JP2021059159A - 電動化航空機及びその空力性能制御方法 - Google Patents

電動化航空機及びその空力性能制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】翼の空力性能を、翼の形状に依存せずに、各飛行フェイズあるいは突風作用時等の非常時に最適化することができる電動化航空機及びその空力性能制御方法を提供すること。【解決手段】電動化航空機１は、主翼１１、１２の揚力に寄与するように配置された推進用のプロペラ又はファン２１と、プロペラ又はファン２１を駆動する電動モータ２２とを有する１又は２以上の電動推進系２０と、電動推進系２０の運転状態に関する変数と主翼１１、１２に発生する空気力との関係に基づいて、電動推進系２０による合計推力又は主翼１１、１２の空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、電動推進系２０を調節する制御部とを具備する。【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータによって駆動される電動推進系を用いた電動化航空機及びその空力性能制御方法に関する。
電動化航空機では航続距離を決定するバッテリや水素タンクなどのエネルギ源が機体重量の大きな割合を占めるため、これらは主翼内に搭載することが構造重量軽減の観点からは望ましいが、形状に自由度がない又は主翼の空力荷重による変形に相当する応力に耐えられない場合が多い。このため、バッテリや水素タンクなどのエネルギ源を搭載可能な主翼構造を採用した場合には主翼の空力性能を大きく損なう欠点があった。
加えて、従来の航空機の主翼は巡航時に空力性能を最大化する形状設定がなされているために、離陸上昇時等の他の飛行フェイズでは十分な性能を発揮できず、フラップやスラット等のある飛行フェイズでしか使用しない空力制御デバイスを装備することで空力性能を補うのが一般的であり、これには重量、さらに別に飛行フェイズにおける空力性能を損なうデメリットがあった。
非特許文献１には、主翼形状ではなく推進系後流を主翼に作用させることで大きな揚力を獲得する技術が記載されている。この他に本発明に関連する技術として、特許文献１や非特許文献２−４がある。
特開２０１４−１７２４３５号公報
https://www.jstage.jst.go.jp/article/tsj1973/14/3/14_3_138/_pdf http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/papers/2016/samcon_ikegami.pdf http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/papers/2015/ICM2015_konishi.pdf 日本航空宇宙学会論文集Vol.56, No.655, pp.355-362, 2008
本発明の目的は、翼の空力性能を、翼の形状に依存せずに、各飛行フェイズあるいは突風作用時等の非常時に最適化することができる電動化航空機及びその空力性能制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電動化航空機は、翼の揚力に寄与するように配置された推進用のプロペラ又はファンと、前記プロペラ又はファンを駆動する電動モータとを有する１又は２以上の電動推進系と、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する制御部とを具備する。
電動推進系の運転状態に関する変数とは、典型的には比推力であるが、推力と動圧の比などであってもよい。
本発明では、典型的には主翼のスパン方向に電動推進系を複数設置し、電動推進系による運転状態の調節により翼に作用する電動推進系の後流の動圧を増減させることで、主翼の揚力分布を各飛行フェイズあるいは突風作用時等の非常時に望ましい分布に常に保つ。これにより、翼の空力性能を、翼の形状に依存せずに、各飛行フェイズあるいは突風作用時等の非常時に最適化することができる。
すなわち、本発明では、高応答かつ多発分散化が容易な電動推進系を用いることで、どの飛行フェイズでも最適な空力性能が簡単に得られると共に、主翼内に重量物を搭載可能となり構造重量の低減又は航続性能の大幅な延長が期待できる。
本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記制御部は、前記電動推進系による推力を負の値まで調節することが可能である。
