수축부9952), 즉, 제2 격실(882)의 부분을 통과할 수 있다. 슬롯들은 실린더형 또는 원형의 덕트 장치(850) 둘레에 원주 방향으로 배치될 수 있다. 도어들 또는 램프들은 슬롯들을 폐쇄하거나 슬롯들을 개방하도록 구성될 수 있다. 이 슬롯들은, 예를 들어, Hawker Siddeley Harrier의 제트 엔진의 입구의 슬롯들가 유사할 수 있다. 아음속 순항 또는 상승과 같은 아음속 작동 중에, 슬롯들은 개방 위치일 수 있으며, 유체가 상류 IMSA(908)의 상류에서 채널(853) 내부로 유동하도록 허용하며, 하류 IMSA(919)의 하류에서 채널(853) 밖으로 유동하도록 허용한다. 이는 상류 및 하류 IMSA들을 통한 유체의 질량 유량을 증가시킬 수 있다. 슬롯들은, 유동이 제1 수축부(951) 또는 제2 수축부(952)를 바이패스하도록 허용함으로써, 제1 개구(854) 및/또는 제2 개구(862)에서 또는 제1 수축부(951) 또는 제2 수축부(952)에서 유동 박리를 감소시키는 역할을 할 수 있다. 이는 제1 수축부(951) 또는 제2 수축부(952)와 연관된 얽매인 와류들의 강도를 감소시키며, 유동 박리의 양을 감소시킬 수 있다. 초음속과 같은 더 큰 자유 스트림 유동 속도에서, 슬롯들은 폐쇄될 수 있으며, 도 29에 도시된 구성과 유사한 구성을 초래한다.
다른 실시예들에서, 채널(853) 내부에, 다른 타입의 외란 발생 장치, 또는 외란 발생 장치들, 예컨대 IMCA들, IMSA들, 또는 유체의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성된 장치들의 상이한 배치가 사용되거나 채책될 수 있다.
예를 들어, 다른 실시예들에서, 덕트 장치(850)의 동체는 엔진(925)으로 교체될 수 있으며, 그 벌크는 하류 대신에 하류 IMSA(919)의 상류에 위치할 수 있다. 이러한 실시예들은 날개, 예컨대 덕트 장치(850)의 IMSA(892)를 포함할 필요가 없으며, 구동 트레인은, 유니버셜 조인트들에 의해 연결된 일련의 샤프트들 또는 일정 속도 조인트들과는 대조적으로, 단일의, 직선 샤프트를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들은, 예를 들어, 터보팬 제트 엔진인 것으로 그리고 터보팬 제트 엔진처럼 작동되는 것으로 고려될 수 있다.
엔진(952)은 덕트 장치(850)의 다른 변형에서 동체 장치(869) 내부에 내장될 수 있다. 달리 말해서, 엔진(952)은, 하류 IMSA(919)의 상류에 그리고 상류 IMSA(908)의 하류에서, 동체 장치(869)의 외측 표면(872) 내부에 위치하거나 외측 표면(872)에 의해 둘러싸일 수 있다. 엔진(925)은 덕트들을 통해 공기를 공급받을 수 있으며, 이는 채널(853)을 통해 동체 장치(869)로 들어간다. 덕트 장치(850)의 다른 변형들은 하류 IMSA(919)와 유사한 하류 IMSA를 특징으로 하지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 상류 IMSA(919)의 로터들은 적어도 하나의 전기 모터에 의해 동력을 공급받을 수 있으며, 이는 결국 예를 들어 배터리들에 의해 동력들 공급받을 수 있다.
다른 실시예들에서, 운송체는 이륙, 호버, 또는 착륙 중에 실질적으로 수평을 유지할 수 있도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, VTOL 작동 중에, 장축은 도 29에 도시된 바와 같이 X-축에 실질적으로 평행할 수 있다. 이를 위해, 덕트 장치(850)와 유사한 방식으로 구성된 실시예는 덕트 장치(850)와 비교하여 다음의 수정들을 특징으로 할 수 있다.
덕트 장치의 외측 벽은, 이전에 설명된 바와 같이, 덕트 장치 둘레에 원주 방향으로 진행되는 슬롯들을 특징으로 할 수 있다. 슬롯들은 IMSA(908)와 IMSA(919) 사이에, 즉, 스테이션(997)의 부근에 배치될 수 있다. 슬롯들은 덕트 장치의 무게를 지지하기 위해 덕트 장치를 통한 충분한 유체 유동을 허용하도록 충분히 클 필요가 있다는 점을 유의한다. 다른 실시예들에서, 슬롯들은 적트 장치의 내부 또는 채널(853)로의 도어로서 설명될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 슬롯들은, 와류 링 상태와 엔진(925)에 의한 엔진 배기의 재-흡입을 방지하거나 감소시키기 위해, 오직 덕트 장치의 상부에, 즉, 양의 Y-방향으로 위치한 부분에만 위치할 수 있다.
