JP4028509B2 - 流体中自由運動体 - Google Patents

Description

本発明は流体中自由運動体に係り、特に流体の噴出口が設けられた翼を有する流体中自由運動体に関する。

従来の、飛翔体や潜水体、航空機等の流体中自由運動体の一つとして、流体中自由運動体に設けられた翼から流体を噴出させ、翼にかかる流体の力を変化させて流体中自由運動体の姿勢を変化させたり、翼表面からの流体の流れの剥離を防止することにより高い揚力を得たりする流体中自由運動体がある。

図１５（ａ）に示す従来の流体中自由運動体の翼は、翼の後縁近傍に設けられた噴出口から流体を噴出し、翼周囲の流体の流れを変化させることにより、翼にかかる流体の力を変化させている（単純ジェットフラップ）。

図１５（ｂ）に示す従来の流体中自由運動体の翼は、図１５（ａ）に示す流体の噴出口を舵の後縁近傍に設け、舵を用いた翼周囲の流体の流れの変化と、流体の噴出を用いた翼周囲の流体の流れの変化とを組み合わせて、翼にかかる流体の力をより大きく変化させている（組み合わせジェットフラップ）。

図１５（ｃ）に示す従来の流体中自由運動体の翼は、翼の後縁近傍に設けられた噴出口から噴出した流体が舵の表面を沿って流れるように流体を噴出させ、翼にかかる流体の力をより大きく変化させている（インターナルジェットフラップ）。

図１５（ｄ）に示す従来の流体中自由運動体の翼は、翼に設けられた噴出口から流体を噴出するかわりに、推力を発生させるために噴出された流体と舵を用いて、翼にかかる流体の力をより大きく変化させている（エクスターナルジェットフラップ）。

ここで、種々の流体中自由運動体の翼の中から、図１５（ｃ）に示すインターナルジェットフラップの構造を有する翼の構造の詳細を図１６に示す（非特許文献１）。翼１０１の内部には、噴出される流体をためるためのタンク１０２が設けられている。タンク１０２にためる流体は、外部や別途設けられた圧縮タンクなどから供給することができる。タンク１０２の内部の流体は、配管１０３を通じて翼の後縁近傍に設けられた空気溜め１０４に送り込まれる。空気溜め１０４に送られた流体は、翼の後縁近傍に設けられた噴出口であるノズル１０５から噴出される。

また、図１５（ａ）に示す単純ジェットフラップの構造を有する翼の構造の詳細を図１７に示す。翼１１１の後縁近傍には流体を噴出するための噴出口１１２が設けられている。噴出口１１２は翼１１１の後縁に沿って、翼１１１の表面が細長く開国された形状を有している。翼１１１の内部には空気溜め１１３が設けられており、噴出口１１２から噴出するための流体が蓄えられている。翼１１１には、空気溜め１１３と噴出口１１２が連通するように流路１１４が形成されている。このように噴出口１１２と後縁の間の部分、すなわち図１４（ａ）に示す後縁部１１５は、後縁部１１５の両端２箇所にて翼根および翼端と連結されている。

このような翼が設けられた流体中自由運動体は、翼の厚みが十分に大きい場合は、翼の後縁近傍の壁面の肉厚を十分に確保することができる。ところが、たとえば小型飛行機や小型軽量の飛翔体など、流体中自由運動体が小型で軽量な場合、翼の厚みが非常に薄く、翼の後縁近傍の壁面の肉厚を十分に確保することができない。これは、翼の強度が著しく低下することにつながり、流体中自由運動体の耐久性や信頼性を確保することができない。また、流体中自由運動体が高速で移動する場合、翼の後縁近傍が振動し、翼の後縁近傍が剥離してしまう場合もある。

本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、耐久性、信頼性に優れた流体中自由運動体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流体中自由運動体は、流体中を運動可能なボディーと、前記ボディーに設けられた翼と、前記翼の後縁近傍に開口され、流体を噴出するための複数の噴出口と、隣接する前記噴出口の間に設けられ、前記噴出口と前記翼の後縁との間の後縁部を補強するための補強部と、前記翼の表面の前記噴出口に隣接した位置に設けられ、該翼に略直交するとともに、該翼の前縁から後縁への方向が平面方向となるように設けられた板状部材とを有することを特徴とする。