本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記制御部は、前記電動推進系の運転状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する。
本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記制御部は、機体周辺から得られる機体周辺の気流情報に基づく運転状態に関する変数の変化に際して、又は機体周辺から得られる機体周辺の気流情報に基づく気流状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する。本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記制御部は、地上設備からの通信又は搭載するライダもしくはレーダによって得られる機体周辺の気流情報に基づく運転状態に関する変数の変化に際して、又は地上設備からの通信又は搭載するライダもしくはレーダによって得られる機体周辺の気流情報に基づく気流状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する。
本発明では、対気速度検知機能やライダ・レーダ等のセンサ類との組み合わせにより、突風を受けた際にも機体や乗員の安全が担保できる。
本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係のデータ群を記憶する記憶装置を具備する。
本発明の一形態に係る電動化航空機では、前記制御部は、前記プロペラの回転数、出力、推力若しくはピッチ角、前記電動モータのモータトルク、電流、電圧、前記翼の揚力、又はこれらの加工情報のうち１又は複数を訓練データとして学習し、前記プロペラの回転数、前記電動モータのモータ出力若しくはモータトルク、又はこれらの加工情報に関する情報により、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係を得る。
本発明の一形態に係る電動化航空機の空力性能制御方法は、翼の揚力に寄与するように配置された１又は２以上の推進用のプロペラ又はファンをそれぞれの電動モータによって駆動し、前記推進用のプロペラ又はファンと前記電動モータとを有する電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する。
本発明によれば、翼の空力性能を、翼の形状に依存せずに各飛行フェイズあるいは突風作用時等の非常時に最適化することができる。
本発明の第１の実施形態に係る電動化航空機の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電動化航空機の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る比推力の変化と揚力係数の変化との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るトルク係数と比推力との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る電動化航空機の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動化航空機の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るトルク係数ＣＱと進行率Ｊの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る電動化航空機を正面から見た、当該電動化航空機に作用する曲げモーメントの分布を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電動化航空機の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る電動化航空機の第１の態様の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る電動化航空機の第２の態様の説明図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る電動化航空機の平面図、図２はその構成を示すブロック図である。
図１及び図２に示すように、この実施形態に係る電動化航空機１は、胴体６０の左側の主翼１１及び右側の主翼１２のそれぞれの前縁にプロペラ２１を備えた電動推進系２０を、電動推進系２０の後流が主翼１１、１２に作用するよう複数、ここでは各４つ配置している。各電動推進系２０は、プロペラ２１及び電動モータ２２を備え、各プロペラ２１は、主翼１１、１２の揚力に寄与するように主翼１１、１２の前方あるいは前部に配置されている。
