JP5184884B2 - 着陸前の進入段階とその後の機首引き起こしの際に航空機の操縦性を改善する方法と装置 - Google Patents
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Description
この明細書では、“航空機の操縦性の改善”とは、航空機の操縦を容易にすることを意味する。
図5を参照すると、進入角度γは、航空機の重心Cの速度ベクトルVと水平線Hのなす角度に対応していることがわかる。
対地機体角θは、機軸Aと水平線Hのなす角度であり、迎え角αは、機軸Aと速度ベクトルVのなす角度である。これらの角度を結びつける関係は、θ=α+γである。
古典的と呼ばれるγ=−3°程度の進入角度でなされる着陸前の進入段階では、航空機の空気力学的特性は、エアブレーキが収納され、フラップが広げられ、スラットが広げられていることの結果として生じる。所定の進入速度と関連するこのような空気力学的特性では、航空機が所定の迎え角で飛行すること、したがって所定の対地機体角で飛行することが要求される。着陸を目的とした進入はたいてい古典的な−3°という進入角度でなされるため、パイロットは毎回同じ着陸を実現することに慣れていて、各着陸における迎え角及び対地機体角がほぼ似た値になる。着陸段階では、パイロットは、進入角度と迎え角の指示計に自らの注意を向けることができないため、外部環境に対する航空機の姿勢を見て、対地機体角と関係する航空機の挙動を判断する参考にする。
ある種の航空機では、エアブレーキが用いられている。エアブレーキは、一般に、翼の上面に空気力学的な制御面を構成する。エアブレーキの位置は、翼の箱形構造体の後方かつ後縁フラップの前方であり、後縁フラップの上にこのエアブレーキの後縁部が載っている。
− 引っ込んだ状態。エアブレーキは、対応する翼の上面の中に収納されていて、その上面の空気力学的な連続性を保証している。
− 広げられた2つの状態の一方。エアブレーキは、対応する翼の上面に対して傾斜した状態で突起している。
− 着陸の最終段階や、場合によっては離陸の中断時に航空機を減速させる。
− 飛行中の航空機を減速させたり、航空機の対地飛行角度を大きくしたりする。
− 着陸段階または離陸中断時にブレーキをよりよく効かせるために航空機を地表面に張りつかせる。
− 古典的な進入角度(−3°)での進入において、規定値(降下時の軌跡に関する航空機の進入角度、高度、鉛直速度)に合うよう、その規定値と実際の位置の違いを考慮してエアブレーキの回転角度を制御する(連続的に変化させる)(アメリカ合衆国特許第3,589,648号)。
− 2つの翼のエアブレーキに対して非対称に作用を及ぼして飛行中の航空機のローリングを制御する。
− 2つの翼のエアブレーキに対して非対称な作用を及ぼすことによってヨーイングのモーメントを発生させ、離陸中にエンジンが故障した影響を食い止める。
− 負荷因子が大きい(経路変更、突風)とき、翼に沿った揚力の分布を変化させることによって翼/胴体の固定端モーメントを小さくするのを助ける。
このようにエアブレーキの機能はさまざまである。
発明者は、急角度で進入する場合にこの性質を利用することを考えた。エアブレーキを広げることができるため、航空機は、都市圏に位置する空港で要請される大きな進入角度に従うことができる。
本発明は、着陸前の進入段階とその後の機首引き起こしの際に、エアブレーキを備えた航空機の操縦性を改善する方法に関する。
本発明の概略的な定義によれば、着陸前の進入段階ではエアブレーキを広げられた第1の状態にし、急角度で進入する場合には、所定の高度を表わすパラメータを考慮してそのエアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に移行させる操作を行なう。
− エアブレーキ作動手段と、そのエアブレーキ作動手段を操作する操作手段とを設けるステップと、
− 着陸前の進入段階ではエアブレーキを広げられた第1の状態にするステップと、
− 急角度で進入する場合には、所定の高度を表わすパラメータを考慮してそのエアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に移行させる操作を自動的に行なうステップを含むことを特徴とする。
実際には、エアブレーキを第1の状態から第2の状態に引っ込める操作は、着陸装置の負荷がかかるまでは不可逆的である。