IMSA들(908 및 919)의 회전 방향은 도 30에 도시된 공칭, 아음속 순항과 비교하여 반전될 수 있다. 이는 IMSA들(908, 919)을 구동시키는 구동 샤프트들의 회전 방향을 변경시킬 수 있도록 구성된 기어박스와 클러치에 의해 달성될 수 있다. 만약, IMSA들(908, 919)이 전기 모터에 의해 구동되는 경우, 모터의 회전 방향은 반전될 수 있다. 더욱이, IMSA(908)와 IMSA(919)의 개별 블레이드들은 그들의 장축, 즉, 반경 방향 바깥쪽 축에 대해 대략 180도로 회전할 수 있도록 구성된다. 다른 실시예들에서, IMSA(908)와 IMSA(919)의 로터들의 회전 방향은 아음속, 공칭, 레벨 순항과 비교하여 VTOL 작동 중에 반전될 필요가 없다. 예를 들어, IMSA(908)와 IMSA(919)의 로터들의 회전 방향을 변경함이 없이 추력 벡터의 방향이 반전될 수 있도록, IMSA(908)와 IMSA(919)의 로터들의 에어포일들은 대칭일 수 있으며, 또는 이들은 충분히 작은 캠버 또는 비틀림을 특징으로 할 수 있다. 각각의 IMSA의 스테이터 베인들은, 아음속, 공칭, 레벨 순항과 비교하여 추력이 반전되는 방식으로, 로터들을 작동시키는 것과 연관된 효율의 임의의 손실을 완화하기 위해 사용될 수 있다는 점을 유의한다.
추가적으로, 제2 개구(862) 전의 덕트의 부분은 만곡될 수 있으며, 몇몇의 경우에, 대략 90도로 연장될 수 있다. 유사하게, 제1 개구(654)의 부근에서 덕트의 부분은 만곡될 수 있으며, 몇몇의 경우에, 대략 90도로 연장될 수 있다. 제1 개구(854)의 부근에서 덕트의 부분과 제2 개구(862)의 부근에서 덕트의 부분은 운송체의 롤 축과 운송체의 피치 축에 대해 회전될 수 있다. 덕트 장치의 이러한 회전 부분들은, 예를 들어, Lockheed F-35의 메인 엔진의 하류의 회전 덕트와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 명목상 직선 덕트의 벽의 만곡되거나 회전된 부분은, 제트 엔진의 종래의 추력 반전기에 사용되는 버킷들과 유사하게, 유동의 회전 또는 방향 재설정을 위해 유동 내부로의 램프들 또는 버킷들의 연장에 의해 제공될 수 있다. 대안으로서, 또는 동시에, 유동 편향 베인들은, 공칭 VTOL 작동 중에, 유동을 하류 방향으로, 즉, 음의 Y-방향으로 편향시키기 위해 사용될 수 있다. 이 베인들은 유동을 원하는 방향으로 재설정하도록 재구성될 수 있으며, 그 방향은, 예를 들어, 덕트 장치의 벌크에 대해 두 개의 자유도, 또는 "DOF"를 가질 수 있다. 이 DOF는 운송체의 피치 또는 롤 축에 대한 덕트 장치를 빠져 나오는 유동의 회전을 포함한다.
공칭 호버 중에, 즉 외란이 없는 상태에서, 유동은 스테이션(887)의 부근에서 슬롯들을 통해 덕트 장치로 들어간다. 유동은 후속하여 두 갈래로 나뉘고 각각 IMSA(908) 또는 IMSA(919)를 향해 이동한다. IMSA(908)에 의해 생성된 추력은 도 29에 도시된 것과 유사한 시나리오에서 양의 X-방향으로, 즉, 이 호버링 시나리오를 위해 상류 방향으로 지향되며, IMSA(919)에 의해 생성된 추력은 음의 X-방향으로, 즉, 이 호버링 시나리오를 위해 상류 방향으로 지향된다. IMSA(919) 또는 IMSA(908)에 의해 가속된 다음에, 유동은 X-방향에 실질적으로 평행한 방향으로부터 Y-축에 실질적으로 평행한 방향으로 90도로 편향되며, 음의 Y-방향으로 지향된다. 제2 개구(862)와 제1 개구(854)의 평면은 이제 더 이상 YZ-평면에 평행하지 않고, 공칭 호버 중에 XZ-평면에 평행하다.
호버링 중에 소비되는 동력은 전술한 실시예에서 엔진(925)에 의해 제공된다. 본 발명의 이러한 실시예는 설명된 바와 같이 수직 및 수평 VTOL 작동 둘 다를 할 수 있다.