電動化航空機１は、電動モータ２２の駆動を調節する制御部３０を備える。制御部３０は、典型的には、電源装置４０と電動モータ２２との間に介挿されたインバータ５０を制御して、電動モータ２２に電力を供給しプロペラ２１の推力を発生すると共にプロペラ２１を介して風力を動力として取り出す。
この実施形態に係る電動化航空機１では、電源装置４０は、例えば主翼１１及び１２に収容される。また、電動化航空機１は、電動モータ２２で発電することで回生する機能、又はプロペラ２１を逆回転させる機能を備える。
制御部３０は、スロットルや無線操縦装置などの外部の指令装置８０からの出力指令値を受け、みだりに対気速度や高度などの飛行状態を変化させずに電動推進系２０の合計推力を維持するよう各インバータ５０に出力指令を送信する。
この実施形態に係る電動化航空機１は、電動推進系２０の運転状態に関する変数と主翼１１、１２に発生する空気力との関係のデータ群を記憶する記憶装置９０を備える。図３に比推力の変化と揚力係数の変化との関係を示すグラフである。図４に電動推進系２０の運転状態に関する変数であるトルク係数ＣＱと比推力Ｔｃとの関係を示す。記憶装置９０は、これらの図３及び図４に示す関係をデータ群として記憶する。なお、データ群として利用できる運転状態に関する変数としては、パワー係数や前進率などであってもよい。
ここで、トルク係数ＣＱは、
ＣＱ＝τ／（ρＮＰ ２ＤＰ ５）
比推力Ｔｃは
Ｔｃ＝Ｔ／（０．５ρＶ２ＤＰ
（ＮＰ：プロペラ回転数、τ：プロペラトルク、ＤＰ：プロペラ直径、ρ：大気密度）
である。
すなわち、記憶装置９０は、電動推進系２０の運転状態を示すパラメータであるプロペラ回転数ＮＰ、プロペラトルクτ、プロペラ直径ＤＰ、大気密度ρ等と揚力係数に関するデータ群を記憶する。
制御部３０は、記憶装置９０に記憶されたデータ群に基づいて、電動推進系２０の運転状態を調節し、プロペラ２１の後流にある主翼１１、１２の揚力係数分布を制御する。
なお、通常、大気密度ρの検知にはピトー管等の対気速度検知手段が必要であるが、特許文献１に記載の技術を採用し、対気速度検知手段を用いることなく運転状態から大気密度ρを推定してもよい。
ここで、通常航空機の主翼は誘導抗力を最少化するために、スパン方向の揚力分布が楕円状に近い分布をとるように翼弦長や取り付け角をスパン方向に分布をつける。
例えば翼弦長は翼端に近づくほど徐々に小さくなるような分布が一般的であるが、このような主翼形状は円筒形が望ましい水素タンクを主翼内に搭載する場合などには、翼端に近い位置で翼弦長の減少に伴いタンクを収納するには翼厚が不足し十分なエネルギを搭載できない。
逆に翼厚が不足しないよう翼端まで翼弦長を大きく保った場合には、搭載容積は確保できるものの誘導抗力が大幅に増加し機体の空力性能を損なうことになる。
これに対して、本実施形態に係る電動化航空機１では、主翼１１、１２の前部の各プロペラ２１の後流を主翼１１、１２に作用させることで、主翼１１、１２の局所的な揚力係数の分布を上記のようにプロペラ２１の運転状態により制御する。
具体的には、図１に示したように、翼弦長ＣＬがスパン方向に一様な分布の主翼１１、１２では、翼端に近いプロペラ２１ほど推力を減少させ揚力係数を小さくすることで揚力のスパン方向の分布が楕円状に近くになるよう調節する。
なお、図１中プロペラ２１をグレースケールにて表示しているが、白に近い方が推力は大きく、黒に近い方が推力は小さいことを示している。
この時、翼端に近いプロペラ２１に回生又は逆転運転をさせることで推力を負の値まで調節することで、揚力係数の調節幅をより広く、すなわちより多様な主翼形状に対して理想的な揚力分布を実現できるようになる。
なお、正の推力とは、飛行方向に対する推力であり、上記の負の推力とは、飛行方向とは反対方向の推力である。
なお、本実施形態に係る電動化航空機１は、電動推進系２０の運転状態に関する変数と主翼１１、１２に発生する空気力との関係のデータ群を記憶する記憶装置９０を備えていたが、例えば事前に電動推進系２０の運転状態に関する変数と空気力に関するデータ群を備えることが困難な場合には、制御部３０が飛行中又は地上試験におけるプロペラ回転数等と翼の空気力の関係について後述の学習を行う構成を有することで、記憶装置９０の構成は不要となり、加えて例えば表面への虫・汚れの付着などによるプロペラ２１や主翼１１、１２の性状の変化により上記回転数等や空気力の関係が変化した場合にも適切な制御を行うことができる。
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２の実施形態に係る電動化航空機の平面図、図６はその構成をブロック図である。第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付す。