また、本発明の流体中自由運動体は、流体中を運動可能なボディーと、前記ボディーに設けられた翼と、前記翼の内部に設けられた梁と、前記翼の後縁近傍に開口され、流体を噴出するための複数の噴出口とを有し、前記噴出口と後縁の間の後縁部は、前記梁にて補強されていることを特徴とする。

本発明によれば、耐久性、信頼性に優れた流体中自由運動体を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
まず、図１に本発明による第１の実施の形態にかかる、流体中自由運動体を示す。

航空機１（流体中自由運動体）のボディー２には、揚力を発生させるための翼３が設けられている。翼３には、離着陸の場合など必要に応じてより大きな揚力を発生させるための、噴出口４が設けられている。噴出口４は翼３の後縁近傍に設けられている。なお、噴出口４の位置は、図１における翼３の背面である。

続いて、噴出口４の詳細について説明する。本実施の形態では、説明の都合上構造が最もシンプルな、単純ジェットフラップの構造を有する翼３について説明する。図２に本発明による第１の実施の形態にかかる翼３を示す。

なお、図２に示す翼３は、図示の都合上翼根から翼端までの距離と、前縁から後縁までの距離の比が実際と異なる。また、図２に示す翼３は、図示の都合上前縁から後縁までの幅が翼根から翼端まで一定に記載されているが、実際は図１に示すように前縁から後縁までの幅は翼根から翼端にかけて徐々に小さくしてもよい。また、図２に示す翼３は、図示の都合上翼３の任意の断面について断面図を代表して図示しているが、翼根から翼端にかけて断面の形状が異なっていても構わない。例えば、一般的なＮＡＣＡ翼形を組み合わせ、翼根から翼端にかけて徐々に断面形状が変化させることもできる。

翼３の後縁近傍には、流体を噴出するための噴出口４が設けられている。噴出口４は翼３の後縁に沿って、翼３の表面が細長く開口された形状を有している。隣接する噴出口４の間には、噴出口４と後縁の間の部分、すなわち図２に示す後縁部５を補強するための補強部８が設けられている。翼３の内部には、空気溜め６が設けられており、噴出口４から噴出するための流体が蓄えられている。流体は、たとえば航空機１のエンジンの動力を用いて周囲の流体を圧縮する圧縮機や、ボディー１の内部に設けられた圧力ボンベなどの流体供給手段（図示せず）を用いたりして供給、制御することができる。翼３には、空気溜め６と噴出口４が連通するように、流路７が形成されている。

続いて、噴出口４より噴出された流体による翼３にかかる力について図３を参照しながら説明する。図３（ａ）に示すように、流体１０が噴出していない状態では、流れ９ａ、９ｂは翼３の周りを翼３に付着するように流れている。しかし、図３（ｂ）に示すように、噴出口４から流体１０を噴出させると、流れ９ａ、９ｂの流れる方向は偏向し、翼３には流体の流れ方向に対し垂直方向の力、すなわち揚力１１が発生する。このように、噴出口４から流体を噴出させたり流体の噴出を停止させたり、噴出する流体の量を変化させたりことにより、揚力１１の量を制御することができる。

このように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体は、後縁部５が補強部８で補強されているので、翼３の噴出口４近傍や後縁近傍の機械的強度が向上し、流体中自由運動体の耐久性や信頼性を向上させることができる。また、後縁部５が補強部８で補強されているため、流体中自由運動体が高速で移動する場合も、翼の後縁近傍の振動が起こりにくい。
（第２の実施の形態）
図５に本発明による第２の実施の形態にかかる、流体中自由運動体に設けられた翼３を示す。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号で示し、その説明を省略する。

翼３の後縁部５の近傍には、流体を噴出するための噴出口２４が設けられている。噴出口２４は翼３の後縁に沿って、翼３の表面が細長く開口された形状を有している。噴出口２４は、中央部では幅２０が大きく、端部では幅２０が小さく形成されている。

図４（ａ）に示すように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体の噴出口４は幅２０、長さ２１を有する略長方形の形状をしている。図４（ｂ）は図４（ａ）中の矢印２２方向から翼３を見た図である。図４（ｂ）に示す矢印２３は、噴出口４から噴出する流体１１を示し、その長さは流体１１の流速を示す。

