特開 2024-48305 衝撃波検知システム、衝撃波検知方法及び航空機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024048305

(43)【公開日】2024-04-08

(54)【発明の名称】衝撃波検知システム、衝撃波検知方法及び航空機

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/18 20060101AFI20240401BHJP

   G01P 5/00 20060101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

G01P5/18 F

G01P5/00 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022154275

(22)【出願日】2022-09-27

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100136504

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 毅彦

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 良亮

(72)【発明者】

【氏名】高谷 亮太

(57)【要約】

【課題】多数のデバイスを配置することなく衝撃波の位置を検出できるようにすることである。
【解決手段】実施形態に係る衝撃波検知システムは、衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射する光線発射器と、前記空気を通過した前記光線を受信する光線受信器と、前記光線受信器による前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出する解析装置とを備えるものである。また、実施形態に係る衝撃波検知方法は、衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射するステップと、前記空気を通過した前記光線を受信するステップと、前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出するステップとを有するものである。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射する光線発射器と、
前記空気を通過した前記光線を受信する光線受信器と、
前記光線受信器による前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出する解析装置と、
を備える衝撃波検知システム。

【請求項2】

前記解析装置は、前記光線が通過する前記衝撃波の位置の時間変化に対応する前記光線の前記受信位置の時間変化に基づいて、前記衝撃波の位置の時間変化を検出するように構成される請求項１記載の衝撃波検知システム。

【請求項3】

波長が７４０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満のレーザ光を前記光線発射器から発射し、
複数の光検出素子を２次元配列した光線受信器で前記レーザ光を受信することによって前記レーザ光の受信位置の時間変化を検出するようにした請求項１記載の衝撃波検知システム。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の衝撃波検知システムを備えた航空機。

【請求項5】

衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射するステップと、
前記空気を通過した前記光線を受信するステップと、
前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出するステップと、
を有する衝撃波検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、衝撃波検知システム、衝撃波検知方法及び航空機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音速航空機のエンジンインテーク等に生じる衝撃波の位置を検知するための様々な技術が知られている（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。衝撃波の位置を測定できれば、エンジンに適切な衝撃波が生じるようにエンジンの制御を行うことができる。

【0003】

特許文献１に記載されている衝撃波の位置検出方法は、衝撃波の進行方向に対して垂直にレーザビームを照射し、衝撃波の波面とレーザビームが重なった場合にレーザビームが振られるという現象に着目して、照射したレーザビームの振れ量を測定することによって衝撃波の位置を検出する方法である。また、特許文献２に記載されている手法は、ビデオカメラで色彩分布を観察することによって衝撃波の反射位置を特定する技術である。

【0004】

特許文献２に記載されている手法は、典型的な従来の衝撃波の位置検出方法であり、衝撃波が発生する壁面に圧力孔等の圧力センサを設けて圧力を計測することによって衝撃波の位置を検出する方法である。具体的には、衝撃波が圧力センサを通過する前後において圧力差が生じることを利用して衝撃波の位置が特定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００９－５１６８５５号公報

【特許文献2】特開平０５－１８０６８９号公報

【特許文献3】特開２００６－１５３５４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の衝撃波の位置検出方法で衝撃波の位置を正確に検出するためには、衝撃波が移動する範囲に多数のレーザビームや圧力センサを配置することが必要となる。特に、圧力孔を壁面上に形成すると壁面に段差が生じ、圧力孔近傍における空気の流れ場に影響が及んでしまうという問題がある。空気が超音速で流れる場合には、壁面の段差によって衝撃波が生じ、壁面付近はもちろん、壁面から離れた広い範囲における空気の流れ場に悪影響が及ぶ恐れがある。

【0007】

そこで本発明は、多数のデバイスを配置することなく衝撃波の位置を検出できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の実施形態に係る衝撃波検知システムは、衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射する光線発射器と、前記空気を通過した前記光線を受信する光線受信器と、前記光線受信器による前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出する解析装置とを備えるものである。