図５及び図６に示すように、この実施形態に係る電動化航空機２は、胴体６０の左側の主翼１１及び右側の主翼１２のそれぞれの前縁にプロペラ２１を備えた電動推進系２０を、電動推進系２０の後流が主翼１１、１２に作用するよう複数、ここでは各３つ配置している。各電動推進系２０は、プロペラ２１及び電動モータ２２を備え、各プロペラ２１は、主翼１１、１２の揚力に寄与するように主翼１１、１２の前方あるいは前部に配置されている。
電動化航空機２は、電動モータ２２の駆動を調節する制御部３０を備える。制御部３０は、典型的には、電源装置４０と電動モータ２２との間に介挿されたインバータ５０を制御して、電動モータ２２に電力を供給しプロペラ２１の推力を発生すると共にプロペラ２１を介して風力を動力として取り出す。
この実施形態に係る電動化航空機２では、電源装置４０は、例えば主翼１１及び１２に収容される。また、電動化航空機２は、電動モータ２２で発電することで回生する機能、又はプロペラ２１を逆回転させる機能を備える。
制御部３０は、スロットルや無線操縦装置などの外部の指令装置８０からの出力指令値を受け、みだりに対気速度や高度などの飛行状態を変化させないよう各インバータ５０に出力指令を送信する。
この実施形態に係る電動化航空機２は、電動推進系２０の運転状態に関する変数と主翼１１、１２に発生する空気力との関係のデータ群（例えば図３及び図４に示したデータ群）を記憶する記憶装置９０を備える。なお、本実施形態においても、プロペラの回転数、出力、推力若しくはピッチ角、電動モータのモータトルク、主翼の揚力、又はこれらの加工情報のうち１又は複数を訓練データとして学習し、プロペラの回転数、電動モータのモータ出力若しくはモータトルク、電流、電圧、又はこれらの加工情報に関する情報により、上記データ群から得られるデータに相当するデータを得てもよい。これにより、記憶装置９０の構成は不要となり、加えて例えば表面への虫・汚れの付着などによるプロペラ２１や主翼１１、１２の性状の変化により上記回転数等や空気力の関係が変化した場合にも適切な制御を行うことができる。上記の学習は、典型的には公知の機械学習の手法を広く用いることができ、特にニューラルネットワーク、ベイズ推論、回帰木、あるいはこれらを組み合わせたアンサンブル学習を好適に用いることができる。回帰木など複数の手法で学習した結果を組み合わせたアンサンブル学習を用いることで予測精度をより高めることができる。
ここで、飛行中の航空機の翼は前方からの気流により揚力を得るが、機体の対気速度は常に対地速度と等しい訳ではなく、対地速度に突風などの風の影響が重畳しており、発生する揚力及び揚力に起因する翼の曲げモーメントも風の影響を受ける。
図６に示すように、定常飛行している機体に進行方向からの突風ＢＧが作用したとき、対気速度が突発的に増加するため、上記揚力(加速度)及び主翼の曲げモーメントも増加し、機体構造はそれまでの飛行状態より大きな加速度や荷重を受けるため、構造的及び乗員の安全を確保するために従来は舵面の操作などにより発生する加速度や荷重の低減が図られている。
これに対して、本実施形態に係る電動化航空機２では、主翼１１、１２の前縁にスパン方向に分布して設置したプロペラ２１の運転状態を個別に変化させることにより、上記突風ＢＧに起因する加速度や荷重を低減するよう主翼１１、１２の揚力分布を調節するものである。
突風ＢＧの作用時にはプロペラ２１に流入する気流状態が変化するため、図７に示す関係から、プロペラ２１の運用点が変化する。具体的には、プロペラ２１のトルクあるいは回転数（トルク係数ＣＱ）が変化することから突風ＢＧの作用を進行率（Ｊ＝Ｖ（ＮＰＤＰ））の変化として検知し、図３及び図４の関係を用いて制御部３０が一部のプロペラ２１の推力を減少あるいは運転状態を回生運転に切り替えることにより、例えば図８示すように、上記揚力(加速度)及び曲げモーメントの変化を緩和するように主翼１１、１２の揚力分布を調節することができる。
本実施形態に係る電動化航空機２では、上記のように突風ＢＧによる機体の加速度及び構造の荷重変化を緩和することで、乗員・乗客の安全性が向上すると共に機体構造に要求される強度要求を低減、すなわち構造重量の軽量化が可能となる。
なお、本実施形態に係る電動化航空機２では、図９及び図１０に示すように、機体前方の気流情報をあらかじめ取得できるライダ９１等を機体に装備した場合や、図１１に示すように、ライダ等で周辺空域の気流情報を得た地上設備９２から通信により進行方向の気流情報を得られる構成とした場合には、突風ＢＧにより受ける荷重や加速度を相殺する舵面の操縦に相当する出力指令を制御部３０から各インバータ５０に送信する。これにより、上記加速度や荷重の変化をより小さく抑えることができる。
