The rotor hub fairing system of inverted coaxial rotor system

本発明は、ロータハブフェアリングシステムに関し、詳しくは、高速回転翼航空機の反転同軸ロータシステムの全体の抗力を低減させるように、寸法決めされ、かつ構成された一体型ロータハブフェアリングに関する。

一般に、回転翼航空機のロータハブと関連する空力学的な抗力は、航空機の全抗力のかなりの部分を占め、従来の単一ロータヘリコプタの場合、一般に２５％〜３０％を占める。 反転同軸ロータシステムを有する回転翼航空機の場合、主に、追加のロータハブおよび上側ロータシステムと下側ロータシステムとの間の相互接続シャフトが存在することによって、ロータシステムの抗力が著しく大きくなる。 高速回転翼航空機の場合、反転同軸ロータシステムに起因する増大した抗力によって、比較的大きい動力の損失が生じることがある。

二重反転同軸ロータシステムの空力学的な抗力は、３つの主構成部品、すなわち、上側ハブ、下側ハブ、および相互接続ロータシャフトアッセンブリによって生じる。 抗力の分担比率は、各ハブの抗力がほぼ４０％で、相互接続シャフトアッセンブリの抗力がほぼ２０％である。

従って、反転同軸ロータシステムを有する回転翼航空機に用いて抗力を低減するロータハブフェアリングシステムを提供することが望ましい。

本発明による二重反転同軸ロータシステム用のロータハブフェアリングシステムは、概して、上側ハブフェアリング、下側ハブフェアリング、およびこれらの間に位置するシャフトフェアリングを備える。 ロータハブフェアリングシステムは、ロータシステムの全体の抗力を低減するように、寸法決めされ、かつ構成されている。 また、ロータハブフェアリングシステムは、全体の抗力を低減するために、解析および／または試験に基づいて改良された一体型システムであることが好ましい。 このロータハブフェアリングは、個々の構成要素によって抗力を低減させるというより、抗力を低減させる１つのシステムと見なされる。 ロータハブフェアリングシステムは、表面接合領域における過剰な流れ剥離を最小限に抑えることによって抗力を低減させる。 さらに、一体化設計を導入することにより、ロータシステム構造ごとに界面効果および最適な表面分布を考慮することによって、抗力を低減させる。 交差面にフィレット（ｆｉｌｌｅｔ）を使用することにより、さらに全体の抗力を低減させる。

シャフトフェアリングは、シャフトフェアリング中央部に最小の厚みを有することが好ましい。 シャフトフェアリング中央部の両側に位置し、上側ハブフェアリングおよび下側フェアリングに隣接するシャフトフェアリング外側部は、いずれも、シャフトフェアリング中央部よりも大きな厚みを画定する。 シャフトフェアリング中央部の厚みを小さくすることによって抗力を低減させると共に、シャフトフェアリング外側部の厚みを大きくすることによってハブフェアリング面の流れ剥離を低減させる。

本発明の他の実施例によれば、ロータハブフェアリングシステムは、水平な翼状スプリッタエアフォイルを備え得る。 この翼状スプリッタエアフォイルは、好ましくはシャフトフェアリング中央部で、シャフトフェアリグから延在する。 スプリッタエアフォイルは、抗力と、迎え角変動とに対する感度と、を低減させるエアフォイル輪郭を備える。 スプリッタエアフォイルのエアフォイル形状は、機体および尾翼の振動を減少させる方向に、ロータハブの伴流を特別に調整する固定された又は調整可能な迎え角をもたらすことができる。

本発明のさらに他の実施例によれば、ロータハブフェアリングシステムは、流れ剥離および抗力を低減させるために、上側ハブフェアリングおよび下側ハブフェアリングのそれぞれの後方端の周りで流れを容易にする複数の旋回ベーンを備える。 ロータハブフェアリングシステムは、下側ハブに隣接して位置する複数の旋回ベーン、上側ハブに隣接して位置する複数の旋回ベーンまたはこれらの組合せを備え得る。 上側旋回ベーンは、上側ハブフェアリングに隣接して配置され、上側ハブフェアリングの輪郭に追従するキャンバ（反り）を備えることが好ましく、下側旋回ベーンは、下側ハブフェアリングに隣接して配置され、下側ハブフェアリングの輪郭に追従するキャンバを備えることが好ましい。