【0009】

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した衝撃波検知システムを備えたものである。

【0010】

また、本発明の実施形態に係る衝撃波検知方法は、衝撃波が伝搬する可能性のある空気の流れ方向に対して斜めに光線を発射するステップと、前記空気を通過した前記光線を受信するステップと、前記光線の受信位置の変化に基づいて衝撃波の有無及び位置を検出するステップとを有するものである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る衝撃波検知システムの構成図。

【図2】図１に示す衝撃波検知システムが設けられる超音速航空機の一例を示す図。

【図3】図１に示す光線受信器の構成例を示す平面図。

【図4】典型的な超音速航空機のエンジンに設けられるバイパスの一例を示す図。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る衝撃波検知システムの構成図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施形態に係る衝撃波検知システム、衝撃波検知方法及び航空機について添付図面を参照して説明する。

【0013】

（第１の実施形態）
（衝撃波検知システム及び航空機の構成と機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る衝撃波検知システムの構成図であり、図２は図１に示す衝撃波検知システムが設けられる超音速航空機の一例を示す図である。

【0014】

衝撃波検知システム１は、真空に対する衝撃波Ｓ内の屈折率が衝撃波Ｓ外における真空に対する空気Ａの屈折率と異なることを利用して衝撃波Ｓの有無と位置を検出する光学式のシステムである。このため、衝撃波検知システム１は、光線発射器２、光線受信器３及び解析装置４を有する。また、衝撃波検知システム１は、衝撃波Ｓが伝搬する可能性のある空気Ａの流路５に取り付けられる。位置の検出対象となる衝撃波Ｓは、空気Ａ中を伝搬する圧力波である。

【0015】

衝撃波検知システム１は、例えば、図２に例示されるような超音速航空機１０のエンジン１１に空気Ａを取り込むためのエアインテーク１２に設けることができる。尚、図２に示す例では、エンジン１１が超音速航空機１０の下方に配置されているが、上方に配置されるタイプや胴体の側面に配置されるタイプもある。

【0016】

もちろん、衝撃波Ｓの位置を検出すべき空気Ａの流路５であれば、超音速航空機１０のエアインテーク１２に限らず、超音速航空機１０のエアインテーク１２以外の部分や亜音速航空機等の航空機に衝撃波検知システム１を備えても良い。

【0017】

光線発射器２は、流路５内において衝撃波Ｓが伝搬する可能性のある空気Ａの流れ方向Ｆに対して斜めに光線Ｌを発射する光学装置である。従って、光線発射器２は、光源２Ａを有し、流路５内を流れる空気Ａに向けて光線Ｌを発射できるように流路５の壁面５Ａに配置される。

【0018】

衝撃波Ｓが無い状態では流路５内を流れる空気Ａの屈折率を一定とみなせるため、光線発射器２から発射された光線Ｌは直進する。すなわち、光線Ｌは光線発射器２から発射される光線Ｌの発射方向として空気Ａ内に形成される直線的な光路に沿って空気Ａ内を透過する。

【0019】

これに対して密度分布を有する衝撃波Ｓ内における屈折率は衝撃波Ｓ外における空気Ａの屈折率と異なる。従って、図１に例示されるように光線発射器２から発射される光線Ｌの発射方向として空気Ａ内に形成される直線的な光路を衝撃波Ｓが横切った場合には、光線Ｌが衝撃波Ｓにおいて屈折する。その結果、衝撃波Ｓを通過した光線Ｌは、屈折した光路に沿って空気Ａ内を透過する。つまり、光線発射器２から発射される光線Ｌの発射方向に衝撃波Ｓが存在する場合には、光線Ｌが衝撃波Ｓの屈折率に応じた屈折角で屈折することになる。

【0020】

衝撃波Ｓが流路５の壁面５Ａに沿って空気Ａの流れ方向Ｆに伝搬すると、衝撃波Ｓの位置は時間とともに空気Ａの流れ方向Ｆに変化する。従って、光線Ｌが屈折する位置も時間とともに流れ方向Ｆに変化することになる。このため、衝撃波Ｓが流路５の壁面５Ａに沿って進行している場合には、光線Ｌの経路が時々刻々と変化することになる。従って、流路５の内部で時間的に伝搬経路が変化する光線Ｌを光線受信器３で検出すれば、衝撃波Ｓの位置を検出することが可能となる。

