JP2008534368A - 航空機の周囲の乱気流を測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機の周囲の乱気流を測定する方法と装置に関する。この装置(１)は、航空機に搭載され、航空機の飛行中、航空機の外側の周囲で１２回の空気速度測定を行なうようになされているライダ(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)を含む測定システム(２)であって、この測定システム(２)は各測定毎に、３つの所定軸に従って４つの異なる測定点で１２回の測定を行うものと、中央ユニット(３)であって、上記の測定システム(２)によって出された測定と、１２個の変数に基づいて空気速度領域を記述する一次式モデルとにより、航空機の周囲に存在し、乱気流を示す空気速度領域を決定するものとからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機、特に、輸送用飛行機の周囲の乱気流を測定する方法と装置に関する。

特に、これに限定するものではないが、測定された乱気流は、航空機の設計中あるいは飛行前に研究室で飛行機の特性をテストするために用いられるシミュレーション・モデルを有効化する、特に複数個の理論的モデルから最も有効なモデルを選択するのに使用できる。

そのような使用のためには、勿論、なされた測定は特に正確で確実である必要がある。

航空機を取り巻く環境での空気力学的速度領域(あるいは乱気流領域)の自然な不均質に加えて、しばしば数十メータに亘って、航空機の通過により生じる、航空機に近接するこの領域での乱流もあることは既知である。この乱流は航空機が通過した結果生じて持続し、勿論正確な測定を困難にする。

本発明は、航空機、特に、輸送航空機の周囲の乱気流を測定するための、効果的で、確実な方法に関し、上記の欠点を解消することのできるものである。

本発明によれば、上記の方法は、
a) 航空機の飛行中、航空機を取り巻く環境における空気力学的速度を、航空機に搭載されているライダーにより１２回測定し、この測定は４つの異なる測定点で、各測定毎に３つの所定の軸に従ってなされ、
b) 上記の１２回の測定と、１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の所定数式モデルとにより、航空機の環境に存在し、乱気流を示す空気力学的速度領域が決定される。

よって、本発明により、特に、正確で確実な乱気流の測定がえられる。即ち、
一方では、ライダーを用いていることにより、種々の測定点は以下のように航空機から離れており、よって航空機の通過により乱されない領域での測定ができ、よって実際の乱気流を測定でき、
他方、乱気流を測定するのに用いられる(１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の)上記数式モデルは、現実に対応する、空気力学的速度領域が均一ではないという仮説を考慮する。他方、このモデルは空気力学的速度領域の第１変数が均一であるという仮説を考慮し、これにより(３個の構成要素と９個の第１変数からなる)１２個の変数の使用を前提とする。

乱気流は、不均一な空気力学的速度領域によるものであり、それ故、その中の流体フィラメントがその独自性を保持する代わりに混同する流れにより空気が無秩序に攪拌されることを示すことは既知である。

更に、ライダーは、一般にレーダから放出される光学的発光放射線を障害物に反射させてその障害物の位置と距離を決定できる装置であることは既知である。”ライダー”の言葉は“Light Detection And Ranging”の表現の略語に由来する。ライダーの原理は無線電気領域に応用される原理の発光あるいは光学領域への転換に依存する。

望ましい方法では、各ライダーは、それぞれ上記の３つの所定軸に従って空気力学的速度の３つの構成要素が割り当てられている測定点で、各測定構成要素に対し、この測定点の周りの所定の容積内に存在する粒子によって放出および後方散乱されるレーザ・ビームのドップラー効果の測定をして、測定をなす。

第1実施例の工程ａ）では、４つのライダーが用いられ、各ライダーは上記の４つの測定点の１つで測定をなし、第２の好ましい実施例では、３つのライダが用いられており、そのうちの２つは上記の測定点の１つで各測定をなし、第３のライダが航空機の飛行中２つの連続する瞬間において測定をなし、よって上記の残りの２つの測定点に対応する２つの異なる測定点で測定できる。

本発明の構成内では、上記のライダーは(選択された位置が相互に異なるという条件下で)上記の測定をなすことができる位置であれば、航空機のどの位置にも配置されることができる。然し、上記の第２の好ましい実施例に応用される特定の実施例では、上記のライダーはそれぞれ、航空機の右前方第１の丸窓、左前方第１の丸窓および翼に配置される。

更に、望ましい方法では、上記の所定軸は航空機に依存し、前方に向けられている。よって、用いられる基準枠は航空機に連携されている。

本発明は、又、航空機の周囲の乱気流を測定する装置にも関する。

本発明によれば、上記の装置は、
航空機に搭載されているライダーからなる測定システムであって、航空機の飛行中、航空機を取り巻く環境における空気力学的速度を、１２回測定し、この測定システムは４つの異なる測定点で、各測定毎に３つの所定の軸に従って測定をなすものと、
中央ユニットであって、上記の測定システムによってなされた測定と、１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の所定数式モデルとにより、航空機の環境に存在し、乱気流を示す空気力学的速度領域を決定するものとからなる。