従って、本発明は、反転同軸ロータシステムを有する回転翼航空機用の抗力低減ロータハブフェアリングシステムを提供する。

本発明の種々の特徴および利点は、好ましい実施例の以下の詳細な説明および添付の図面から当業者に明らかになる。

図１Ａ，１Ｂは、二重反転同軸ロータシステム１２を有する例示的な垂直離着陸（ＶＴＯＬ）高速回転翼航空機１０を示している。 航空機１０は、二重反転同軸ロータシステム１２と、航空機長軸Ｌとほぼ平行の並進推力をもたらす並進推力システム３０と、を支持する機体１４を備える。 開示の実施例では特定の航空機構成が示されるが、他の機械装置も本発明から恩恵を受ける。

二重反転同軸ロータシステム１２は、上側ロータシステム１６および下側ロータシステム１８を備える。 各ロータシステム１６，１８は、ロータ回転軸Ａを中心として回転できるようにロータハブ２２、２４に取り付けられた複数のロータブレード２０を備える。 複数の主ロータブレード２０は、ハブアッセンブリ２２，２４から実質的に径方向外方に突出し、当業者に知られている任意の方法によって、ハブアッセンブリ２２，２４に接続されている（符号２１で概略的に示す）。 ロータシステム１２と共に用いられるブレード２０の数はいくつでもよい。

航空機客室２８の上方に配置することができる主ギアボックス２６が、ロータシステム１２を駆動する。 選択的な並進推力システム３０は、ロータシステム１６，１８を駆動するのと同じ主ギアシステム２６によって駆動され得る。 主ギアボックス２６は、１つまたは複数（図では２つ）のエンジン（符号Ｅで概略的に示す）によって駆動される。 図示するように、ギアボックス２６は、１つまたは複数のガスタービンエンジンＥと、ロータシステム１２と、並進推力システム３０との間に配置され得る。

並進推力システム３０は、高速飛行用の推力をもたらすために、回転軸Ｔを実質的に水平に、航空機長軸Ｌと平行に配向させて、機体１４の後部に取り付けられるとよい。 並進推力システム３０は、空力学的カウリング３４内に取り付けられた推進式プロペラ３２を備えることが好ましい。

図１Ｂを参照すると、ロータシステム１２は、ロータハブフェアリングシステム３６（好ましくは一体型ロータハブフェアリングシステム）を備える。 ロータハブフェアリングシステム３６は、上側ロータシステム１６と下側ロータシステム１８との間およびその付近で、ロータハブ２２，２４を少なくとも部分的に包み込むように、概ね配置されている。 本出願人は、反転同軸ロータシステム１２に加わる空力学的な抗力の大半が広範囲にわたる流れ剥離に起因する圧力抗力によって占められ、通常、摩擦抗力は、航空機の全抗力の約１０％にすぎないことを見出している。 ロータハブフェアリングシステム３６は、著しい抗力低減を達成することができ、このシステムにおいて広範囲にわたる流れ剥離が大幅に低減する。

ロータハブフェアリングシステム３６は、概して、上側ハブフェアリング３８、下側ハブフェアリング４０、およびこれらの間におけるシャフトフェアリング４２を備える。 ロータハブフェアリングシステム３６は、個別のフェアリング３８，４０，４２の間に生じる干渉効果を低減させ、接合領域における過大な流れ剥離を排除するために、一体化されていることが好ましい（図１Ｃ，１Ｄ参照）。 本明細書で用いる「一体化」という用語は、シャフトフェアリング４２が、上側ハブフェアリング３８と下側ハブフェアリング４０との間の回転界面において、上側ハブフェアリング３８および下側ハブフェアリング４０の各々の輪郭にほぼ追従することを意味する。 ロータハブフェアリングシステム３６は、具体的な設置ごとに干渉効果を考慮して表面分布を最適化することにより、抗力をさらに低減することができる。 加えて、フィレット（ｆｉｌｌｅｔｓ）を含む交差表面部の精緻な表面改質と、界面形状の修正と、を行うことによって、抗力の低減をさらに最適化することができる。