【0021】

衝撃波Ｓの位置が変化した場合に光線Ｌの経路を衝撃波Ｓの位置に応じて変化させるためには、光線Ｌの発射方向と空気Ａの流れ方向Ｆとのなす角度θを鋭角又は鈍角にすることが必要である。すなわち、図１に示す例では、光線Ｌの発射方向と空気Ａの流れ方向Ｆとのなす角度θが鋭角となっているが、鈍角としても良い。尚、光線Ｌの発射方向と空気Ａの流れ方向Ｆとのなす角度θを９０度から差し引いた角度が、衝撃波Ｓへの光線Ｌの入射角となる。

【0022】

光線Ｌの発射方向と空気Ａの流れ方向Ｆとのなす角度θが９０度に近づく一方、衝撃波Ｓへの光線Ｌの入射角が０度に近づくと、光線Ｌが衝撃波Ｓで屈折する角度が小さくなり、光線Ｌの光路の変化量も減少する。その結果、衝撃波Ｓの位置の変化を検出するための分解能が減少する。従って、衝撃波Ｓの位置の変化に対応して光線Ｌの光路が検出可能な程度に十分な変化量で変化するように、衝撃波Ｓへの光線Ｌの入射角を確保することが重要である。

【0023】

逆に衝撃波Ｓへの光線Ｌの入射角が大き過ぎると、衝撃波Ｓを通過した光線Ｌの進行方向が空気Ａの流れ方向Ｆとなってしまう。この場合、衝撃波Ｓを通過した光線Ｌが光線受信器３に到達しないことになる。従って、衝撃波Ｓへの光線Ｌの入射角をスネルの法則（屈折の法則）に基づくシミュレーションや試験によって適切な角度に決定することが重要である。

【0024】

また、衝撃波Ｓの位置を高精度に検出するためには、光線Ｌの広がり、すなわちビーム径の増加をできるだけ少なくし、光線Ｌの位置を高精度に検出することが重要である。このため、光線発射器２から発射される光線Ｌとしてレーザ光を使用することが現実的である。すなわち、光源２Ａとしてレーザ光源を用いることが現実的である。

【0025】

一方、衝撃波Ｓの位置を高感度に検出するためには、衝撃波Ｓにおいてできるだけ大きい角度で光線Ｌを屈折させることに加えて、ノイズとなり得る無関係な光が光線受信器３にできるだけ入射しないようにすることが重要である。そこで、波長が７４０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満の光線Ｌを光線発射器２から発射することができる。波長が７４０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満の光は、波長が３８０ｎｍから７８０ｎｍの光を可視光と定義すると、可視光に分類される。

【0026】

波長が７４０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満の可視光を光線Ｌとして発射する理由は、波長が７８０ｎｍ以上である赤外線は二酸化炭素や水蒸気を含む空気Ａに吸収され易いだけでなくエンジン１１のエアインテーク１２内には熱放射等によってノイズとなり得る赤外線が存在する可能性がある一方、逆に波長が短い可視光は波長が長い可視光に比べて空気Ａに対する屈折率が小さいためである。

【0027】

以上の理由から波長が７４０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満の可視光からなるレーザ光を光線発射器２から発射することが衝撃波Ｓの位置を高精度かつ高感度に検出する観点から好ましい条件であると考えられる。

【0028】

光線受信器３は、衝撃波Ｓの有無を問わず、光線発射器２から発射され、流路５内を流れる空気Ａを通過した光線Ｌを受信可能な位置に配置される。従って、光線受信器３も流路５内を横切った光線Ｌを受光できるように流路５の壁面５Ａに配置される。

【0029】

上述したように光線Ｌの発射位置は固定であるのに対して、光線Ｌの受光位置は衝撃波Ｓの位置が移動することから一定とはならない。具体的には、図１に示すように光線Ｌの発射方向と空気Ａの流れ方向Ｆとのなす角度θが鋭角である場合には、衝撃波Ｓが空気Ａの流れ方向Ｆに進行するにつれて、光線Ｌが屈折する位置が空気Ａの流れ方向Ｆに移動することから、光線Ｌの受光位置については空気Ａの流れ方向Ｆと逆方向に移動することになる。