第１の実施例では、上記の中央ユニットは航空機に搭載され、航空機の飛行中乱気流を測定する。

第２の好ましい実施例では、本発明による装置は更に上記の測定システムによってなされた測定をデータベースに記録するための記録手段を備え、上記の中央ユニットは、飛行中上記のデータベースに記録された測定により飛行後地上で乱気流を決定する。

更に、上記の測定システムは、
各ライダーが上記の４つの測定点で測定をなす、４つのライダーを備えるか、
３つのライダーを備えるのが望ましい。この３つのライダーを備える場合、そのうちの２つは上記の測定点の１つで各測定をなし、第３のライダが航空機の飛行中２つの連続する瞬間において測定をなし、よって上記の残りの２つの測定点に対応する２つの異なる測定点で測定できる。この実施例では、上記のライダはそれぞれ、航空機の第１の右前方の丸窓、第１の左前方の丸窓および翼に配置されるのが望ましい。

添付の１つの図面により本発明が実施される方法を明確にする。この図は本発明による測定装置の略図である。

上記図に略示された本発明による装置１は航空機(図示略)、特に、輸送航空機の環境における乱気流を測定することを意図したものである。乱気流は、空気の平均作動に、連続的に変換する無秩序の動作が重ねられて構成された攪拌に対応することは既知である。乱気流とは雲の内部あるいは近辺で出会う(例えば、反対方向に向く気流が共存する嵐の雲のような)ものである。晴れた空にも乱気流は地上近くあるいは、特に、ジェット・ストリームに近接する非常に高い高度にも存在する。

本発明によれば、上記の測定装置１は、
複数個のライダＬ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４からなる測定システム２からなり、
これらの以下に特記するライダＬ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４は航空機に搭載され、飛行中、空気力学的速度の以下に特記する１２個の測定Ｍ１からＭ１２を行なうことを意図している。これらの測定Ｍ１からＭ１２は航空機の近くだが、少なくとも航空機から所定の距離、特に、３０メータ以上の距離の環境で航空機の外側で行なわれる。この測定システム２は、３つの所定軸Ｘ、Ｙ、Ｚに従って、４つの異なる測定点で、各測定毎には、各測定点にたいして３回の測定がなされて、１２回の測定を行なうものと、
中央ユニット３であって、上記の測定システム２によってなされた測定と、統合された数式モデルとにより、航空機の周囲内に存在し、乱気流を示す空気力学的速度領域を決定するもとからなる。この数式モデルは１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式のモデルである。

よって、本発明により、特に正確で確実な乱気流の測定が得られる。即ち
− 一方では、ライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を使用するので、各種の測定点は航空機から離れており、それ故
・航空機の通過によって乱されない領域での測定を行ない、
・航空機の軌道上だが、航空機によって生じる乱気流からは離れて実際の大気の乱流が測定できる。
− 他方、乱気流を測定するのに用いられる(１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の)上記数式モデルは、現実に対応する、空気力学的速度領域が各種測定点では均一ではないという仮説を考慮する。他方、このモデルは空気力学的速度領域の第１変数が均一であるという仮説を考慮し、これにより(３個の構成要素と９個の第１変数からなる)１２個の変数の使用を前提とする。

更に、ライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、一般にレーザから放出される光学発光放射を障害物に反射させてその障害物の位置と距離を決定できる装置であることは既知である。”ライダー”の言葉は”Light Detection And Ranging”の表現の略語に由来する。ライダーの原理は無線電気領域に応用されるレーザの原理の、発光あるいは光学領域への転換に依存する。

各ライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ上記の３つの所定軸Ｘ、Ｙ、Ｚに従って空気力学的速度の３つの構成要素を対応する測定点で、各測定構成要素に対し、この測定点の周りの所定の容積内に自然に存在する粒子によって放出および後方散乱されるレーザ・ビームのドップラー効果の測定をなすことによって測定する。

第１実施例では、本発明による装置１は４つのライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を備え、各ライダーＬ１からＬ４は上記の４つの測定点の１つで３回の測定をなす。

更に、第２の好ましい実施例では、上記装置１は３つのライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、だけを備えている。第１のライダＬ１は上記の測定点の第１番目のもので３回の測定を行い、第２のライダーL２は上記の測定点の第２番目のもので３回の測定を行なう。第３のライダーは、航空機に対する１つの同じ位置であるが、航空機の飛行中２つの連続する瞬間で３回の測定を行ない、よって、(上記の２つの瞬間の間の、航空機の飛行を示す距離によって相互に離間する)２つの異なる測定点で測定を行なうことができる。