さらに別の一実施態様では、エアブレーキを、完全に広げられた第1の状態から完全に引っ込んだ第2の状態まで引っ込める。
変形例では、エアブレーキを、少なくとも一部が広げられた第1の状態から少なくとも一部が引っ込んだ第2の状態まで引っ込める。
実際には、後縁フラップを第1の状態から第2の状態に広げる操作は、着陸装置の負荷がかかるまでは不可逆的である。
実際には、後縁フラップを第1の状態から第2の状態へと徐々に広げる。
例えばエアブレーキの操作と上記後縁フラップの操作は連動している。
本発明のこの別の特徴によれば、この装置は、進入段階においてエアブレーキを広げられた状態にする作動手段と、急角度で進入する場合に所定の高度を表わすパラメータを考慮して作動手段を操作してエアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に移行させる操作手段とを備えている。
手動式の一実施態様では、操作手段は手動操作式のレバーであり、作動手段は、その操作レバーからの命令に応答してエアブレーキの引っ込めを制御する計算器を備えている。
実際には、操作手段は、閾値となる高度に到達したときに操作命令を出す計算器であり、作動手段は、操作手段から出される命令に応答してエアブレーキの引っ込めを制御する計算器である。
図2の拡大図からわかるように、それぞれの翼1は、前縁部2と、後縁部3と、上面部4と、付け根部Eを備えている。
前縁部2は、少なくとも1つの高揚力スラット5で構成されている。
翼1の後縁部3は、複数の後縁フラップ6が互いに隣り合うように並置された構成になっている。
上面部4では、(翼1上での空気力学的流れに対して)後縁フラップ6の上流に複数のエアブレーキ7が配置されており、上から見たそのエアブレーキの形状は、長方形または台形である。
エアブレーキが図2と図3に示した引っ込んだ状態では、各エアブレーキ7の後縁部11が後縁フラップ6に支持され、エアブレーキ7の上面12が、翼1の上面4とフラップ6の上面13の間の空気力学的連続性を保証している。
さらに、それぞれのエアブレーキ7は、ジャッキ14からなる傾斜した脚部によって翼1の構造体9に接続されている。ジャッキ14の両端部15と16は、それぞれ、構造体9とエアブレーキ7に関節接続されている。
ジャッキ14がアクティブにされて長くなると、エアブレーキ7は、軸10を中心として徐々に回転して広がる。その状態が図4に示してある。回転角度Bに対応する広げられた状態では、エアブレーキ7により、回転角度Bに比例して揚力を小さくし、抗力を大きくすることができる。
もちろん、図4では1つの回転角度Bに対応する広げられた状態しか図示していないが、エアブレーキ7が他の回転角度に対応する別の1つまたは複数の状態を取りうることは明らかである。
実際には、着陸前の進入段階においてエアブレーキを広げられた第1の状態にし、急角度で進入する場合に、所定の高度になってからこの第1の状態よりも引っ込んだ第2の位置に移行させる操作を行なう。
例えばエアブレーキは、進入の間を通じて30°回転した状態にあり、次いで地面から40mの地点に到達したときに引っ込め始められる。機首引き起こしを開始したとき(例えば地面から20mの地点)、エアブレーキは例えば15°回転した状態であり、徐々に引っ込め続けられて、例えば10mの地点に到達したときに0°になる。
実際には、エアブレーキを第1の位置から第2の位置に引っ込める操作は、着陸装置の負荷がかかるまでは不可逆的である。
実際には、エアブレーキを引っ込める命令は、高度情報に基づいている。
Hra (ft) = Har (ft) +
[(BA (°) − BF (°))/RS (°/秒)]×Vz (ft/秒)
この式において、
BA:進入の間のエアブレーキの回転角度
BF:機首引き起こしを開始するとき(例えば60ft、すなわち18m)の望ましい回転角度
RS:エアブレーキを引っ込める速度
Vz:進入の間の鉛直方向の速度
Hra:エアブレーキを引っ込める高度
Har:機首引き起こしの高度
さらに、航空機を“通常の”空気力学的特性に戻すことで、従来の満足のゆく操縦性も再現する。
したがってパイロットは、軌道の変更を、−3°という小さな進入角度でなされる従来の進入とまったく同程度の値の対地機体角の変化として直接認識することができる。
ここではエアブレーキが引っ込んでいる。曲線CFSAは、“エアブレーキなし”(すなわち完全に引っ込んだエアブレーキ)と言われる動的な状態に対応する。