호버 중에, 롤 제어는 IMSA(908) 또는 IMSA(919)의 스테이터 블레이드들에 의해 제공될 수 있다. 순 추력 벡터의 작용선이 질량 중심을 통과하지 않을 때, 롤 제어는 추력 벡터링(vectoring)에 의해 제공될 수도 있다. 피치 및 요 제어는 덕트 장치의 제1 또는 제2 개구의 평면의 회전에 의해, 즉, 추력 벡터링과 IMSA(908) 또는 IMSA(919)의 추력의 크기의 조절에 의해 제공될 수 있다. 위치 제어는 IMSA(908) 및 IMSA(919)의 순 추력과 추력 벡터링에 의해 제공될 수 있다. 충분한 시간 내에 충분한 크기로 추력 제어를 용이하게 하기 위해, IMSA(908) 및 IMSA(919)의 개별 로터 블레이드들은 그들의 장축에 대해 회전될 수 있다.
수평 VTOL 작동이 가능한 다른 실시예들에서, 유동 방향은 전술한 시나리오에 비교하여 반전될 수 있다. 중심 슬롯들, 즉 스테이션(887)의 부근의 슬롯들을 통한 유체의 흡입 대신에, 유체는 일련의 중심 슬롯들을 통해 배출될 수 있다. IMSA(908)의 추력의 방향은 음의 X-방향이고, IMSA(919)의 추력은 양의 X-방향으로 지향되며, 이는 도 30에 도시된 아음속, 공칭, 레벨 순항 중에 추력의 방향과 동일하다. 이는 IMSA(908)와 IMSA(919)의 설계를 단순화한다. 슬롯들은 추력 벡터링 장치를 포함할 수 있으며, 이는 운송체의 안정성과 제어를 보장하기 위해 채택될 수 있다. 예를 들어, 술롯들은 안내 베인들을 포함할 수 있으며, 이들은 슬롯들을 빠져나오는 유체의 방향을 제어하도록 구성된다. 슬롯들은 충분한 피치와 요 제어 권한이 가능할 수 있도록 덕트 장치의 벽을 따라서 서로로부터 충분히 멀리 배치될 수 있다. 이러한 실시예는 제1 개구(854)와 제2 개구(862)를 통해 유체를 흡입하며, 이들은 전술한 공칭 90도의 굽힘을 요구하지 않는다는 점을 유의 한다. 그러나, 이러한 굽힘은 운송체의 제어 가능성을 향상시킬 수 있다. IMSA(908) 및 IMSA(919)는 스테이션(887)에서 압력을 증가시키고 유동을 활성화시키는 역할을 하며, 유동은 슬롯들의 출구를 통해 출구들 부근의 안내 베인들에 의해 결정된 방향으로 빠져 나오기 전에 슬롯들의 입구로 들어가며, 안내 베인들은, 예를 들어, 비행 제어 컴퓨터에 의해 제어된다.
이 다른 실시예들 중 몇몇에서, 엔진(925)의 입구는 IMSA(908)의 하류에 위치하지만, 내측 표면(868)에서 슬롯들의 입구의 상류에 위치한다. 이 방식에서, 엔진은 수평 VTOL 작동 중에 그 자신의 배기가스를 재흡입하지 않는다.
이 다른 실시예들 중 몇몇에서, 슬롯의 입구는 IMSA(908)와 IMSA(919) 사이의 채널(853)의 내측 표면(868)에 원주방향으로 배치된 몇몇의 개구들 중 하나이며, 동일한 슬롯의 출구는 덕트 장치의 외측 표면(867)의 네 개의 위치들 중 하나에 배치된다. 슬롯의 출구는 덕트 장치의 벽을 통과하는 파이프, 채널, 또는 덕트를 통해 대응되는 입구에 연결된다. 두 개의 출구들이 제1 격실(880)의 위치에 배치될 수 있으며, 두 개는 제2 격실(882)의 위치에 배치될 수 있다. 출구들은 Z-방향으로 서로로부터 오프셋될 수 있으며, 도 29에 도시된 장면에서 일반적으로 음의 Y-방향으로 마주본다. 안내 베인들은 축구들의 바로 하류에 배치될 수 있으며, 안내 베인들은 출구를 통해 빠져 나오는 유동의 유동 방향을 제어하도록 구성될 수 있다. 파이프들 내부의 밸브들은 주어진 출구를 통한 유체의 질량 유량을 조절할 수 있다. 슬롯의 입구와 출구는 비-VTOL 작동 중에 스무스한 외측 표면(867)과 내측 표면(868)을 보장하기 위해 도어에 의해 폐쇄될 수 있다. 수평 VTOL 작동의 이익은, 다른 것들 중에, 환자들의 편안한 이송과 지면 부근에서 바람의 외란의 감소일 수 있다. 이러한 바람 외란들은 종종 지면에 평행하며, 운송체를 이러한 바람 외란의 주된 방향으로 회전시킴으로써 외란에 기인하여 운송체가 겪는 항력의 양이 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 연소실 또는 플레임 홀더는 하류 IMSA(919)의 상류에 그리고 상류 IMSA(908)의 하류에 배치될 수 있다. 연소실은, 예를 들어, 스테이션(887)에 배치될 수 있다. 따라서, 몇몇 작동 모드들에서, 채널(853)은 터보제트 엔진인 것으로 그리고 터보제트 엔진으로서 작동되는 것으로 고려될 수 있다. 추가적인 플레임 홀더는 IMSA(919)의 하류에 배치될 수 있으며, 상기 터보제트 엔진의 애프터버너로서 작동될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 엔진(925)의 부분은 제3 확장부(861)에 대응되는 채널(853)의 섹션 내에 배치될 수 있다. 이는 덕트 장치(850)의 전체 길이, 즉, 중심 축을 따른 덕트 장치(850)의 범위를 감소시킬 수 있으며, 이는 전체 습윤 영역과 점성 항력을 감소시킬 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 이는 조파 항력을 증가시킬 수 있다.