本発明の構成内では、上記のライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ は(選択された位置が相互に異なるという条件下で)上記の測定をなすことができる、航空機のどの位置でも配置されることができる。然し、航空機および上記の第２の好ましい実施例に応用される特定の実施例では、上記のライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、飛行機の右前方の第１丸窓、左前方の第１丸窓および翼に配置される。

上記の軸Ｘ、ＹおよびＺは航空機に依存し、例えば、飛行機の場合、それぞれ、飛行機の長手方向軸、この長手方向軸に対し直交し、上記の翼を通過する平均軸、前記の２つの軸によって形成される面に直交する軸とに対応する。

長手方向では、測定点が航空機によって生じる乱気流を受けないように、航空機から十分、例えば、３０メートル離れていなければならない。更に、横方向では、２つの測定点は、異なる測定ができるように十分に離れていなければならないが、連続して、理論的モデルに考慮される直線上の接近を満足するように離れ過ぎてはならない。２つの測定点間の横方向の距離は航空機の翼幅を超えないのが好ましい。

前記のように、上記の中央ユニット３は、１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式のモデルにより、(空気力学的速度領域の形態の)乱気流を決定する。

この数式モデルに考慮される１２個の変数は
それぞれ上記のＸ、ＹおよびＺ軸に従う、風Ｗの３つの分力Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚと
Ｘ軸に従う、風Ｗの３つの第１の変数と、
∂Ｗｘ／∂ｘ，∂Ｗｙ／∂ｘ，∂Ｗｚ／∂ｘ；
Ｙ軸に従う、風Ｗの３つの第１の変数と、
∂Ｗｘ／∂ｙ，∂Ｗｙ／∂ｙ，∂Ｗｚ／∂ｙ；
Ｚ軸に従う、風Ｗの３つの第１の変数と、
∂Ｗｘ／∂ｚ，∂Ｗｙ／∂ｚ，∂Ｗｚ／∂ｚ。

即ち、上記の中央ユニット３は、上記の数式モデルと上記の測定に基づき、以下を考慮して上記の空気力学的速度領域を決定する。

上記風と変化度の分力に基づき、空間の任意の点で風の３つの分力を計算できる。よって、航空機に連携された基準枠に固定された点Ｐについては、風の３つの分力が風と変化度との分力の直線方向の組み合わせに対応する。点Ｐが、ライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が測定を行なう点であれば、この測定は風の３つの分力の測定方向への投影である。この投影操作は同様に直線的である。よって、各側定点Ｐについては、一方では、風と変化度との間の、そして他方では各ライダーの測定間の直線的関係がある。この関係をマトリックスの形態で書くことができる。ＭをライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の１２個の測定のベクトルとし、Ｖを風と変化度の分力のベクトルとすると、Ｎはこれらを連結するマトリックスであり、以下の関係が得られる。
Ｍ＝Ｎ・Ｖ、これにおいて、

マトリックスＮは測定方向、航空機上のライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の位置、およびライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の測定距離に依存する。よって、以下の式により予想される風

の構成要素を計算することができる。

式中Ｎ^−１はＮの逆マトリックス。

本発明によれば、測定装置２は最適方向で必要とされる程多くの測定ビームを放出し、中央ユニット３は、特に、測定点の位置に関する技術的および設置拘束、および側定された速度が、観察軸(あるいは測定ビームの放出軸)上への投影という事実の影響を回避できる、上記の測定手順を行う。

上記中央ユニット３によって行なわれた手順の結果はリンク５を介して、例えば、上記の結果を操作者に提供できる、例えば視覚スクリーンあるいはプリンタのような標準情報手段６に伝達できる。

第１の実施例では、上記の中央ユニット３は航空機に搭載されており、リンク４を介して上記の測定システム２に連結されている。よって、この中央ユニットは飛行中行なわれる測定により航空機の飛行中での乱気流を直接決定する。

他方、図中点線で部分的に示されている第2実施例では、測定装置１は記録手段１０を備え、この記録手段１０はリンク８を介して上記の測定システム２に連結されており、飛行中、それが備えるデータベース７に上記の測定システム２が行なう測定を記録する。これらの結果は、地上では、リンク(取り外し自在なデータ伝達リンク)９を介して中央ユニット３に伝達される。この場合、上記の中央ユニット３は、飛行中上記のデータベース７に記録され、上記のリンク９を介して伝達された測定により、地上で、飛行後の乱気流を決定する。