このグラフには、太線で、機首を引き起こしている間の係数の変化に対応する変化ECA1も示してある。
機首引き起こしのための迎え角α1は、機首引き起こしに必要な揚力係数Cz1に対応する。ここにCz1は、−3°という進入角度を十分に変化させる上で有用な負荷因子を発生させるのに必要な揚力係数である。α1は、例えば9.5°である。機首引き起こしの最終段階での進入角度は、例えば−1°に等しい。
機首引き起こしの間の迎え角の変化Δα1(α1−α1app)は、例えば1.5°である。
車輪が接触するときの対地機体角θ1は、例えば約8.5°である。機首引き起こしの間の対地機体角の変化Δθ1は、例えば3.5°である。
ここでは、着陸前の進入段階とその後の機首引き起こしの際にエアブレーキが広げられている。実線で示した曲線CFAAは、“エアブレーキが広げられた”と言われる動的な状態に対応する。
ここには、エアブレーキなしの曲線CFSAも点線で描いてある。
このグラフには、太線で、機首を引き起こしている間の係数の変化に対応する変化ECA2も太線で示してある。
機首引き起こしのための迎え角α2は、機首引き起こしに必要な揚力係数Cz2に対応する。ここにCz2は、−5.5°という進入角度を十分に変化させる上で有用な負荷因子を生成させるのに必要な揚力係数である。α2は、例えば12°である。
機首引き起こしの間の迎え角の変化Δα2(α2−α2app)は、例えば3°である。
ここでは対地機体角の変化Δθ2が重要であり、古典的な−3°という進入角度での進入に続く機首引き起こしの場合に観察される対地機体角の変化とは有意に異なっている。そのため航空機の操縦が難しくなる。
エアブレーキは、着陸前の進入段階とその後の機首引き起こしの間に、本発明に従い、広げられた状態(曲線CFAA)から引っ込められた状態(曲線CFSA)に移行する。1つの曲線から別の曲線へのこの移行は、エアブレーキが広げられた状態からより引っ込んだ状態に移るときの回転角度に対応する。例えばこの回転は、約5°/秒という速度で徐々になされる。
このグラフには、太線で、機首引き起こしの間の揚力係数の変化に対応する変化ECA3も示してある。
機首引き起こしのための迎え角は、ここでは、曲線CFSA上で揚力係数Cz2を得るのに必要な迎え角に対応する。すなわちα3=9.5°である。
したがって進入の際の対地機体角θ2=θ3が3.5°に等しいと、本発明により、機首引き起こしの間の迎え角の変化Δθ3として5°が得られる。
例えば後縁フラップの操作は自動的になされる。
実際には、後縁フラップは、第1の状態から徐々に第2の状態にされる。
例えばエアブレーキの操作と後縁フラップの操作は連動している。
航空機は、飛行制御用計算器CALC1を備えている。
搭乗員EQUは、選択したパラメータ(実際には飛行機の高度)を見て、エアブレーキの操作レバーLEVに対して作用を及ぼすことにより、エアブレーキの位置を手動制御する(例えば完全に収容された位置にする)。レバーの位置POSが飛行制御用計算器CALC1に送られ、それに応答してエアブレーキの回転(引っ込め)が指示される。実際には、引っ込める操作は例えば5°/秒という速度で徐々になされる。
ここにはより進化した実施態様(エアブレーキの自動的な引っ込め)が記載されており、その利点は、搭乗員の労働負荷を減らすことである。
閾値となる高度と、その高度において取るべきエアブレーキの回転角度が含まれたソフトウエアが、計算器CALC2の中に収容されている。
次に、エアブレーキを(ゼロ状態へ、またはあらかじめ決めた別の状態へと)引っ込める命令が、エアブレーキの回転角度を管理・制御する計算器CALC1に送られる。
関数Gは、高度の連続関数である。それぞれの高度にエアブレーキの1つの回転角度が対応している。
この関数に関係するソフトウエアは、計算器CALC2の中に収容される。計算器CALC2によってこのように決定されたエアブレーキの位置は、エアブレーキの位置を操作する計算器CALC1に送られる。
Claims (35)
- 着陸前の進入段階に引き続いて行われる機首引き起こしの際に、エアブレーキ(7)を備えた航空機の操縦性を改善する方法であって、
−4.5度を越える急角度の進入が要求される場合に、
着陸前の進入段階でエアブレーキを広げて広げられた第1の状態に保持し、航空機の進入段階における航空機の進入角度を得る第1のステップと、