맥락으로부터 특정 또는 명확하지 않은 경우에는, "또는"이라는 용어는 이 문서 전체에 걸쳐 "및/또는"과 동등하다.
이 문서에서 서술된 실시예들과 방법들은 오직 본 발명의 원리들을 예시하고 보여주는 것만을 의도하고 있다. 본 발명은 몇몇의 상이한 방식들로 수행될 수 있으며, 이 문서에서 서술되거나 도면들에 묘사된 예, 배치, 구성, 또는 작동 방법들에 제한되지 않는다. 이는 단 하나의 실시예들이 서술되거나 묘사된 경우들에도 적용된다. 본 기술 분야의 기술자는, 여기에 도시되거나 서술되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 이에 따라 본 발명의 사상과 범위 내에 속하는 다수의 대체 가능한 예들, 실시예들, 배치들, 구성들, 또는 작동 방법들을 고안할 수 있을 것이다.
양태
본 발명은 다음의 양태들에 의해 더 서술된다.
양태 1. 조파 항력(wave drag)을 감소시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은: 유체의 외부 유체 유동을 수용하도록 구성된 외측 표면; 및 상기 외측 표면에 결합되고, 유체의 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되며, 유체 입구와 유체 출구를 포함하고, 조파 항력을 감소시키기 위해 내부 유체 유동을 조작하도록 구성된 채널;을 포함하며, 상기 채널은: 상기 유체 입구의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되며 상기 채널 내부의 유체 유동의 속도와 압력을 변경시키도록 더 구성된 제1 유체 조작 장치("FMA"); 상기 제1 FMA의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성된 압력 억제 장치(pressure containment apparatus)("PCA"); 및 상기 PCA의 하류와 상기 유체 출구의 상류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되고, 내부 유체 유동의 속도와 압력을 더 변경시키도록 구성된 제2 FMA;를 포함하며, 자유 스트림(free stream)은 자유 스트림 내부의 조파의 조파 속도보다 더 큰 자유 스트림 속도를 가진다.
양태 2. 양태 1의 시스템으로서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 수렴 덕트(converging duct)를 포함한다.
양태 3. 양태 1의 시스템으로서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 수렴 발산 덕트(converging diverging duct)를 포함한다.
양태 4. 양태 1의 시스템으로서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 발산 덕트(diverging duct)를 포함한다.
양태 5. 양태 1의 시스템으로서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 프로펠러 또는 추력 발생 장치를 포함한다.
양태 6. 양태 1의 시스템으로서, 상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 물체력(body force) 발생 장치를 포함한다.
양태 7. 양태 1의 시스템으로서, 상기 유체는 압축 가능하다.
양태 8. 양태 7의 시스템으로서, 상기 유체는 공기, 질소, 또는 이산화탄소를 포함하는 기체이다.
양태 9. 양태 7의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 압력을 증가시키도록 구성된다.
양태 10. 양태 9의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 아음속 유체 속도로 감속시키도록 구성된다.
양태 11. 양태 9의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 천음속으로 감속시키도록 구성된다.
양태 12. 양태 9의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 낮은 초음속으로 감속시키도록 구성된다.
양태 13. 양태 7의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 압력을 감소시키도록 구성된다.
양태 14. 양태 13의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도와 실질적으로 동일한 속도로 가속시키도록 구성된다.
양태 15. 양태 13의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 큰 속도로 가속시키도록 구성된다.
양태 16. 양태 13의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 작게 가속시키도록 구성된다.
양태 17. 양태 1의 시스템으로서, 상기 유체는 실질적으로 압축할 수 없다.