【0030】

従って、光線受信器３は、衝撃波Ｓの発生と移動によって光線Ｌの受光位置が変化したとしても光線Ｌを受光できるように、空気Ａの流れ方向Ｆに適切な長さの受光エリアを有していることが重要である。具体的には、衝撃波Ｓがどの位置にあっても光線受信器３で光線Ｌを受光できるようにするためには、図１に示すように衝撃波Ｓが存在しない場合における光線Ｌの受光位置と、光線発射器２から発射された直後の光線Ｌが衝撃波Ｓで屈折した場合における光線Ｌの受光位置をカバーできるように、光線受信器３の受光エリアを決定することが必要である。

【0031】

そのためには、空気Ａの流れ方向Ｆに多数の光検出素子を配列した光線受信器３を、光線発射器２に対して相対的に適切な位置に配置することが必要である。また、流路５は空気Ａが流れる３次元の空間を形成するため、厳密には光線Ｌは衝撃波Ｓにおいて３次元的に屈折する。すなわち、衝撃波Ｓの断面位置と、光線Ｌの光路が同一平面上になるとは限らないため、衝撃波Ｓで屈折した光線Ｌの受光位置は、空気Ａの流れ方向Ｆのみならず、空気Ａの流れ方向Ｆに垂直な方向にも振れる可能性が高い。

【0032】

このため、光線受信器３には、複数の光検出素子を２次元的に配列することが現実的である。すなわち、光線受信器３に２次元の光検出面を形成することが現実的である。

【0033】

図３は図１に示す光線受信器３の構成例を示す平面図である。

【0034】

図３に示すように光線受信器３の検出面には、複数の光検出素子３Ａを２次元配列することができる。これにより、光線Ｌが衝撃波Ｓで屈折し、光線Ｌの受光位置が空気Ａの流れ方向Ｆに垂直な方向に変化したとしても、光線受信器３の検出面に２次元配列されたいずれかの光検出素子３Ａで光線Ｌを受光することが可能となる。

【0035】

光線受信器３の各光検出素子３Ａは、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の光電変換素子で構成することができる。光電変換素子は、入射した光を光量に応じた強度の電気信号に変換して出力する素子である。従って、光線受信器３の各光検出素子３Ａからは、入射した光の強度に応じた強度を有する電気信号が光の検出信号として出力される。

【0036】

光検出素子３Ａで検出可能な光の波長の範囲は、光線発射器２から発射される光線Ｌの波長に合わせて決定される。具体例として、７６０ｎｍの可視光からなる光線Ｌが光線発射器２から発射される場合であれば、７６０ｎｍの可視光を感度領域とする光検出素子３Ａが光線受信器３に配列される。

【0037】

波長が７６０ｎｍの光は可視光に分類されるものの、波長が７８０ｎｍから２５００ｎｍとして定義される近赤外線に波長が近い光である。入手が容易な近赤外線用の光検出素子の中には、波長が近赤外線に近い可視光を受光できるものも多い。このため、波長が７６０ｎｍ付近の可視光領域に感度を有する近赤外線用の検出素子を用いて光線受信器３を構成しても良い。

【0038】

解析装置４は、光線受信器３による光線Ｌの受信位置の変化に基づいて衝撃波Ｓの有無及び位置を検出する装置である。そのために、光線受信器３は、各光検出素子３Ａにおいて検出された光の検出信号を解析装置４に出力するように構成される。すなわち、光線受信器３の出力側は、解析装置４と接続される。

【0039】

光線受信器３から出力される光の検出信号は電気信号であることから、解析装置４は、コンピュータ等の電子回路で構成することができる。光線受信器３から出力される光の検出信号がアナログ信号である場合には、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ）変換器も解析装置４に備えられる。もちろん、光線受信器３から出力される光の検出信号を光信号に変換して解析装置４に伝送したり、ノイズフィルタ等の様々な信号処理を行うための信号回路を解析装置４に設けたりしても良い。