図４（ｂ）に示すように、流体の流速は、噴出口４の中央部では速く、端部では遅い。そこで、図５（ａ）に示すように、本発明による第２の実施の形態にかかる流体中自由運動体は、翼３に設けられた噴出口２４の形状を中央部では幅２０を大きい形状、端部では幅２０を小さい形状とする。

このように、第２の実施の形態にかかる流体中自由運動体は、第１の実施の形態と同様に後縁部５が補強部８で補強されているので、翼３の噴出口２４近傍や後縁近傍の機械的強度が向上し、流体中自由運動体の耐久性や信頼性を向上させることができる。また、後縁部５が補強部８で補強されているため、流体中自由運動体が高速で移動する場合も、翼の後縁近傍の振動が起こりにくい。加えて、図５（ｂ）に示すように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体に比べ、噴出口２４の中央部から噴出する流体の速度と噴出口２４の端部から噴出する流体の速度の差が小さい。したがって、より大きな揚力を得ることができる。
（第３の実施の形態）
図６に本発明による第３の実施の形態にかかる、流体中自由運動体に設けられた翼３を示す。なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同一部分については、同一符号で示し、その説明を省略する。

図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、第１の実施の形態および第２の実施の形態にかかる流体中自由運動体では、隣接する噴出口４から噴出した噴流の間および隣接する噴出口２４から噴出した噴流の間には乱流３１が発生する。この乱流３１は、翼３で発生させた揚力の向きと反対方向の力を生み出す。この乱流３１が生み出す力は、流体中自由運動体と流体中自由運動体が存在する被流体との相対速度（本実施の形態では流体中自由運動体の大気速度）が上がるほど大きくなる。

そこで、図６に示すように、噴出口４に隣接した位置に整流装置３２（板状部材）を設ける。整流装置３２は、流体中自由運動体の流体との抵抗を軽減するために、翼３に略直交するように設けられ、また翼３の前縁から後縁への方向が平面方向となるように設けられている。なお、整流装置３２の断面形状は流体との抵抗を軽減するために流線型が好ましい。また、後述する実験より、整流装置３２の翼３からの高さは、隣接する噴出口４の間隔の１／２以上が好ましい。

図７に整流装置３２の効果を確認した数値解析の結果を示す。図７（ａ）は第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体に用いた、噴出口４のみが設けられた翼３の数値解析の結果を示す。低速域３８は、翼３の周囲に流れる流体の流速が比較的遅い領域を示している。高速域３９は、翼３の周囲に流れる流体の流速が低速域３８に比べ速い領域を示している。特に表記のない領域は低速域３８より流速が遅い領域を示している。

図７（ｂ）は第３の実施の形態にかかる流体中自由運動体に用いた、噴出口４と整流装置３２が設けられた翼３の数値解析の結果を示す。図７（ａ）と同様に、低速域３８は翼３の周囲に流れる流体の流速が比較的遅い領域、高速域３９は、翼３の周囲に流れる流体の流速が低速域３８に比べ速い領域、特に表記のない領域は低速域３８より流速が遅い領域を示している。

噴出口４のみが設けられた翼３では、噴出口４から噴出した流速の速い流体は、噴出口４から近い位置で流速が落ちてしまうため、噴出口４と整流装置３２が設けられた翼３に比べ噴出口４付近の高速域３９の体積が小さい。一方、噴出口４と整流装置３２が設けられた翼３では、噴出口４から噴出した流速の速い流体は、噴出口４付近の高速域３９の体積が大きい。すなわち、整流装置３２の働きにより乱流３１の影響が小さくなり、噴出口４と整流装置３２が設けられた翼３の方が、噴出した流速の速い流体がより遠くまで流速が落ちずに噴出していることがわかる。

続いて、整流装置３２の翼３からの高さの影響について実験を行った。図８および図９に整流装置３２の翼３からの高さの影響を確認した実験装置を、図１０に整流装置３２の翼３からの高さの影響を確認した実験結果を示す。