양태 18. 양태 17의 시스템으로서, 상기 유체는 물을 포함한다.
양태 19. 양태 17의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 내부 유체 유동의 압력을 감소시키도록 구성됨으로써, 동등한 자유 스트림 단면적과 비교하여 상기 제1 FMA을 떠나서 상기 PCA로 들어가는 내부 유체 유동의 단면적을 감소시킨다.
양태 20. 양태 19의 시스템으로서, 상기 제1 FMA는 상기 시스템을 포함하는 운송체(vehicle)상의, 조파 항력을 포함하는, 전체 항력이 감소되도록 내부 유체 유동을 가속시키도록 구성된다.
양태 21. 양태 17의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 내부 유체 유동의 압력을 증가시키도록 구성됨으로써, 상기 제2 FMA를 떠나는 내부 유체 유동의 단면적을 증가시킨다.
양태 22. 양태 21의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도의 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감속시키도록 구성된다.
양태 23. 양태 21의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 큰 속도로 감속시키도록 구성된다.
양태 24. 양태 21의 시스템으로서, 상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 작은 속도로 감속시키도록 구성된다.
양태 25. 양태 1의 시스템으로서, 상기 PCA는 상기 PCA 내부의 내부 유체 유동과 상기 외측 표면 외부의 자유 스트림 사이의 압력 차이를 유지하도록 구성된다.
양태 26. 양태 25의 시스템으로서, 상기 PCA는 원형, 직사각형, 타원형, 또는 다각형 단면 및/또는 직선부, 굽힘부(bend), 엘보우 조인트, 또는 턴(turn)을 가진 채널을 포함한다.
양태 27. 양태 1의 시스템으로서, 상기 PCA는 양력을 발생시키며 상기 PCA 내부의 유체로 순 운동량(net momentum)을 전달하도록 구성된 날개를 포함한다.
양태 28. 양태 1의 시스템으로서, 상기 PCA는 동체(fuselage)를 포함한다.
양태 29. 양태 1의 시스템으로서, 상기 PCA는 의도적인 운동량 운반 장치, 의도적인 운동량 발산(shedding) 장치, 터보샤프트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보제트 엔진, 램제트(ramjet), 추력 장치, 항력 장치, 펌프 제트, 프로펠러, 또는 애프터버너(afterburner)를 포함한다.
양태 30. 양태 1의 시스템으로서, 상기 PCA는 제1 추력 장치와 제2 추력 장치를 포함하며, 상기 제1 추력 장치는 공칭 작동 요건(nominal operating requirement) 중에 국부적인 자유 스트림에 제1 유도 속도를 부여하도록 구성되고, 상기 제1 추력 장치는 유관(streamtube)을 생성하며, 상기 제2 추력 장치는 상기 유관의 하류 부분에 배치되고, 상기 제2 추력 장치는 국부적인 자유 스트림에 제2 유도 속도를 부여하도록 구성되며, 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제2 유도 속도는 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제1 유도 속도의 방향과는 반대 방향의 성분을 가진다.
양태 31. 양태 30의 시스템으로서, 상기 제1 또는 제2 추력 장치는 프로펠러를 포함한다.
양태 32. 양태 30의 시스템으로서, 하나의 추력 장치에 의해 추출된 동력의 적어도 부분은 다른 추력 장치에 동력을 공급하도록 유도된다.
양태 33. 양태 1의 시스템으로서, 상기 외측 표면과 내측 표면 사이의 부피는 운송체의 적어도 부분을 포함하며, 상기 외측 및 내측 표면들은 자유 스트림 유동에서 조파 항력의 영향을 감소시키도록 구성된다.
양태 34. 양태 33의 시스템으로서, 상기 외측 표면은 자유 스트림 유동 라인들에 실질적으로 평행하다.
양태 35. 양태 33의 시스템으로서, 상기 외측 표면은 환형 실린더를 포함하며, 상기 제1 FMA는 상기 실린더의 상류 단부에 배치되고, 상기 제2 FMA는 상기 실린더의 하류 단부에 배치된다.
양태 36. 양태 35의 시스템으로서, 상기 운송체의 외측 표면은 테이퍼형 실린더의 형상이며, 상기 실린더의 반경은 하류 방향으로 감소한다.
양태 37. 양태 33의 시스템으로서, 상기 외측 표면의 단면적은 자유 스트림 방향에서 보았을 때 원형, 타원형, 직사각형, 또는 다각형이다.
양태 38. 양태 33의 시스템으로서, 상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력 없이 수직으로 이륙하고 공칭 작동하도록 구성된다.
양태 39. 양태 33의 시스템으로서, 상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력을 유도함이 없이 레벨 순항(level cruise)에서 아음속 및/또는 초음속으로 비행하도록 구성된다.