図１Ｅを参照すると、シャフトフェアリング４２は、相対風に対して自由に位置合わせできるように、軸受機構４３Ｕ，４３Ｌ（概略的に示す）を介して反転同軸ロータシステム１２に取り付けられていることが好ましい。 上側軸受４３Ｕおよび下側軸受４３Ｌは、それぞれ、シャフトフェアリング４２の上部および下部に隣接して配置されていることが好ましい。 相対風に対してシャフトフェアリング４２を位置合わせし易くするために、軸受４３Ｕ，４３Ｌが反転して正味の軸受抗力を比較的小さくするように、上側軸受４３Ｕは一方のロータシャフト１２Ｕに取り付けられ、下側軸受４３Ｌは他方のロータシャフト１２Ｌに取り付けられている。

図２Ａを参照すると、ロータハブフェアリングシステム３６の一実施例が示されている。 シャフトフェアリング４２がほぼ砂時計状の形状を有するように、ロータハブフェアリング３６は、上側ロータハブフェアリング３８と下側ロータハブフェアリング４０との間で、シャフトフェアリング中央部４６で厚みが最小になるような厚み分布を有するシャフトフェアリング４２を備えることが好ましい（図２Ｂ）。 上側ハブ３８および下側ハブ４０に隣接するシャフトフェアリング外側部４８は、いずれも、（図２Ｃにも概略的に示すように）シャフトフェアリング中央部４６よりも大きな厚みを有する。 シャフトフェアリング中央部４６の厚みを小さくすることによって抗力を低減させると共に、シャフトフェアリング外側部４８の厚みを大きくすることによって、（図２Ｄに斜線部分として示されるように）流れ剥離の量を低減させ、ハブフェアリングシステム３６に過剰な抗力を生じさせることなく上側ハブフェアリング３８および下側ハブフェアリング４０の流れ剥離を低減させることができる。 当業者であれば、シャフトフェアリングが砂時計以外の他の形状を有する場合にも、本発明の実施例が一貫して行われることを理解されよう。 前述のように、全体の抗力をさらに低減するために、シャフトフェアリング４２は、上側ハブフェアリング３８および下側ハブフェアリング４０と一体化されていることが好ましい。

シャフトフェアリング４２は、上側ハブフェアリング３８および下側ハブフェアリング４０によって画定された周縁部３８ｐ，４０ｐの後方に延在する後縁４４を備える。 この後縁４４は、実質的に圧力抗力を低減させる。 シャフトフェアリング４２は、表面積の増大によって付随する摩擦抗力を増大させるが、圧力抗力の低減によって全体の抗力を著しく低減させることに留意されたい。 シャフトフェアリング４２は、シャフトフェアリング翼弦／ロータハブフェアリング直径（ｃ／Ｄ）に関して、ｃ＝０．９０×Ｄ〜１．２５×Ｄの範囲内、最も好ましくは、ロータハブフェアリング直径（Ｄ）の１１０％〜１２０％の範囲内にある好ましいシャフトフェアリング翼弦長さを画定する。 ピッチ軸Ｐを１／４翼弦（ｃ／４）の位置に定めた場合（図２Ｃ）、ハブ周縁部３８ｐ，４０ｐを越えて延在するシャフトフェアリング長さ（Ｌ）は、以下の式によって画定され得る。

Ｌ＝（０．７５ ^* （ｃ／Ｄ）−０．５） ^* Ｄ
図２Ｃを参照すると、シャフトフェアリング４２は、シャフトフェアリング中央部４６およびシャフトフェアリング外側部４８に沿って、それぞれ、ＮＡＣＡ００２８系翼型に比例したエアフォイル形状と、ＮＡＣＡ００４２系翼型に比例したエアフォイル形状と、を画定することが好ましい。 シャフトフェアリング４２の厚みは、好ましくはパーセント厚み、すなわち厚み／翼弦長さの百分率で表した場合、シャフトフェアリング中央部４６において２４％のパーセント厚みを有し、シャフトフェアリング外側部４８において４２％のパーセント厚みを有する。 しかし、本発明と共に他のエアフォイル形状も用いられ得ることを理解されたい。