図８に示すように、翼３が固定されたアタッチメント３３を、アタッチメント３３にかかる力３４を測定するためのロードセル３５に取り付ける。そして、この翼３とアタッチメント３３、ロードセル３５を略一様な空気の層流が流れる風洞の内部に設置して、ロードセル３５にかかる力を測定する。

図９に示すように、整流装置３２の翼３の表面からの最大高さ３７を、隣接する噴出口４の間隔３６の１／３、１／２、１／１（間隔と最大高さが等しい）、５／３の４段階に設定する。最大高さ３７が４段階に設定されたそれぞれの翼３について、ロードセル３５にかかる力を測定した。

図１０は、風洞を流れる空気の流速と、ロードセル３５にかかる力との関係をあらわしたグラフである。横軸に流速、縦軸にロードセル３５にかかる力をプロットした。最大高さ３７が、間隔３６の１／３の場合、流速が２０ｍ／ｓ以上にならないと、流速の増加と共にロードセル３５にかかる力、すなわち揚力は増加しない。しかし、最大高さ３７が、間隔３６の１／２以上の場合、流速の増加と共にロードセルにかかる力、すなわち揚力は増加する。これは、最大高さ３７が、間隔３６の１／３の場合、流速が遅い領域では、揚力に比べ、乱流３１の影響の方が大きく、流速が速い領域では、乱流３１の影響が小さくなるためであると考えられる。

このように、第３の実施の形態にかかる流体中自由運動体は、第１の実施の形態と同様に後縁部５が補強部８で補強されているので、翼３の噴出口４近傍や後縁近傍の機械的強度が向上し、流体中自由運動体の耐久性や信頼性を向上させることができる。また、後縁部５が補強部８で補強されているため、流体中自由運動体が高速で移動する場合も、翼の後縁部近傍の振動が起こりにくい。

加えて、翼３には噴出口４に隣接して整流装置３２が設けられているので、乱流３１の影響が小さくなり、第１の実施の形態および第２の実施の形態にかかる流体中自由運動体に比べ、より大きな揚力を得ることができる。

また、整流装置３２の翼３からの最大高さ３７を、隣接する噴出口４の間隔の１／２以上に設定したので、流体中自由運動体の移動速度が高速の領域では、より少ない噴出口４から噴出する流体にてより大きな揚力を得ることができる。

なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、構成を変更したり、組み合わせたりしてもよい。

例えば、本発明による第3の実施の形態にかかる流体中自由運動体の噴出口４を、本発明の第２の実施の形態にかかる流体中自由運動体の様に、噴出口の中央部の幅を大きく、端部の幅を小さく形成してもかまわない。この場合、第２の実施の形態と同様に、噴出口の中央部から噴出する流体の速度と噴出口の端部から噴出する流体の速度の差が小さくなる。したがって、より大きな揚力を得ることができる。

また、図１１に示すように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体の補強部８と後縁部５を翼３の内部に設けられた梁１２に固定してもよい。梁１２は、翼３の翼弦方向が長手方向となるように設けられており、翼３の翼弦方向を支える構造材としての役割を果たしている。このように補強部８と後縁部５とを梁１２に固定すると、より強固に後縁部５を補強することができる。よって、流体中自由運動体の耐久性や信頼性をより向上させることができる。

また、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体の変形例の補強部８と梁１２を一体の部材としても構わない。補強部８と梁１２を一体の部材とした場合、翼３の空気抵抗を軽減させるために、梁１２を補強部８が設けられていた部分で翼３の表面に露出させ、翼３の表面と梁１２の露出部分が平滑となるように梁１２を設けることが好ましい。
また、図１２（ａ）に示すように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体の変形例の翼３の内部の梁を形成してもかまわない。図１２（ａ）は翼３の断面図を示す。第１の実施の形態では、翼３の内部の梁は梁１２のみで、梁１２と補強部８が固定されている例を示した。しかし、翼３の強度をより強固にしたい場合、図１１（ａ）に示すように、複数の梁４０を組み合わせ、空気溜め６と流路７の他にタンク４１、流路４２を設けてもよい。

さらに、図１２（ｂ）に示すように、第１の実施の形態にかかる流体中自由運動体の変形例に設けられた梁の一部を延長し、翼３に設けられた整流装置として用いても構わない。図１２（ｂ）は翼３の断面図を示す。整流装置４３は、翼３の内部へ貫通しており、翼３の内部に設けられた梁としても機能している。