양태 40. 양태 1의 시스템으로서, 상기 외측 표면과 내측 표면은 의도적인 운동량 운반 장치를 형성하고; 상기 시스템은 경계 장치(boundary apparatus)도 포함하며; 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 의도적인 운동량 운반 장치(IMCA)에 의해 자유 스트림 속도에 대해 감소된다.
양태 41. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 유동 속도의 감소는 국부적인 자유 스트림 유체 내부에서 조파 속도보다 높은 유동 속도들로의 감소이다.
양태 42. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 국부적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감소된다.
양태 43. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유스트림 속도는 국보적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도보다 작은 속도로 감소된다.
양태 44. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 초음속인 속도로 감소된다.
양태 45. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 천음속(transonic)인 속도로 감소된다.
양태 46. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 아음속인 속도로 감소된다.
양태 47. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치는 동체 또는 선박의 선체를 포함한다.
양태 48. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치는 날개를 포함한다.
양태 49. 양태 40의 시스템으로서, 상기 경계 장치는 순 유도 속도를 제3 FIA의 원방 후류(far wake)로 전달하도록 구성된 제3 FMA를 포함하며, 상기 제3 FMA의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 제3 FIA의 상류, 하류, 및 부근에서 상기 채널에 의한 국부적인 자유 스트림의 속도 감소에 기인하여 자유 스트림 속도보다 작은 국부적인 자유 스트림 속도로 상기 채널 내부에 위치한다.
양태 50. 양태 49의 장치로서, 상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 상기 제3 FMA의 하류의 상기 PCA 내부에서 국부적인 자유 스트림 유동에 대해 직각인 비-제로의 순 성분을 가진다.
양태 51. 양태 50의 장치로서, 상기 제3 FIA는 날개이고 공칭 레벨 순항(nominal level cruise) 작동 중에 양력을 발생시키도록 구성되며, 상기 날개의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 채널 내부에서 감소된 국부적인 자유 스트림 유동의 영역 내부에 위치하고, 상기 날개의 원방 후류는 상기 채널의 출구의 외부 및 하류의 자유 스트림까지 연장된다.
양태 52. 양태 51의 시스템으로서, 날개 길이(wingspan)는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 절반보다 작다.
양태 53. 양태 51의 시스템으로서, 날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/4보다 작다.
양태 54. 양태 51의 시스템으로서, 날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/10보다 작다.
양태 55. 양태 49의 장치로서, 상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 국부적인 자유 스트림 유동에 평행한 비-제로의 순 성분을 가진다.
양태 56. 양태 55의 장치로서, 상기 제3 FIA는 동체 또는 프로펠러이며, 공칭 레벨 순항 작동 중에 추력 또는 항력을 발생시키도록 구성된다.
양태 57. 양태 40의 장치로서, 상기 경계 장치는 상기 IMCA의 선행 및 후행 에지들에 의해 형성된 유관 내부에 위치한다.
양태 58. 운송체(vehicle)의 조파 항력을 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은: 제1 유체 조작 장치("FMA")를 제공하는 단계; 제2 FMA를 상기 제1 FMA의 하류 유관 내부에 적어도 부분적으로 제공하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 FMA 둘 다를 통과하는 유관을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성된 압력 억제 장치("PCA")를 제공하는 단계;를 포함한다.
양태 59. 양태 58의 방법으로서, 상기 유체는 압축 가능하며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시키도록 구성되며, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시키도록 구성되며, 상기 방법은 자유 스트림 유동과 비교하여 더 낮은 속도와 더 높은 압력 유동 체제에서 양력이 발생하도록 상기 PCA 내부에 날개를 제공하는 단계를 더 포함한다.
양태 60. 양태 58의 방법으로서, 상기 유체는 압축할 수 없으며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시키도록 구성되며, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시키도록 구성되며, 상기 방법은, 운송체에 의해 더 작은 조파 항력이 발생되도록, 상기 제1 FMA로부터 상기 제2 FMA로 운송체를 통해 상기 PCA를 통해 낮은 압력 및 작은 단면적 유동을 수송하는 단계를 더 포함한다.