所定の高度を表わすパラメータの関数として、エアブレーキの段階的移行を操作し、進入に引き続いて行われる航空機の機首引き起こし段階の初期に、エアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に引っ込め、航空機の機首引き起こし段階の間、航空機の進入角度をほぼ同じに保つ、第2のステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。 - 航空機が、エアブレーキ作動手段と、そのエアブレーキ作動手段を操作する操作手段とを備えており、
上記、第2のステップを自動的におこなう、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記エアブレーキをより引っ込んだ位置へ移動する操作が、通常の−3度の進入角度の後の通常の機首引き起こし段階を有する航空機と同等な外部参照物を利用した機首引き起こしが得られるように実現される、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 上記エアブレーキを徐々に引っ込める、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 上記エアブレーキを、完全に広げられた第1の状態から完全に引っ込んだ第2の状態まで引っ込める、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 上記エアブレーキを、少なくとも一部が広げられた第1の状態から少なくとも一部が引っ込んだ第2の状態まで引っ込める、ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 航空機が後縁フラップを備えており、
着陸前の進入段階ではその後縁フラップを広げられた第1の状態にし、
前記急角度で進入する場合には、所定の高度を表わすパラメータを考慮してその後縁フラップをその第1の状態よりも広げられた第2の状態にするステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 - 上記後縁フラップの操作を自動的に行なう、ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 上記後縁フラップを徐々に広げる、ことを特徴とする請求項7または8に記載の方法。
- エアブレーキの操作と後縁フラップの操作とが連動して行われる、ことを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
- エアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に移行させる操作が航空機のエンジン出力の調整を伴わない、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 機首引き起こし段階を通じ、エアブレーキを第2の状態からさらに引っ込んだ状態に徐々に引っ込める、ことを特徴とする請求項1から4、および、6から11のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の状態からさらに引っ込んだ状態が完全に引っ込んだ状態である、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 機首引き起こし段階の間はエアブレーキを徐々に引っ込める動作を逆に戻すことなく行う、ことを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- エアブレーキを広げるステップの後は着陸装置が着地するまでエアブレーキの広がりを増大させない、ことを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- 進入角度が−5.5度、迎え角が9度で進入した際の引き起こしの迎え角の変化が0.5度である、ことを特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の垂直降下速度の関数として命令される、ことを特徴とする請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の機首引き起こしの高さの関数として命令される、ことを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の機首引き起こしの開始時に命令される、ことを特徴とする請求項18に記載の方法。