シャフトフェアリング４２は、上側ハブフェアリング３８および下側フェアリング４０のそれぞれの圧力抗力を低減させるような対称的な後方厚み分布を備えることが好ましい。 最も好ましくは、シャフトフェアリング４２がピッチ軸Ｐを１／４翼弦（ｃ／４）の位置に定めている。 ピッチ軸Ｐがロータ回転軸Ａと同軸であることが好ましい。

ロータハブフェアリングシステム３６を一体化することによって、シャフトフェアリング４２、上側ハブフェアリング３８、および下側ハブフェアリング４０の間の干渉が最適化され、シャフトフェアリング４２の輪郭およびシャフトフェアリング４２のエアフォイル形状が改良される。 本出願人は、正味の抗力が、従来のハブフェアリングに対して、ほぼ５４％低減され、フェアリングを有しない（露出された）ロータハブシステムに対して、６８％低減される結果を得ている。 さらに、本出願人は、ロータシステム１２の最上領域すなわち上側ハブフェアリング３８およびシャフトフェアリング４２のそれぞれの抗力が、従来のハブフェアリングに対して約６６％低減され、フェアリングを有していないハブに対して約７４％低減される結果を得ている。

図３Ａを参照すると、他のロータハブフェアリングシステム３６Ａが示されている。 このロータハブフェアリングシステム３６Ａは、概して、上側ハブフェアリング３８Ａ、下側ハブフェアリング４０Ａ、およびこれらの間に接続されたシャフトフェアリング４２Ａを備える。 ロータハブフェアリングシステム３６Ａは、シャフトフェアリング４２Ａから延在する水平の翼状スプリッタエアフォイル５０をさらに備える。

スプリッタエアフォイル５０は、上側ハブフェアリング３８Ａと下側ハブフェアリング４０Ａとの間で、シャフトフェアリング４２Ａから延在していることが好ましい。 スプリッタエアフォイル５０は、ロータ回転軸Ａとほぼ直交するピッチ軸５２を画定する。 図２の実施例を参照して説明したような輪郭付けられたシャフトフェアリング中央部分４６が、付加的に利用され得ることを理解されたい。 さらに、前述したように、シャフトフェアリング４２Ａは、全体の抗力をさらに低減するために、上側ハブフェアリング３８Ａおよび下側ハブフェアリング４０Ａと一体化されていてもよい。 また、スプリッタエアフォイル５０は、シャフトフェアリング４２Ａと一体的に形成されていてもよい。

スプリッタエアフォイル５０は、ロータハブフェアリングシステム３６Ａの下に生じることが予期される抗力と、迎え角変動に対する感度と、を低減させるエアフォイル輪郭を備えることが好ましい。 スプリッタエアフォイル５０は、ロータハブフェアリング３８Ａ，４０Ａの後方周縁部の付近にピーク厚みを画定することが好ましい（図３Ｂ）。 すなわち、スプリッタエアフォイル５０は、翼弦中央部付近に最大厚みを有するエアフォイル形状を備える。 スプリッタエアフォイル５０は、シャフトフェアリングの後縁４４Ａから後方に延在するスプリッタエアフォイルの後縁５４を備え得る。

スプリッタエアフォイル５０のエアフォイル形状は、上側ハブフェアリング３８Ａおよび下側ハブフェアリング４０Ａの輪郭と関連して形状付けられていることが好ましい。 また、スプリッタエアフォイル５０は、周方向において、ロータハブフェアリングの周縁部３８Ａｐ，４０Ａｐと類似するように輪郭付けられているとよい（図３Ｃ，３Ｄ）。 縁全体の抗力を低減させるために、スプリッタエアフォイルの先端５５は、ロータハブフェアリング周縁部３８Ａｐ，３８Ａｐに関する自由流とほぼ一致するように整列していることが好ましい。 すなわち、スプリッタエアフォイル５０は、上側ハブフェアリング３８Ａおよび下側ハブフェアリング４０Ａの周縁部３８Ａｐ，４０Ａｐを越えて著しく延在してはいない。