Claims (60)
- 조파 항력(wave drag)을 감소시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은:
유체의 외부 유체 유동을 수용하도록 구성된 외측 표면; 및
상기 외측 표면에 결합되고, 유체의 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되며, 유체 입구와 유체 출구를 포함하고, 조파 항력을 감소시키기 위해 내부 유체 유동을 조작하도록 구성된 채널;을 포함하며,
상기 채널은:
상기 유체 입구의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되며 상기 채널 내부의 유체 유동의 속도와 압력을 변경시키도록 더 구성된 제1 유체 조작 장치("FMA");
상기 제1 FMA의 하류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성된 압력 억제 장치(pressure containment apparatus)("PCA"); 및
상기 PCA의 하류와 상기 유체 출구의 상류에서 내부 유체 유동을 수용하도록 구성되고, 내부 유체 유동의 속도와 압력을 더 변경시키도록 구성된 제2 FMA;를 포함하며,
자유 스트림(free stream)은 자유 스트림 내부의 조파의 조파 속도보다 더 큰 자유 스트림 속도를 가지는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 수렴 덕트(converging duct)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 수렴 발산 덕트(converging diverging duct)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 발산 덕트(diverging duct)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 프로펠러 또는 추력 발생 장치를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 FMA 및/또는 제2 FMA는 물체력(body force) 발생 장치를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유체는 압축 가능한, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 유체는 공기, 질소, 또는 이산화탄소를 포함하는 기체인, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 압력을 증가시키도록 구성되는, 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 아음속 유체 속도로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 천음속으로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제1 FMA는 내부 유체 유동을 낮은 초음속으로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 압력을 감소시키도록 구성되는, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도와 실질적으로 동일한 속도로 가속시키도록 구성되는, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 큰 속도로 가속시키도록 구성되는 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 더 작게 가속시키도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유체는 실질적으로 압축할 수 없는, 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 유체는 물을 포함하는, 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 제1 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 가속시키고 내부 유체 유동의 압력을 감소시키도록 구성됨으로써, 동등한 자유 스트림 단면적과 비교하여 상기 제1 FMA을 떠나서 상기 PCA로 들어가는 내부 유체 유동의 단면적을 감소시키는, 시스템. - 제19항에 있어서,
상기 제1 FMA는 상기 시스템을 포함하는 운송체(vehicle)상의, 조파 항력을 포함하는, 전체 항력이 감소되도록 내부 유체 유동을 가속시키도록 구성되는, 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 제2 FMA는 자유 스트림에 대해 내부 유체 유동을 감속시키고 내부 유체 유동의 압력을 증가시키도록 구성됨으로써, 상기 제2 FMA를 떠나는 내부 유체 유동의 단면적을 증가시키는, 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도의 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 큰 속도로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 제2 FMA는 내부 유체 유동을 자유 스트림 속도보다 작은 속도로 감속시키도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PCA는 상기 PCA 내부의 내부 유체 유동과 상기 외측 표면 외부의 자유 스트림 사이의 압력 차이를 유지하도록 구성되는, 시스템. - 제25항에 있어서,
상기 PCA는 원형, 직사각형, 타원형, 또는 다각형 단면 및/또는 직선부, 굽힘부(bend), 엘보우 조인트, 또는 턴(turn)을 가진 채널을 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PCA는 양력을 발생시키며 상기 PCA 내부의 유체로 순 운동량(net momentum)을 전달하도록 구성된 날개를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PCA는 동체(fuselage)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PCA는 의도적인 운동량 운반 장치, 의도적인 운동량 발산(shedding) 장치, 터보샤프트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보제트 엔진, 램제트(ramjet), 추력 장치, 항력 장치, 펌프 제트, 프로펠러, 또는 애프터버너(afterburner)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PCA는 제1 추력 장치와 제2 추력 장치를 포함하며,
상기 제1 추력 장치는 공칭 작동 요건(nominal operating requirement) 중에 국부적인 자유 스트림에 제1 유도 속도를 부여하도록 구성되고, 상기 제1 추력 장치는 유관(streamtube)을 생성하며,
상기 제2 추력 장치는 상기 유관의 하류 부분에 배치되고, 상기 제2 추력 장치는 국부적인 자유 스트림에 제2 유도 속도를 부여하도록 구성되며, 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제2 유도 속도는 상기 제2 추력 장치의 위치에서 제1 유도 속도의 방향과는 반대 방향의 성분을 가지는, 시스템. - 제30항에 있어서,
상기 제1 또는 제2 추력 장치는 프로펠러를 포함하는, 시스템. - 제30항에 있어서,