【0040】

解析装置４では、図３に例示されるように２次元配列された各光検出素子３Ａにおいて検出された光の検出信号が収集される。具体的には流路５を横切った光線Ｌが入射した光検出素子３Ａからは、入射した光線Ｌの強度に応じた強度を有する光の検出信号が取得される。一方、光線Ｌが入射していない光検出素子３Ａからは、ノイズ相当の強度を有する信号が出力され、光の検出信号が取得されない。

【0041】

従って、光の検出信号が取得された光検出素子３Ａを特定することによって光線Ｌが光線受信器３の検出面に入射した位置を同定することができる。衝撃波Ｓが光線Ｌを横切っていない場合には、光線Ｌは誤差や揺らぎを無視すれば常に同じ光検出素子３Ａに入射すると考えられる。これに対して、衝撃波Ｓが光線Ｌを横切っている場合には、上述したように衝撃波Ｓにおいて光線Ｌが屈折し、衝撃波Ｓの位置に対応して一意に定まる光線受信器３の受光位置において受光される。すなわち、衝撃波Ｓの位置が変化すると、光線Ｌが入射する光検出素子３Ａが変化する。

【0042】

従って、衝撃波Ｓが光線Ｌを横切っていない場合に光線Ｌが入射する光検出素子３Ａの位置をリファレンス位置とし、光線Ｌが入射する光検出素子３Ａが変化した場合には、光線Ｌが入射した光検出素子３Ａの位置の、リファレンス位置からの距離を求めることによって衝撃波Ｓの位置を求めることができる。

【0043】

衝撃波Ｓの位置は、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率をパラメータとする屈折の法則に基づいて求めることができる。空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率は、試験を行って求めたり、文献値を採用したりすることができるが、実際に衝撃波Ｓの屈折率を求めずに、衝撃波Ｓの位置と、光検出素子３Ａの受光面における光線Ｌの受光位置、すなわち、光線Ｌが入射する光検出素子３Ａとの関係を試験によって求めるようにしても良い。実用的な例として、風洞試験で離散的なデータを取得して補間すれば、光線Ｌが入射した光検出素子３Ａの識別情報をパラメータとする関数として衝撃波Ｓの位置を表すことができる。

【0044】

衝撃波Ｓの位置と光線Ｌの受光位置との関係を風洞試験等によって求める場合には、図１に例示されるように、光線Ｌの受光位置を衝撃波Ｓの位置に変換するためのテーブルや関数等の変換情報を衝撃波位置データベース４Ａに保存し、解析装置４に内蔵することができる。換言すれば、解析装置４に備えられる記憶装置内に衝撃波位置データベース４Ａを構築することができる。そうすると、解析装置４では、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率をパラメータとする演算を行うことなく、光線Ｌの受光位置に対応する光検出素子３Ａの識別情報から直接衝撃波Ｓの位置を求めることが可能となる。

【0045】

衝撃波Ｓの位置は時々刻々と変化するため、解析装置４において求められる衝撃波Ｓの位置は、衝撃波Ｓの１次元の座標位置の時間変化を表す時系列データとなる。つまり、解析装置４では、光線Ｌが通過する衝撃波Ｓの位置の時間変化に対応する光線Ｌの受信位置の時間変化を表す信号波形に基づいて、衝撃波Ｓの位置の時間変化が検出される。

【0046】

解析装置４において衝撃波Ｓの位置の時間変化が求められると、求めた衝撃波Ｓの位置の時間変化に基づく航空機の飛行制御を行うことができる。このため、衝撃波Ｓの位置の時間変化が、解析装置４から対応する装置に出力される。

【0047】

実用的な例として、衝撃波検知システム１が図２に例示されるような超音速航空機１０のエンジン１１に設けられる場合であれば、図１に例示されるように空気Ａの流路５を形成するエアインテーク１２内における衝撃波Ｓの位置の時間変化に基づいて、エンジン１１に備えられるタービン２０の回転数を自動調整することができる。

【0048】

より具体的には、エンジン１１には、エンジン１１を制御するためのＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１が備えられており、ＥＣＵ２１からの制御信号によってタービン２０の回転数が制御される。タービン２０の回転数を制御することによってエンジン１１の燃焼器内に供給される空気Ａの流量が調整され、エンジン１１の出力を制御することができる。すなわち、タービン２０の回転数を大きくすると、エンジン１１の燃焼器内に供給される空気Ａの流量が増加するため、エンジン１１の出力を上昇させることができる。