スプリッタエアフォイル５０は、その迎え角を特別に調整することによって、ロータハブフェアリングシステム３６Ａによって生じる伴流の軌道を指示するように、寸法決めされ、かつ構成されているとよい。 スプリッタエアフォイル５０のエアフォイル形状は、固定された又は調整可能な迎え角が、機体１４および尾翼の振動への影響を低減する方向にロータハブの伴流を特に調整することを助長する。 スプリッタエアフォイル５０は、ピッチ軸５２（図３Ｂ）に沿って、航空機の長手方向軸Ｌ（図１Ａ）に対して所定の迎え角に調整されることが好ましい。 代替的または付加的に、特定の飛行航程に応じて、ピッチ軸５２を中心としてスプリッタエアフォイル５０を積極的に関節動作により動かしてもよい。

スプリッタエアフォイル５０は、流れ剥離を低減させるために、有効面積を縮小し、かつ上側ハブフェアリング３８Ａおよび下側ハブフェアリング４０Ａと隣接するロータハブフェアリングシステム３６Ａの後方部分を流れる気流を増大させる。 また、スプリッタエアフォイル５０は、有効拡散流量を低減させ、これによって、上側ハブフェアリング３８Ａおよび下側ハブフェアリング４０Ａ上の望ましくない流れ剥離を低減させる（図３Ｅ）。 スプリッタエアフォイル５０の位置、大きさ、配置、および平面形状は、上側ロータハブフェアリング３８Ａおよび下側ロータハブフェアリング４０Ａの剥離流れを低減させ、これによって、全体の抗力低減を改良するように、最適化されることが好ましいことを理解されたい。 全体の抗力を低減させるために、スプリッタエアフォイル５０を他のシャフトフェアリング設計およびフィレットと組み合わせて用いてもよい。

図４Ａを参照すると、他のロータハブフェアリングシステム３６Ｂが示されている。 このロータハブフェアリングシステム３６Ｂは、概して、上側ハブフェアリング３８、下側ハブフェアリング４０Ｂおよびこれらの間のシャフトフェアリング４２Ｂを備える。 ロータハブフェアリングシステム３６Ｂは、シャフトフェアリング４２Ｂからシャフトフェアリング４２Ｂの後縁４４Ｂに隣接する位置まで延在する複数の旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌをさらに備える。 旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌは、シャフトフェアリング４２Ｂのシャフトフェアリングの外側部分４８Ｂから延在していることが好ましい。 すなわち、上側旋回ベーン６０Ｕおよび下側旋回ベーン６０Ｌは、それぞれ上側ハブフェアリング３８Ｂおよび下側ハブフェアリング４０Ｂに向かって付勢されている。 本発明は、複数の上側旋回ベーン６０Ｕおよび複数の下側旋回ベーン６０Ｌの両方を有するものとして、図示され、記述されているが、これは必須ではなく、ロータハブフェアリングシステム３６Ｂは、単一対の上側旋回ベーン６０Ｕまたは単一対の下側旋回ベーン６０Ｌを備え得ることを理解されたい。 さらに、ロータハブフェアリングシステム３６Ｂは、図２の実施例を参照して説明したような輪郭付けられたシャフトフェアリング中央部４６を含み得る。 さらに、前述のように、シャフトフェアリング４Ｂは、全体の抗力をさらに低減させるために、上側ハブフェアリング３８Ｂおよび下側ハブフェアリング４０Ｂと一体化されていてもよい。 さらに、旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌは、シャフトフェアリング４２Ｂと一体的に形成されていてもよい。

旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌは、上側ハブフェアリング３８Ｂおよび下側ハブフェアリング４０Ｂの輪郭と関連して形状付けられていることが好ましい。 上側旋回ベーン６０Ｕは、上側ハブフェアリング３８Ｂに隣接して配置され、上側ハブフェアリング３８Ｂの輪郭に追従するキャンバ（反り）を備えることが好ましく、下側旋回ベーン６０Ｌは、下側ハブフェアリング４０Ｂに隣接して配置され、下側ハブフェアリング４０Ｂの輪郭に追従するキャンバを備えることが好ましい（図４Ｂ，４Ｃ）。 旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌも、周方向において、円形のロータハブフェアリング周縁部３８Ｂｐ，４０Ｂｐ（図４Ｄ）と類似するように輪郭付けられていることが好ましく（図４Ｄ）、ロータハブフェアリング周縁部３８Ｂｐ，４０Ｂｐに追従する円弧状の後縁６２を有することが好ましい。 旋回ベーン先端６４は、縁全体の抗力を低減させるために、ロータハブフェアリング周縁部３８Ｂｐ，４０Ｂｐに関する自由流とほぼ一致するように整列していることが好ましい（図４Ｄ）。 すなわち、先端６４を自由気流と平行に整列させることができるように、旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌが切り取られ、上側ハブフェアリング３８Ｂｐおよび下側ハブフェアリング４０Ｂｐの周縁部を越えて著しく延在している（図４Ｃ）。

上側旋回ベーン６０Ｕおよび下側旋回ベーン６０Ｌは、互いに鏡像関係にある非対称なエアフォイル形状であってもよい。 対応するハブフェアリングの面に最も近いベーンの表面が、旋回ベーンの後縁６２に向かう方向に面積の膨張を許容しつつ、自由気流の方向へとハブフェアリングの表面に沿って追従するように、旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌが配向される。 旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌと、上側ハブフェアリング３８Ｂおよび下側ハブフェアリング４０Ｂの各々の内面との間の領域は、過剰な拡散および流れ剥離を避けるように、徐々に増大する。

旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌは、上側ハブフェアリング３８Ｂおよび下側ハブフェアリング４０Ｂのそれぞれの後方領域の周りの流れを容易にし、流れ剥離および圧力抗力を低減させる（図４Ｅ）。 旋回ベーン６０Ｕ，６０Ｌの端部から発生する翼端渦が、流れ剥離をさらに遅らせる。

「前方」、「後方」、「下側」、「上方」、「下方」などの相対的な位置を表す用語は、乗物の通常の運転姿勢に基づくものであり、それ以外に制限するものではないことを理解されたい。

例示的な実施例において、特定の部品配列を開示したが、他の部品配列であっても、本発明から恩恵を受けることを理解されたい。

特定のステップ順序が示され、記述され、特許請求されているが、これらのステップは、特に示されない限り、分けられたり組み合わされて行われてもよく、なおも本発明から恩恵を受けることを理解されたい。

以上の説明は、ここで述べた制限事項によって限定されるものではなく、例示にすぎない。 本発明の多くの修正および変更が、上記の示唆に照らして可能である。 本発明の好ましい実施例について開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることを認めるであろう。 従って、特許請求項の範囲内において、本発明は、ここに具体的に述べたのと別の態様で実施され得ることを理解されたい。 この理由から、本発明の特許請求の範囲および内容を決定するに、請求項を検討されたい。

本発明と共に用いられる例示的な回転翼航空機の概略図。

本発明と共に用いられる例示的な回転翼航空機の概略図。

本発明により設計された一体型ロータハブフェアリングシステムの側面図。

図１Ｃの線Ｄ−Ｄに沿った一体型ロータハブフェアリングシステムの断面図。

本発明により設計された一体型ロータハブフェアリングシステムの部分的な透視側面図。

一体型ロータハブフェアリングシステムの斜後方透視図。

図２Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの後面斜視図。

図２Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムのシャフトフェアリングに用いられるエアフォイル形状の概略図。

計算によって得られた図２Ａのロータハブフェアリングシステムに生じる全圧力曲線を示す図。

スプリッタエアフォイルを有する他の一体型ロータハブフェアリングシステムの斜上方透視図。

図３Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの側面図。

図３Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの正面図。

図３Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの背面図。

計算によって得られた図３Ａのロータハブフェアリングシステムに生じる全圧力曲線を示す図。

複数の旋回ベーンを有する他の一体型ロータハブフェアリングシステムの斜後方透視図。

図４Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの斜下方透視図。

図４Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの後面透視図。

上側ハブフェアリングを取り除いた図４Ａの一体型ロータハブフェアリングシステムの上面図。

計算によって得られた図４Ａのロータハブフェアリングシステムに生じる全圧力曲線を示す図。