하나의 추력 장치에 의해 추출된 동력의 적어도 부분은 다른 추력 장치에 동력을 공급하도록 유도되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 외측 표면과 내측 표면 사이의 부피는 운송체의 적어도 부분을 포함하며, 상기 외측 및 내측 표면들은 자유 스트림 유동에서 조파 항력의 영향을 감소시키도록 구성되는, 시스템. - 제33항에 있어서,
상기 외측 표면은 자유 스트림 유동 라인들에 실질적으로 평행한, 시스템. - 제33항에 있어서,
상기 외측 표면은 환형 실린더를 포함하며, 상기 제1 FMA는 상기 실린더의 상류 단부에 배치되고, 상기 제2 FMA는 상기 실린더의 하류 단부에 배치되는, 시스템. - 제35항에 있어서,
상기 운송체의 외측 표면은 테이퍼형 실린더의 형상이며, 상기 실린더의 반경은 하류 방향으로 감소하는, 시스템. - 제33항에 있어서,
상기 외측 표면의 단면적은 자유 스트림 방향에서 보았을 때 원형, 타원형, 직사각형, 또는 다각형인, 시스템. - 제33항에 있어서,
상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력 없이 수직으로 이륙하고 공칭 작동하도록 구성되는, 시스템. - 제33항에 있어서,
상기 운송체는 상당한 양의 조파 항력을 유도함이 없이 레벨 순항(level cruise)에서 아음속 및/또는 초음속으로 비행하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 외측 표면과 내측 표면은 의도적인 운동량 운반 장치를 형성하고;
상기 시스템은 경계 장치(boundary apparatus)도 포함하며;
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 의도적인 운동량 운반 장치(IMCA)에 의해 자유 스트림 속도에 대해 감소되는, 시스템. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 유동 속도의 감소는 국부적인 자유 스트림 유체 내부에서 조파 속도보다 높은 유동 속도들로의 감소인, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 국부적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도와 실질적으로 동일한 속도로 감소되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 국보적인 자유 스트림 내부에서 조파 속도보다 작은 속도로 감소되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 초음속인 속도로 감소되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 천음속(transonic)인 속도로 감소되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 속도는 상기 경계 장치의 국부적인 자유 스트림 내부에서 아음속인 속도로 감소되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치는 동체 또는 선박의 선체를 포함하는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치는 날개를 포함하는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치는 순 유도 속도를 제3 FIA의 원방 후류(far wake)로 전달하도록 구성된 제3 FMA를 포함하며, 상기 제3 FMA의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 제3 FIA의 상류, 하류, 및 부근에서 상기 채널에 의한 국부적인 자유 스트림의 속도 감소에 기인하여 자유 스트림 속도보다 작은 국부적인 자유 스트림 속도로 상기 채널 내부에 위치하는, 시스템. - 제49항에 있어서,
상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 상기 제3 FMA의 하류의 상기 PCA 내부에서 국부적인 자유 스트림 유동에 대해 직각인 비-제로의 순 성분을 가지는, 장치. - 제50항에 있어서,
상기 제3 FIA는 날개이고 공칭 레벨 순항(nominal level cruise) 작동 중에 양력을 발생시키도록 구성되며, 상기 날개의 원방 후류의 적어도 부분은 상기 채널 내부에서 감소된 국부적인 자유 스트림 유동의 영역 내부에 위치하고, 상기 날개의 원방 후류는 상기 채널의 출구의 외부 및 하류의 자유 스트림까지 연장되는, 장치. - 제51항에 있어서,
날개 길이(wingspan)는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 절반보다 작은, 시스템. - 제51항에 있어서,
날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/4보다 작은, 시스템. - 제51항에 있어서,
날개 길이는 상기 날개의 위치에서 상기 채널의 유효 직경의 1/10보다 작은, 시스템. - 제49항에 있어서,
상기 제3 FIA에 의해 상기 제3 FMA의 원방 후류로 전달되는 유도 속도는 국부적인 자유 스트림 유동에 평행한 비-제로의 순 성분을 가지는, 장치. - 제55항에 있어서,
상기 제3 FIA는 동체 또는 프로펠러이며, 공칭 레벨 순항 작동 중에 추력 또는 항력을 발생시키도록 구성되는, 장치. - 제40항에 있어서,
상기 경계 장치는 상기 IMCA의 선행 및 후행 에지들에 의해 형성된 유관 내부에 위치하는, 장치. - 운송체(vehicle)의 조파 항력을 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은:
제1 유체 조작 장치("FMA")를 제공하는 단계;
제2 FMA를 상기 제1 FMA의 하류 유관 내부에 적어도 부분적으로 제공하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 FMA 둘 다를 통과하는 유관을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성된 압력 억제 장치("PCA")를 제공하는 단계;를 포함하는 방법. - 제58항에 있어서,
상기 유체는 압축 가능하며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시키도록 구성되며, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시키도록 구성되며, 상기 방법은 자유 스트림 유동과 비교하여 더 낮은 속도와 더 높은 압력 유동 체제에서 양력이 발생하도록 상기 PCA 내부에 날개를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제58항에 있어서,
상기 유체는 압축할 수 없으며, 상기 제1 FMA는 상기 유체를 가속시키고 상기 유체의 압력을 감소시키도록 구성되며, 상기 제2 FMA는 상기 유체를 감속시키고 상기 유체의 압력을 증가시키도록 구성되며, 상기 방법은, 운송체에 의해 더 작은 조파 항력이 발생되도록, 상기 제1 FMA로부터 상기 제2 FMA로 운송체를 통해 상기 PCA를 통해 낮은 압력 및 작은 단면적 유동을 수송하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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