更に、前記のように、各ライダーＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は３回の測定を行なう。これらの測定は、航空機のＸ、ＹおよびＺ軸に必ずしも平行ではない方向でなされる。これらの方向は必ずしも直交せず、測定の質を良くするため最適にされる。これらの方向は、マトリックスNの数字の反転が、十分な正確さを保持することができるように十分に相違させるべきである。これらはまた空気力学的領域が、航空機の通過により乱されるのが出来る限り最小である、宇宙の領域に向けられているというその他の長所を満足する。特に、最も好ましい点は、全て、航空機の前方に向けられており、多くは上(そして前)を向いていることである。

図は本発明による測定装置の略図である。

符号の説明

１…測定装置、２…測定システム、３…中央ユニット、７…データベース、１０…記録手段、Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３・Ｌ４…ライダー。

Claims (14)

1. 航空機の周囲の乱気流を測定する方法であって、
   ａ）航空機の飛行中、航空機を取り巻く環境における空気力学的速度を、航空機に搭載されているライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)により１２回測定し、この測定は４つの異なる測定点で、各測定毎に３つの所定の軸に従ってなされ、
   ｂ）上記の１２回の測定と、１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の所定数式モデルとにより、航空機の上記環境に存在し、乱気流を示す空気力学的速度領域が決定されることを特徴とするもの。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   各ライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)は、それぞれ上記の３つの所定軸に従って、空気力学的速度の３つの構成要素を上記の測定点で、各測定構成要素に対し、この測定点の周りの所定の容積内に存在する粒子によって放出および後方散乱されるレーザ・ビームのドップラー効果の測定をなすことによって測定することを特徴とするもの。
3. 請求項１あるいは２に記載の方法であって、工程ａ）では、４つのライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)が用いられ、これら各々が上記の４つの測定点の１つで測定をなすことを特徴とするもの。
4. 請求項１あるいは２に記載の方法であって、工程ａ）では、３つのライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３)が用いられ、上記のライダーの２つが上記の測定点の１つで各測定を行い、第３のライダーは、航空機の飛行中２つの連続する瞬間で測定を行ない、よって、残りの２つの測定点に対応する２つの異なる測定点で測定を行なうことができることを特徴とするもの。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   上記のライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３)はそれぞれ、航空機の第１の右前方の丸窓、第１の左前方の丸窓および翼に配置されることを特徴とするもの。
6. 前項請求項１から５のいずれか１項に記載の方法であって、
   上記の所定の軸が航空機に依存することを特徴とするもの。
7. 航空機の周囲の乱気流を測定する装置であって、
   複数個のライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)からなる測定システム(２)であって、
   上記ライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)は航空機に搭載され、航空機の飛行中、航空機を取り巻く環境において空気力学的速度の１２回の測定を行なうことを意図しており、上記の測定システム(２)は、各測定毎に３つの所定軸に従って、４つの異なる測定点で、１２回の測定を行なうものと、
   中央ユニット(３)であって、上記の測定システム(２)によってなされた測定と、１２個の変数を関数として空気力学的速度領域を記述する一次式の所定の数式モデルとにより、航空機の上記環境に存在し、乱気流を示す空気力学的速度領域を決定するもとからなることを特徴とするもの。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   上記の中央ユニット(３)が航空機に搭載されており、航空機の飛行中乱気流を決定することを特徴とするもの。
9. 請求項７に記載の装置であって、
   更に記録手段(１０)を有し、それが備えるデータベース(７)に上記の測定システム(２)が行なう測定を記録し、上記の中央ユニット(３)は、飛行中上記のデータベース(７)に記録された測定により、地上で、飛行後の乱気流を決定することを特徴とするもの。
10. 請求項７から９のいずれか１項に記載の装置であって、
    上記の測定システム(２)は４つのライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４)を備え、これら各々が上記の４つの測定点の１つで測定をなすことを特徴とするもの。
11. 請求項７から９のいずれかの装置であって、
    上記の測定システム(２)は３つのライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３)を備え、これらのライダの２つが上記の測定点の１つで各測定を行い、第３のライダは、航空機の飛行中２つの連続する瞬間で測定を行ない、よって、残りの２つの測定点に対応する２つの異なる測定点で測定を行なうことができることを特徴とするもの。
12. 請求項１１に記載の装置であって、
    上記のライダー(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３)はそれぞれ、航空機の第１の右前方の丸窓、第１の左前方の丸窓および翼に配置されていることを特徴とするもの。
13. 前記請求項１から６のいずれか１項に特記された方法を実施することのできる装置(１)を備えることを特徴とする航空機。
14. 前記請求項７から１２のいずれか１項に特記された装置(１)を備えることを特徴とする航空機。

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