さらに、図１３に示すように、第３の実施の形態にかかる流体中自由運動体の変形例に設けられた整流装置４３を、翼３の噴出口４近傍から後縁部５にかけての部分、たとえば前縁部まで延長してもかまわない。

さらに、第１の実施の形態から第３の実施の形態では、単純ジェットフラップの構造を有する翼３について説明したが、組み合わせジェットフラップやインターナルジェットフラップの構造を有する翼に用いても構わない。

さらに、第１の実施の形態から第３の実施の形態では、翼３に発生する揚力の量を制御するためのフラップとして用いるための構造について説明した。しかし、図１４に示すように、翼３の翼根側の揚力発生方向と反対の面にフラップとして用いるための噴出口４を、翼３の翼端側の両面にエルロンとして用いるための噴出口４４を設けても構わない。また、垂直安定板４５の流体中自由運動体の進行方向と反対の端近傍の両面にラダーとして用いるための噴出口４６を設けても構わない。さらに、水平安定板４７の流体中自由運動体の進行方向と反対の端近傍の両面にエレベータとして用いるための噴出口４８を設けても構わない。このような流体中自由運動体は、噴出口４から流体を噴出させることにより揚力の量を制御することができるばかりでなく、噴出口４４、噴出口４６、噴出口４８から流体を噴出させることにより、ピッチング、ヨーイング、ローリングの３方向の姿勢制御の制御を行うことができる。

本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態を示す斜視図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の翼を示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の翼の働きを示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の翼を示す図 本発明による流体中自由運動体の第２の実施の形態の翼を示す図 本発明による流体中自由運動体の第３の実施の形態の翼を示す図 本発明による流体中自由運動体の第３の実施の形態の実験装置を示す図 本発明による流体中自由運動体の第３の実施の形態の実験結果を示す図 本発明による流体中自由運動体の第３の実施の形態の実験装置を示す図 本発明による流体中自由運動体の第３の実施の形態の実験結果を示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の変形例を示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の変形例を示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の変形例を示す図 本発明による流体中自由運動体の第１の実施の形態の変形例を示す図 従来の流体中自由運動体を示す図 従来の流体中自由運動体を示す図 従来の流体中自由運動体を示す図

符号の説明

１ 航空機
２ ボディー
３ 翼
４、２４、４４、４６、４８ 噴出口
５ 後縁部
６ 空気溜め
７ 流路
８ 補強部
９ａ、９ｂ 流れ
１０ 流体
１１ 揚力
１２ 梁
２０ 幅
２１ 長さ
２２、２３ 矢印
３１ 乱流
３２ 整流装置
３３ アタッチメント
３４ 力
３５ ロードセル
３６ 間隔
３７ 最大高さ
３８ 低速域
３９ 高速域
４０ 梁
４１ タンク
４２ 流路
４３ 整流装置
４５ 垂直安定板
４７ 水平安定板
１０１ 翼
１０２ タンク
１０３ 配管
１０４ 空気溜め
１０５ ノズル
１１１ 翼
１１２ 噴出口
１１３ 空気溜め
１１４ 流路
１１５ 後縁部

Claims (3)

1. 流体中を運動可能なボディーと、
   前記ボディーに設けられた翼と、
   前記翼の後縁近傍に開口され、流体を噴出するための複数の噴出口と、
   隣接する前記噴出口の間に設けられ、前記噴出口と前記翼の後縁との間の後縁部を補強するための補強部と、
   前記翼の表面の前記噴出口に隣接した位置に設けられ、該翼に略直交するとともに、該翼の前縁から後縁への方向が平面方向となるように設けられた板状部材と
   を有することを特徴とする流体中自由運動体。
2. 前記翼は、該翼の内部に梁をさらに有し、
   前記補強部と前記後縁部が、前記梁の少なくとも一部に固定されていることを特徴とする請求項１記載の流体中自由運動体。
3. 前記噴出口は、前記噴出口の中央部の開口幅に比べて前記噴出口の端部の開口幅が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の流体中自由運動体。

Images