起動解除

超音速航空力学では、不始動とは超音速気流の一般的に激しい崩壊を指します。この現象は、ダクト内で質量流量が大幅に変化した場合に発生します。不始動を回避することは、マッハ 2.2 を超える速度で巡航する超音速航空機のエンジン空気取り入れ口の設計における重要な目標です。

語源

この用語は、初期の超音速風洞の使用中に生まれました。超音速風洞の「始動」は空気が超音速になるプロセスであり、風洞の非始動はその逆のプロセスです。 ^[1]始動または非始動のプロセス中に発生する衝撃波は、シュリーレン法またはシャドウグラフ法で視覚化できます。

いくつかの文脈では、空気力学的擾乱( AD ) と始動不能という用語は同義語として使われてきました。

航空機エンジンの吸気口

超音速航空機の空気取り入れ口の設計は、超音速風洞の設計に匹敵し、不始動を回避するために慎重な分析が必要です。^[2] 超音速（通常マッハ2～3）では、内部圧縮のある空気取り入れ口は、空気取り入れ口の捕捉面の下流に超音速流が流れるように設計されています。空気取り入れ口の捕捉面を横切る質量流量がエンジンの下流の質量流量と一致しない場合、空気取り入れ口は不始動になります。これにより、空気取り入れ口が再起動されるまで、一時的に激しい制御不能が発生する可能性があります。^[3]

ラムジェット推進ミサイルの多くはそうであるが、吸気ダクト内で超音速圧縮が行われるインテークを装備した航空機はほとんどない。これらのインテークは混合圧縮インテークと呼ばれ、マッハ2.2以上で巡航する航空機に利点がある。^[4]ほとんどの超音速航空機のインテークは外部で空気を圧縮するため始動せず、したがって不始動モードがない。混合圧縮インテークでは、最初の超音速圧縮は外部で行われ、残りはダクト内で行われる。例えば、ノースアメリカンのXB-70ヴァルキリーのインテークは、M3での外部圧縮比（cr）が3.5で、内部crが約6.6で、^[5]亜音速拡散が続いた。ロッキードSR-71ブラックバードとXB-70ヴァルキリーの不始動挙動は広く知られている^[6]^[7]。内部圧縮方式で飛行した他の航空機としては、ヴォートF-8クルセイダーIII、SSM-N-9レグルスII巡航ミサイル^[8]、B-1ランサー^[9]などがある。

コンコルドでは部分的な内部圧縮が検討されたが（1959年の超音速輸送機委員会はマッハ2.2で巡航するためにSSTを推奨していた^[10]）、"衝撃システムの本来の安定性のために外部構成が選択されたが、不始動モードはなかった"。^[11]たとえ内部圧縮が、インテーク内部のランプ境界層ブリードスロット付近の通常の衝撃によって終了したとしても、^[12]インテークは空気力学的に自己補正し、不始動の問題は見られなかった。^[13]B-1ランサーの開発初期に、外部/内部混合インテークが外部インテークに変更され、技術的にはより安全になったが、巡航速度が若干低下した。^[14]その後、複雑さ、重量、コストを削減するために固定インテークが採用された。^[15]

1940年代の研究、例えばオスワティッチ^[16]は、ダクト内の超音速圧縮（超音速ディフューザーと呼ばれる）が、M2～3で外部圧縮で得られる圧力回復を上回るようにするために必要になることを示した。飛行速度が超音速に増加すると、衝撃波システムは最初は外部にある。SR-71ではM1.6からM1.8 ^[17]、XB-70ではM2までであった。^[18]インテークは未始動であると言われている。速度がさらに増加すると、ダクト内に超音速が発生し、スロート付近に飛行機の衝撃波が発生する。インテークは始動していると言われている。突風/大気の温度勾配や、意図的または意図的でない（サージングによる）エンジンの気流変化などの上流または下流の擾乱により、衝撃波がほぼ瞬時に排出される傾向がある。衝撃波の排出はアンスタートと呼ばれ、超音速圧縮のすべてが単一の平面衝撃波を通じて外部で行われる。吸気口は、超音速圧縮の大部分がダクト内で行われる最も効率的な構成から、M3飛行速度で約80％から約20％への圧力回復の大きな損失によって示されるように最も効率の悪い構成に一瞬で変化した。^[19]吸気圧力の大きな低下と推力の損失があり、航空機の一時的な制御不能が発生する。

ダクト圧力の大きな損失を伴う不始動と混同しないように注意すべきなのは、ハンマーショックによるダクト過圧です。^[20] 吸気開始速度以下の速度、または外部圧縮吸気口を備えた航空機では、エンジンサージまたはコンプレッサーストールがハンマーショックを引き起こす可能性があります。吸気開始速度を超えると、吸気システムの設計の複雑さによっては、不始動が失速を引き起こす可能性があります。^[21]ハンマーショックは吸気口に損傷を引き起こしました。たとえば、ノースアメリカンF-107は高速飛行中にエンジンサージを経験し、吸気ランプが曲がりました。コンコルドは開発飛行テスト中に、両方のエンジンがサージした後、1つのナセルに重大な損傷を経験しました。^[22]

意図的な

SR-71で不始動が発生すると、不始動のナセルからの非常に大きな抗力により、極端なローリング/ヨーイングが発生しました。この航空機には、もう一方の吸気口の不始動によって抗力をバランスさせる自動再始動手順がありました。この吸気口にはそれ自体非常に大きな抗力があり、吸気口の前の衝撃波を捉えるためにスパイクが完全に前方にありました。^[23]

回避

M3 からの減速には推力の減少が必要で、エンジンの空気流量が減少すると吸気口が始動しなくなる可能性があります。SR-71 の降下手順では、エンジン流量が減少するとバイパスフローを使用して始動不能の余裕が生まれます。

XB-70の推力低減は、スロットルでアイドルを選択してもエンジンの流量を100% rpmで安定させることで達成されました。これは「rpmロックアップ」として知られ、推力はノズル面積を増やすことで低減されました。コンプレッサー速度は、航空機がM1.5に減速するまで維持されました。^[7]

理論的根拠

より理論的な定義を用いると、アンスタートとは、上流の質量流量が下流の質量流量より大きいダクトで発生する超音速チョーク現象です。亜音速流とは対照的に、質量流量の不一致が上流に徐々に伝播できないため、不安定な流れが生じます。その代わりに、超音速流では、不一致は「通常の」または終端の衝撃波の後ろに運ばれ、突然ガス流が亜音速になります。その結果生じる通常の衝撃波は、流れの不一致が平衡に達するまで、有効音速で上流に伝播します。

不始動を概念化する他の方法も役に立つ。不始動は、超音速ダクト内のよどみ圧の減少という観点からも考えられ、上流のよどみ圧が下流のよどみ圧よりも大きくなる。不始動は、超音速ダクトのスロートサイズが小さくなることでも起こる。つまり、入口スロートが拡散スロートよりも大きくなる。このスロートサイズの変化により、不始動を定義する質量流量が減少する。^[24]

始動不良による窒息反応により、ダクト内に衝撃波が発生します。

衝撃の不安定性またはバズ

特定の条件下では、ダクトの前面またはダクト内の衝撃波が不安定になり、上流と下流で振動することがあります。この現象はバズとして知られています。^[25]低運動量流体または境界層と相互作用する強い衝撃波は不安定になり、バズを引き起こす傾向があります。バズ条件は、十分なマージンが設計に組み込まれていない場合、構造力学によって引き起こされる破損を引き起こす可能性があります。

参考文献

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