＜結論＞
以上の実施形態によれば、主翼構造をバッテリ等の搭載場所として有効に使えることから電動化航空機の弱点である航続性能を大幅に改善しうる。加えて今後空飛ぶ車に代表されるように新たな大市場と目される一方で旅客機に比べ事故率の非常に高い小型航空機の安全性の改善を可能とすることから、産業利用の可能性は極めて高い。
＜その他＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記の実施形態では、電動化航空機が推進用のプロペラを有していたが、推進用のプロペラに代えて推進用のファンを用いてもよい。
また、上記の実施形態では、主翼に複数の電動推進系を有している例を説明したが、１又は２以上の電動推進系を有する翼にも本発明を適用することができる。
更に、上記の実施形態では、プロペラを回生又は逆転運転をさせる例を示したが、本発明に係る電動化航空機は、プロペラ又はファンを回生又は逆転運転させない構成であってもよい。
１、２ ：電動化航空機
１１、１２ ：主翼
２０ ：電動推進系
２１ ：プロペラ
２２ ：電動モータ
３０ ：制御部
４０ ：電源装置
５０ ：インバータ
６０ ：胴体
８０ ：指令装置
９０ ：記憶装置
９１ ：ライダ
９２ ：地上設備

Claims (8)

  1. 翼の揚力に寄与するように配置された推進用のプロペラ又はファンと、前記プロペラ又はファンを駆動する電動モータとを有する１又は２以上の電動推進系と、
    前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する制御部と
    を具備する電動化航空機。
  2. 請求項１に記載の電動化航空機であって、
    前記制御部は、前記電動推進系による推力を負の値まで調節することが可能である
    電動化航空機。
  3. 請求項１又は２に記載の電動化航空機であって、
    前記制御部は、前記電動推進系の運転状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する
    電動化航空機。
  4. 請求項１又は２に記載の電動化航空機であって、
    前記制御部は、機体周辺から得られる機体周辺の気流情報に基づく運転状態に関する変数の変化に際して、又は機体周辺から得られる機体周辺の気流情報に基づく気流状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する
    電動化航空機。
  5. 請求項１又は２に記載の電動化航空機であって、
    前記制御部は、地上設備からの通信又は搭載するライダもしくはレーダによって得られる機体周辺の気流情報に基づく運転状態に関する変数の変化に際して、又は地上設備からの通信又は搭載するライダもしくはレーダによって得られる機体周辺の気流情報に基づく気流状態に関する変数の変化に際して、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する
    電動化航空機。
  6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載の電動化航空機であって、
    前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係のデータ群を記憶する記憶装置
    を具備する電動化航空機。
  7. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載の電動化航空機であって、
    前記制御部は、前記プロペラの回転数、出力、推力若しくはピッチ角、前記電動モータのモータトルク、前記翼の揚力、又はこれらの加工情報のうち１又は複数を訓練データとして学習し、前記プロペラの回転数、前記電動モータのモータ出力若しくはモータトルク、又はこれらの加工情報に関する情報により、前記電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係を得る
    電動化航空機。
  8. 翼の揚力に寄与するように配置された１又は２以上の推進用のプロペラ又はファンをそれぞれの電動モータによって駆動し、
    前記推進用のプロペラ又はファンと前記電動モータとを有する電動推進系の運転状態に関する変数と前記翼に発生する空気力との関係に基づいて、前記電動推進系による合計推力又は空気力が所定の値又は所定の範囲になるように、前記電動推進系を調節する
    電動化航空機の空力性能制御方法。
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