【0049】

ＥＣＵ２１は超音速航空機１０のパイロットによる手動操作によって制御することができるが、パイロットの誤操作によってエンジン１１の出力が不足すると、エアインテーク１２内において衝撃波Ｓの速度や頻度が異常となる。そこで、解析装置４において求められた衝撃波Ｓの位置の時間変化が異常値である場合には、衝撃波Ｓの位置の時間変化が許容範囲となるようにＥＣＵ２１を通じてタービン２０の回転数を増加させ、エンジン１１の出力を最大値等にすることができる。これにより、超音速航空機１０の安全性を向上させることができる。

【0050】

また、衝撃波Ｓの位置の時間変化に基づく制御対象の例として、エンジン１１のエアインテーク１２からダクトに流入した空気Ａから余分な空気Ａを逃がすためのバイパスを流れる空気Ａの流量が挙げられる。

【0051】

図４は、典型的な超音速航空機１０のエンジン１１に設けられるバイパス２２の一例を示す図である。

【0052】

超音速航空機１０の場合、超音速から減速する際に、エンジン１１のエアインテーク１２からダクト２３に流入する空気Ａの流量がエンジン１１に必要な流量より過剰となる。このため、図４に示すように燃焼器に向かうダクト２３の途中に、余分な空気Ａを逃がすためのバイパス２２が設けられる。

【0053】

そこで、衝撃波Ｓの位置の時間変化に基づいて、エンジン１１の回転数だけでなく、バイパス２２を流れる空気Ａの流量を制御することができる。バイパス２２を流れる空気Ａの流量は、バイパス２２に設けられる弁２４の開度をＥＣＵ２１で調整することによって制御することができる。このため、衝撃波Ｓの位置の時間変化に対応する適切な流量の空気Ａがバイパス２２を流れるように弁２４の開度を自動調整することができる。これにより、バズと呼ばれる空気Ａの流れ場の振動現象の発生を抑制し、エンジン１１の推力を安定的に維持することが可能となる。

【0054】

（衝撃波検知方法）
次に図１に例示される衝撃波検知システム１を用いた衝撃波検知方法について説明する。

【0055】

超音速航空機１０のエンジン１１に空気Ａを取り込むためのエアインテーク１２等の流路５を流れる空気Ａを伝搬する可能性がある衝撃波Ｓの位置を衝撃波検知システム１で検知する場合には、図１に例示されるように光線発射器２の光源２Ａから流路５内を流れる空気Ａに向けて、実用的にはレーザ光からなる光線Ｌが連続的に発射される。但し、光線Ｌの発射方向は、空気Ａの流れ方向Ｆに対して傾斜する方向とされる。

【0056】

このため、光線Ｌの照射方向に配置される光線受信器３で、空気Ａを通過した光線Ｌが受信される。光線Ｌが通過する範囲において衝撃波Ｓが空気Ａを伝搬していない場合には、屈折率が一定と見做せる空気Ａを光線Ｌが直進するため、光線Ｌはリファレンス位置にある光検出素子３Ａで検出される。リファレンス位置にある光検出素子３Ａで光線Ｌが検出されると、光線Ｌの検出信号は、解析装置４に出力される。

【0057】

解析装置４では、光線受信器３に２次元配列された複数の光検出素子３Ａのうちのどの光検出素子３Ａから光線Ｌの検出信号が出力されたのかが常時判定される。そして、光線Ｌの検出信号がリファレンス位置にある光検出素子３Ａから出力されたと判定される場合には、流路５内に衝撃波Ｓが生じていないと判定される。

【0058】

一方、光線発射器２から発射された光線Ｌが通過する範囲において衝撃波Ｓが空気Ａを伝搬している場合には、衝撃波Ｓにおいて光線Ｌが屈折し、光線Ｌの進行方向が変化する。このため、光線Ｌはリファレンス位置と異なる位置にある光検出素子３Ａで検出される。従って、リファレンス位置と異なる位置にある光検出素子３Ａから光線Ｌの検出信号が解析装置４に出力される。

