超音速翼

超音速翼型とは、超音速において効率的に揚力を発生させるように設計された断面形状です。このような設計は、航空機が超音速飛行領域で安定して運航することが求められる場合に必要となります。

超音速翼型は、一般的に、角度のついた平面または対向する円弧（それぞれ「ダブルウェッジ翼型」および「バイコンベックス翼型」と呼ばれる）で形成された薄板断面を持ち、非常に鋭い前縁と後縁を備えています。これらの鋭いエッジは、翼が空気中を移動する際に、翼の前方に剥離した弓状衝撃波が形成されるのを防ぎます。[ 1 ]この形状は、広い迎え角範囲にわたって流れの剥離を低減するために丸みを帯びた前縁を持つことが多い亜音速翼型とは対照的です。[ 2 ]丸みを帯びたエッジは、超音速飛行において鈍い物体として振る舞い、弓状衝撃波を形成し、波動抵抗を大幅に増加させます。翼型の厚さ、キャンバー、迎え角を変化させることで、周囲の気流の方向にわずかな偏向が生じる設計が実現されています。[ 3 ]

ドラッグ

超音速状態では、航空機の抗力は次のような原因で発生します。

  • せん断による皮膚摩擦抵抗。
  • 厚さ（または体積）による波抵抗またはゼロ揚力波抵抗
  • 揚力による抗力

したがって、超音速翼の抗力係数は次の式で表されます。

C D = C D,摩擦+ C D,厚さ+ C D,揚力

実験データにより、この式は次のように簡略化されます。

C D = C D,O + KC L 2 ここで、C DO はC (D,friction ) とC D,thicknessの合計であり、超音速流のkはマッハ数の関数です。[ 3 ]スキン摩擦成分は、航空機のボディの表面に限りなく近い粘性境界層の存在から生じます。境界壁では、速度の法線成分はゼロであるため、滑りがない微小領域が存在します。ゼロ揚力の波動抵抗成分は、定常超音速流中の航空機の波動抵抗が、一連の等価回転体の平均に等しいことを示す超音速領域則に基づいて得ることができます。回転体は、方位角で航空機の遠い点から前部マッハコーンの接線が航空機を切ることによって定義されます。この平均は、すべての方位角にわたっています。[ 4 ]揚力成分による抗力は、揚力解析プログラムを用いて計算されます。翼設計プログラムと揚力解析プログラムは、設計と揚力解析の直接問題または逆問題を解く、別々の揚力面法です。

超音速翼の設計

超音速流の異常な条件に関する長年の研究と経験から、翼型設計に関する興味深い結論がいくつか得られました。長方形の翼を考えると、翼上の座標 (x,y) の点 P における圧力は、点 P から放射される上流マッハ コーン内の点で発生する圧力擾乱によってのみ定義されます。 [ 3 ]その結果、翼端は、それ自体の後方マッハ コーン内の流れを変更します。翼の残りの領域は、翼端による変更を受けないため、2 次元理論で解析できます。任意の平面形状に対して、超音速の前縁と後縁は、翼端に垂直な自由流速度の成分が超音速になる翼端の部分です。同様に、亜音速の前縁と後縁は、翼端に垂直な自由流速度の成分が亜音速になる翼端の部分です。

デルタ翼には超音速の前縁と後縁があり、対照的にアロー翼には亜音速の前縁と超音速の後縁があります。

超音速翼を設計する際には、衝撃波と膨張波という2つの要素を考慮する必要があります。[ 5 ]翼に沿ったさまざまな場所で衝撃波または膨張波が発生するかどうかは、局所的な流れの速度と方向、および翼の形状によって異なります。

まとめ

超音速航空機の空力効率は、鋭い前縁と後縁を持つ薄肉翼型によって向上します。前縁が亜音速となる後退翼は、超音速域における波動抵抗成分を低減できるという利点があります。しかし、実験では、翼表面で流れが剥離するため、理論的な利点が必ずしも得られないことが示されています。ただし、これは設計要因によって修正可能です。超音速航空機では、ダブルウェッジ翼型とバイコンベックス翼型が最も一般的に使用されています。

参照

参考文献

  1. ^ Courant & Friedrichs.超音速流と衝撃波. 357-366ページ. 第1巻. ニューヨーク: Inter science Publishers, inc, 1948
  2. ^ザッカー、ロバート、ビブラーズ、オスカー。気体力学の基礎、226:229 ページ。第 2 版。 ISBN 0-471-05967-6ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社
  3. ^ a b cベルタン、ジョン、スミス、マイケル。エンジニアのための空気力学。第3版。プレンティス・ホール。ISBN 0-13-576356-8プレンティスホール。
  4. ^ウッドハル、ジョン. 「超音速空気力学：揚力と抗力」コロラド大学. RTO AVT超音速航空機の流体力学研究コースで発表された論文
  5. ^ジョン・D・ジュニア・アンダーソン (2016 年 3 月 21 日)。空気力学の基礎(第 6 版)。ニューヨーク州ニューヨーク州。ISBN 978-1-259-12991-9. OCLC  927104254 .{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
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