- −4.5度を越える急角度の進入が要求される場合に、着陸前の進入段階に引き続いて行われる機首引き起こしの際に、エアブレーキを備えた航空機の操縦性を改善する装置であって、
作動手段(CALC1)であって、上記エアブレーキを展開するとともに進入段階の間エアブレーキを第1の状態に保持して、航空機の進入段階の間の航空機の進入角度を得る作動手段(CALC1)と、
操作手段(CALC2)であって、所定の高度を表わすパラメータを考慮して作動手段を操作するようにプログラムされ、前記急角度での進入に引き続く航空機の機首引き起こし段階の初期に、エアブレーキを第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に引っ込め、航空機の機首引き起こし段階の間、航空機の進入角度をほぼ同じに保つ、操作手段(CALC2)と、
を具備する、
ことを特徴とする装置。 - 上記操作手段(CALC2)が手動操作式の操作レバーを含み、上記操作手段(CALC2)が、その操作レバーが発する命令に応答して上記エアブレーキの引っ込めを制御する計算器を備える、
ことを特徴とする請求項20に記載の装置。 - 上記操作手段(CALC2)が、閾値となる高度に到達したときに操作命令を出す計算器であり、
上記作動手段(CALC1)が、上記操作手段(CALC2)から出される命令に応答して上記エアブレーキの引っ込めを制御する計算器である、
ことを特徴とする請求項21に記載の装置。 - 上記操作手段(CALC2)が、進入段階において上記エアブレーキを自動的に広げられた状態にし、
前記急角度で進入する場合には、上記操作手段(CALC2)が、所定の高度を表わすパラメータを考慮して第1の状態よりも引っ込んだ第2の状態に自動的に移行させる、
ことを特徴とする請求項20から22のいずれか一項に記載の装置。 - 上記操作手段(CALC2)が、高度を考慮して(G)命令を出す計算器であり、
上記作動手段(CALC1)が、上記操作手段(CALC2)から出される命令に応答して上記エアブレーキの引っ込めを制御する計算器である、
ことを特徴とする請求項23に記載の装置。 - 上記エアブレーキを、完全に広げられた第1の状態から完全に引っ込んだ第2の状態まで引っ込める、ことを特徴とする請求項20から24のいずれか一項に記載の装置。
- 上記エアブレーキを、少なくとも一部が広げられた第1の状態から少なくとも一部が引っ込んだ第2の状態まで引っ込める、ことを特徴とする請求項20から25のいずれか一項に記載の装置。
- 航空機が後縁フラップを備えており、
着陸前の進入段階ではその後縁フラップを広げられた第1の状態にし、
前記急角度で進入する場合には、所定の高度を表わすパラメータを考慮してその後縁フラップをその第1の状態よりも広げられた第2の状態にする、
ことを特徴とする請求項20から26のいずれか一項に記載の装置。 - エアブレーキの操作と後縁フラップの操作とが連動されている、ことを特徴とする請求項27に記載の装置。
- 機首引き起こし段階の間、エアブレーキを第2の状態からさらに引っ込んだ状態に徐々に引っ込める、ことを特徴とする請求項20から28のいずれか一項に記載の装置。
- 第2の状態からさらに引っ込んだ状態が完全に引っ込んだ状態である、ことを特徴とする請求項29に記載の装置。
- エアブレーキの広げの角度をエアブレーキを広げた後は着陸装置が着地するまで増加させないようにして作動の逆戻りがない、ことを特徴とする請求項20から30のいずれか一項に記載の装置。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の垂直降下速度の関数として命令される、ことを特徴とする請求項20から31のいずれか一項に記載の装置。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の機首引き起こしの高さの関数として命令される、ことを特徴とする請求項20から32のいずれか一項に記載の装置。
- エアブレーキを引っ込める動作が航空機の機首引き起こしの開始時に命令される、ことを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 請求項20から34のいずれか1項に記載の装置を備える、ことを特徴とする航空機。
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