【0059】

そうすると、解析装置４では、光線Ｌの検出信号がリファレンス位置以外の位置にある光検出素子３Ａから出力されたと判定される。この場合には、解析装置４が流路５内に衝撃波Ｓが生じたと判定する。そして、衝撃波位置データベース４Ａ内に保存されている、光線Ｌが検出された光検出素子３Ａと、衝撃波Ｓの位置との関係を表す情報が解析装置４により参照される。これにより、衝撃波Ｓの位置が特定される。すなわち、光線Ｌが検出された光検出素子３Ａの識別情報が、衝撃波Ｓの位置に変換される。

【0060】

衝撃波Ｓが空気Ａを伝搬して進行すると、光線Ｌが屈折する位置が変化するため、光線受信器３による光線Ｌの受信位置が変化する。具体的には、光線Ｌを検出する光検出素子３Ａが時間とともに変化する。このため、解析装置４では、光線Ｌの検出信号が出力されたと判定される光検出素子３Ａの識別情報が変化する。従って、解析装置４では、衝撃波位置データベース４Ａを参照することによって、衝撃波Ｓの位置の時間変化を求めることができる。

【0061】

衝撃波Ｓの位置の時間変化が求められれば、衝撃波Ｓの伝播速度を算出することができる。また、複数の衝撃波Ｓの検出時刻の差に基づいて衝撃波Ｓの時間的な発生間隔や発生頻度を求めることもできる。

【0062】

解析装置４で求められた衝撃波Ｓの位置の時間変化はエンジン１１の自動制御に利用することができる。例えば、衝撃波Ｓの位置の時間変化をＥＣＵ２１に出力し、ＥＣＵ２１による制御下において、衝撃波Ｓの位置の時間変化に基づくタービン２０の回転数やバイパス２２を流れる空気Ａの流量の自動調整を行うことができる。

【0063】

（効果）
以上のような衝撃波検知システム１、衝撃波検知方法及び衝撃波検知システム１を備えた超音速航空機１０等の航空機は、衝撃波Ｓで光線Ｌが屈折することを利用して、光線Ｌの受信位置に基づいて衝撃波Ｓの位置を測定するようにしたものである。

【0064】

このため、衝撃波検知システム１、衝撃波検知方法及び衝撃波検知システム１を備えた超音速航空機１０等の航空機によれば、多くの圧力孔や光源等のデバイスを配置することなく衝撃波Ｓの位置を検出することができる。特に、流路の壁面に圧力孔を設けると、壁面の段差によって空気の流れ場に影響が生じてしまうが、光学式とすることにより空気の流れ場に影響を与えずに衝撃波Ｓの位置を検出することができる。

【0065】

加えて、空気Ａの流れ方向Ｆに対して垂直に光線Ｌを発射すると衝撃波Ｓの有無しか検知できないが、空気Ａの流れ方向Ｆに対して斜めに光線Ｌを発射することによって衝撃波Ｓの有無のみならず、衝撃波Ｓの位置の時間変化を検知することができる。また、空気Ａの流れ方向Ｆに対して斜めに光線Ｌを発射することによって、衝撃波Ｓを検出することが可能な領域を広くすることができる。

【0066】

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態に係る衝撃波検知システムの構成図である。

【0067】

図５に示された第２の実施形態における衝撃波検知システム１Ａは、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率が変化しても衝撃波Ｓの位置を検出できるようにセンサユニット３０を設けた点が第１の実施形態における衝撃波検知システム１と相違する。第２の実施形態における衝撃波検知システム１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における衝撃波検知システム１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

【0068】

真空に対する空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率は、雰囲気等によって変化する。空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率の変化に支配的なパラメータとしては、空気Ａの温度、圧力及び湿度の他、空気Ａに含まれる二酸化炭素の濃度や光線Ｌの波長が挙げられる。そこで、予め風洞試験を行ったり、文献値を採用したりすることによって、空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率が依存性を有するパラメータごとに屈折率を求めておくことができる。

【0069】

そして、空気Ａの温度、圧力及び湿度等のパラメータの値の組合せごとに、光線Ｌの受光位置を衝撃波Ｓの位置に変換するためのテーブルや関数等の変換情報を衝撃波位置データベース４Ａに保存することができる。そうすると、空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率が依存性を有するパラメータの値が変化しても、光線Ｌの受光位置に基づいて衝撃波Ｓの位置を求めることが可能となる。

【0070】

尚、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率をパラメータとする屈折の法則に基づく演算によって衝撃波Ｓの位置を計算する場合には、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率が依存性を有するパラメータの値と、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率の値との関係を表すテーブルや関数等の変換情報を風洞試験等によって求め、屈折率データベースとして解析装置４に内蔵することができる。すなわち、衝撃波位置データベース４Ａに代えて屈折率データベースを解析装置４に備えられる記憶装置内に構築することができる。

【0071】

他方、空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率が依存性を有するパラメータの値を測定するためのセンサユニット３０が空気Ａの流路５に設けられる。すなわち、空気Ａの温度、圧力及び湿度を測定するための温度計、気圧計及び湿度計や、空気Ａに含まれる二酸化炭素の濃度を測定するための二酸化炭素濃度計等のセンサ群からなるセンサユニット３０を適切な位置に配置することができる。

【0072】

もちろん、図５に例示されるように１箇所にセンサ群を配置せずにセンサごとに適切な位置に配置することができる。また、流路５に元々備わっているセンサについては衝撃波検知システム１Ａの構成要素として新たに設けずに利用することができる。

【0073】

センサユニット３０の各センサで測定された空気Ａの温度、圧力及び湿度並びに空気Ａに含まれる二酸化炭素の濃度等の各パラメータの測定値は、解析装置４に出力される。このため、解析装置４では、衝撃波位置データベース４Ａを参照することによってセンサユニット３０の各センサで測定されたパラメータの値の組合せに対応する衝撃波Ｓの位置を求めることができる。すなわち、光線Ｌが入射した光検出素子３Ａの識別情報として特定される光線Ｌの受光位置に加えて、空気Ａ及び衝撃波Ｓの屈折率が依存性を有する各パラメータの測定値の組合せに基づいて衝撃波Ｓの位置を求めることができる。

【0074】

或いは、屈折率データベースを参照することによってセンサユニット３０の各センサで測定されたパラメータの測定値の組合せに対応する空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率の値を求めることができる。この場合には、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率の値をパラメータとする屈折の法則に基づく演算によって衝撃波Ｓの位置を求めることができる。

【0075】

また、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率は光線Ｌの波長にも依存性を有することから、衝撃波Ｓの位置を光線Ｌの波長ごとに求めて衝撃波位置データベース４Ａに保存したり、空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率を光線Ｌの波長ごとに求めて屈折率データベースに保存したりすることもできる。

【0076】

そうすると、衝撃波Ｓの位置が検出し易くなるように空気Ａの温度等の条件に応じて光線Ｌの波長を変更することが可能となる。或いは、異なる波長を有する光を重ねて光線Ｌとして発射することも可能となる。そして、解析装置４では、複数の波長の中から選択した波長を有する光線Ｌを検出した光検出素子３Ａの位置及び識別情報に基づいて衝撃波Ｓの位置を求めることができる。

【0077】

以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果に加えて、空気Ａの温度等の変化によって空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率が変化しても衝撃波Ｓの位置の時間変化を検出することができるという効果が得られる。また、衝撃波Ｓの位置や空気Ａに対する衝撃波Ｓの屈折率を光線Ｌの波長ごとに求めれば、衝撃波Ｓの位置検出に使用する光線Ｌの波長を変化させることが可能となる。

【0078】

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

【符号の説明】

【0079】

１、１Ａ 衝撃波検知システム
２ 光線発射器
２Ａ 光源
３ 光線受信器
３Ａ 光検出素子
４ 解析装置
４Ａ 衝撃波位置データベース
５ 流路
５Ａ 壁面
１０ 超音速航空機
１１ エンジン
１２ エアインテーク
２０ タービン
２１ ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
２２ バイパス
２３ ダクト
２４ 弁
３０ センサユニット
Ａ 空気
Ｆ 空気の流れ方向
Ｌ 光線
Ｓ 衝撃波

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】